基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計策略與案例實現(xiàn)

鐘正 陳衛(wèi)東

摘要：VR技術(shù)在實驗仿真、技能培訓(xùn)、體驗式學(xué)習(xí)、觀察學(xué)習(xí)、操作練習(xí)等方面具有重要的應(yīng)用價值。它能夠突破傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的局限，創(chuàng)設(shè)非常逼真的情境，營造出強烈的沉浸感，具有豐富自然的交互方式，有利于增進學(xué)習(xí)體驗、激發(fā)學(xué)習(xí)動機、促進情境認知和知識遷移等。作為一種新興技術(shù)，VR在教育中的應(yīng)用遠落后于其自身的發(fā)展，需要相應(yīng)的應(yīng)用模式和理論支持，尤其在如何構(gòu)建基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境方面，缺少理論依據(jù)，仍停留在經(jīng)驗和直覺的層面上。由此，該文在分析體驗式學(xué)習(xí)理論、情境認知理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合VR技術(shù)的3I特性（沉浸性、交互性、構(gòu)想性），詳細論證了體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的原則、要素、情境設(shè)計、活動設(shè)計、交互設(shè)計等策略，并構(gòu)建了靈活開放的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計框架。以此設(shè)計策略和框架為指導(dǎo)，對基于VR技術(shù)的生物學(xué)枯草芽孢桿菌體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境進行了設(shè)計，案例應(yīng)用情況表明，基于vR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境在教育上應(yīng)用潛力巨大，能夠提升學(xué)習(xí)興趣和動機、增強學(xué)習(xí)體驗、促進知識記憶和情境化學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;體驗式學(xué)習(xí);學(xué)習(xí)環(huán)境;設(shè)計策略

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

體驗式學(xué)習(xí)是以學(xué)習(xí)者為中心，通過真實地或虛擬地經(jīng)歷某一件事情或過程，并經(jīng)過反思來獲得知識、發(fā)展能力、生成情感的學(xué)習(xí)方式。它有利于激發(fā)學(xué)習(xí)動機、增加學(xué)習(xí)者的參與感，也有利于直接具體的經(jīng)驗向抽象概念的轉(zhuǎn)化。在體驗式學(xué)習(xí)的開展過程中，學(xué)習(xí)環(huán)境包括真實情境與虛擬情境兩大類：真實情境指現(xiàn)實的自然和社會情境，如自然地理環(huán)境、職業(yè)工作場所、人際交往情境等，可以用于學(xué)生的野外考察、現(xiàn)場實習(xí)等教學(xué)場合，學(xué)生所獲得的是真實的體驗和活的知識;模擬情境可以通過情境仿真和角色扮演等來實現(xiàn)，其用于教學(xué)的代價相對較低，比較適合在班級里開展教學(xué)。體驗式學(xué)習(xí)的核心即是要建立一種仿真化的學(xué)習(xí)環(huán)境。

目前，學(xué)校教育中學(xué)習(xí)環(huán)境大多采用多媒體技術(shù)來創(chuàng)設(shè)，比如使用計算機、投影儀播放視頻、展示圖片等，但這種學(xué)習(xí)環(huán)境的參與感不強，學(xué)習(xí)者處于被動地接受信息的狀態(tài)，很難獲得高質(zhì)量的交互效果。更甚者，由于受到空間和時間的限制，在教室環(huán)境下，有些學(xué)科很難或根本無法構(gòu)建出具有逼真性、能夠增強學(xué)習(xí)體驗的學(xué)習(xí)環(huán)境和情境，因此體驗效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量也會大打折扣。信息技術(shù)的快速發(fā)展和計算能力的提高，為構(gòu)建虛擬化的學(xué)習(xí)環(huán)境提供了技術(shù)支持，比如，在操作技能培訓(xùn)和職業(yè)教育中，由于大量的教學(xué)內(nèi)容屬于實踐性內(nèi)容，這些內(nèi)容受環(huán)境、場地、設(shè)施設(shè)備、安全、污染、資金、不可控、不可再現(xiàn)等因素影響，難以實現(xiàn)有效教學(xué)，利用VR技術(shù)為其創(chuàng)設(shè)一種嶄新的體驗式學(xué)習(xí)空間是一種非?？尚械姆椒?。

