基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂模式在教育實踐類課程中的應(yīng)用

顏曉 熊江波 吳建富 盧志紅 周春火

[摘 要]隨著教育信息化的發(fā)展和教育理念的不斷創(chuàng)新，VR技術(shù)（Virtual reality technology）和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式被廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域。將VR技術(shù)與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，是對當(dāng)前翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式不足的有利補充，更帶來了實踐類課程教學(xué)的革命性創(chuàng)新。將基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于實驗課程中，可從課前教學(xué)活動的設(shè)計、課堂教學(xué)活動設(shè)計、課后教學(xué)反思三個層面進行構(gòu)建。未來依托于VR系統(tǒng)平臺建設(shè)，輔助實踐類課程教學(xué)，應(yīng)堅持“能實不虛、虛實結(jié)合、相互補充”的原則，這樣才能提高實踐教學(xué)效率，培養(yǎng)高素質(zhì)的新時代人才。

[關(guān)鍵詞]VR技術(shù);翻轉(zhuǎn)課堂;實驗教學(xué);教學(xué)模式

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）11-0085-03

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，教育教學(xué)方式和手段得以不斷更新。從遠程教育、網(wǎng)絡(luò)教育到現(xiàn)在的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的搭建，促進了教學(xué)理念和教學(xué)模式的創(chuàng)新[1-2]，課堂教學(xué)由傳統(tǒng)的以“教師講授”為主的模式到現(xiàn)在大力提倡的基于建構(gòu)主義理論的翻轉(zhuǎn)課堂模式。翻轉(zhuǎn)課堂是一種新型的教學(xué)模式，它將傳統(tǒng)課堂教學(xué)內(nèi)容制作成教學(xué)視頻，并提供給學(xué)生課前觀看，課堂上則組織學(xué)生進行問題討論和答疑輔導(dǎo)等活動[3]。其最初起源于美國，2011年可汗學(xué)院創(chuàng)立后，迅速成為全球教育界關(guān)注的教學(xué)模式。各高校借助于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，相繼開設(shè)了各專業(yè)的精品課程、微課、慕課等視頻公開課，供學(xué)生在課下選課學(xué)習(xí)，課堂上以問題為主導(dǎo)的討論互動。這種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式兼顧了移動互聯(lián)網(wǎng)時代學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，很快成為當(dāng)前較為流行和被認可的新型教學(xué)模式[4]。

一、翻轉(zhuǎn)課堂模式在教育實踐類課程中的應(yīng)用

大學(xué)實驗實習(xí)類課程是本科教育的重要組成部分，其對于理工農(nóng)醫(yī)科的學(xué)生來說尤為重要，是學(xué)生對理論知識學(xué)習(xí)的延伸與內(nèi)化，在提升學(xué)生動手實踐與認知能力的同時，可培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的實驗課堂教學(xué)是由教師講授實驗原理及步驟，然后學(xué)生動手實操。在有限的或不充足的實驗學(xué)時內(nèi)，大量的時間用于教師的課堂講授，留給學(xué)生思考和動手操作的時間太少;單一枯燥的課堂講授，提不起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生只能接受被動的知識灌輸，教學(xué)效果欠佳。另外，由于學(xué)生人數(shù)較多，大型實驗儀器配備相對不足，實驗過程中經(jīng)常是學(xué)生觀摩，教師或個別學(xué)生上機操作演示。一次實驗課完成后，學(xué)生對實驗儀器運行原理及如何操作掌握不夠牢靠。而翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于實驗教學(xué)，學(xué)生可在課前通過視頻自學(xué)，課上有充足時間進行動手實操和問題答疑，充分解決了實驗課程學(xué)時相對不足的問題。另外，視頻知識點學(xué)習(xí)不受時空限制可反復(fù)觀看，符合學(xué)生的個性化差異學(xué)習(xí)需求，這在一定程度上可提升其學(xué)習(xí)效率。

目前，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在教育實踐類課程中的應(yīng)用探索研究也有不少。研究者分別在微生物污水處理綜合性實驗、工程實驗教學(xué)、礦物巖石實驗課程、醫(yī)學(xué)機能學(xué)實驗、儀器分析實驗、金屬材料工程生產(chǎn)實習(xí)等實踐課程中進行了翻轉(zhuǎn)課堂運用的模塊設(shè)計和可行性分析[4-9]，但進行實證案例應(yīng)用研究的較少。王艷霞等[10]和吳明彩等[11]分別將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于病理實驗課、生物化學(xué)實驗課教學(xué)中，通過設(shè)置實驗組和對照組，從作業(yè)成績、考核成績及問卷調(diào)查等方面探討了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)效果，結(jié)果均表明，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，鍛煉了學(xué)生自主獲取知識的能力、溝通交流能力及實踐操作能力，提高了實驗課程的教學(xué)質(zhì)量。但是，基于微課視頻的翻轉(zhuǎn)課堂模式，還是不能有效解決實驗設(shè)備不足與學(xué)生數(shù)量之間的矛盾，多數(shù)學(xué)生對大型儀器設(shè)備操作只能觀摩，不能實操。

