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zSpace K12 STEAM教室建设方案

一、        小学STEAM教室建设概述

 

STEAM 教育,即科学、技术、工程、艺术和数学教育。这一学科的建立是基于不同学科之间的融合,将原本分散的学科形成一个整体。这并不等于是简单的多学科的叠加。

该概念最初是1980年代美国为提升国家竞争力和劳动力创新能力而提出的一项国家教育战略。STEAM教育是美国培养科技创新人才的关键。 受美国STEAM教育的影响以及面对全球科技竞争加剧的压力,世界各国开始积极推动STEAM教育。

创客教育与STEAM学习密切相关,是一种基于问题的和基于项目的学习的方法,依赖于动手实践,经常协作,学习经验作为解决真正问题的方法。

创客教育与STEAM教育两者具有相似性,主要体现在二者都属于跨学科教育,需要将原本孤立的学科进行有机整合。STEAM 着重提高学生的STEAM素养,优化学业成绩,进而为创新人才的成长奠定基础。创客教育强调动手能力, 通过动手操作将创意的想法变成实实在在的作品,在创造的过程中学习。由于STEAM教育和创客教育本身综合性非常高,所以非常适合对学生进行创新创造能力的培养。

创新教育是以培养学生的创新精神和创新能力为基本价值取向的教育。其核心是在普及九年义务教育的基础上,在全面实施素质教育的过程中,为迎接知识经济时代的挑战,着重研究与解决在基础教育领域如何培养中小学生的创新意识、创新精神和创新能力的问题。

创新教育是为了迎接即将到来的知识经济时代而提出来的。创新教育不仅是方法的改革或教育内容的增减,而是教育功能的重新定位,是带有全局性、结构性的教育革新和教育发展的价值追求,是新的时代背景下教育发展的方向 。

培养学生的创新精神和解决问题的能力是当前教育的重点,而在当前基础教育STEM教育过程中,学生却不能灵活运用所学的知识解决问题。VR/AR应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境,由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。

VR技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,学生能够成为虚拟环境的一名参与者,在虚拟环境中扮演一个角色,这对调动学生的学习积极性,突破教学的重点、难点,培养学生的技能都将起到积极的作用。

运用VR技术可以让学习者在运动训练真是环境的模拟中不断接受环境的刺激,不断地尝试与错误,最终达到由感性认识上升到理性认识的目的,并且比起真实环境,虚拟现实打破了时间和空间的限制。建构主义学习理论认为“情境”“协作”“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素和四大属性。虚拟现实技术为建构主义理论提供了其要求的学习环境,使得学习者能够主动利用VR进行自主学习,自主选择学习内容和时间等。

 

 

1.     建设目标

l  影响教学模式

改变传统的教师主宰课堂的模式,改变学生被动接受知识、缺乏创新思维和创新能力。VR技术能提供友好的界面、形象直观的交互式学习环境,能提供图文、声像并茂的多种感官综合刺激等。

l  影响教学手段

启发式教学:通过身临其境的、自主控制的人机交互,由视觉、听觉、触觉获取,提供生动、活波的直观形象思维素材、展现学生不能直接观察到的事物等,形成知识点。学生从思维、情感和行为多方面地参与教学活动。

探究式教学:以解决问题为中心的教学形式、VR在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境,有针对性地建构虚拟情境,引导学生进行探究。能提供良好的人机交互,允许学生出错,自行了解错误的跟由及后果,发现解决问题的方法。

l  影响学习方式

VR/AR可以创设一个人性化的虚拟学习环境,使教学的气氛更加活跃、自然、亲切。

2.     项目设计依据&说明

孩子们的智慧是无可限量的,学习能力超强。在课本上学习的知识迟早会还给老师,但是父母的教育会伴随着孩子成长。孩子在成长的过程中,对新鲜事物的获取能力是最强的,且适应能力在此过程中是快速、精准的。这是出自孩子们最本质的需求。所以我们在设计中以主观体验&互动操作为主体,结合儿童活动中心“动、静“的功能设计理念,将虚拟现实场景尽可能发挥最大的视觉效果。配合相关的操作体验,如”救生艇模拟“,”跑步仿真漫游“,”飞行模拟“等诸多交互方式,使得孩子们娱乐的同时,深度地体验特殊环境下的操作过程及身体反应。