VR技術(shù)能夠提供豐富的感知線索以及多通道的反饋，用于幫助學(xué)習(xí)者將虛擬情境的所學(xué)知識遷移到真實生活中，滿足情境學(xué)習(xí)的需要。VR教育應(yīng)用目前集中在四個方面：VR支持學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)、支持技能實訓(xùn)、支持語言學(xué)習(xí)以及支持兒童教育，在激發(fā)學(xué)習(xí)動機、增強學(xué)習(xí)體驗、創(chuàng)設(shè)心理沉浸感和知識遷移方面具有較強的優(yōu)勢和潛力。VR技術(shù)創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)環(huán)境能夠為實踐性教學(xué)提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，使得學(xué)習(xí)者能夠在逼真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中盡情感知和體驗，有效促進學(xué)習(xí)者從具體感知經(jīng)驗升華到抽象的概念，滿足學(xué)習(xí)者的體驗和參與需求，為教學(xué)的順利開展創(chuàng)設(shè)有利的條件。但如何將VR技術(shù)應(yīng)用于教育中仍然面臨著一系列挑戰(zhàn)，尤其在虛擬化體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)方面沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗和模式可以遵循，本文嘗試在分析體驗式學(xué)習(xí)理論、情境認知理論等學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合VR技術(shù)的特征，探索出VR條件下體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計策略和框架，以期更好地服務(wù)于教育教學(xué)。

二、體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境的相關(guān)概念

（一）體驗式學(xué)習(xí)

體驗式學(xué)習(xí)（Experiential Learning）是20世紀80年代，美國社會心理學(xué)家、教育家?guī)觳― Kolb）整合杜威、羅杰斯等人的教育思想后，提出著名的“體驗式學(xué)習(xí)循環(huán)模式”。庫伯認為體驗式學(xué)習(xí)包括具體經(jīng)驗、觀察與反思、抽象的概念化、主動檢驗四個階段，這四個階段以螺旋式上升的方式作用于人的學(xué)習(xí)過程中。

體驗式學(xué)習(xí)非常重視學(xué)習(xí)者的主動性、參與性以及直觀感受和體驗，通過具體的體驗和反思活動來掌握知識和技能。根據(jù)學(xué)習(xí)目標的不同可以分為認知體驗式學(xué)習(xí)、情感體驗式學(xué)習(xí)和行為體驗式學(xué)習(xí)。由于體驗式學(xué)習(xí)過程具有情節(jié)記憶、情緒記憶、語義記憶等優(yōu)勢，非常有利于記憶的保持和檢索，從而有利于學(xué)習(xí)的發(fā)生。它的意義在于針對當前學(xué)校教育中普遍存在的所學(xué)知識和技能與真實世界的脫節(jié)、過多的說教教育與接受學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)的去情境化等問題，提供了重要的參考價值和啟示。

（二）學(xué)習(xí)環(huán)境與學(xué)習(xí)情境

體驗式學(xué)習(xí)最重要的保障條件為學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建，學(xué)習(xí)環(huán)境是促進學(xué)習(xí)者主動建構(gòu)知識的意義和促進能力生成的外部條件，也有學(xué)者認為學(xué)習(xí)環(huán)境是支持學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的各種外部和內(nèi)部條件的集合。目前人們對學(xué)習(xí)環(huán)境的共識包括以下幾點：學(xué)習(xí)環(huán)境是一種學(xué)習(xí)空間，包括物質(zhì)空間、活動空間、心理空間，其目的是為開展學(xué)習(xí)活動而創(chuàng)設(shè);應(yīng)以學(xué)習(xí)者為中心，學(xué)習(xí)者處于主動的地位，自我控制學(xué)習(xí);提供支持性的條件，由各種信息資源、認知工具、教師、學(xué)生組成;可以支持自主、探究、協(xié)作、問題解決等類型的學(xué)習(xí)。

我們認為學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)情境是既有區(qū)別又有聯(lián)系的兩個概念。學(xué)習(xí)環(huán)境的內(nèi)涵較為廣泛，是一個上位概念，包含學(xué)習(xí)情境，學(xué)習(xí)情境是學(xué)習(xí)環(huán)境下的一種具體狀態(tài)，是在一定時間和空間內(nèi)構(gòu)建的具有明確教學(xué)意圖的境況;學(xué)習(xí)環(huán)境是一種相對穩(wěn)定的存在，學(xué)習(xí)情境是一種動態(tài)的構(gòu)成，在同樣的學(xué)習(xí)環(huán)境下，根據(jù)學(xué)習(xí)需要所構(gòu)建的學(xué)習(xí)情境可能不同;學(xué)習(xí)環(huán)境強調(diào)的是一種時空形態(tài)和組成結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)情境更加強調(diào)外在的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)者內(nèi)心的感知與體驗。

（三）基于VR的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境

體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境可以設(shè)計成虛擬的空間和場所，運用VR技術(shù)等現(xiàn)代高科技手段來實現(xiàn)，用戶借助特殊的設(shè)備如頭戴式顯示器（Head-Mounted Display，HMD）、3DH艮鏡等進入到該環(huán)境中，并能與其中的對象進行交互。VR所構(gòu)建的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境有多種分類標準，根據(jù)體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境的沉浸性特征，分為完全沉浸式（需要通過HMD觀看場景）、非沉浸式（無需佩戴設(shè)備觀看，如Second Life展示的場景）;根據(jù)體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境是否需要網(wǎng)絡(luò)的支持，分為在線式和離線式;根據(jù)體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境中用戶參與度的強弱，分為強交互式（如用戶可以碰觸、捏拿物體，可以與環(huán)境的構(gòu)成元素交互，可以在環(huán)境中漫游等）和弱交互式（用戶一般只能觀看）。

