周 婕

（廣東省外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510640）

當(dāng)下，世界正經(jīng)歷著一場以數(shù)字媒體技術(shù)發(fā)展為主流的科學(xué)技術(shù)革命.一方面，無論主動與否，當(dāng)前的教育已經(jīng)被裹挾著進(jìn)入到技術(shù)時代，教育已經(jīng)與技術(shù)和各種智能平臺產(chǎn)生了深度融合，產(chǎn)生了新的教育秩序和教育生態(tài)[1]；另一方面，人工智能和虛擬現(xiàn)實等前沿技術(shù)以其獨特的交互手段和技術(shù)優(yōu)勢，為具身學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)提供了技術(shù)載體，也為具身學(xué)習(xí)開辟了更為廣闊的應(yīng)用空間[2].教育信息化也進(jìn)入新的發(fā)展轉(zhuǎn)型期[3].因此，如何跨越因正確地使用技術(shù)、基于信息技術(shù)的學(xué)習(xí)能力和信息素養(yǎng)差異而造成的新數(shù)字鴻溝[4]，與現(xiàn)有教學(xué)機(jī)制深度融合，成為了當(dāng)下數(shù)字媒體技術(shù)課堂教學(xué)的一個重要研究課題.

1 研究基礎(chǔ)

1.1 技術(shù)基礎(chǔ)

全息顯示技術(shù)可以將影像投射到半透明介質(zhì)上形成一種開放式的立體視覺效果，適合多人同時觀看，是當(dāng)下結(jié)構(gòu)最簡單、性能最穩(wěn)定、使用門檻最低的裸眼3D 解決方案，其中四面體式全息柜，可以從不同方向看到同一物體的不同角度，具有強(qiáng)烈的仿真感.雖然國內(nèi)的全息課堂應(yīng)用案例不多，但國外的多項研究報告顯示了全息技術(shù)作為教學(xué)媒介的優(yōu)勢，如美國肯特州立大學(xué)Hyangsook Lee 的研究發(fā)現(xiàn)全息可以使學(xué)生提高專注力并處于一個具有吸引力的環(huán)境中，進(jìn)而建立自己的學(xué)習(xí)過程[5]；麻省理工媒體實驗室的Walker RA 認(rèn)為全息的小組參與特性可以幫助學(xué)生通過探討知識的共性建立一種社會化紐帶[6]；劍橋大學(xué)的Secord JA 則稱贊全息是快速而神奇的科學(xué)塑造者[7].此外，多位不同學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)者也嘗試全息技術(shù)的課堂應(yīng)用研究并給出了積極、肯定的評價[8-9].

1.2 理論基礎(chǔ)

拋錨式教學(xué)法（Anchored Instruction）著重訓(xùn)練學(xué)生對事物本質(zhì)的理解，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生解決問題的能力及高效率學(xué)習(xí)移遷能力的培養(yǎng)，基于其理論模型，筆者所在的教研組采用Unity 3D 以全息格式開發(fā)了一系列幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系推演動畫，希望學(xué)生能通過這些動畫推導(dǎo)出幾何體關(guān)系變化的本質(zhì)，同時為了避免這種強(qiáng)調(diào)自行摸索的方式為學(xué)生帶來認(rèn)知負(fù)荷[10]，在制作過程中也參考了情感導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)（ATS）的理論知識進(jìn)行題目分類.研究發(fā)現(xiàn)，積極情緒會對學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極影響，消極情緒則分散學(xué)生注意力，進(jìn)而導(dǎo)致淺層學(xué)習(xí)發(fā)生[11].一些實驗也表明，如果教輔系統(tǒng)能與學(xué)習(xí)者的情感狀態(tài)互動，則更有助于提高學(xué)習(xí)成就感及促進(jìn)學(xué)生感知能力[12].因為知識不僅是一個結(jié)果，也是一個過程，還是一種精神狀態(tài).知識的獲得是一種“整體性學(xué)習(xí)”[13].

2 實驗方法

2.1 實驗?zāi)康呐c內(nèi)容設(shè)計

全息作為教輔工具結(jié)合對應(yīng)的教學(xué)素材，相對于傳統(tǒng)板書教學(xué)模式，可以為學(xué)生的幾何知識學(xué)習(xí)效率和認(rèn)知情感帶來更優(yōu)的體驗.

為此教研組設(shè)計了兩組幾何測試題，第一組21 道題側(cè)重評估實驗對象的觀察分析能力；第二組14 道幾何題則側(cè)重考核實驗對象獲取和分析有關(guān)信息的推理能力、學(xué)習(xí)遷移能力.兩組題的知識點覆蓋廣東省小學(xué)階段的主要幾何考點.

