王珠珠

【摘 要】近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到教育領(lǐng)域中。本文以zSpace作為研究對(duì)象，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用、zSpace的硬件設(shè)備、軟件工具及其STEAM課程進(jìn)行介紹分析，并對(duì)zSpace在教育中的應(yīng)用情況進(jìn)行討論，梳理出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中交互學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)和存在的問題，探討新興技術(shù)在教育中的支持作用，希望對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的不斷完善提供借鑒和幫助。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；zSpace；教學(xué)活動(dòng)；交互學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2017）09-0076-04

虛擬現(xiàn)實(shí)，是一種基于多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)的沉浸式交互環(huán)境，借助一些設(shè)備使人產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。zSpace作為近年來新興的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)備，發(fā)展迅速。它主要致力于教育、醫(yī)療和培訓(xùn)等領(lǐng)域，結(jié)合其自身虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，可以更好地展現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容，并且有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提升教學(xué)效果。zSpace一體機(jī)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給體驗(yàn)者創(chuàng)造了高度的沉浸感、交互感，相對(duì)于之前在書本上呈現(xiàn)知識(shí)，是對(duì)傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式的巨大改革。zSpace以其交互切轉(zhuǎn)自然、場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)自由、內(nèi)容可視化、環(huán)境虛擬化、操控自如、體驗(yàn)真實(shí)等特點(diǎn)，獲得了越來越多的教師和學(xué)生的青睞。

zSpace硬件、軟件介紹

1. zSpace的硬件產(chǎn)品（如圖1）

（1）顯示器：24英寸高清顯示器采用zSpace頭部跟蹤立體顯示技術(shù)，可以通過調(diào)整zSpace支架的角度來調(diào)整視角舒適度。

（2）zSpace眼鏡：zSpace使用需要佩戴3D眼鏡，這樣才可以看到立體效果，此眼鏡含反光點(diǎn)，跟蹤攝像頭用這些反光點(diǎn)來識(shí)別頭部位置。zSpace還配備有不帶反光點(diǎn)的2D眼鏡，觀察者可以佩戴這種眼鏡，而不會(huì)干擾跟蹤。

（3）zSpace觸筆：使用觸筆按鍵可以與場(chǎng)景中的對(duì)象交互?？梢宰屖褂谜咴诹鶄€(gè)自由度輕松使用，使用者可以用觸筆進(jìn)行六個(gè)自由度交互，而鼠標(biāo)的使用和普通計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)并沒有差別。

（4）鍵盤、鼠標(biāo)：可以將鼠標(biāo)和鍵盤與傳統(tǒng)的2D應(yīng)用程序以及支持鼠標(biāo)和鍵盤輸入的3D應(yīng)用程序配合使用。

（5）zView：通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，zView能把主操作者的zSpace體驗(yàn)分享給更多的觀眾，可以投影到任何2D投影機(jī)、顯示器或者電視上。產(chǎn)品包括：zView軟件、攝像機(jī)、攝像機(jī)的安裝支架。它具有很多特點(diǎn)，如分享體驗(yàn)：zView提供一種方式可以與他人分享體驗(yàn)過程。多種顯示模式：增強(qiáng)模式，以固定視角顯示場(chǎng)景，有凸出屏幕效果；標(biāo)準(zhǔn)模式，以人眼視角顯示場(chǎng)景，平面效果。錄制：錄制課程講解以及學(xué)習(xí)過程，方便回顧。

（6）zSpace硬件產(chǎn)品特點(diǎn)

頭部追蹤：高保真的立體效果，圖像可以隨著眼鏡在跟蹤區(qū)域內(nèi)的位置變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得圖像保持真實(shí)度，更有利于使用者觀察，也體現(xiàn)了產(chǎn)品的人性化。跟蹤系統(tǒng)幫助3D應(yīng)用程序提供逼真的、身臨其境的體驗(yàn)。當(dāng)你的眼鏡移動(dòng)時(shí)，該應(yīng)用程序會(huì)調(diào)整視角，就像現(xiàn)實(shí)生活中的視野改變。

交互：跟蹤攝像頭能夠確保觸筆與跟蹤區(qū)域內(nèi)的虛擬物體進(jìn)行交互操作，zSpace軟件能利用使用者的姿態(tài)數(shù)據(jù)與虛擬世界進(jìn)行交互。

2. zSpace的軟件工具

（1）素材包：超過1000個(gè)模型（歷史文物、建筑、考古學(xué)、人體解剖、太陽系、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、工藝、交通工具、雕塑）；擴(kuò)充模型庫；多種模型操作工具（量尺、拆解、切片、標(biāo)簽）；導(dǎo)入專屬的3D模型。