二、VR技術(shù)在教育實踐類課程中的應(yīng)用

VR技術(shù)（Virtual reality technology），即虛擬現(xiàn)實或虛擬仿真技術(shù)，是一種依靠計算機來創(chuàng)建虛擬世界并且與之進行人機交互的計算機技術(shù)。它用計算機生成動態(tài)的三維立體畫面實現(xiàn)對環(huán)境的模擬，使人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。VR技術(shù)最早被應(yīng)用于軍事、航天等領(lǐng)域，隨著科技的發(fā)展，已成為21世紀最重要的信息技術(shù)。目前，已有一些VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的研究。VR技術(shù)因其獨具的構(gòu)想性、沉浸性和交互性等特點，與二維圖片或視頻教學(xué)相比，在教育實踐類課程中應(yīng)用有其獨特的優(yōu)勢。比如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的植物生長與田間管理虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了小麥、番茄和葡萄三種作物的生長過程模擬、生長發(fā)育期主要農(nóng)事操作、雜交等過程的三維演示等功能，可交互點擊，學(xué)生通過計算機在幾分鐘時間內(nèi)就可以通過虛擬仿真系統(tǒng)真實立體地觀摩作物的整個生長過程，并可以在這個虛擬環(huán)境中親自進行農(nóng)事操作[12]。盡管視頻教學(xué)也能有效解決植物生長周期長，學(xué)生實習(xí)觀測受時間、空間、天氣因素等限制的問題，但二維的視頻教學(xué)始終還是“講授式”或“灌輸式”教學(xué)，學(xué)生缺乏參與感。而VR技術(shù)以學(xué)生為主導(dǎo)，可以在虛擬的環(huán)境中通過人機交互，輸出自己的構(gòu)想，觀摩情境的發(fā)生，有真實的體驗與參與，真正實現(xiàn)以“學(xué)生為主體”的教學(xué)模式。再如，在土壤地理學(xué)野外實習(xí)中，要研究土壤的垂直地帶性分布，即要觀測一座山體，從山腳到山頂?shù)耐寥李愋妥兓?。VR技術(shù)不僅可以滿足學(xué)生反復(fù)觀摩，學(xué)習(xí)不受時空限制，節(jié)省野外實習(xí)交通、住宿成本等問題，還能使學(xué)生在虛擬情境中，有真正的爬山、觸摸土壤的感受，身臨其境的參與感與主導(dǎo)意識，可極大地提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性及學(xué)習(xí)興趣。同樣，VR技術(shù)的沉浸性和交互性特點，也可有效化解化學(xué)實驗教學(xué)中貴重大型儀器與學(xué)生數(shù)量之間的矛盾，實現(xiàn)每個學(xué)生都能上機實操的愿望。

近年來，VR技術(shù)應(yīng)用于教育實踐類課程教學(xué)的研究逐年增多。2015年教育部遴選出了100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心[13]，自此虛擬仿真實驗教學(xué)平臺申報和遴選數(shù)量也逐年增加。VR技術(shù)因其獨特優(yōu)勢，參與到實踐教學(xué)中將成為一種趨勢。

三、基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式構(gòu)建

將VR技術(shù)與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，是對當(dāng)前翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式不足的有利補充，其帶來了實踐類課程教學(xué)的革命性創(chuàng)新。將基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于實驗課程中，可從以下三個層面進行構(gòu)建。

（一）課前教學(xué)活動的設(shè)計

依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，教師將教學(xué)內(nèi)容制作成若干個微課視頻或VR片段，并布置適當(dāng)預(yù)習(xí)任務(wù)，連同與教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的其他資源，如教學(xué)課件、習(xí)題測驗、電子教材等放置到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，或以其他方式，如班級QQ群或微信群推送給學(xué)生，供課前學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用。學(xué)生可通過PC、智能手機、平板電腦等設(shè)備在線觀看視頻或通過VR平臺自主體驗，嘗試消化理解教學(xué)內(nèi)容，必要時可通過習(xí)題測驗來加強和檢驗知識掌握情況。對于難以掌握的內(nèi)容，可以求助網(wǎng)絡(luò)解決，或者做好記錄，與教師和同學(xué)在課堂上交流討論。

在實驗課開課之前，可預(yù)先將學(xué)生進行分組，根據(jù)實驗室操作空間情況，設(shè)每2—3人一組。在實驗課前，學(xué)生自學(xué)階段，對難以掌握的內(nèi)容可以進行小組內(nèi)交流和討論，同時也可生生間互相督促自主學(xué)習(xí)的進度。

