基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

楊旭超

摘 要： 虛擬現(xiàn)實(shí)的教育特性包括多感知性、交互性、沉浸性以及構(gòu)想性。虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：①由先進(jìn)教育學(xué)習(xí)理念作指導(dǎo)；②充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)場(chǎng)景、課堂、實(shí)驗(yàn)、角色、情境進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，打造虛擬感知教學(xué)系統(tǒng)；③必須結(jié)合有效的教學(xué)策略，如運(yùn)用案例學(xué)習(xí)、情境學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、探索學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)策略，允許學(xué)生以角色的身份，體驗(yàn)虛擬的自然現(xiàn)象及事物的演變過(guò)程，支持學(xué)生學(xué)習(xí)、探索和發(fā)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)； 虛擬教學(xué)系統(tǒng)； 感知； 交互； 沉浸

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）12-72-03

Research on the design of virtual teaching system based on virtual reality technology

Yang Xuchao

Abstract： The educational characteristics of virtual reality include multi-perception， interactivity， immersion and imagination. To design the virtual reality system， the advanced education idea should be taken as the guidance， a virtual perceptive teaching system should be built by giving full play to the virtual reality technology， to design the virtualized scene， classroom， experiment， roles and situation， and the student should be allowed as a role to experience the virtualized natural phenomena and process of things evolution， so as to support student learning， exploration and discovery.

Key words： virtual reality technology； virtual teaching system； perception； interaction； immersion

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality簡(jiǎn)稱VR）是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1965年，有“VR之父”之稱的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)創(chuàng)始人Ivan Sutherland，曾在IFIP會(huì)議上做了題為“The Ultimate Display”的報(bào)告，第一次提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的概念[1]。這一提法對(duì)“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”來(lái)說(shuō)，具有里程碑的意義。

1989年，美國(guó)的VPL公司宣布完成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)RB-2（Reality Built for2），VPL公司的創(chuàng)始人Jaron Lanier正式提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)”一詞，從此進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)階段[7]。

從上世紀(jì)90年代至今，“VR”進(jìn)入全面發(fā)展階段，并開(kāi)始在各領(lǐng)域綻放異彩，從而，逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用[6]。近年來(lái)，VR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。VR應(yīng)用到教育領(lǐng)域中，既是虛擬現(xiàn)實(shí)自身發(fā)展的需要，也是教育發(fā)展的需要。

虛擬現(xiàn)實(shí)教育特性歸納為四重性即：多感知性、交互性、沉浸性以及構(gòu)想性[4]。

VR的教育應(yīng)用價(jià)值是，可以建立虛擬的學(xué)習(xí)課堂，把相應(yīng)知識(shí)進(jìn)行情景化設(shè)計(jì)，形象直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，允許學(xué)生以角色的身份，“身臨其境”地去體驗(yàn)類(lèi)真實(shí)生活中無(wú)法觀察到的自然現(xiàn)象、或事物的變化過(guò)程。學(xué)生沉浸在這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中，通過(guò)多層次的感知，獲得類(lèi)似真實(shí)的體驗(yàn)效果，全方位地獲取信息，主動(dòng)自然地對(duì)知識(shí)進(jìn)行認(rèn)知和建構(gòu)，在沉浸于探索活動(dòng)之時(shí)，跳一跳，摘到果子。

1 虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

教育是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，作為一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，教育性是根本屬性、此外還必須兼顧知識(shí)性、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)特性、科學(xué)性與藝術(shù)性等方面。因此，虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循以下原則。

⑴ 運(yùn)用先進(jìn)教育學(xué)習(xí)理論作指導(dǎo)的設(shè)計(jì)原則

在教育理論體系中，學(xué)習(xí)理論經(jīng)歷了由行為主義到認(rèn)知主義、認(rèn)知主義到建構(gòu)主義、又由建構(gòu)主義到情境認(rèn)知與情境學(xué)習(xí)理論的演變和發(fā)展過(guò)程。這些學(xué)習(xí)理論都在不同的時(shí)期指導(dǎo)了CAI寫(xiě)作，并成為CAI發(fā)展不可或缺的重要推手。