（2）學(xué)科、藝術(shù)軟件

zSpace STEAM課程軟件家族成員越來越多，除了Studio（工作室）、牛頓公園、富蘭克林實(shí)驗(yàn)室、虛擬科學(xué)，還有2016年加入的Leopoly（美術(shù)軟件）、可視化人體、居里夫人元素、歐幾里得模型。

① zSpace Studio。包括zSpace基礎(chǔ)平臺(tái)；可擴(kuò)展的模型圖庫如科學(xué)等；提供發(fā)現(xiàn)工具：支配、解剖、切割、標(biāo)簽；可引入自己的3D模型。

② 人體解剖圖譜。這是一個(gè)屢獲殊榮的人體解剖學(xué)通用參考資料。該應(yīng)用程序是用于探索人體系統(tǒng)的革命性3D可視化和學(xué)習(xí)工具。它包含4600多種解剖結(jié)構(gòu)，包括男性和女性身體的所有主要器官和系統(tǒng)。同時(shí)，還有1200多道測(cè)試題目。該應(yīng)用程序面向醫(yī)療保健專業(yè)人員、患者、學(xué)生以及對(duì)人體解剖學(xué)詳細(xì)可視化感興趣的所有其他人員。教師和學(xué)生可以用zView通過投影機(jī)或輔助顯示器呈現(xiàn)人體解剖圖集內(nèi)容。

解剖實(shí)驗(yàn)室使用zSpace具有如下好處。a.解剖標(biāo)本不受限制：在學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)時(shí)人體標(biāo)本的作用十分重要，但人體標(biāo)本的供應(yīng)很受限制，較難獲得，而且也不容易存儲(chǔ)和處理。人體解剖圖譜中多樣化的虛擬標(biāo)本模型可以無限次數(shù)地使用。b.能夠檢驗(yàn)具有生命體征的系統(tǒng)：傳統(tǒng)解剖人體標(biāo)本時(shí)，學(xué)生無法觀察到活的生物體的系統(tǒng)運(yùn)作方式。人體解剖圖譜中學(xué)生既可以對(duì)單個(gè)器官進(jìn)行觀察，也可以探究整個(gè)系統(tǒng)的功能。學(xué)生使用時(shí)能夠旋轉(zhuǎn)模型標(biāo)本，獲得關(guān)于特定人體系統(tǒng)的知識(shí)性信息，并且觀察多個(gè)人體組織之間的相互作用。c.不怕犯錯(cuò)：在傳統(tǒng)的解剖課上，學(xué)生使用外科手術(shù)刀時(shí)一旦犯錯(cuò)，標(biāo)本上的破壞就無法彌補(bǔ)。d.更好的教學(xué)效果：最新的研究發(fā)現(xiàn)，使用模擬實(shí)驗(yàn)室后，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有明顯的提升，當(dāng)傳統(tǒng)教學(xué)方法與數(shù)字技術(shù)結(jié)合時(shí)，效果更是有明顯的提升。中山醫(yī)科大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院已經(jīng)將zSpace一體機(jī)運(yùn)用到醫(yī)學(xué)教學(xué)中，學(xué)生們可以運(yùn)用zSpace一體機(jī)的電子筆，將軟件內(nèi)的人體肌肉、骨骼模型進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)、放大、拆解，清楚地觀察每一部分。

③ 富蘭克林實(shí)驗(yàn)室。富蘭克林實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中研究電路，教師可以設(shè)置、保存電學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生反復(fù)研究。許多電學(xué)實(shí)驗(yàn)里都會(huì)存在各種各樣的危險(xiǎn)，而學(xué)校在教授知識(shí)的同時(shí)，也總是想要保護(hù)自己的學(xué)生們。zSpace虛擬世界中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，為同學(xué)們提供了一個(gè)安全又充滿想象的平臺(tái)，學(xué)生可以在上面做各種電學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到逼真的效果，又不用擔(dān)心會(huì)造成傷害。豐富的素材和課件，更直觀的電路圖，虛擬環(huán)境下的操作，給同學(xué)們更安全更有效的學(xué)習(xí)環(huán)境。

④ 虛擬科學(xué)3D。從生物概念到機(jī)械系統(tǒng)（如圖2），虛擬科學(xué)3D是精細(xì)、交互體驗(yàn)的全面方案。通過結(jié)合zSpace的現(xiàn)實(shí)世界虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)與虛擬科學(xué)3D的解剖學(xué)、科學(xué)和生理學(xué)軟件，可以給使用者提供逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，并能夠根據(jù)課程和學(xué)生需要提供個(gè)性化體驗(yàn)。