3.     项目系统设计及相关注释

根据STEAM教育应用的方向,结合我司擅长的技术储备,做出如下规划:

Ø  STEAM教室规划

K12未来教室渲染图



规划说明:

设计构思---整体项目以小学K12教室为设计核心,以满足K12相应的实际使用为理念,整体构思围绕着教育教学、动手制作、作品展示为大体工作流程,分为多区域多功能与一体的综合性教室。教室设备布局按6+1的方式,即教师机1台,学生机6台。以4名学生/组为单位,整个教室可满载20-25人。配合原教室建设时配套的投影系统,可建立AR(增强现实)&教学实时显示系统。可满足教师教学时的操作,也可同时传递给学生知识点。根据不同的房间尺寸进行定制设计,房屋设计尺寸为9.5*10米,高3.5米。教室面积约95平米,教室采用前后开门,单侧采光,配备遮光式窗帘。室内需要有空调系统,以满足相对温度控制,可选装音响系统达到室内扩音功能。具体规划如下设计:

K12教室整体规划

局部放大图---K12综合教学区

局部放大图---教育成果展示区(照片&作品)

 

知识要点黑板报(宣传栏)

 

根据设计标准,分列下属涉及设备清单,具体请详见设备报价单。

K12综合教学区---采用6+1的模式,主要教学设备采用zSpace300型号,可选配3D打印机等输出设备,将作品打印成型。配套软件使用zview,可以最大化利用原教室投影设备,最终成像AR(增强显示)的更佳逼真的效果,达到虚拟与现实相结合。

教育成果展示区---将打印出来的成果进行展示;留存下来的图片资料展示用。

知识要点黑板报---结合自身教育特色,作为K12未来教育知识要点、未来动向的宣传。

二、        课件内容与学科应用

在教学过程中如何使用zSpace是老师在教学设计的时候要结合教学目的,教学内容以及学生情况考虑的。 比如说,在zSpace实验室做电学实验,老师可以设计不同的场景,甚至制造一些失败的电路搭建,让学生在探索和试验的过程中掌握知识,不仅知道什么是合理的什么是不合理的,而且知道为什么,在查找故障的根源的时候可以做出有效的判断。这样的话一堂课可以用zSpace做多个实验,而且不用担心实验器材的损耗和重置。当然,老师根据教学内容以及表现形式的多样性,可以将zSpace设备与其他设备同时使用。比如,老师讲到哺乳动物的特征,可以让学生在zSpace设备上打开课件对3D模型进行探索然后讨论,接下来可以播放视频,然后让学生在zSpace上或平板电脑上查询更多哺乳动物的例子。最后让学生自己在zSpace上用艺术设计软件作出动物模型,倒入模型库进行课件制作或者3D打印出来。

以下是2016-2017年度zSpace STEAM课程中文课件列表供参考,包括物理科学,工程与设计,生命科学,地球与太空科学,数学,社会科学,地理等学科方向。

下面针对几个课程方向来看一下部分课件的名称-

Part.1

真细菌界

STEAM教育课件

科学家们认为,地球上第一个出现的细胞是像细菌这样简单的原核细胞。原核细胞是体型很小的单细胞生物体,不具有被膜包裹的细胞核。不过,你可不要因为它的尺寸小而被它欺骗哦。细菌在地球上无处不在,数量轻轻松松就超过了所有的其他生物体。在这个课程中,学生将探索这个地球上最多产的生物体的结构和功能。

 

基本问题

     在自然界中,结构和功能是如何相关的?

