摘要：随着信息时代的到来, 许多新型技术逐渐渗透入我们的生活方方面面, 第三次工业革命的到来, 引起了光学技术的发展。使用3D技术例如3D技术、远程虚拟实验和虚拟教学实验室等应用于教学当中, 促进了教育教学的方式方法的改变, 在许多方面彰显优势。本文综述了3D技术在教育教学中的应用, 重点阐述了3D显示技术、3D虚拟现实技术和3D打印技术, 文章最后对光技术未来的研究方向以及前景进行了展望。
关键词：光技术,3D技术,虚拟实验室
随着社会科技的发展, 光学产业逐渐成为信息社会的高技术产业的主力军, 光学技术渐渐融入我们的日常生活中, 并且影响着我们的生活。当今世界, 光学技术在许多领域都起到重要的作用, 广泛应用于医学、军事、工业、教育等领域。而第三次工业革命的到来, 引发了制造技术的革命。通过光学技术与教学的融合, 通过多种技术的综合应用, 为教育的应用创新提供了更多的资源、环境和平台, 推动了技术与教育的整合发展进程, 也为培养创新型人才做出了贡献, 光学3D技术的研究与应用日益剧增。
一3D技术应用综述
随着打印和显示技术的进步与发展, 3D技术逐渐进入我们的视野中, 被广泛应用于各行各业, 例如医疗卫生, 建筑工业, 影视娱乐, 教育教学等领域。3D技术特指的是在电脑和互联网基础上的数字化三维立体技术[1]。3D技术包括3D显示技术、3D虚拟现实技术和3D打印技术。在2009年, 国外将3D技术应用于教育, 西方国家在3D技术的研究上处于领先地位, 尤其是英国和美国, 在国内, 2014年12月, 中国系统仿真学会3D教育与装备专业委员会成立, 旨在有效推动3D教育的发展, 2015年12月教育部教育装备研究与发展中心“3D教育研究中心”成立, 与此同时, 中国首届3D教育与装备研讨会在杭州胜利实验学校举行, 标志着我们3D教育正在体系化的发展。
(一) 3D显示技术
3D显示技术又称为立体显示技术, 它运用了双眼视差的光学原理[2,3], 利用人的左右眼分别接受不同的图像, 而后人的大脑进行信息叠加重组, 构成一个立体效果的影像。3D显示技术使画面变得立体真实, 其图像不再局限于平面上, 使观察者有一种身临其境的感觉。3D显示技术被应用于医学、工业、交通、教育等领域, 本文详细分析3D显示技术在教育领域的应用发展。在国外, 阿卜杜拉国王大学成立了3D立体显示数字化实验室;印第安纳大学成立了视觉技术创新应用的可视化实验室;新加坡国际大学推出了智慧校园的3D远程控制校园全监控;TI公司在美国实施了一个“3D投影机领航项目”, 在许多州、学区、学校实验推广3D显示技术, 有美国巨石谷学区和谢尔顿学校的实践应用[4]。实验研究中, 采用TI公司的DLP技术获得3D教室投影, 老师使用3D仿真课件库 (Classroom3) 的3D视频教学资源进行教学, 经过实验前后测试对比, 发现学生的成绩有所提高, 3D显示技术发挥了它的优势, 创造了一个沉浸式的有效教学环境。2014年3D投影技术应用的研究在欧洲7个国家进行了实验和评估, 国际研究机构主管安妮.班福德博士提出"未来学习"的项目, 研究中通过分析3D投影技术对学生成绩的影响, 提出了此技术应用的价值[5,6]。在国内, 裸眼3D技术, 全息投影技术等3D显示技术被应用于平时的课堂中, 2012年香港的一所公立学校引进了裸眼3D技术, 2014年清华大学材料学院应用3D显示技术在材料科学与工程学科中的多元相图教学中, 获得了良好的效果[7]。湖州职业技术学院利用计算机3D技术与三维模型仿真技术建成3D仿真数字学习平台投入到英语教学中, 效果突出[8]。
(二) 3D虚拟现实技术
1989年, 虚拟现实 (Virtual Reality) 这一词语是由VPL Research公司的奠基人Jaron Lanier在杂志与报刊上提出的, 虚拟现实是以计算机技术为核心, 在多媒体技术, 传感器技术, 立体显示技术以及仿真技术等多种现代科学技术的基础上发展的一种新型技术, 它可以生成一定范围的真实数字化环境, 人们通过借助一定的装备与数字化环境里的对象进行交互[9]。其主要的特征为“沉浸性 (Immer-sion) 、交互性 (Interaction) 、想象性 (Imagination) [10]。”虚拟现实技术也被称为“沉浸式多媒体”或者“计算机模拟现实”, 虚拟现实技术起源在美国, 1984年, 美国宇航局虚拟行星探测实验室开发了虚拟环境视觉显示器, 用于火星探测, 建构了火星的三维虚拟模型, 最早最着名的研究虚拟现实技术的大学美国北卡博莱纳大学开发的像素飞机的并行处理系统可以在视景中建立实时的动态效果显示, 美国Loma Linda大学医学科学中心开创了将虚拟现实技术应用于儿科治疗的新技术。1998年, 麻省理工大学Jesus A.del Alamo教授创立了微电子在线实验室, 影响颇深。并且在军用飞机驾驶的训练中, 虚拟现实技术极大降低了飞机事故的发生率[11,12,13,14]。目前在教育领域中应用比较广泛的是模拟训练, 仿真虚拟教学, 虚拟实验室等3D虚拟现实技术, 在国外, 建立虚拟仿真教学环境已经成为越来越多教育机构的重点, 二十世纪九十年代, 美国NASA项目和NSF的高级技术应用程序项目开发的Science Space项目使学生在不同的虚拟世界中达到学习目的[15]。美国的明尼苏达大学建立了计算机图形学实验室, 运用3D虚拟现实技术, 实现了交互式实验效果。美国密西西比州立大学“Web TOP”的物理虚拟实验室。加拿大大不列颠哥伦比亚大学使用VRChat开展沉浸式远程教学, 促进了学生有效的交流与发展。2009年, Charles Sturt大学 (CSU) “远程教育” (DE) 化学科目的本科生通过虚拟化学实验室, 有效地进行了教学活动[16]。虚拟现实技术仍可以应用于特殊教育, 例如自闭症。经实验验证, 对于自闭症儿童的情绪有一定的稳定作用[17]。