⑤ 3D藝術(shù)設(shè)計(jì)。Leopoly的操作非常簡(jiǎn)單，給低年級(jí)的學(xué)生提供3D藝術(shù)模型、展示藝術(shù)設(shè)計(jì)的平臺(tái)，幫助他們創(chuàng)建、定制和準(zhǔn)備模型。提供了一個(gè)舒適的早期培訓(xùn)場(chǎng)所，向?qū)W生介紹3D創(chuàng)作世界，并為3D打印準(zhǔn)備數(shù)字對(duì)象，使得任何人都可以成為3D設(shè)計(jì)師。學(xué)生可以瀏覽3D模型以獲得靈感，然后自定義或設(shè)計(jì)原創(chuàng)對(duì)象。

除了以上軟件，zSpace STEAM課程軟件中的牛頓公園讓學(xué)生進(jìn)行虛擬的力學(xué)試驗(yàn)，可視化力的作用；歐幾里得圖形提供了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的教具。供教師指導(dǎo)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)；居里元素互動(dòng)元素周期表包含每個(gè)元素玻爾和原子模型，原子生成器允許學(xué)生添加質(zhì)子、中子和電子來創(chuàng)建原子。這些軟件涵蓋的課程從小學(xué)到高中，學(xué)科從生物、物理、化學(xué)、地理、歷史、數(shù)學(xué)到藝術(shù)設(shè)計(jì)等，多門學(xué)科均有配套教案，減輕了教師備課壓力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

zSpace在教育中的應(yīng)用

相對(duì)于VR眼鏡的完全虛擬性，zSpace一體機(jī)為學(xué)生提供了一種虛擬和現(xiàn)實(shí)結(jié)合的場(chǎng)景，不僅給學(xué)生一種身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還能輕松地切換到現(xiàn)實(shí)世界中。zSpace觸筆能將軟件中的圖像從顯示屏中拖拽出來進(jìn)行六個(gè)自由度隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，部分應(yīng)用程序還匹配有多種感知反應(yīng)，例如學(xué)生操作心臟模型時(shí)，可以看到心臟有規(guī)律的跳動(dòng)，并且能聽到心臟跳動(dòng)的聲音。

美國有關(guān)方面的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，在美國使用zSpace產(chǎn)品進(jìn)行教學(xué)的學(xué)區(qū)有100多個(gè)。Katie Farley是Los Altos學(xué)區(qū)卡溫頓小學(xué)的STEAM老師，她認(rèn)為學(xué)生們喜歡用zSpace進(jìn)行學(xué)習(xí)，是因?yàn)樗麄冇X得這樣的學(xué)習(xí)很有趣。教師和學(xué)校管理層之所以選擇zSpace，是因?yàn)樗梢愿淖儌鹘y(tǒng)的教學(xué)方式，創(chuàng)造一個(gè)逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生們可以用zSpace來探索傳統(tǒng)課堂上無法自主獲得的奧秘。比如學(xué)生可以觀察拆解逼真的火山模型也可以制作物理電路板，而且完全不用擔(dān)心電路會(huì)燒毀。這種學(xué)習(xí)方式相對(duì)之前有了很大的改變，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率提高了，學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量自然有了很大的提高。

不久前，北京的一所小學(xué)使用zSpace開展了兩堂公開課 ——《認(rèn)識(shí)心臟》《我是考古學(xué)家》。在《我是考古學(xué)家》的課堂上，教師跟學(xué)生一起認(rèn)識(shí)了猛犸象，先是簡(jiǎn)單介紹遠(yuǎn)古時(shí)代的生活環(huán)境，運(yùn)用講故事的方式進(jìn)行課程導(dǎo)入，讓學(xué)生對(duì)猛犸象有初步的認(rèn)知。接著，老師讓學(xué)生運(yùn)用zSpace里的軟件工具資源，對(duì)猛犸象進(jìn)行觀察認(rèn)識(shí)、自主探究，學(xué)生展現(xiàn)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣。之后教師運(yùn)用提問、討論、回答的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生們注意力高度集中，非常積極地參與到學(xué)習(xí)中，課堂氣氛很活躍。

