3D可視化教學資源在教學中的應(yīng)用研究

1、    3d可視化教學資源在教學中的應(yīng)用研究    摘要：信息化教學的普及離不開數(shù)字化教學資源的支持，而3d可視化教學資源將課堂情境與生活情境相融合，不受時空限制，方便傳輸和使用，很大程度上滿足了課堂的教學需求。文章結(jié)合教育信息化2.0行動計劃的綱領(lǐng)性文件明確闡述：基于互聯(lián)網(wǎng)的大資源觀，在實際教學資源開發(fā)中需要融入具體的學科課程，迎合當前建設(shè)優(yōu)質(zhì)的“金課”和虛擬實驗室等理念，更好地促進知識資源的數(shù)字化以及平面資源立體化，從而改變學生傳統(tǒng)的學習方式。關(guān)鍵詞：3d可視化，教學資源，資源開發(fā)，應(yīng)用研究一、3d可視化教學資源的內(nèi)涵及其特征1.3d可視化教學資源的

2、內(nèi)涵3d可視化技術(shù)是一種新的管理、分析和交互數(shù)據(jù)的方式，能實現(xiàn)高品質(zhì)、逼真和實時渲染3d圖像。3d可視化教學資源是指利用三維場景、動畫、立體化圖片和可視化等技術(shù)來制作教學資源庫，目的是使抽象的二維平面教學內(nèi)容實現(xiàn)直觀化和立體化。3d可視化教學資源力圖創(chuàng)設(shè)一個高度可視化和強沉浸感的視覺教學環(huán)境，更好地帶給學習者直觀化的教學體驗。隨著3d教育的重視，越來越多的3d教學資源引入了傳統(tǒng)課堂，教師利用3d可視化技術(shù)呈現(xiàn)教學資源可以使學習內(nèi)容更具情境化，方便學生掌握和理解。13d教學資源應(yīng)用于教育教學中具有創(chuàng)新教學理念、提升教學質(zhì)量和提高教學效率的價值，但鑒于該資源成本高、投資大以及技術(shù)要求高和實踐困難，

3、現(xiàn)有的3d數(shù)字化教學資源的建設(shè)正處于實驗探索階段。因此，在未來課堂教學中，建設(shè)符合學生學習需求的3d數(shù)字化教學資源，以及促進3d資源與教育的無縫融合是當前教育亟待解決的問題。2.3d可視化教學資源的特征3d可視化技術(shù)可以給學習者的學習內(nèi)容營造空間感和立體感的視覺體驗，通過3d可視化教學資源還原一個三維世界，讓學習者獲得如同在現(xiàn)實世界一般身臨其境的感受，可以促進學習者認知活動的完成。與傳統(tǒng)的教學資源相比，3d可視化教學資源具有自身新的特征，如表1所示。二、3d可視化教學資源的應(yīng)用價值3d可視化教學資源突破時空限制為教與學創(chuàng)設(shè)了新的教學環(huán)境，革新了傳統(tǒng)教學活動方式，利用新技術(shù)推進了教學模式的創(chuàng)新。

4、本文基于戴爾“經(jīng)驗之塔”理論、梅耶多媒體認知理論和活動理論視角對3d可視化教學資源的應(yīng)用價值進行分析。1.“經(jīng)驗之塔”理論與3d可視化教學資源的融合戴爾的“經(jīng)驗之塔”理論于1946年提出，隨著網(wǎng)絡(luò)媒體的推廣和發(fā)展，“經(jīng)驗之塔”也被賦予了新的時代色彩，發(fā)揮了最根本的理論指導作用?！敖?jīng)驗之塔”按照抽象到具體的學習經(jīng)驗從塔底到塔頂排列，構(gòu)成了金字塔模型?！敖?jīng)驗之塔”理論在學習過程中，符合學習者的認知規(guī)律：從簡單到復雜，從具體到抽象。一般來說，直觀經(jīng)驗不容易突破客觀事物的本質(zhì)特征，學生學習和運用起來難度較低，學生容易更好地集中注意力，有助于學生有意義學習的發(fā)生。由此得到啟示，在教學過程中，越是直接具體