基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境最大特點在于構(gòu)成學(xué)習(xí)環(huán)境的對象都是數(shù)字化、虛擬的，該學(xué)習(xí)環(huán)境具有隋境性、沉浸性、參與性、交互性等特征，能夠極大地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機，支持師生在特定的教學(xué)模式中創(chuàng)建和使用對象，能夠給予師生在現(xiàn)實世界中無法獲得的體驗。VR技術(shù)有效促進學(xué)習(xí)的核心要素包括VB教學(xué)法、資源與VR設(shè)備以及學(xué)習(xí)者的體驗，使其彼此調(diào)節(jié)、共同發(fā)展，構(gòu)建成一個具有強大兼容性和擴展性的VR學(xué)習(xí)環(huán)境，支持觀察性學(xué)習(xí)、操作性學(xué)習(xí)、社會性學(xué)習(xí)和科學(xué)研究，從而為體驗式學(xué)習(xí)的有效開展提供幫助和支持。

隨著VR技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)設(shè)完全虛擬的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境已成為現(xiàn)實，基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境具有以下優(yōu)勢和教育意義：（1）學(xué)習(xí)環(huán)境更加逼真、自然，讓學(xué)習(xí)者具有高度的沉浸感，可以通過觀察、操作等學(xué)習(xí)行為獲得具體的經(jīng)驗。（2）提供豐富的自然交互方式和功能，通過傳感器與虛擬環(huán)境的任何物體以最自然的方式進行交互，如運用聲音、體感、注視、表情等交互，能夠?qū)W(xué)習(xí)者提供及時的學(xué)習(xí)反饋和指導(dǎo)，有利于學(xué)習(xí)者的反思及抽象概念的形成，也有利于學(xué)習(xí)者能夠主動檢驗知識和技能的掌握情況。（3）體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境能夠給學(xué)習(xí)者帶來輕松、愉悅、感興趣等積極情緒，能夠激發(fā)其學(xué)習(xí)的內(nèi)部動機。利用體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境中的化身（Avatar）功能讓學(xué)習(xí)者實現(xiàn)角色扮演（RolePlaying），更好地增強學(xué)習(xí)體驗，實現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識遷移。（4）能夠克服傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的限制，有利于形成虛實融合的課堂教學(xué)環(huán)境。

三、基于VR的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計策略

（一）指導(dǎo)思想

基于VR的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境是一種用于滿足學(xué)習(xí)者體驗學(xué)習(xí)需求的人工環(huán)境，其設(shè)計的主要指導(dǎo)思想是體驗式學(xué)習(xí)理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和情境認知理論。體驗式學(xué)習(xí)理論著重參考了庫伯的“體驗式學(xué)習(xí)循環(huán)模式”，在體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境中關(guān)注具體經(jīng)驗、觀察與反思、抽象的概念化、主動檢驗等學(xué)習(xí)活動的設(shè)計。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為“情境”“協(xié)作”“會話”和“意義建構(gòu)”是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素，強調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，注重在實際情境中展開教學(xué)，注重協(xié)作學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)該能夠提供充分的學(xué)習(xí)資源以滿足學(xué)習(xí)者的意義建構(gòu)。情境認知理論認為知識具有情境性、生成性、分布性和默會性，學(xué)習(xí)應(yīng)當根植于情境之中，通過社會協(xié)商達到一種文化適應(yīng)和知識創(chuàng)新，是一種合法的邊緣性參與。學(xué)習(xí)情境的設(shè)計要體現(xiàn)出認知活動的真實性，具備真實性認知活動的學(xué)習(xí)情境將對知識的建構(gòu)起到幫助作用。

根據(jù)以上指導(dǎo)思想，基于VR的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境首先應(yīng)當能夠提供一種真實的學(xué)習(xí)情境，情境的真實性有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。學(xué)習(xí)者能夠在該情境下根據(jù)一定的學(xué)習(xí)目的進行具體體驗、自主探究學(xué)習(xí)，通過體驗、探究活動和操作獲得具體的經(jīng)驗。該學(xué)習(xí)情境應(yīng)該提供豐富的交互功能和合適的協(xié)作會話機制，以利于學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)環(huán)境以及學(xué)習(xí)者之間的交流，并通過交流和反思活動形成抽象的概念，從而完成對知識意義的建構(gòu)。評價應(yīng)當以學(xué)生的自我評價為主，在學(xué)習(xí)結(jié)束后對學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果進行總結(jié)和反思。它還應(yīng)當提供檢驗學(xué)習(xí)者所獲得知識的機會，以便對學(xué)習(xí)結(jié)果進行驗證。