在《認(rèn)識(shí)心臟》的課程中，學(xué)生們?cè)谔摂M3D空間中全方位學(xué)習(xí)觀察心臟結(jié)構(gòu)，對(duì)比各個(gè)組織結(jié)構(gòu)的不同。與教師講解的傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，zSpace增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手能力。學(xué)生可以自主對(duì)心臟進(jìn)行觀察、解剖，既對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，也加深了對(duì)知識(shí)的理解。zSpace將抽象的、微觀的、現(xiàn)實(shí)生活中不容易實(shí)際觀察到的客觀世界，都轉(zhuǎn)化為可全方位仔細(xì)觀察的、可操作的模型，使得學(xué)習(xí)更加真實(shí)化，激發(fā)學(xué)生的探索能力，不僅使學(xué)習(xí)內(nèi)容更加豐富，學(xué)習(xí)效果也得到了很大的提升。教師和學(xué)生在交互的學(xué)習(xí)狀態(tài)中，學(xué)習(xí)的內(nèi)容不僅在存在于自我的想象之中，而且以直觀形象的方式展現(xiàn)出來，使原本抽象的問題簡(jiǎn)單化，學(xué)習(xí)過程也不再乏味，整個(gè)課堂生動(dòng)有趣。教師、學(xué)生、zSpace平臺(tái)三方之間的互動(dòng)，讓學(xué)生在交互體驗(yàn)中輕松地掌握知識(shí)，而不再是傳統(tǒng)意義上的簡(jiǎn)單講述和傾聽。與其他如頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品將人與現(xiàn)實(shí)分離開來的形式不同，zSpace能夠滿足使用者之間的交互和小組協(xié)作學(xué)習(xí)，使用者在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行自主操作式、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，不再需要擔(dān)心物質(zhì)成本消耗、學(xué)習(xí)資源的浪費(fèi)、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性和實(shí)驗(yàn)失敗導(dǎo)致的惡劣后果，因?yàn)樵谶@里，使用者能夠輕松修改錯(cuò)誤，并且能夠發(fā)揮想象力進(jìn)行自主探究式的學(xué)習(xí)。

zSpace在教育中的應(yīng)用分析

作為世界上成熟的桌面沉浸式3D虛擬交互學(xué)習(xí)平臺(tái)，完全脫離傳統(tǒng)鼠標(biāo)的創(chuàng)新交互模式，可以幫助學(xué)生沉浸在虛擬3D世界中進(jìn)行學(xué)習(xí)探究及實(shí)驗(yàn)。在zSpace STEAM教學(xué)中，課程融合的教育理念體現(xiàn)在產(chǎn)品的使用中，學(xué)生可以自主完成比較感興趣的項(xiàng)目，在動(dòng)手操作的學(xué)習(xí)過程中既培養(yǎng)了動(dòng)手實(shí)踐能力，也掌握了多種學(xué)科的知識(shí)。zSpace STEAM教學(xué)可以滿足個(gè)體差異化教學(xué)，并且注重學(xué)生創(chuàng)新、拓展性思維訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生與人合作的能力，鍛煉了動(dòng)手能力以及學(xué)生潛力的開發(fā)等。研究表明，通過立體視覺呈現(xiàn)教學(xué)材料來促進(jìn)教育的發(fā)展是很有意義的，可以幫助孩子們提高學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)的認(rèn)知是觀看立體投影的3D教學(xué)片可以幫助學(xué)生理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)，接近現(xiàn)實(shí)的立體效果很大程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而，當(dāng)可交互的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)以后，我們發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的交互性恰好滿足教學(xué)需求，學(xué)生不僅需要看，更需要?jiǎng)邮植僮?。在美國的各個(gè)州均有學(xué)校引進(jìn)了最新的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)產(chǎn)品，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了教師與學(xué)生的互動(dòng)性，大幅度提升了學(xué)生的內(nèi)容留存率，讓學(xué)習(xí)更為生動(dòng)有趣。同時(shí)，該技術(shù)也為STEAM教育的信息融合提供了可能性，因此深受廣大學(xué)生和教師的喜愛，立體顯示技術(shù)將成為是一種普遍使用的教育工具。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)教育事業(yè)越來越多地關(guān)注和投入。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)習(xí)所用已經(jīng)是一種不可阻擋的趨勢(shì)，它能夠使學(xué)習(xí)者感受到高度虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)的交互和沉浸感，且具有提供情境、支持協(xié)作、促進(jìn)自主學(xué)習(xí)等作用。由于其新奇性及高度的沉浸感，使得學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)有了很大的提高。但是受到學(xué)校資源、教學(xué)時(shí)間、教師和學(xué)生的信息技術(shù)水平的約束，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用還是會(huì)出現(xiàn)很多的問題，所以還需要社會(huì)各界人士的努力和對(duì)教育事業(yè)的支持。zSpace立足校園教育的實(shí)際場(chǎng)景，通過交互性加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和空間想象能力，相信未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中會(huì)有越來越多的應(yīng)用。

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