（二）課堂教學(xué)活動設(shè)計

1. 課堂開始前10分鐘，學(xué)生靜心回顧課前自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容。在回顧過程中，讓學(xué)生明確本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)。同時，教師利用多媒體PPT展示本節(jié)課的實驗原理及步驟。

2. 課堂第10—25分鐘，小組討論與答疑。教師根據(jù)學(xué)生觀看視頻過程中遇到的疑問和測驗情況提煉出需要核心探討的問題，然后組織學(xué)生進行獨立探究和小組內(nèi)協(xié)作討論。之后，交流成果，對本次教學(xué)活動進行評價和反饋，至此學(xué)生完成了新知識的內(nèi)化。

具體流程為：教師提問→學(xué)生組內(nèi)討論和總結(jié)→分組搶答→教師講解與評價。采用任務(wù)驅(qū)動法提出問題，學(xué)生分組搶答環(huán)節(jié)，采用分組記分制，即十分制記分;經(jīng)小組討論后，以小組為單位解答課堂問題，根據(jù)解答情況予以小組間差異記分，小組內(nèi)每人同等記分。

以任務(wù)驅(qū)動的自主學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考的能力。組內(nèi)討論和分組記分制搶答，活躍了課堂氣氛，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能體現(xiàn)師生、生生互動，還能培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作、歸納總結(jié)能力。

3. 課堂第25—40分鐘，實驗原理及步驟介紹。課堂上用少量時間，簡單介紹實驗原理和步驟。或視學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)效果，可播放微視頻。此階段，學(xué)生課前已完成了自主學(xué)習(xí)，教師則側(cè)重于講授在微視頻、VR平臺及課件等學(xué)習(xí)資料上未涉及的一些內(nèi)容或注意事項，或者是重點、難點的強化。

4. 課堂第40—90分鐘，學(xué)生實驗操作與答疑。預(yù)留大量的課堂時間來讓學(xué)生親自動手操作。學(xué)生在進行實驗的過程中，可能會遇到一些實際操作問題，教師要及時進行一對一操作演示或輔導(dǎo)。

受實驗室空間及實驗用具限制，實驗課往往需要將學(xué)生進行分組，每2—3人一組，每組負責(zé)一個樣品的處理和測定。在實驗過程中，采用學(xué)生自主記分制，即十分制記分，若小組有3人，則分別按10分、5分、0分打分，對實驗過程中積極動手操作的記10分，積極程度稍差的記5分，積極程度最差的記0分;課程完成后按比例計入平時成績。由于學(xué)生個性及學(xué)習(xí)主觀能動性的差異，學(xué)生自主記分制的實施，可以有效地調(diào)動每個學(xué)生參與實驗的動手積極性。

5. 課堂第90—100分鐘，歸納總結(jié)。在學(xué)生實驗操作的過程中，發(fā)現(xiàn)并提出很多問題。這些問題往往就是實驗成功所需要注意的關(guān)鍵點。針對這些問題在進行一對一解答之后，將這些問題歸納總結(jié)，在課堂上講授與強調(diào)。

6. 課后學(xué)生撰寫實驗報告，及時提交至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，教師批閱，可在線交流點評。

（三）課后教學(xué)反思

教師對教學(xué)活動過程中遇到的問題以及實際教學(xué)效果進行總結(jié)和反思，并形成改進方案，對微課、VR平臺以及相關(guān)資源進行完善和補充。

選定試驗班級，分別設(shè)定對照組和試驗組。在實施基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式一學(xué)年后，針對實際教學(xué)效果、學(xué)生對此教學(xué)模式的認可度等問題進行問卷調(diào)查，根據(jù)學(xué)生反饋，及時修正改進實施方案。

四、研究展望

目前，國內(nèi)VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)只是在極少數(shù)學(xué)校試用，尚處于起步階段，還未形成一種普遍的、便捷的教學(xué)手段。盡管已有一些關(guān)于VR技術(shù)和翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于教學(xué)的文獻研究，但大都是從理論層面探討其應(yīng)用的優(yōu)勢與可行性，缺少實證案例研究和強有力的數(shù)據(jù)支撐。VR系統(tǒng)的設(shè)計、建模與研發(fā)需要學(xué)科專業(yè)教師與專業(yè)VR軟件公司技術(shù)人員的通力合作，同時也需要大量的資金投入。另外，新型信息技術(shù)融入教學(xué)，對教師教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變、教學(xué)手段和水平的提高提出了更高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)融入課堂教學(xué)，無疑是未來教育信息化的主流趨勢。未來依托于VR系統(tǒng)平臺建設(shè)，輔助實踐類課程教學(xué)，應(yīng)堅持“能實不虛、虛實結(jié)合、相互補充”的原則，這樣才能提高實踐教學(xué)效率，培養(yǎng)高素質(zhì)的新時代人才。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責(zé)任編輯：陳 明]