（二）設(shè)計原則

1.真實性原則。充分利用三維建模和可視化技術(shù)，提供真實的或接近真實的環(huán)境和情境，產(chǎn)生強烈的沉浸感，激發(fā)學(xué)習(xí)者的動機，真實性有利于提高環(huán)境擬真度、操控可信度和用戶體驗度。真實性不僅指創(chuàng)建的環(huán)境及其包含的物體具有較高的真實感，還意味著創(chuàng)設(shè)的問題來自于生活實際，具有真實意義。

2.易于導(dǎo)航原則。該體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境具有封閉的特性，學(xué)習(xí)者佩戴HMD進入時，將會屏蔽周圍真實世界的信息，展示一個完全虛擬的時空。如果導(dǎo)航設(shè)計不合理，就容易給學(xué)習(xí)者帶來很大的困擾，學(xué)習(xí)者不知道如何在虛擬空間中導(dǎo)航操作、場景切換，從而迷失掉自己，影響其學(xué)習(xí)的興趣和積極性，也會增加外部認知負荷，導(dǎo)致認知負荷加重。導(dǎo)航設(shè)計要易于識別和操作，導(dǎo)航文字和圖標要醒目，采用語音提示、箭頭指示、文字提示等多樣化導(dǎo)航方式。

3.內(nèi)容適度原則。在一個虛擬、封閉的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者需要進行體驗、觀察和操作等學(xué)習(xí)活動，包括動腦、動手、肢體動作等，容易給學(xué)習(xí)者帶來疲倦感。因此，難度要適中，難度太高容易引起學(xué)習(xí)者的焦慮和擔(dān)憂，太低容易引起學(xué)習(xí)者的無趣反應(yīng)，都會影響人們的沉浸狀態(tài)，適中的、具有一定挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)內(nèi)容是最佳選擇。同時，學(xué)習(xí)內(nèi)容不宜太多和過于復(fù)雜，否則會給學(xué)習(xí)者帶來較大的心理負擔(dān)。

4.反思性原則。應(yīng)該給予學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)反思的機會，讓其通過反思明白在做什么，為什么這么做，學(xué)習(xí)了哪些知識和技能、掌握了哪些概念等，通過反思可以使學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)過程和結(jié)果有更深刻的理解。在虛擬的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境中可以設(shè)計一些場景和會話機制，讓學(xué)習(xí)者回答問題、操作練習(xí)等，以增進學(xué)生的反思行為。

（三）設(shè)計要素

學(xué)習(xí)環(huán)境要發(fā)揮教育價值，必須對設(shè)計要素進行統(tǒng)籌和規(guī)劃，厘清各要素的功能及相互關(guān)系。設(shè)計要素如圖1所示，可作為設(shè)計要素的參考。

首先要考慮學(xué)習(xí)者的特點和應(yīng)用需求。對學(xué)習(xí)者有一個初步的分析，清晰地界定使用對象，比如使用者的年級、興趣、專業(yè)、學(xué)習(xí)風(fēng)格、對VR的熟悉程度及使用能力等，只有這樣才能做到有的放矢。比如，低年級的學(xué)習(xí)者比較喜歡寓教于樂的、游戲化的學(xué)習(xí)形式，應(yīng)盡量提供觀察和體驗的機會，增進其具體經(jīng)驗;高年級的學(xué)習(xí)者抽象思維能力發(fā)達，應(yīng)該多提供反思的機會，以促進其知識和概念的生成。

第二個要素為應(yīng)用場合。該要素著重考慮應(yīng)用場合和條件支持，包括應(yīng)用于課堂還是課外、自主學(xué)習(xí)還是小組學(xué)習(xí)、應(yīng)用形式是桌面式還是移動式、在線的還是離線的、在學(xué)校使用還是在家庭使用，使用時間長短等，分析應(yīng)用場合有利于對技術(shù)要素的選擇。

第三個要素是學(xué)習(xí)內(nèi)容及學(xué)習(xí)目標。應(yīng)根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容來設(shè)計體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境，對于操作性、觀察性、體驗性強的學(xué)習(xí)領(lǐng)域采用體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境較為合適，比如用于職業(yè)技能培訓(xùn)、物體結(jié)構(gòu)認識等。在確定學(xué)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)進一步明確學(xué)習(xí)目標類型和層次，如目標類型屬于認知領(lǐng)域、動作技能領(lǐng)域、情感學(xué)習(xí)領(lǐng)域的哪一種，達到什么樣的層次和要求。學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標是設(shè)計要素的核心部分，是體現(xiàn)教育性的重要依據(jù)。

最后要考慮的是VR技術(shù)要素。包括硬件支持（如Oculus VR、HTC Vive、三星Gear VR等設(shè)備）、交互方式和類型（如語音識別、動作捕捉、手勢追蹤、眼球追蹤、表情交互等）、學(xué)習(xí)者的觀察視角（如第一人稱視角、第三人稱視角和上帝視角）、是否使用化身、場景的切換方式（在虛擬環(huán)境中自然移動切換場景、射線選擇目標地點瞬間移動切換場景）等，此外還應(yīng)當明確開發(fā)工具和引擎、技術(shù)可行性、開發(fā)成本和周期等。

