基于移動學習的三維虛擬實驗教學模式研究

路春燕 胡艷

摘 要：實驗教學是教育教學改革進程中的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)教學模式存在師生互動不足、教學效果和效率欠佳等問題。該文針對傳統(tǒng)實驗教學的不足，結合虛擬現(xiàn)實、無線網絡等技術，提出基于移動學習的三維虛擬實驗教學模式，在該模式下，學習者進行學習活動將不再受時間、地點、地點、設備、環(huán)境、教學方式以及師生關系等多方面的約束;此外，在移動學習環(huán)境下進行虛擬實驗教學，學生是教學的主體而非客體，教學效果和效率明顯提高。對該模式進行實證研究，結果表明：與傳統(tǒng)教學模式相比，基于移動學習的三維虛擬實驗教學模式具有一定先進性，是對傳統(tǒng)教學模式的有益補充，且對教育創(chuàng)新、教育改革等方面具有積極推動作用。文后就該模式發(fā)展存在的問題進行了論述。

關鍵詞：后疫情時代;移動學習;虛擬實驗;教學模式

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）02-0114-05

1 引言

以計算機為主要載體高新技術的迅猛發(fā)展與高度普及，引發(fā)了教育行業(yè)的變革，移動學習、泛在學習以及慕課等創(chuàng)新性學習模式相繼出現(xiàn)，對教育教學改革的進程起到了積極地推動作用[1-3]。實驗教學作為教育教學的重要部分亦受到高新技術發(fā)展的重要影響。

移動學習借助于平板電腦、智能手機等可移動電子設備進行教育教學與學習活動，其最大特點為學習者可不受時間、地點以及環(huán)境等限制開展學習活動[4-7]。目前，移動學習從理論研究到實際應用深入推進，應用前景越發(fā)廣闊，已成為高校信息化建設的重點與學習模式發(fā)展的主體方向[8]。

虛擬現(xiàn)實技術利用計算機技術等高新技術合成出可與用戶進行感官感覺交互反饋的虛擬世界，該世界具有高度的仿真性與實時性。在教育培訓領域，虛擬現(xiàn)實技術在教育科研、仿真校園、虛擬實驗、安全培訓、交互式娛教平臺等方面應用廣泛且發(fā)展快速，促進了教學模式的變革和教育理念的創(chuàng)新[9，10]。

目前，在國內眾多高等院校中，其實驗教學模式仍多為傳統(tǒng)實驗教學模式，該模式完全依賴于物理設備和實驗環(huán)境，對時間的要求也較為嚴格，在不同程度上影響師生互動以及教學效果。相比而言，移動學習和虛擬現(xiàn)實技術的應用突破了此限制，有利于提高實驗教學的效率與效果。

2 傳統(tǒng)實驗教學模式

傳統(tǒng)實驗教學模式下開展教學活動的制約因素包括多個方面（見表1）。在客觀條件上，約束因素主要表現(xiàn)為以下幾點：時間約束在指定的上課時間;地點約束在指定的實驗場所;實驗工具約束為電腦、試管等硬件設備或材料;實驗環(huán)境約束為適應課程要求的建筑、設備以及其他滿足溫濕度等局部環(huán)境條件或滿足密封性等特殊實驗要求搭建的物理實體。就教學模式本身而言，約束因素主要體現(xiàn)在教學方式與師生關系兩方面。教學方式采取教師講解，學生模仿的驗證性實驗形式，實驗內容由教學大綱約束;師生關系則是一對多、施與授的主客關系。

由于傳統(tǒng)實驗教學模式對教學活動的開展具有多方面的限制，因而產生以下主要問題[11-13]：

2.1 因材施教難以實現(xiàn)

在知識層次、學習能力、知識基礎等方面，不同學生具有較大差別。因此，同樣的實驗內容，相同專業(yè)的不同學生其接受力差異性明顯。傳統(tǒng)的實驗教學模式忽略了此差異，完全按照大綱要求和進度安排完成教學內容，因而難以實現(xiàn)因材施教，使得整體教學效果欠佳。

2.2 師生互動不足

傳統(tǒng)實驗教學模式下，由于教學時間、地點以及實驗環(huán)境和設備等方面的限制，教師僅可采取集中授課的形式開展教學活動。一個教師往往需同時面對幾十乃至上百個學生進行授課，因此難以對每個學生有足夠的關注。由此導致了師生互動過少，教師不易發(fā)現(xiàn)教學過程中的問題和不足，而學生由于問題得不到適當?shù)胤答伻菀仔睦砩铣霈F(xiàn)厭學怠學狀態(tài)，從而形成雙向惡性循環(huán)，不利于教學活動的開展。

