冯建平 康志敏 吴丽华

摘   要：利用zSpace虚拟现实技术仿真真实情景，供学习者观察和学习，通过实验，使学习者获得VR课堂的体验与启发，从而教导学生通过虚拟现实完成课堂实验。文章从学校科学课进行设计，将传统科学课课堂和利用虚拟现实技术的科学课课堂进行对比分析，引出虚拟现实技术对于科学课的重要性和必要性。

关键词：虚拟现实;学校科学课;应用;对比分析

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术中的增强现实（Augmented Reality，AR）可以被定义为一个满足以下3个基本特征的系统：真实和虚拟世界的融合、实时交互、虚拟和真实物体在3D空间中的精确匹配。应用中它将虚拟三维模型动画、视频、文字、图片等数字信息实时叠加显示到真实场景中，用户可在现实环境中与虚拟信息实现人机自然交互。虚拟现实的范围很广，包括增强现实，是广义虚拟现实的扩展，但是现在常把虚拟现实技术和AR并列提出，由于AR较VR更加强调现实和虚拟的融合，在游戏、娱乐等方面应用广泛，本文主要探讨增强现实在教育方面的应用与实践体会，关注的问题主要体现在：（1）抽象的学习内容可视化、形象化。（2）支持泛在环境下的情景式学习。（3）提升学习者的存在感、直觉和专注度。（4）使用自然方式交互学习对象。（5）传统学习与新型学习相结合等问题。与Flash课件和其他3D建模软件相比，本文基于zSpace虚拟现实技术的软件具有实现虚拟现实技术的效果和方便的交互性，因此逐渐被应用到教育中，使学生学习探究更直接、更自然[1]。

基于zSpace虚拟现实技术的软件系统作为教师教学和学生学习的媒体效果，为更好地辅助教师完成教学任务，本团队设计一套教学模式，用于表达在创设真实情景的条件下，分析虚拟现实学生学习探究的影响，设计的教学过程模型如图1所示。

1    基于虚拟现实技术的学习方案的设计思路

基于虚拟现实的教学应用场景有很多种，如教学情境导入、体验与验证、操作与训练、自主探究等，那么关于自主探究式的学习方案的设计（见图2）主要分为4个部分：确定学习目标、创设问题情景、设计探究支架、总结与反思。

对于学生来说，有许多抽象的经验是不能理解的，那么在过去的教学中，老师是将抽象的经验转化为观察的经验，这样学生可以对抽象的经验有一些较深的了解，随着素质教育的提出以及国家政策的颁发，越来越强调培养学生的操作能力、创新能力。通过记忆学习金字塔（见图3）可以得出如下结论：“我听了，我忘了”“我看了，我记住了”“我做了，我明白了”。这也是为什么传统的教学正在转向自主探究式教学，传统的学习方式转变为自主探究式学习。虚拟现实技术带来的是将抽象的经验转化为做的经验，从而达到“我做了，我明白了”。将虚拟现实技术与自主探究式学习相结合，无异于“锦上添花”。在确定学习目标时，可以将目标定得更具体，而不只局限于了解;在创设问题情境时可以更丰富;在设计探究支架时可以选择更多的操作;在总结时可以让学生有更深的体会和更多的思考[2]。

2    基于虛拟现实技术的学习方案的设计原则与目标

虚拟现实技术应用于教学，要将以学生为中心的教育理念为指导，提倡混合式的教学方式，注重学习的过程，敢于让学生犯错，让他们尝试不同的方案，同时学习方案的设计要进行转变，体现知识传播者就是学习活动设计者、学习资源使用者就是学习资源创作者、抽象经验能与做的经验相互结合。学习目标设计上也要充分体现知识与技能、过程与方法、情感态度价值观的培养，使学生全面发展[3]。

3    教学实验环境搭建

本文在搭建基于zSpace虚拟现实技术实验教学环境的平台中，选择某学校3个班，授课12节，每节课平均学生约42人，配备zSpace虚拟实验机7台，1台教师用PC机，10台学生用PC机，4～5人每组使用一台机器，需要的设备还有交互式电子白板和普通黑板。

研究分析过程参考Guay等编制的学生动机量表设计了听课质量评价量表（学生用表），评价主要分为自评、同伴互评、师评3个部分，每一个部分设定多条评价准则，每条准则分为5个等级，制作一个总表（教师用表）来计算均值以便教师统计，并根据每节课不同的授课内容进行部分改变，以便学生进行自评。