（四）設(shè)計情境

依據(jù)庫伯的“體驗式學(xué)習(xí)循環(huán)模式”，在吸收其學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計成四個學(xué)習(xí)情境，分別為“體驗的情境”“反思的情境”“形成概念的情境”和“驗證的情境”，每個情境中可以提供必要的認知、協(xié)作、交流等輔助工具，如圖2所示。所設(shè)計的情境能夠使學(xué)習(xí)者在探索過程中發(fā)現(xiàn)問題、有機會生成問題、提出解決問題的假設(shè)，并在解決真實問題的過程中獲得各種資源的支持，能夠提供其它豐富的例證和類似的問題以使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生概念化和遷移。采用線性和隨機相結(jié)合的設(shè)計模式，學(xué)習(xí)者可以按照“體驗一反思—形成概念一驗證概念”的順序進行學(xué)習(xí)，也可以隨機進入某個情境開展學(xué)習(xí)，不必從“體驗的情境”開始。以上四個學(xué)習(xí)情境并非硬性規(guī)定，可以根據(jù)需要將其中兩個或多個合并，融合為一個情境。

“體驗的情境”用于實際體驗，可以采用模擬、演示、實地考察等方式讓學(xué)習(xí)者獲得具體的經(jīng)驗，比如以三維動畫形式演示零件的組裝與拆分過程、到虛擬的野外考察自然環(huán)境等。情境中可設(shè)置三維模型、視頻、動畫、文字信息、語音提示、交互元素等，提供一定的認知工具，情境應(yīng)當逼真可信，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的動機。

“反思的情境”用于促進學(xué)習(xí)者思考和回味，反思體驗活動和經(jīng)歷，進而更加全面、深刻地認識所學(xué)知識?？梢圆捎糜懻摗柎鸬刃问酱龠M反思，比如情境中以文字或語音的方式提出問題，從而讓學(xué)習(xí)者有一定的反思過程，也可在場景中提供多角度的觀察機會或者設(shè)計一些拓展的操作練習(xí)，讓學(xué)習(xí)者在操作練習(xí)中有所感悟和反思。

“形成概念的情境”能夠促使認識從感性到理性的升華，獲得抽象的概念，并納入學(xué)習(xí)者已有的認知結(jié)構(gòu)中。注重知識分享活動的設(shè)計，在分享過程中歸納和總結(jié)知識，利于抽象概念的形成。

“驗證的情境”讓學(xué)習(xí)者在新的情境中測試所獲得的概念，運用知識做出決策和解決問題，檢驗獲得的知識和技能?？梢栽O(shè)計成常規(guī)的題目，或設(shè)計成操作活動，比如學(xué)習(xí)了三相電機的原理后，在“驗證的情境”中可以提供三相電機的零部件，讓學(xué)習(xí)者自己去組裝，如果安裝正確則給出一個笑臉提示并正常運轉(zhuǎn)，如果安裝錯誤則提示錯誤的原因。

（五）設(shè)計活動與交互

1.設(shè)計學(xué)生活動

在“體驗的情境”中，學(xué)生的活動主要以探索和體驗為主，學(xué)生以化身的形式出現(xiàn)在虛擬空間中，可以在虛擬空間中漫游，可以與虛擬物體交互感知信息，也可以多種角度觀察對象。在設(shè)計時可以采用第一人稱視角，此時學(xué)生看到場景與化身看到的場景一致，這種視角代人感好，能夠產(chǎn)生較強的身臨其境的心理體驗。也可以采用第三人稱視角，此時學(xué)生不僅能看到場景，也可以看到其化身。在“反思的情境”和“形成概念的情境”中，學(xué)生活動以反思、觀察、討論、分享、對話、操作和練習(xí)為主，可以將學(xué)生的活動設(shè)計成競賽、娛樂等形式，比如，學(xué)生如果回答問題正確，可以在虛擬空間中出現(xiàn)一些表揚的文字或聲音，也可以用虛擬物品進行獎勵。在“驗證的情境”中，學(xué)生的活動表現(xiàn)為解決類似的問題，通過測驗、操作、決策、試誤等活動，檢驗獲得的知識，鞏固學(xué)到的概念。

2.設(shè)計教師活動

教師在體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境中的作用主要表現(xiàn)為協(xié)助學(xué)習(xí)者體驗情境、適時引導(dǎo)與交流、幫助學(xué)習(xí)者進行反思與總結(jié)，因此，在四種情境下教師的角色可以設(shè)計為幫助者、組織者、指導(dǎo)者等，根據(jù)角色不同設(shè)計相應(yīng)的活動。由于學(xué)生是虛擬環(huán)境下體驗式學(xué)習(xí)的主體，設(shè)計時應(yīng)當盡量弱化教師的角色，突出學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性，體驗式學(xué)習(xí)活動的設(shè)計應(yīng)當發(fā)揮學(xué)習(xí)者主體的作用，切忌越俎代庖。