2.3 忽視學生綜合利用知識解決問題能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的實驗教學模式中，教學方法單一。教師在課堂上對實驗內容進行講解和演示，學生對實驗內容進行簡單地模仿，驗證實驗結果的正確性。而學生主動能動性和自主創(chuàng)新能力沒有得到啟發(fā)與培養(yǎng)。此教學模式易于使得學生出現(xiàn)“高分低能”現(xiàn)象，難以滿足社會對人才的需求。

2.4 教學效果不夠理想

在傳統(tǒng)的實驗教學模式中，實驗硬件設備狀況在很大程度上決定了教學效果的好壞。對于教學硬件較差的學校，往往因為缺少某種昂貴的實驗設備和適宜的實驗場地等問題，而無法對學生進行直接性教學，由此易于造成學生對知識理解掌握方面的諸多問題。此外，在實驗教學內容上，知識表示過于抽象。具體教學過程多為教師通過課件等多媒體手段進行知識講解，再利用PPT、Flash等演示實驗過程或結果。文字、二維動畫等形式的信息表達能力遠低于三維可視化方式對信息的表達能力，僅應用二維信息表達形式降低學生對學習知識的興趣。

2.5 限制因素過多，降低學生學習的自由度和主動性

由于限制因素過多，學生學習的自由度亦受到影響。高等教育不同于初級教育，其自由時間相對較多。當學生時間充足可進行實驗學習時，往往由于不在上課時間，或者實驗室被占用等因素無法進行學習活動。而集中授課階段，學生也可能出現(xiàn)由于身體不適、其他同學干擾等因素不能高效學習，使得學生學習的積極性降低。

2.6 課外訓練過少

傳統(tǒng)實驗教學模式中，學生學習主要集中在教室和實驗室，而課外訓練較少。課外訓練是課堂教學的延伸，充分利用課外時間進行預習和復習有利于鞏固學習效果，且易于在學習過程中發(fā)現(xiàn)問題，并有針對性地解決問題。在坐車、排隊等情形下，利用碎片時間進行預習、復習、提交作業(yè)等學習活動，可提高時間利用率，加強課外訓練。

3 基于移動學習環(huán)境的三維虛擬實驗教學模式

3.1 學習模型和體系結構

在基于移動學習環(huán)境的三維虛擬實驗教學模式中，傳統(tǒng)實驗教學模式的制約因素對教學活動開展的限制強度變弱，如表2所示。教學時間由指定的時間變?yōu)槿我饪臻e的時間碎片;教學地點由固定實驗室變?yōu)槿我獾攸c;教學環(huán)境由物理設備搭建的符合實驗要求的環(huán)境變?yōu)橥ㄟ^軟件手段模擬的不受封閉性環(huán)境條件影響的虛擬環(huán)境。由此，時間、地點與環(huán)境制約因素對實驗教學開展的制約力降為0。

教學設備由昂貴的硬件實驗設備變?yōu)閮H需一臺移動智能終端;教學方式由課堂教學變?yōu)閷W生自由選擇學習方式進行自主學習;師生關系由一對多的施與授關系變?yōu)槎鄬Χ嗟膶W習交流關系，這三個制約因素對實驗教學模式的制約力仍然有，但已變得極弱。

在移動學習環(huán)境下，三維虛擬實驗教學模式可將客觀環(huán)境通過軟件手段模擬轉化為三維虛擬環(huán)境，學生通過轉化后的虛擬環(huán)境開展實驗、進行學習活動。學習活動可在任意空閑時間和地點進行。同時，學生與教師間可通過該三維虛擬環(huán)境進行多對多的學習交流。該實驗教學模式的學習模型圖如圖1所示。

由圖1可知，在三維虛擬實驗教學模式下，學生不僅是教學的客體，同時也是掌握教學節(jié)奏和主動權的主體。相比而言，教師則喪失部分的主體地位，對學生的學習起輔助和指導作用，而不直接參與教學活動的規(guī)劃、管理和實施。該模式的體系結構如圖2所示。

在三維虛擬實驗教學模式下，學生的主體地位體現(xiàn)在選擇和控制兩個方面。可選擇項有學習時間、地點和內容，可控制項有學習進度、目標和學時。教師喪失部分主體地位后，其輔助作用體現(xiàn)在解答問題、指導學習方向、批改作業(yè)等方面，與學生交流內容既可以是技術前沿也可以是學術觀點。

在這種情況下，教學模式的客體不再是學生，而是虛擬環(huán)境。不論是學生還是老師，都必須通過虛擬環(huán)境進行學習活動。虛擬環(huán)境的主要作用是對實驗的環(huán)境、過程和結果進行模擬。

3.2 問題分析

移動學習的研究已成為近年來教育領域的研究熱點，如教育部的“移動教育”項目、“移動教育理論與實踐”試點項目、北京大學移動教育實驗室、中央民族大學的“移動數(shù)字校園”等[14，15]。但基于移動學習的三維虛擬實驗教學方面的研究卻相對較少，平臺建設更是如此。