     生物体如何适应环境?

     如何分类生物体?

 

课程目标

     解剖细菌

     识别细菌的结构

     研究不同结构的功能

     比较细菌的生存方式

 

课前准备

  课程开始,向学生提供生物界分类图。让学生花时间研究并填写图表。或者在此课程之前将图表发给学生作为家庭作业完成。

     与学生一起查看图表上的信息。要求学生比较不同生物界的生物体的特征。

     向学生说明,他们将会在Vivid Science  中探索一个在真细菌界里有代表性的生物。

     鼓励学生在学习课件时做笔记。笔记的内容可以包括问题的答案、学生的疑问和他们绘制的图表。

 

课程问题由Vivid Science 3D提供

1.    真细菌界里的生物非常多样化。这个生物界的所有细胞都是原核生物。这些简单的细胞是第一类在地球上出现的生物体。

2.    这种芽孢杆菌是柱状的。它使用鞭毛来推动自身进行移动。荚膜上覆盖着微小的毛,使芽孢杆菌能附着在环境或其他生物体上。

3.    解剖芽孢杆菌属细菌。找到细胞壁、细胞膜和细胞质。

4.    原核细胞有单个染色体和较小的DNA环称为质粒。细菌颗粒为细菌储存营养。

5.    重新组装细菌。

6.    现在你了解了真细菌界。

 

Part.2

《直流电动机的应用》教学设计

首都师范大学附属中学   张跃

 

(一)  教材分析

《直流电动机》是北师大版义务教育初中物理教科书九年级(全一册),第十四章第6节的内容。本章《磁现象》是初中物理教学中的重要内容,这些知识不仅与我们的生活息息相关,在生产、生活中的应用广泛,且具有悠久的历史。从全章节视角分析,本章在内容上注重学生的探究实验及知识的实际应用,引入更多的与生产、生活、新科技等密切相关的内容,如磁悬浮列车、扬声器和耳机、电动机和发电机等,使学生认识到物理是有用的、有趣的。从本节视角分析,本节直流电动机与学生前面所学的知识联系紧密,同时,电动机是工业自动化和电气化设备中最基本也是最重要的部件之一,体现了科学、技术、社会的思想,同时具有人文精神,反映时代特征。传统教学由于教学资源不足,难以深入探究直流电动机的应用,本教学基于信息技术的整合,将虚拟现实基于融入实际教学,将本节课分为两学时,第一学时从理论层面出发,教学内容为直流电动机的原理及能量转化过程,第二学时从实践层面出发,教学内容为直流电动机的应用。

 

(二)  教学目标

通过虚拟现实设备,了解实际应用的直流电动机的结构及各部件特点,感受物理学与生活的息息相关。同时,对直流电动机进行故障排查,理解直流电动机各部件的重要作用,以及在电路中的应用,学会从现象中发现、分析、解决问题,通过体验和交流,体会故障排查的一般策略。通过自制微课,了解直流电动机的发明及发展过程,感受科学家的执着精神,培养敬畏科学的情感。

(三)  教学重难点

    1. 教学重点:了解实际应用的直流电动机的结构及各部件特点;

2. 教学难点:直流电动机的故障排查;

 

(四)  实施过程

    基于虚拟现实技术的教学设计,其教学实施流程如图1所示。

 

1 教学过程展示

教学环节

教师活动

素养培养及学科整合

知识回顾

1.回顾直流电动机的工作原理及能量转化过程

2.重温左手定则

3.复习电刷和换向器的作用

将直流电动机的工作过程制作成动态PPT,旨在复习直流电动机的工作原理及能量转化,同时为本节课的内容学习提供理论支持,学生积极参与回顾,复习直流电动机原理的过程中,重温左手定则,以及复习电刷和换向器的作用。利用PPT将直流电动机的工作过程制成动态模式,直观形象,物理过程清晰,有助于回顾与理解,最大程度的激发学生感官。