2.2 全息硬件及實驗對象

本次使用的四面體式全息柜及題目內(nèi)容均由廣東省外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院交互多媒體與虛擬現(xiàn)實工作室制作.幾何內(nèi)容在全息柜中展示時，學(xué)生除了可以從不同角度直觀查看幾何形體演變之外，還可以通過Leap Motion 體感控制器互動，如翻轉(zhuǎn)、拆組幾何體.

實驗對象來自廣州一家培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，在征得家長及學(xué)生本人同意后，由培訓(xùn)機(jī)構(gòu)從不同興趣班報名的191 名小于9 歲的學(xué)生里，隨機(jī)抽取了42 位參與實驗.需要說明的是，除了年齡、性別之外，每個學(xué)生都領(lǐng)取到一個序號數(shù)字作為化名，確保不涉及更多的學(xué)生個人信息.

2.3 評估測試

評估測試采用的是21 道觀察題，答題時間不限.為了確保學(xué)生理解試卷內(nèi)容，在測試前培訓(xùn)機(jī)構(gòu)老師以傳統(tǒng)板書形式對表面積、體積、容積等幾何概念進(jìn)行了40 min 統(tǒng)一講解，并在實驗對象休息25 min 后開始測試.題目明細(xì)見表1.

表1 21 道評估測試觀察題

2.4 分組與再測試

在全部學(xué)生上交評估測試題后，隨機(jī)將學(xué)生分成傳統(tǒng)和全息兩組，每組21 人.后續(xù)的實驗，兩組學(xué)生錯開參與，彼此之間并不清楚對方的實驗內(nèi)容、教學(xué)方式.同時，培訓(xùn)機(jī)構(gòu)組織老師對學(xué)生上交的評估測試題進(jìn)行閱卷，分析失分點情況，但并不對學(xué)生公布成績.在閱卷分析完成后，培訓(xùn)機(jī)構(gòu)指派了一位老師同時擔(dān)任傳統(tǒng)組和全息組課堂教師.

傳統(tǒng)組主要通過板書、實物、圖表等方式對幾何知識點進(jìn)行講解；全息組則以全息設(shè)備輔助內(nèi)容演示.兩組均在為期1 d、總計4 h 的系統(tǒng)訓(xùn)練后參與了再測試，再測試的試卷內(nèi)容依然是評估測試那21 道觀察題.

2.5 進(jìn)階測試

再測試完成后，教師分別為兩組學(xué)生進(jìn)行為期0.5 d、總計2 h 的分析和疑問回答，對嚴(yán)重失分點進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)過程講解.在確保足夠休息時間后，對兩組學(xué)生進(jìn)行了進(jìn)階測試，進(jìn)階測試總計14 道推導(dǎo)題，測試時間60 min，題目明細(xì)見表2.

表2 進(jìn)階測試推導(dǎo)題

3 研究結(jié)果

3.1 評估測試與再測試結(jié)果對比

評估測試與再測試結(jié)果見表3，“評估測試”代表全部42 位實驗對象評估階段結(jié)果，“傳統(tǒng)組”“全息組”是實驗對象分組后的再測試結(jié)果.表中的數(shù)字是該組全部成員在該題目的平均準(zhǔn)確率數(shù)值.

表3 評估測試與再測試準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)圖

結(jié)果顯示，評估階段42 位學(xué)生整體平均準(zhǔn)確率為35.84%，顯然測試前的教學(xué)并不能讓學(xué)生掌握這些知識點.在分組培訓(xùn)并進(jìn)行再測試后，傳統(tǒng)組整體平均準(zhǔn)確率為75.74%，較評估階段提高39.90%，全息組為92.07%，較評估階段提高56.23%，比傳統(tǒng)組高出16.33%.其中，評估階段的失分重點在題4 至13、題19、20 總計12 道題，42 位學(xué)生平均準(zhǔn)確率僅有16.87%.該情況或如Efklides 的研究：影響學(xué)習(xí)元認(rèn)知的一個因素就是任務(wù)難度，如果學(xué)生認(rèn)為一項任務(wù)超出了他們的能力范圍，就會產(chǎn)生消極情緒，沮喪甚至放棄該任務(wù)[14].

同樣這12 道題到了再測試階段時，傳統(tǒng)組準(zhǔn)確率為71.43%，較評估階段提高54.56%；全息組準(zhǔn)確率為91.67%，較評估階段提高74.80%，比傳統(tǒng)組高出20.24%.傳統(tǒng)組在題6、10、17，準(zhǔn)確率為66.67%，低于其整體平均值75.74%.全息組在這3 道題的準(zhǔn)確率為93.65%，比整體平均值要高出1.59%，比傳統(tǒng)組高出26.98%，差距明顯.