3.設(shè)計交互

交互是學(xué)習(xí)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，交互具有溝通信息、診斷學(xué)情、情感交流、促進反思等作用，交互是一種心理需求和自我實現(xiàn)。交互的主要目是為學(xué)習(xí)者提供幫助和指導(dǎo)，以便及時獲得學(xué)習(xí)反饋?；赩R的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境的交互形式可以設(shè)計為顯式或隱式兩種。顯式交互是指學(xué)習(xí)者始終能夠看到交互元素，比如場景中交互元素高亮顯示、突出顏色、閃爍顯示、指示箭頭等，以便學(xué)習(xí)者能夠隨時利用。隱式交互是指在場景中交互的元素不是一直存在，只有當學(xué)習(xí)者到達一個區(qū)域時才會出現(xiàn)，離開這個區(qū)域交互元素會自動消失，其目的在于提供臨時提示，以便能夠無障礙學(xué)習(xí)。從交互主體和對象來看，分為人與虛擬物體交互、人與人的交互兩種情況，在虛擬空間中，兩種交互情況都很重要，人與虛擬物體的交互能促進學(xué)習(xí)者的體驗，人與人的交互能夠增進學(xué)習(xí)者的反思。還應(yīng)充分考慮VR特有的交互技術(shù)和設(shè)備，如采用“動作捕捉”“觸覺反饋”“語音交互”“眼球追蹤”等交互技術(shù)實現(xiàn)自然的交互，有助于增加沉浸感。

（六）設(shè)計框架

基于VR的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計以學(xué)生活動為中心，教師活動為輔助，構(gòu)成一個以師生交互活動為內(nèi)核的設(shè)計框架，如圖3所示。學(xué)生通過積極主動的活動融入到學(xué)習(xí)情境中，通過體驗、觀察、反思、動手操作、協(xié)作分享等活動達到學(xué)習(xí)目標。教師通過目標導(dǎo)引、解釋情境、激發(fā)動機、協(xié)助反思等活動幫助學(xué)習(xí)者完成學(xué)習(xí)任務(wù)。在教師活動和學(xué)生活動的相互作用中，應(yīng)該提供交流、認知等輔助工具，并提供驗證與測試功能。所有的這些模塊和工具應(yīng)當圍繞著學(xué)生和教師的活動展開設(shè)計。需要注意的是，該框架僅僅作為體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的一種參考，應(yīng)根據(jù)具體的情況對框架的組成進行相應(yīng)的取舍。

四、基于VR的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計案例

（一）案例背景

生物學(xué)實驗往往具有實驗周期長、實驗設(shè)備復(fù)雜昂貴等特點，在短暫時間內(nèi)很難體驗和掌握實驗的過程和原理，因此真實的生物學(xué)實驗往往需要較多的時間去探究和學(xué)習(xí)，尤其在實驗人員多、實驗條件不好的情況下，對實驗教學(xué)帶來了巨大的壓力，往往需要調(diào)整課時、費時費力。

利用VR技術(shù)開發(fā)的生物學(xué)體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠縮短實驗周期、持續(xù)開展生物學(xué)實驗，通過體驗實驗過程、觀察實驗結(jié)果、對實驗進行反思和驗證，能夠加速學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)，為真實實驗的開展做好必要的準備。本案例以高校生物學(xué)枯草芽孢桿菌的培養(yǎng)為例，構(gòu)建一種基于VR的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生通過對虛擬實驗的體驗、探索、觀察、操作和反思，掌握實驗的過程、操作技能和知識要點。

（二）案例設(shè)計

1.設(shè)計要素分析

該案例中，使用對象是生物學(xué)專業(yè)的本科學(xué)生，他們具備一定的自學(xué)和自主能力，對生物學(xué)實驗具備一定的操作能力，大部分學(xué)生了解或者接觸過VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)。配備專門的虛擬實驗室，學(xué)生可以利用課外時間自主學(xué)習(xí)。實驗室配置有zSpace桌面虛擬現(xiàn)實平臺，具有立體顯示、低延遲的跟蹤系統(tǒng)，該實驗平臺跟HTC vive眼鏡連接，具有定位追蹤功能，使用的交互設(shè)備為控制手柄。在自主學(xué)習(xí)方式下，在場景中設(shè)計學(xué)習(xí)者化身，更好地增加沉浸感。使用Max三維軟件建模，采用Unity引擎作為開發(fā)工具。在學(xué)習(xí)目標和學(xué)習(xí)內(nèi)容上，讓學(xué)生熟悉枯草芽孢桿菌培養(yǎng)的原理與方法，如枯草芽孢桿菌的培養(yǎng)、分離、純化技術(shù)和鑒定方法，熟悉所使用的儀器和實驗試劑，領(lǐng)會實驗的過程和操作技巧，能夠?qū)⑺鶎W(xué)遷移到真實實驗當中。