5、的經(jīng)驗，越易于學生學習。3d可視化教學資源從具體畫面入手，最大程度地構(gòu)建了直接經(jīng)驗的學習環(huán)境。戴爾指出“教學過程中所采用的媒體的豐富化程度很大程度上決定了學習者所建構(gòu)知識概念的牢固程度”。23d可視化教學資源的出現(xiàn)，豐富了數(shù)字媒體資源，可以給學生帶來直觀印象，便于理解和記憶。作為教學輔助資源，獨特的視覺沖擊性和交互性一般伴隨著視覺符號和言語符號，一般處于“經(jīng)驗之塔”的塔基，將抽象知識可視化為最具體、最直觀的經(jīng)驗，最大程度地支撐其它層次的獲取，實現(xiàn)學習內(nèi)容從具體到抽象的轉(zhuǎn)變，更易于學習者理解。2.梅耶多媒體學習理論與3d教學資源設(shè)計梅耶基于言語和圖像兩種多媒體共同呈現(xiàn)材料的方式，構(gòu)建出“多媒體學

6、習認知模型”，該模型闡釋了學習者在學習知識過程中自身的認知過程。梅耶認為，學習者利用多媒體學習是通過視聽覺兩個通道同時進行，并在通道信息加工過程中要遵循多媒體學習的雙通道機制、容量機制和主動加工機制，從而讓學習者形成長時記憶。33d可視化教學資源的提出，考慮到學習者學習的認知規(guī)律及其有效性，依據(jù)梅耶的七條多媒體設(shè)計原則進行教學資源設(shè)計，其中多媒體認知、空間接近、時間接近和一致性原則的運用，很好地提高了部分學生的注意廣度，使學習能夠較好地達到教學目標要求；通道原則和冗余原則的運用，減少了學生的認知負荷，使學習遷移能力更容易實現(xiàn)；個體差異原則的運用，根據(jù)學習者知識水平的高低，跨越式地構(gòu)建空間知識體

7、系，豐富了個體與共同體學習環(huán)境的構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)學習者生命的成長與心智模式的完善。3.活動理論與3d可視化教學資源的整合活動理論主要包括學習的主體、客體和共同體三個核心部分，以及工具、規(guī)則和勞動分工的三個中介成分，從而由核心部分和中介部分所組成的六要素共同構(gòu)成一個“三角模式”。在活動系統(tǒng)中，教與學中“活動”是核心，人們的行為活動必須圍繞核心并以工具為媒介，且需要依托社會環(huán)境完成?；?d可視化教學資源的教學活動是一種在真實而富有意義的學習情境中進行人與外界環(huán)境相互作用的活動教學。參考活動理論中的要素構(gòu)成以及各要素之間的聯(lián)系，提出活動理論視角下3d可視化教學資源系統(tǒng)框架，如圖1所示，該框架以學習者

8、為活動主體，強調(diào)3d可視化教學資源的中介性，通過學習規(guī)則、學習群體及學習任務(wù)分工合理設(shè)計課程知識，以3d可視化教學資源和教學工具為中介，更好地在活動系統(tǒng)中串聯(lián)學習者和學習活動中的交互性，促進交流。三、基于3d可視化技術(shù)的教與學應(yīng)用1.構(gòu)建3d可視化教學資源開發(fā)系統(tǒng)3d可視化教學資源是為了給學習者創(chuàng)設(shè)更加符合教學需要的直觀化教學場景，設(shè)計開發(fā)時要充分考慮現(xiàn)實資源的獲取和特定教學需要。為了避免制作的3d可視化教學資源與教學實際相脫節(jié)，在制作之前進行必要的模型設(shè)定。4本文從教學實踐和學生角度出發(fā)，制定出可以直觀、形象地呈現(xiàn)教材內(nèi)容的設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)，如圖2所示。3d可視化教學資源開發(fā)系統(tǒng)中，教師和學習者