根據(jù)表1 也可以看出，實驗對象經(jīng)過前3 道觀察題后，從題4 對稱軸概念推導(dǎo)考核開始，準(zhǔn)確率斷崖式下跌，說明未經(jīng)系統(tǒng)訓(xùn)練的學(xué)生并沒法較好理解空間邏輯.

第5 題邊長概念屬于觀察題，再測試時兩組準(zhǔn)確率均有所提升.第6 題考察面積概念，觀察思路第一次從一維空間轉(zhuǎn)入二維空間，再測試時傳統(tǒng)組準(zhǔn)確率比評估階段提升2 倍達(dá)到57.14%，全息組則提高了66.67%達(dá)到95.24%，第7 題是致敬格式塔學(xué)習(xí)原理創(chuàng)始人Max Wertheimer“創(chuàng)造性思維”實驗的平行四邊形面積公式概念推導(dǎo)題，帶有大量觀察提示，評估階段準(zhǔn)確率23.81%，再測試階段則兩組均達(dá)到90.48%，均展示了良好的觀察分析能力.

考核平面面積公式推導(dǎo)的第8 題、第10 題及考核表面積公式推導(dǎo)的第11 至13 題，評估階段準(zhǔn)確率均下降到20%以內(nèi)，這幾道題再測試時傳統(tǒng)組得分雖有提升，但是曲線振蕩波動較大，特別是題10 圓面積公式的推導(dǎo)，全息動畫較好的展示了長方形周長與圓形周長、面積的關(guān)系，全息組通過觀察動畫即可以獲得90.48%的準(zhǔn)確率，而傳統(tǒng)組無法通過觀察獲得答案，只能結(jié)合公式、教師解說去嘗試掌握知識，準(zhǔn)確率僅有47.62%.

而第14～16 題的體積和容積概念題、第17～18 題的立體圖形公式概念題，與前面第7 題類似，帶有大量觀察提示，因此準(zhǔn)確率得以回升.第19 題圓錐體積公式概念推導(dǎo)，第20 題平面幾何綜合知識推導(dǎo)，評估階段的準(zhǔn)確率不出所料的大幅下跌，即使到了再測試階段，傳統(tǒng)組依然在第19 題失分嚴(yán)重.

綜合以上，全息除了帶來課堂新奇效應(yīng)，帶動了學(xué)生的推理積極性，其展示特點與人機(jī)交互還能刺激學(xué)習(xí)者在腦海中生成并留下知識點的動態(tài)推導(dǎo)過程[15]，因為認(rèn)知是具身的、情境的，身體及其經(jīng)驗、身體與環(huán)境的交互可以幫助學(xué)習(xí)者更好地學(xué)[16]，這也終將影響學(xué)生的學(xué)習(xí)策略和動機(jī)，并最終反饋到得分準(zhǔn)確率上.

3.2 進(jìn)階測試結(jié)果對比

進(jìn)階測試準(zhǔn)確率的統(tǒng)計如表4 所示，表格中的數(shù)字是該組全部成員在該題目的準(zhǔn)確率值.結(jié)果顯示，傳統(tǒng)組的綜合平均準(zhǔn)確率為74.83%，全息組為89.80%，較傳統(tǒng)組高14.97%.全息組的準(zhǔn)確率非常的平穩(wěn)，傳統(tǒng)組則有較大的波動擺幅.有學(xué)者曾指出，傳統(tǒng)板書教學(xué)，雖然明確了學(xué)習(xí)主題和教學(xué)步驟，但是忽略了學(xué)生自主探究過程帶來的印象深化，學(xué)生只能被動吸收知識.至于公式，本質(zhì)上是具象圖形的高度抽象化表達(dá)，在初期階段，可能導(dǎo)致理解困難[17].

表4 進(jìn)階測試準(zhǔn)確率對比

兩組得分接近的題，如第4、5 題均屬于面積知識考核的觀察題，兩組的準(zhǔn)確率均在90%以上；得分差距較大的，如第3 題長方體棱長總和公式考核，傳統(tǒng)組在板書中無法直觀地了解全部棱長的關(guān)系，當(dāng)長方體棱與正方體棱同時出現(xiàn)時，傳統(tǒng)組顯然是混淆了公式，準(zhǔn)確率急劇下降到57.14%，只有12 個人答對.雖然受到干擾，全息組依然有17 人選到正確答案，準(zhǔn)確率80.95%.較傳統(tǒng)組高出23.81%.

第8 題是長方體表面積推導(dǎo)題，全息組比傳統(tǒng)組高出28.58%，傳統(tǒng)組準(zhǔn)確率低的原因類同于第3題.第14 題是圓錐體體積知識考核，是本次最復(fù)雜的推導(dǎo)題，綜合了圓柱體體積、圓形平面面積等知識點，傳統(tǒng)組只獲得了52.38%的準(zhǔn)確率，而全息組則高達(dá)90.48%，差距為38.1%.