4    虚拟现实技术与学生听课质量相关性分析

在几个月教学实验研究过程中，采用对比分析的手段，选择3个班级通过对于学生听课质量的变化得出虚拟现实技术与听课质量的相关性，首先，构建思维导图来将学生听课质量的因素分类，从各个因素出发研究，以便于研究的准确性和具体性。根据布鲁姆教学目标（布鲁姆教学目标共分3大类：认知领域、情感领域、动作技能领域）以及三段式评价模型（三段式评价模型主要分为前期评价、过程评价、总结评价），在本研究中将学生听课质量影响因素分为6类：（1）与教师互动的情况。（2）课程预习单的完成程度。（3）课堂注意力。（4）课堂的学习兴趣和动力。（5）任务完成度。（6）小组合作状态。其中，（2）（5）为认知领域，（1）（3）为动作领域，（4）（6）为情感领域。为每个因素设计一个或多个问题，根据里克特量表5级原理设定，每个问题分为5级并做了一些变形，计算统计和量化实验结果，从而使得分析更加准确。

实践研究实施过程中，针对研究对象四年级的学生所具有的特征：学习者自身方面特征，此阶段的学生不像一二年级的那么懵懂，有了自己的意识和判断，常常会因为自己的想法与别人有不同所以会产生逆反心理。意志力又不够坚定，很容易就会有挫败感，从而丧失信心感到颓废。学习方面的特征，该阶段的学习者，接触到的知识增多，学习内容的难度加大，同学之间的差距会相较于之前大了一些，竞争的心理和旺盛的求知欲会让学习者有一股不怕输不服输的特点。因此在实验中，要结合学生的特征，将这些因素的影响降到最小，以保证调查的准确性以及科学性。实践研究过程中对量表的处理，就量表效度与信度进行分析，建构效度反映能够测量出理论的特质或概念的程度，为检验问卷是否具备结构效度，最常用的方法是因子分析法。根据学者Kaiser观点，如果KM0的值在0.70以上，代表题项变量间的关系是适中的;Bartlett球形检验达显著时，代表母群体的相关矩阵间有共同因素存在，适合进行因子分析25。

信度是指測验或量表工具所测得结果的稳定性及一致性。本研究采用克隆巴赫（Cronbach）α信度系数进行信度评价;一般而言，Cronbach α系数在0.7～0.8之间表示内部一致性较好，可以接受;在0.8～0.9之间表示理想，信度很高。信度评价如表1所示，课堂听课质量相关因素对比如图4所示。

5    虚拟现实技术学习效果分析

经过数据分析，基于zSpace虚拟现实技术应用于课堂，对于学生科学课的听课质量有一定影响，且能够提高学生的体验感，主要体现在以下几方面：

（1）沉浸式学习，借助虚拟现实技术，学生可以“现场”体验现实生活中很难或无法体验的场景，抽象概念的缺陷被弥补，能够更容易理解，对于学习有整体性的感受，这使得学习者轻松愉悦的学习。

（2）交互式学习，基于zSpace虚拟现实技术不但可以再现真实场景，还具有很强的交互性，能够实现电脑和学生相互交互，创造个性化学习环境，学生探索在课程融合的基础上进行，自由、开放、创新、充满乐趣。

（3）高效率学习，一方面，虚拟现实技术能够“占领”学生的视觉、听觉甚至触觉等多个感觉通道，多感官的参与可以提高学习效率。另一方面，虚拟现实技术切断了学生与周围世界的感官联系，让学生“沉浸”在与学习内容的交互过程中，隔离了外界干扰。学生可将各个学科融合到一个探究之中，学习者免除了学习单一学科的枯燥，加强了各个学科之间的关联，提高了科学素养，实现了素质教育。

通过基于zSpace虚拟现实技术的课堂实践活动与分析，感受到教学活动要体现以学习者为中心，教学设计要创设真实教学情景，并最大限度地与各学科的融合，让学生在学到知识的同时，体现出学习者的自主性、目标感和必备能力。

[参考文献]

[1]李建生.小学科学课结合虚拟现实技术进行教学的应用研究—以信息技术辅助系统教学评价为例[J]课程教育研究，2018（13）：174.

[2]郭陶陶 尚雪峰.初等教育专业学生科学实验技能的训练与提高[J]长春师范学院学报，2014（2）：177-179.

[3]郭腾.创设虚拟学习情境 丰富小学科学课堂[J]中国现代教育装备，2009（12X）：2.

Application and analysis of school science class based on zSpace virtual reality technology

Feng Jianping， Kang Zhimin， Wu Lihua

（Hainan Normal University， Haikou 570100， China）

Abstract：Using the virtual reality technology of zSpace to simulate the real situation， for the learners to observe and study， through the experiment， the learner can obtain the experience and the inspiration of the VR class， so as to teach the students to complete the classroom experiment through the virtual reality. This paper， from the design of the school science class， compares the traditional science class class and the science class classroom with the virtual reality technology， and educes the importance and necessity of the virtual reality technology to the science class.

Key words：virtual reality; school science; application; comparative analysis