9、根據(jù)自身學習需求向3d資源中心發(fā)出請求，從資源使用的角度進行多視角和多維度的教與學活動分層。3d資源中心是整個開發(fā)系統(tǒng)的核心，它能夠利用互聯(lián)網(wǎng)及各類3d軟件建立起三維模型數(shù)據(jù)庫，以供教學使用。在模型建構(gòu)環(huán)節(jié)，既可直接下載三維可視化模型進行精細化處理后使用，又可以根據(jù)實際教學需求，采集三維數(shù)據(jù)，遵循三維可視化資源設(shè)計思想與原則進行自主開發(fā)，最終依據(jù)人機學標準，對交互場景中的圖片、文字、聲音進行合理設(shè)計布局，實現(xiàn)學習者和虛擬環(huán)境中良好交互的功能，能夠身臨其境，進而營造一種“自主學習”的環(huán)境。2.革新傳統(tǒng)資源制作方式傳統(tǒng)的數(shù)字教學資源都是以幻燈片、視頻和二維動畫的方式進行制作，大部分內(nèi)容都以文字和圖

10、片形式加以呈現(xiàn)，給學生帶來的感官沖擊力不足，難以直觀呈現(xiàn)教學內(nèi)容。隨著知識可視化和信息可視化時代的到來，單純的線性文字和圖片已經(jīng)不能滿足當前學生的學生需求。3d可視化教學資源采用特定的模型建構(gòu)形式生動形象地展示教學素材中的二維教學資源，并且特定的教學模型可滿足不同的學習需要，革新了傳統(tǒng)的二維平面教學資源制作方式，更好地適應(yīng)教學需求。同時，3d可視化教學資源可以在有限的時間和空間內(nèi)搭建出特殊的仿真數(shù)字教學平臺，增強師生教與學的參與度，創(chuàng)設(shè)一種交互式、體驗式的教學環(huán)境，特別是有毒氣體的教學實驗、重點文物古跡的課堂呈現(xiàn)和醫(yī)學解剖的虛擬動畫實驗。如中國科學技術(shù)大學的關(guān)于物理學科的3d可視化教學資源引進

11、，其虛擬實驗平臺搭建更好地幫助了師生理解實驗原理，提高了學習效率。53.創(chuàng)新信息時代教學設(shè)計新范式信息時代的教學設(shè)計已經(jīng)成為一個更具挑戰(zhàn)性和多學科融合的過程，利用可視化的手段將復雜的教學設(shè)計直觀化和視覺化，可以更加容易地規(guī)劃教學活動環(huán)節(jié)和設(shè)計教學模式。3d可視化教學資源為教學提供了新工具，也為教學領(lǐng)域創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐，更好地創(chuàng)新教學設(shè)計新范式?；魻柕僭谝曈X媒體研究方面曾提出，“教學設(shè)計者應(yīng)該結(jié)合顯性知識和隱性知識特征將教學內(nèi)容外顯化”。6換言之，教師應(yīng)該在可視化技術(shù)的支撐下，運用可視化思維將自己的教學理念和教學思想融合到教學設(shè)計中，并恰當?shù)貍魇诮o學生。將3d可視化教學資源應(yīng)用于文物修復和博物

12、館學等專業(yè)，可以在以信息技術(shù)為支撐的條件下創(chuàng)設(shè)一種新的文物課堂教學體驗，“智能化”、“直觀化”、“人性化”的活動元素，可以促進教師與學生、學生與學生、師生與媒體之間的知識創(chuàng)造與傳遞，更加易于學生在不受時空限制的真實情境中進行觀察、思考和實踐活動，最終學生可在虛擬平臺上及時對文物進行調(diào)整和修復，在可視化的教學設(shè)計中提高學生行為上的參與、情感上的投入和思維上的主體發(fā)展。四、3d可視化教學資源應(yīng)用的思考“互聯(lián)網(wǎng)+”時代需要更加多樣的學習資源，3d可視化教學資源以其直觀化和沉浸性為學習者帶來更加立體逼真的視覺沖擊。目前，將3d可視化技術(shù)與學科課程相結(jié)合進行資源開發(fā)的方式具有一定的開拓性和前瞻性。但在教