有數(shù)據(jù)表明，移動設備互聯(lián)網流量已超過互聯(lián)網總流量的20%，且仍持續(xù)增長，傳統(tǒng)桌面設備的互聯(lián)網流量所占百分比則在持續(xù)下降[16]。對移動設備的普及率，本文研究人員選擇了福建農林大學本科二年級的部分學生進行移動設備的普及率調查，結果顯示：95.08%的學生持有移動設備，且在持有移動設備的學生中，91.38%擁有2種以上移動設備。由此可知，開展基于移動學習的三維虛擬實驗教學相關研究已具備條件。

目前，移動智能終端主流操作系統(tǒng)為安卓和蘋果操作系統(tǒng)，均具有較強的數(shù)據(jù)處理能力。此外，其信息存儲空間也越來越大，同時支持使用存儲卡等外接設備進行存儲空間擴容。目前，存儲卡的容量可達到32G乃至更高，使得虛擬實驗環(huán)境條件得到滿足。

綜上所述，基于移動學習的虛擬實驗教學模式的研究條件已成熟，但在其研究過程中仍存在一定的問題。虛擬現(xiàn)實場景中，所有虛擬對象被分解為點、線、面三種數(shù)據(jù)元素，并以三維坐標的形式存儲于計算機中。由此，使得需要存儲的數(shù)據(jù)量大。虛擬場景的真實度越高，虛擬對象涉及的細節(jié)就越多，其點、線、面的數(shù)量就越多，相應的數(shù)據(jù)量就越大。

但是，移動智能終端傳送數(shù)據(jù)依靠無線網絡、wifi、移動通信網絡等低帶寬網絡環(huán)境。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量過大，會造成系統(tǒng)崩潰、網絡阻塞等問題。另一方面，移動學習對信息反饋的實時性和交互性要求較高，若傳輸速度達不到要求，會降低用戶體驗效果，導致系統(tǒng)無法滿足可用性和健壯性的要求。

因此，基于移動學習環(huán)境進行虛擬實驗教學，解決數(shù)據(jù)量大與虛擬學習環(huán)境數(shù)據(jù)存儲能力低和網絡帶寬低之間的矛盾是其首要任務和根本目標。

解決措施主要包括以下幾個方面：

3.2.1 減少數(shù)據(jù)量

為減少數(shù)據(jù)量，可采用多種優(yōu)化技術或策略。例如，細節(jié)層次（LOD）技術可將場景按一定的規(guī)則劃分為不同的細節(jié)層次，對于當前需要獲取焦點的虛擬場景，調用高細節(jié)層次的場景模型，否則調用低細節(jié)層次的場景模型;全景圖技術可把實景照片數(shù)字化拼接，生成虛擬場景，既能保證高真實度，又可大幅降低數(shù)據(jù)量;此外，可根據(jù)需要將虛擬場景分解成多個子場景，系統(tǒng)運行時只調用相關子場景即可，此策略同樣可有效降低數(shù)據(jù)量。

3.2.2 控制傳輸數(shù)據(jù)

在帶寬無法有效擴大的情況下，可對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行控制，從而達到提高傳輸速度的目的。例如，系統(tǒng)運行時并不需要將所有虛擬場景通過網絡傳輸，而將一些調用率較高的場景文件存儲在移動智能終端本地。此外，移動智能終端可根據(jù)接收到的核心數(shù)據(jù)決定調用哪些虛擬場景以及虛擬場景需要做哪種變換，由此有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。核心?shù)據(jù)包含了場景文件名、場景對象控制信息等，這些數(shù)據(jù)可根據(jù)需要從本地調取或者從服務器獲取。

3.2.3 有效組織信息

信息可表示為文字、圖片、動畫、視頻等多種形式，構建三維虛擬場景的根本目的在于提高信息表達的效果和效率。三維虛擬場景構建完成，其包含的二維信息仍具有其原有價值。多種不同的信息表達形式相結合，其表達效果和效率均可得到提升。同時，由于二維信息具有數(shù)據(jù)量低的特點，因此適當利用此類信息可加速系統(tǒng)運行，減少系統(tǒng)資源的占用等。

某三維實驗教學平臺運行界面如圖3所示。由圖3可知，實驗教學平臺以三維虛擬場景的形式進行展示，并且在該場景中使用包括文字、圖片、按鈕等二維信息集成的控制面板，用以進行當前場景信息或安全培訓步驟的展示與提示。在面板上，既可以顯示提示信息、知識內容，也可以運行題庫供用戶練習;在不使用時，可將其隱藏至后臺運行。此外，所有信息被嵌入至網頁中，相互之間不產生干擾。綜合利用多種信息表達形式，其效果明顯優(yōu)于僅使用一種或幾種信息表達形式。