2.交互設(shè)計

該體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境以自主學(xué)習(xí)為主要形式，在交互設(shè)備選擇上采用HTC vive無線雙模定位跟蹤技術(shù)和控制手柄相結(jié)合的方式，滿足學(xué)習(xí)者在虛擬空間自由移動和漫游的需求。交互的形式采用顯式設(shè)計方式，易于學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)和導(dǎo)航。在交互技術(shù)上采用“視覺注視交互”“手柄射線交互”“語音交互”三種方式?！耙曈X注視交互”運用眼球追蹤技術(shù)，當學(xué)習(xí)者注視虛擬場景中的某個具有交互功能的虛擬物體一段時間后，就會出現(xiàn)相應(yīng)的文字、圖片、語音等提示信息?！笆直渚€交互”用于對虛擬物體的操作，比如，學(xué)習(xí)者在虛擬空間要移動一個玻璃杯，使用“手柄射線交互”可以選擇該玻璃杯，并能夠把它放置到合適的位置?！罢Z音交互”主要用于提示學(xué)習(xí)者注意實驗中的關(guān)鍵點和事項，讓學(xué)習(xí)者能夠從聽覺上獲得反饋信息，加深體驗的感受。本案例是在單機單人條件下設(shè)計體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境，而非基于分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)境，因此，在交互主體上僅考慮學(xué)習(xí)者的角色和化身。

3.情境和活動設(shè)計

本案例共設(shè)計了“看一看”“想一想”和“測一測”三個情境。學(xué)習(xí)者進入虛擬化體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境后，首先呈現(xiàn)在眼前的是一個初始畫面，三個情境都包含其中，使學(xué)習(xí)者對虛擬環(huán)境的結(jié)構(gòu)一目了然。在每個情境中設(shè)置都兩個虛擬按鈕，一個用于返回初始畫面，一個用于跳轉(zhuǎn)到下一個情境中。在情境跳轉(zhuǎn)時，“視覺注視交互”和“手柄射線交互”兩種方式都可以用。學(xué)習(xí)者可以按照情境順序依次學(xué)習(xí)，也可以隨機進入某個情境學(xué)習(xí)。本案例的初始畫面效果如圖4所示。

“看一看”情境提供給學(xué)習(xí)者觀察和體驗的機會。在該情境中設(shè)置了虛擬的實驗儀器和材料，如無菌移液管、載玻片、無菌培養(yǎng)皿等實驗儀器，碘液儲備液、碘液使用液、鹽酸溶液等實驗試劑，以及各種培養(yǎng)基等。學(xué)習(xí)者的活動設(shè)計為在虛擬情境中漫游、觀察各種實驗材料和儀器，并可以與之進行交互，比如學(xué)習(xí)者可以多角度的觀察實驗材料，當學(xué)習(xí)者使用手柄指向它們時，以文字形式顯示其作用。該情境還具有動畫演示功能，學(xué)習(xí)者還可以選擇觀看動畫，此時儀器和實驗材料會自動展示枯草芽孢桿菌的培養(yǎng)過程，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)還能夠給出提示和暫停，便于學(xué)習(xí)者仔細觀察。通過該情境的體驗和觀察，學(xué)習(xí)者能夠熟悉整個實驗的流程、儀器、藥品、實驗的技能以及注意的問題。

“想一想”情境設(shè)計了兩種游戲化的活動。一種是“配對游戲”，在場景中隨機分散排列著部分儀器和文字描述，學(xué)習(xí)者需要使用控制手柄將儀器和相應(yīng)的文字放置一起進行配對，當配對正確后情境以語音反饋的形式加以鼓勵。另外一種游戲為“爭分奪秒”，游戲時將隨機出現(xiàn)“看一看”情境中的部分儀器、藥品等，其間混有其他物體，學(xué)習(xí)者需要在一定的時間內(nèi)辨認出其他物體，當辨認成功后，會給出一定的表揚和分值獎勵。經(jīng)過游戲化的活動，學(xué)習(xí)者能夠在輕松愉悅的氛圍中加深反思，使前面體驗學(xué)習(xí)獲得的表象和具體知識轉(zhuǎn)化為抽象的概念，加深對知識的理解和體會。

“測一測”情境提供兩種形式的檢測手段。一種是虛擬實驗操作，按照枯草芽孢桿菌的培養(yǎng)過程進行模擬實驗，按照準備儀器、配置培養(yǎng)基、采集土樣、富集培養(yǎng)、稀釋分離、純化等順序開展，在此過程中，設(shè)計為有提示信息和無提示兩種方式，有提示信息是對每一步的操作給予指導(dǎo)和提示。當整個實驗操作完成后，會給出相應(yīng)的評判分值、實驗花費的時間、熟練程度等。另外一種檢測手段采用傳統(tǒng)的選擇題樣式，學(xué)習(xí)者在場景中會看到隨機出現(xiàn)的題目，用于檢測學(xué)習(xí)者知識掌握的情況。