新课引入

利用虚拟现实设备,引导学生观察实际应用的电动机的构造及各部分特点

SHAPE \* MERGEFORMAT

SHAPE \* MERGEFORMAT

利用虚拟现实设备,展示实际应用的直流电动机的内部构造(见图3),学生通过人机互动及同伴交流的形式,对直流电动机进行观察、拆解和调节转速等操作(展示见图4),克服了传统教具互动性弱、参与度低、可视性差的缺陷,让每个学生都有机会参与学习和思考,同时对直流电动机中转子和定子的结构初步建立了直观和形象的认识。

新课教学

直流电动机的发明及发展历程

利用自制微课,展示直流电动机的发明及发展历程

通过自制微课,深度挖掘教学素材,直观形象,帮助学生拓宽知识面,同时帮助学生树立正确的科学态度。

知识应用

直流电动机的应用

1.引导学生讨论直流的电动机的应用

2.播放视频《亚马逊利用无人机送快递》,展示直流电动机的现代应用

3.利用虚拟现实设备,创设两个故障情境(电动机缺部件及断路),引导学生对直流电动机及电路进行故障排查,并总结归纳出故障排查的基本策略

SHAPE \* MERGEFORMAT

SHAPE \* MERGEFORMAT

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应用环节的引入采用视频的方式,为学生播放美国亚马逊公司利用无人机送快递的视频,展示直流电动机的现代应用,提出应用环节的主要内容——无人机(四轴飞行器)。之后,利用虚拟现实设备创设两个四轴飞行器的电路故障情境。情境一:如图5所示,电路完好,发现某一电动机不转动,学生经历观察、猜想、分析、拆解、组装等环节,发现是电动机中缺少磁铁(见图6);情境二:如图7所示,电路某段出现断路,且有两个电动机不转,学生通过分析、探究,从断路的角度出发很快找到故障点——开关接触不良(见图8),将开关组装好后,发现电动机依然不转,迅速燃起学生的进一步探究热情,通过更加深入的思考与分析,最终发现电路中的另一个故障点——电动机中的引线断裂(见图9)。通过层层递进的教学设计,引导学生逐步思考,通过互动、交流、分享等环节,充分调动学生,以学生为主体,以学生的思维发展为主要出发点。

课后思考

利用真实情景,借助青牛创客空间的资源,录制视频,提出问题,电动机均转动,原因是什么?

创设真实情景,充分调动学生感官,激发学生思考

(五)  教学创新点

1.教学资源整合

为培养学生分析问题,解决问题的能力,发展学生核心素养,本教学设计将多方教学资源进行整合,不仅借助了大量史料自制微课,而且结合“青牛创客空间”的丰富资源,利用无人机实物展示及创设真实情境,同时,更是引入现代化虚拟现实设备进行教学,激发学生学习兴趣及进行深入思考。

2.教学设计创新

    传统的教学中对于直流电动机的教学着重在于原理的讲解和能量转化的过程,对于直流电动机的应用限于教学素材的匮乏,无法做到充分的讨论与研究,本教学设计立足生活应用,充分开发教学素材,凸显新课程标准中所提出的关注物理学与生活,提高学生科学探究能力的理念,具体表现为:

    (1)应用虚拟现实设备,创设情境,激发学生深度思考

    利用桌面式虚拟现实设备zSpace300,为学生展示真实的直流电动机的内部构造,学生通过人机互动的方式,经历观察、拆解、调节转速等环节,直观形象地了解实际应用的直流电动机的结构及部件特点。同时,利用虚拟现实设备,创设电动机故障情境,让学生经历观察、猜想、拆解、组装、排查等环节,提高参与感的同时,激发学生深度思考,培养科学思维。

    (2)巧用自制微课,追溯历史,感受科学精神

    利用zSpace Studio软件自制微课,展示直流电动机的发明及发展过程,帮助学生树立正确的科学观,感受科技发展的同时体会科学家的执着精神。

 

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