本研究課題其本質(zhì)是教育性，核心是教育創(chuàng)新。因此，虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須要有教育學(xué)習(xí)理論做指導(dǎo)，否則系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就成了無(wú)源之水，無(wú)本之木，系統(tǒng)也就缺少了教育的屬性。

通過(guò)對(duì)教育學(xué)習(xí)理論的分析，吸取其中對(duì)課件寫(xiě)作有益的經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)課件寫(xiě)作實(shí)踐，可以使虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更符合教育規(guī)律。

⑵ 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的原則

交互性是VR在教學(xué)上最有價(jià)值的應(yīng)用。對(duì)于一個(gè)好的虛擬教學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，人機(jī)交互設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，虛擬現(xiàn)實(shí)教育的多感知性、沉浸性以及構(gòu)想性就是要通過(guò)人機(jī)的有效交互產(chǎn)生效果，學(xué)生的參與、學(xué)生的“角色”扮演，學(xué)生的體驗(yàn)都必須獲得交互性的支持。

在進(jìn)行虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮界面的可視化、一致性、簡(jiǎn)潔性、易用性、直觀性、可控性和及時(shí)響應(yīng)等原則，充分考慮到要適應(yīng)學(xué)生的心理與情感需要；要適應(yīng)學(xué)生的生理特征、行為特征等，把系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)看作是教學(xué)設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容之一。

⑶ 虛擬現(xiàn)實(shí)四重性原則

基于VR建構(gòu)的教學(xué)系統(tǒng)，在于通過(guò)感官刺激，使學(xué)生沉浸于虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，體驗(yàn)逼真的情境教學(xué)并主動(dòng)動(dòng)腦動(dòng)手參與交互，以達(dá)到高效學(xué)習(xí)和提高技能。

⑷ 功能模塊化，提高復(fù)用性原則

系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，考慮學(xué)生的個(gè)性化需求，允許定制學(xué)生適合的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2 虛擬教學(xué)系統(tǒng)的指導(dǎo)思想

在教育的理論體系中，行為主義學(xué)習(xí)理論、認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論、情景認(rèn)知理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論以及遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的交互理論都曾不同程度地指導(dǎo)著CAI寫(xiě)作。

⑴ 行為主義把學(xué)習(xí)看做是由刺激與反應(yīng)（即“S—R”）形成的聯(lián)接。曾指導(dǎo)了早期的CAI寫(xiě)作；另外，程序教學(xué)的小步子策略至今仍深刻地影響著CAI寫(xiě)作。

⑵ 認(rèn)知主義對(duì)CAI的啟示是：要以學(xué)生為本，從學(xué)生的內(nèi)外因素兩個(gè)方面來(lái)創(chuàng)設(shè)課件情境，外因提供刺激，驅(qū)動(dòng)內(nèi)因去認(rèn)知知識(shí)，課件情境的設(shè)計(jì)就必須考慮學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，必須要將知識(shí)性與趣味性相結(jié)合，以激發(fā)其好奇心和發(fā)現(xiàn)欲，誘發(fā)其質(zhì)疑、猜想和認(rèn)知、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

⑶ 建構(gòu)主義理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、社會(huì)性和情境性。因而，“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”、“意義建構(gòu)”構(gòu)成了建構(gòu)主義的四大要素。對(duì)CAI的啟示是： 學(xué)習(xí)要在一定的情境中，通過(guò)協(xié)作活動(dòng)和會(huì)話交流而建構(gòu)意義。

⑷ 情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論更加強(qiáng)調(diào)情境對(duì)于學(xué)習(xí)的重要性。認(rèn)為知識(shí)具有情境性，學(xué)習(xí)是基于社會(huì)情境的一種活動(dòng)，知識(shí)的意義不能脫離具體的情境產(chǎn)生[8]。因而要通過(guò)設(shè)置真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（基于工作崗位的、基于知識(shí)內(nèi)涵的）、或借助計(jì)算機(jī)信息技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬情境，來(lái)提高學(xué)習(xí)的有效性，并保證知識(shí)向真實(shí)情境的遷移。