（三）案例應(yīng)用與分析

為檢驗基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)習(xí)體驗和效果，在某高校生物學(xué)專業(yè)中隨機選取了46名在校學(xué)生作為被試開展實驗，其中，男生20人，女生26人，一年級學(xué)生22人，二年級學(xué)生16人，三年級學(xué)生10人。實驗采取分散進行的方式，學(xué)生可以在空余時間參與體驗式學(xué)習(xí)。實驗開始前被試學(xué)生首先接受一個簡單的培訓(xùn)，掌握VR系統(tǒng)的使用方法。實驗開展過程中學(xué)生可以充分地進行學(xué)習(xí)和體驗，直到學(xué)習(xí)者要求結(jié)束實驗，實驗結(jié)束后學(xué)習(xí)者需要填寫一份調(diào)查問卷。

調(diào)查問卷共包含3個大項10個小項，采用量表問卷的形式進行設(shè)計。問卷的具體內(nèi)容包括“總體的學(xué)習(xí)體驗及感受（A）”“操作難度及技術(shù)接受度（B）”“學(xué)習(xí)效果（C）”三個大的維度，其中總體的學(xué)習(xí)體驗及感受（A）包括“能夠很好地支持探究體驗學(xué)習(xí)，效果較好（A1）”“沉浸感非常強烈（A2）”“能夠激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，參與感強烈（A3）”，操作難度及技術(shù)接受度（B）包括“非常容易使用（B1）”“對開展真實實驗具有很好的指導(dǎo)幫助作用（B2）”“交互方便、自然（B3）”“如果有可能，愿意繼續(xù)使用（B4）”，學(xué)習(xí)效果評價（C）包括“所學(xué)知識有利于遷移到真實的實驗中（C1）”“視覺記憶效果好，有利于回憶實驗過程和要點（C2）”“有助于實驗技能的提升（C3）”。問卷調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果如下表所示。

從調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果可以看出，在十個小項的調(diào)查結(jié)果中“比較符合”和“非常符合”合計值都已經(jīng)超過了50%，其中“比較符合”和“非常符合”合計值最高的調(diào)查項為“視覺記憶效果好，有利于回憶實驗過程和要點（C2）”，合計值最低的調(diào)查項為“能夠激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，參與感強烈（A3）”，可以看出大部分學(xué)生對基于VR技術(shù)設(shè)計和開發(fā)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境是肯定的，認為能夠帶來很好的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)體驗，愿意接受VR這種新的技術(shù)。但也應(yīng)該看該案例存在的問題，在易用性上還需要改進提高。

綜合以上分析結(jié)果，基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境從總體上來說能夠支持體驗式學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)。由于構(gòu)建的環(huán)境以三維方式顯示，畫面逼真，交互方式自然，與傳統(tǒng)的二維顯示效果（如基于Flash技術(shù)的仿真實驗）相比，更有利于沉浸感的生成，能夠在很大程度上激發(fā)學(xué)習(xí)的動機和興趣，使學(xué)生全身心地參與學(xué)習(xí)過程，可以為學(xué)習(xí)者帶來較為積極的體驗和感受。由于基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境在信息呈現(xiàn)方式上以情景展示方式為主，情景記憶相較于語義記憶更容易為學(xué)習(xí)者所記住，情景記憶是個人對親身經(jīng)歷的、發(fā)生在一定時間和地點的事件（情景）的記憶，它以時間和空間為坐標，有個人的情緒情感滲透其中，比較容易產(chǎn)生和提取，因此我們認為基于VR的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境能夠促進知識的記憶和保持。同時，采用虛擬化的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠大量節(jié)約實驗的成本，可以讓學(xué)習(xí)者反復(fù)觀摩和操練，有利于技能的提高。

五、結(jié)束語

基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境是一種新型的學(xué)習(xí)環(huán)境和工具，其在體驗式學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、實驗教學(xué)、職業(yè)技能訓(xùn)練等方面具有重要的應(yīng)用價值。該學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計需要遵循一定的原則、方法和策略，要根據(jù)具體的學(xué)習(xí)需求對設(shè)計要素進行全面考慮和取舍，能夠使學(xué)習(xí)者在構(gòu)建的學(xué)習(xí)環(huán)境中發(fā)揮學(xué)習(xí)主體作用、充滿體驗的樂趣和探索精神。在信息技術(shù)高速發(fā)展和終端顯示技術(shù)、硬件技術(shù)的日益成熟的大背景下，基于VR技術(shù)的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建將獲得重要的技術(shù)保障和支持，從而為體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境的推廣和應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)，也應(yīng)當看到，作為一種新興的技術(shù)，VR在教育中的應(yīng)用方興未艾，VR如何有效地融入到教育之中還有待深入探索。

收稿日期：2017年6月27日

責(zé)任編輯：趙云建