13、學的實施過程中難以普及和應(yīng)用，主要原因是3d可視化教學資源現(xiàn)存在以下亟待解決的問題。1.3d可視化教學資源制作成本高、難度大3d可視化教學資源的制作成本較為昂貴，精細化的三維教學模型制作需要利用3d攝像機到實地進行照片采集，而且對拍攝的過程和圖片的精細度要求極高。之后需通過專業(yè)的3d繪制軟件進行精細化的制作，這過程對計算機的配置較為嚴苛，最終投入教學使用也需要學生佩戴3d眼鏡。一系列過程下來，3d教學資源制作所花費的成本和付出的精力遠高于傳統(tǒng)教學資源制作，過高的制作成本和頗高的難度極大程度上限制了3d可視化教學資源的普及速度和廣度。2.3d可視化教學資源制作師資缺乏將3d可視化教學資源引入課堂

14、教學中的目的在于彌補傳統(tǒng)教學資源平面化的不足，更好地改變教學過程中的教學環(huán)境，而3d可視化教學資源的制作是技術(shù)環(huán)境搭建的第一步，也是資源使用的核心環(huán)節(jié)。然而，當前在教學領(lǐng)域缺乏會制作3d可視化教學資源的師資隊伍，具體體現(xiàn)為總體數(shù)量不足、教師知識與技能不匹配、資源制作與職業(yè)素養(yǎng)缺乏等方面。7培養(yǎng)3d可視化資源設(shè)計與制作的專業(yè)教師團隊是建設(shè)3d可視化教學資源的關(guān)鍵，也是助推未來教育“金課”的重要環(huán)節(jié)。因此，要想推進3d可視化教學資源在課堂教學中的應(yīng)用，必須強化師資培養(yǎng)，打造精良的專職教師資源開發(fā)梯隊，并為其提供一個協(xié)作與設(shè)計工具兼?zhèn)涞墓餐w環(huán)境，以支持3d可視化教學資源更好地應(yīng)用于課堂教學。3.教

15、學中還未體驗到3d教學資源的優(yōu)勢3d可視化教學資源能最大程度地創(chuàng)建空間感和立體感極強的，且易于學習者主動參與體驗學習過程的學習情境。8但當前3d資源主要出現(xiàn)在廣告、影視、游戲領(lǐng)域中，教師和學生接觸3d資源基本是在校外生活中，在學校教育中還尚未體驗到3d可視化技術(shù)帶來的視覺沖擊和教學優(yōu)勢。當前教育界已經(jīng)開展的相應(yīng)教育項目雖然證明，3d可視化教學資源有益于優(yōu)化課堂教學且激發(fā)學生興趣、提高學習成績，但關(guān)于長期使用3d可視化教學資源是否有持久的正向影響，且怎樣將3d教學整合于學科課程中，更好地降低學習者的認知負荷，并在游戲化的教學中完成自己知識點的建構(gòu)，仍需要進一步思考。五、結(jié)語未來教學中，學習者需求

16、的不只是理解和識記知識，更多的是建構(gòu)知識和鍛造思維。3d可視化教學資源改變了傳統(tǒng)教學資源平面化、表現(xiàn)力不足和缺少藝術(shù)性的現(xiàn)狀，給“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下的教學資源需求指明了方向，在信息技術(shù)支撐下創(chuàng)設(shè)的立體、逼真和直觀的三維學習環(huán)境將成為一種主流趨勢，更多的是給學習者帶來一種身臨其境的學習環(huán)境，使學生在學習過程中能高度投入，更好地激發(fā)學生興趣，催生學習創(chuàng)意，從而建構(gòu)自身知識體系，進而提高課堂學習效率。參考文獻：1閆春霞.面向課堂教學的3d教學資源設(shè)計研究d.武漢：華中師范大學，2016.2耿新鎖.戴爾的“經(jīng)驗之塔”理論及其現(xiàn)實意義j.教育史研究，2003（2）：68-71.3（美）richard e. maye著；牛勇等譯.多媒體學習m.北京：商務(wù)印書館，2006.1.4董紅娟，謝志昆，董瑤，陸曉紅，左薇.基于3d可視化技術(shù)的教學資源設(shè)計開發(fā)研究以文物與博物館學課程為例j.中國信息技術(shù)教育，