根據(jù)認(rèn)知理論，6～8 歲階段，觀察與思考方式正從具體形象思維過渡到抽象思維，全息的動態(tài)可視化特點更有助于幫助學(xué)生在頭腦中以不同空間角度對知識信息進(jìn)行演練模擬，降低認(rèn)知轉(zhuǎn)化帶來的資源消耗，被釋放的認(rèn)知資源可用于提升問題解決能力和學(xué)習(xí)機(jī)動性[18].這一點從表5 的答題效率可以得到佐證.進(jìn)階測試的14 道推導(dǎo)題，測試時限為60 min，兩個小組均提前完成答題.全息組在第33 分鐘時，有6 個學(xué)生交卷，參考全息組的準(zhǔn)確率89.80%，可以認(rèn)為這6 位學(xué)生已經(jīng)非常適應(yīng)全息帶來的良好體驗.傳統(tǒng)組在第36 分鐘開始有學(xué)生交卷，交卷高峰期在第45 分鐘開始到第51 分鐘，據(jù)現(xiàn)場人員描述，傳統(tǒng)組學(xué)生更多的是反復(fù)檢查題目，這延長了整體交卷時間，且交卷后傳統(tǒng)組學(xué)生并不太積極討論試卷內(nèi)容；全息組答題交卷則干脆迅速，交卷后略帶興奮地討論解題過程，彼此的講解表達(dá)也慢慢變成一個小型研討會，氣氛活躍.

表5 進(jìn)階測試交卷時間對比

4 結(jié)論

本次實驗結(jié)果，證實了全息作為一種教輔工具，相對于傳統(tǒng)課堂板書模式，可以更好的幫助學(xué)生理解幾何知識點及提高學(xué)生推理思維和學(xué)習(xí)遷移能力，為探索數(shù)字媒體可視化教輔工具在不同學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一個模型案例.

需說明的是，本次實驗做了大量前期工作去優(yōu)化全息硬件、幾何課程資源，對任課老師也進(jìn)行了專門的培訓(xùn)，因為要恰當(dāng)使用數(shù)字媒體教輔工具，需要教師具備良好的教學(xué)設(shè)計能力、風(fēng)格轉(zhuǎn)變能力、信息技術(shù)能力和情緒管理能力[19].

從以上方面考慮，實驗結(jié)果或許會有失公正性，但這何嘗不是數(shù)字媒體教輔工具在課堂應(yīng)用的現(xiàn)實縮影？不可否認(rèn)，數(shù)字媒體技術(shù)的介入極大地促進(jìn)了教育事業(yè)的發(fā)展，其具有的知識存儲和建構(gòu)功能，能有效地促進(jìn)學(xué)習(xí)者的知識建構(gòu)，成為影響學(xué)習(xí)的顯著因素[20]，但其與現(xiàn)有課堂教學(xué)機(jī)制的相互融合問題、與當(dāng)下應(yīng)考體系的適應(yīng)性問題、與教師信息素養(yǎng)的培育問題，一直是教育與技術(shù)供給問題的爭論焦點.一方面，脫離了現(xiàn)有教學(xué)機(jī)制，單一的技術(shù)應(yīng)用并不能促進(jìn)教學(xué)效果的改善[21]，另一方面，信息技術(shù)的便捷性、安全性、高效性與破壞性、無用性、缺損性是并存的[22].諸多原因?qū)е缕洳]有在課堂中發(fā)揮應(yīng)有的功能作用，到目前為止，技術(shù)總體上并沒有給教育帶來令人激動的應(yīng)用效果，更沒有從根本上改變教育形態(tài)[23].

學(xué)習(xí)活動中工具的一個重要隱喻就是學(xué)習(xí)者能夠汲取工具中所蘊含的人類社會文化[24]，知識作為人類認(rèn)識的成果，亦是課程的本質(zhì)和教學(xué)認(rèn)識的客體[25]，數(shù)字媒體技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用，其核心關(guān)注點應(yīng)該是圍繞教育本身，遵循教育行業(yè)的階段性特點，促進(jìn)課堂質(zhì)量提升，這正如尹俊華所說的：“教學(xué)技術(shù)不是任何特定的媒體或設(shè)備……是一種根據(jù)具體目標(biāo)來設(shè)計、實施和評價整個學(xué)與教的過程的系統(tǒng)方法，它以人類學(xué)習(xí)和傳播理論為基礎(chǔ)，結(jié)合應(yīng)用人力和物力資源，來促進(jìn)更有效的教學(xué)”[26].