关于虚拟现实技术应用于日常演示和实验教学中, 目前我国许多大学都在进行研究, 都有专门的虚拟现实技术实验室。国内, 我国第一套虚拟现实教学软件“几何光学实验设计平台”是由中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室。湖南大学物理系教授开发了关于物理演示实验的学习系统。山东农业大学开发了一套虚拟物理实验室。北京邮电大学在网上开展虚拟实验, 模拟实验设备, 使学生完成了实际中的实验教学。中南大学建立了通信原理的虚拟实验。华中科技大学机械学院开发了一个工程测试的虚拟实验室。中科院有机化学研究所创建了虚拟化学实验室Chemble软件[12,13,14,18]。2004年, 福建师范大学应用虚拟现实技术在光学实验中, 改进了教学效果[19]。2007年, 北京航空航天大学建立了虚拟现实技术与系统国家重点实验室。而北京大学、上海交通大学、浙江大学、北京第四中学等已经开始了虚拟校园的实践[20]。国内, 截至到2016年教育部已经批准了300个国家级虚拟仿真实验教学中心[21]。
二3D打印技术
3D打印技术称为叠加成型技术或者快速成型技术, 这项技术源于“快速成型 (Rapid prototyping) ”即RP技术。在理论上, 3D打印技术可以实现任何3D数字模型的成型, 它的最大特点就是精准地快速成型。这一技术在许多领域都有所应用, 例如工业设计、医疗卫生、航空航天、建筑设计、等领域, 同时3D打印技术作为多媒体技术的新型技术, 在教育教学领域起到了很大的作用, 拓展了人的思维能力的发展。2012年4月英国经济学家Paul·Markillie将3D打印技术称为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”【22】。
2013年国际教育信息化2013地平线报告中, 提到3D打印技术在未来的4-5年时间里会有大的发展。美国内华达大学里诺校区的Delamare科学与工程图书馆成为美国首批为学生、教师等人们提供3D打印和扫描工具的学术图书馆之一。麻省理工学院媒体实验室开展的Fab实验室项目, 配备3D打印机, 激光切割机等设备, 为学生提供了操作和学习数字制造的空间。玛丽·华盛顿大学的一个专门的制作空间Think Lab, 为学生提供实用的创造性咨询, 学生可以使用3D打印进行原型设计制作[23]。美国弗吉尼亚大学的学生制造出一架使用3D打印技术的模型飞机并且成功试飞[24]。2012年初, 美国政府预计未来4年之内在1000所学校引入“创客空间”, 学生通过实践动手使用3D打印机和激光切割机等数字制造工具, 培养创新思维能力[25]。在国外, 各级别的学校都开设了3D打印的课程, 培养学生的动手能力和创新思维的发展, 并且融入到日常生活中, 促进了学生的全面发展[26]。在2012年英国把3D打印加入了国家的课程要求中, 2014年英国在中小学教室中进行了3D打印技术的培训, Gaia 3D公司与英国教育部合作开发了多种K-12 3D教学课件。
国内, 教育部社区教育研究培训中心启动了“i-3D打印实验室”建设项目[27]。国家发改委设立了“快速制造国家工程研究中心”。上海师范大学教育技术系黎加厚教授及其团队开发了面向小学生的3D打印校本课程[28]。2014年由西安交通大学、西北有色金属研究院等32家组成的“陕西省3D打印产业技术创新联盟”成立。杭州采荷第三小学教育集团开设了“3D打印创意工作室”, 该课程在提高学生动手能力、学习能力和创造性方面取得了一些成效[29]。我国的3D打印研发机构主要集中在清华大学、北京航空航天大学、西安交通大学等高校, 并且取得了很好的成果[30,31]。
三研究趋势与展望
现今技术的发展, 3D技术基本跨入成熟期, 光学技术正逐渐融入我们的学习生活和工作中。在未来的发展中, 更多的新材料和新技术会推动3D技术与教育的融合, 拓展了3D技术应用于教育教学的范围广度, 构建3D技术创新的体系架构。同时对于与3D技术相关的教育教学理念应不断完善, 在互联网+的背景下, 在“第二人生”的虚拟空间下, 进行创新与整合, 为学习者提供开放式的学习空间, 满足其针对性的个性化学习指导, 提供关于3D技术的校本课程, 同时为课程的改革与设计提供相应的支持。在今后的研究方向上, 光学技术与新型的教学模式的融合也是我们应当关注的, 3D技术应用于教学当中可以培养创新型人才, 促进学生的全面发展。与此同时我们应当正确对待技术, 使技术服务于教育, 但不能凌驾于教育, 实现智慧教育, 促进教育创新和变革。
参考文献
[1]中国电子视像行业协会.3D技术知识解读[M].北京:人民邮电出版社, 2013.
[2]Pastoor S, Wpking M.3-D displays:a review of current technologies[J].Displays.1997, 17 (2) :100-110.
[3]王永, 孙可, 孙士祥.3D显示技术的现状及发展[J].现代显示, 2012 (2) :26-29.
[4]赵大泰.3D显示技术及其教育应用[D].陕西师范大学, 2011.