可見(jiàn)，VR的教育應(yīng)用與教育學(xué)習(xí)理念的精華是相一致的；設(shè)計(jì)適合學(xué)生學(xué)習(xí)的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)場(chǎng)景、創(chuàng)建情境化教學(xué)平臺(tái)，是虛擬教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)的主要形式。教學(xué)設(shè)計(jì)要強(qiáng)調(diào)參與者的交互性與沉浸感，以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，進(jìn)行更好的知識(shí)建構(gòu)。

3 系統(tǒng)教學(xué)功能的虛擬設(shè)計(jì)

⑴ 虛擬課堂的設(shè)計(jì)

對(duì)課堂場(chǎng)景的虛擬設(shè)計(jì)，使教學(xué)脫離傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，突破了時(shí)空的限制，學(xué)生可以自由自在地在虛擬課堂中學(xué)習(xí)，猶如沉浸在真實(shí)課堂一樣，讓教學(xué)變得輕松而實(shí)效。

⑵ 虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)和建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，是一種高效而且新穎的實(shí)驗(yàn)方式，不僅可以避免實(shí)驗(yàn)自身存在的安全隱患，而且可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，不用顧慮實(shí)驗(yàn)條件、環(huán)境和時(shí)空上的限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

⑶ 技能訓(xùn)練功能模塊的設(shè)計(jì)

VR的沉浸性和交互性，允許學(xué)生以角色的身份參與到虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中，去嘗試和體驗(yàn)情境學(xué)習(xí)活動(dòng)，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。例如汽車(chē)維修的虛擬技能訓(xùn)練、電器維修技能訓(xùn)練等職業(yè)技能的訓(xùn)練，學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。

⑷ 虛擬情境設(shè)計(jì)

應(yīng)該說(shuō)，最理想的學(xué)習(xí)是發(fā)生在真實(shí)情境下的學(xué)習(xí)，但客觀地說(shuō)，真實(shí)情境的學(xué)習(xí)條件可遇而不可求。因而，對(duì)情境進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)就是現(xiàn)實(shí)的選擇了。

在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實(shí)情境相類(lèi)似的高度逼真的虛擬學(xué)習(xí)情境，代替書(shū)本描述或代替抽象語(yǔ)言的描述，使教學(xué)的過(guò)程與現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題解決過(guò)程相類(lèi)似，有利于刺激學(xué)生的感知、沉浸與構(gòu)想，從而使得學(xué)習(xí)有效發(fā)生。

⑸ 虛擬角色的設(shè)計(jì)

虛擬角色支持學(xué)生成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的“角色扮演者”，學(xué)習(xí)的過(guò)程則是角色參與的活動(dòng)過(guò)程。教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)營(yíng)造一個(gè)利于“角色”主動(dòng)探索的學(xué)習(xí)共同體和實(shí)踐共同體，支撐知識(shí)的社會(huì)協(xié)作性建構(gòu)。角色扮演者在虛擬的情境中，可以身臨其境的體驗(yàn)情境化的教學(xué)?？梢宰杂傻亍⒅鲃?dòng)地與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，通過(guò)協(xié)作活動(dòng)和會(huì)話交流而建構(gòu)意義，符合建構(gòu)主義理論的學(xué)習(xí)理念。

4 虛擬教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)策略設(shè)計(jì)

4.1 案例學(xué)習(xí)策略的設(shè)計(jì)

案例教學(xué)，既是針對(duì)一個(gè)真實(shí)事件的再現(xiàn)與思考，也是對(duì)這一典型事例的反思與探討。案例制作的原則有以下。

⑴ 案例設(shè)計(jì)要突出主題、把握主線，要保持案例真實(shí)性、典型性、完整性、趣味性原則，闡明事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、背景，注意處理好事件中的一些戲劇性的突變，使得案例直觀明了、富有懸念，能有效地反映出事件發(fā)生的特定教育背景，并能給予啟示。

⑵ 感知性、沉浸性原則，可以使學(xué)生親身體驗(yàn)和感悟現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)問(wèn)題。

⑶ 案例設(shè)計(jì)應(yīng)能提出關(guān)鍵問(wèn)題，且能提出有效的解決辦法、及提供對(duì)這種解決問(wèn)題方法的評(píng)價(jià)，以便為新的決策提供參照點(diǎn)。

案例教學(xué)是開(kāi)啟學(xué)生思維大門(mén)的鑰匙，也是發(fā)展技能的重要渠道。好的案例無(wú)疑可促使學(xué)生更快地適應(yīng)工作情景的挑戰(zhàn)。有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

4.2 情境學(xué)習(xí)策略設(shè)計(jì)

情境化是虛擬現(xiàn)實(shí)特性在教學(xué)上的最有價(jià)值的又一體現(xiàn)。

在逼真情境認(rèn)知環(huán)境下的虛擬教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)程，也被稱為情境性教學(xué)，通常通過(guò)借助“VR”技術(shù)進(jìn)行虛擬學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

情境的模擬或基于真實(shí)工作崗位、或基于知識(shí)的本質(zhì)內(nèi)涵要求，是學(xué)生獲取知識(shí)，理解知識(shí)并基于一定的社會(huì)文化情境建構(gòu)意義的最佳環(huán)境。

4.3 協(xié)作學(xué)習(xí)策略設(shè)計(jì)

“協(xié)作”是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的要素之一?！皡f(xié)作學(xué)習(xí)”可以使得學(xué)生在一定的情境中，通過(guò)協(xié)作活動(dòng)和會(huì)話交流活動(dòng)中而建構(gòu)意義。因而對(duì)教學(xué)具有獨(dú)特的應(yīng)用意義。

合作、交互、角色參與、信息共享和活動(dòng)共享是實(shí)現(xiàn)“協(xié)作學(xué)習(xí)”的重要渠道。因此，在虛擬學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中，必須提供以上活動(dòng)的機(jī)制，提供在線的網(wǎng)絡(luò)對(duì)話、學(xué)習(xí)論壇、共享白板及電子郵件、留言板等交互方式。

4.4 自主學(xué)習(xí)策略設(shè)計(jì)

自主學(xué)習(xí)（autonomous learning）指學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)的監(jiān)控、評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)結(jié)果的過(guò)程。自主學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性和學(xué)習(xí)能動(dòng)性，教師則是教學(xué)活動(dòng)的組織者、參與者和指導(dǎo)者。

基于VR的網(wǎng)絡(luò)教育創(chuàng)設(shè)的是一個(gè)開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以在虛擬世界中自由翱翔，最大程度的發(fā)揮學(xué)習(xí)者的自主性，通過(guò)自己的探究活動(dòng)和與其他學(xué)習(xí)者的協(xié)作學(xué)習(xí)來(lái)建構(gòu)知識(shí)。

4.5 探索學(xué)習(xí)策略設(shè)計(jì)

利用VR技術(shù)可以對(duì)各種教學(xué)內(nèi)容的假設(shè)對(duì)象進(jìn)行虛擬構(gòu)建，所呈現(xiàn)的結(jié)果應(yīng)能直觀生動(dòng)地揭示規(guī)律，或給予的啟示。例如，在化學(xué)虛擬試驗(yàn)中，學(xué)生可根據(jù)假設(shè)，進(jìn)行不同分子的組合，通過(guò)對(duì)虛擬的結(jié)果進(jìn)行探索式的研究，很有可能得出新的發(fā)現(xiàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用VR技術(shù)，可以對(duì)學(xué)習(xí)場(chǎng)景、角色、情境等進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，結(jié)合各種有效的學(xué)習(xí)策略，有力地支持學(xué)生學(xué)習(xí)、探索和發(fā)現(xiàn)。

虛擬教學(xué)系統(tǒng)雖然是教學(xué)的輔助工具，但為教育提供了一種全新的思想方法和教育手段，它將促使教育形態(tài)、教育環(huán)境、教學(xué)過(guò)程的基本要素及相互關(guān)系發(fā)生重大變革。

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