3.3 與傳統(tǒng)教學模式對比分析

為明確與量化傳統(tǒng)教學模式與移動學習教學模式下進行實驗教學的優(yōu)缺點，本研究以福建農林大學計算機與信息學院（以下簡稱農大計算機學院）實驗課程教學為研究對象，通過調研與問卷調查分析發(fā)現(xiàn)：相比傳統(tǒng)教學模式，移動學習教學模式在多個方面具有優(yōu)勢。主要包括以下幾個方面：

3.3.1 實驗建設投入成本低

傳統(tǒng)實驗需要根據(jù)實驗課程的要求建設實驗室，其成本投入包括實驗室場地成本、實驗儀器采購成本、實驗環(huán)境維持成本以及實驗設備維護成本等。農大計算機學院某校區(qū)計算機教學實驗室，在不考慮場地、水電、物業(yè)等費用的前提下，在設備方面每間實驗室需投入約54萬，強弱電布線方面需投入約16萬，共計投入70萬左右。對于其它需使用貴重儀器的實驗室，其成本更高。由于硬件設備在長期進行大量實驗的過程中，磨損、損壞等現(xiàn)象常有出現(xiàn)，因此若考慮維護成本，實驗室投入成本則更高。而在移動學習環(huán)境中，實驗室場地無需投入，硬件設備的投入則分攤至每位學習者。同時，虛擬場景中實驗環(huán)境維持、設備維護等亦無需投入。

3.3.2 實驗效率高、效果好

傳統(tǒng)實驗教學工具對實驗的描述多具有抽象性。例如數(shù)字電路、建筑設計等課程，需講解的內容多以抽象程度較高的概念、理論以及二維平面圖進行展示，不易于學生的理解與掌握。相比之下，通過虛擬實驗教學的方式，可通過三維虛擬場景對所教授內容進行立體展示，更符合學生的認知規(guī)律，從而提高教學效率與效果。

3.3.3 促進師生交流

傳統(tǒng)實驗教學，主要以教師演示、學生模仿的形式進行。由于課時等的限制，教師演示后，若學生在模仿過程中遇到疑惑或困難，往往無法得到教師的及時反饋。課后，師生間的交互較少。采用基于移動學習的虛擬實驗教學模式，可有效地改善這種情況。每個持有移動智能終端的教學對象，均可隨時隨地進行交流。

問卷調查顯示，受訪學生中僅有15.00%認為與教師互動對學生沒有幫助，但完全不與教師進行互動的學生高達46.67%，表明學生有意愿與教師通過互動提高學習效率，但卻缺少有效的互動渠道。而另外53.33%的與教師存在互動行為的學生中，通過移動設備進行互動的人數(shù)占總人數(shù)的81.25%，表明通過移動設備與教師進行互動是師生交流的主要途徑。

3.3.4 有效利用時間碎片

傳統(tǒng)實驗教學，受到時間、地點等的嚴格限制。問卷調查顯示，僅有13.79%的學生在課堂之外會進行主動學習，與教師間的互動行為，主要發(fā)生在課堂討論或自習時間。對碎片時間利用率低。

相比之下，在基于移動學習的虛擬實驗教學模式下，學習者可在坐車、排隊等碎片時間內自主進行學習，也可利用碎片時間與教師互動，對提高時間利用率及學習效率具有促進作用。

3.3.5 突出學生的主體地位，加強個體能力培養(yǎng)

問卷調查顯示，在基于移動學習的虛擬實驗教學模式下，93.44%的學生有主動學習的行為，而在傳統(tǒng)實驗教學模式下僅有13.79%的學生有主動學習的行為。分析其原因，傳統(tǒng)實驗教學以教師為主體，學生只能被動接受。在基于移動學習的虛擬實驗教學模式下，學生成為主體，教師成為輔助學習的半主體。學生可自己選擇學習時間、地點、科目、內容、進度等，并且在獨立自主的學習過程中，易于提高個人的素質與能力以及學習效率。

3.3.6 學生主動性增強

傳統(tǒng)教學模式中，由于限制過多，學生學習的主動性整體較低，且易于出現(xiàn)“師生互動過少—學生自暴自棄—學生不主動學習”的惡性循環(huán)。即使對于優(yōu)秀學生而言，學習的動力多出于壓力，而非興趣。問卷調查顯示，在傳統(tǒng)教學模式下，僅有37.7%的學生會在課堂討論或自習時間與教師互動。

新的教學模式下，由于三維虛擬實驗的引入，學生能夠直觀地了解知識、學習知識，且可更好地進行師生交流，學習主動性明顯增強。調查表明，在基于移動學習的虛擬實驗教學模式下，受訪學生中僅有14.75%認為課堂教學的學習效率高于主動學習的效率。

從以上幾點可以看出，移動學習虛擬實驗教學模式，相比傳統(tǒng)教學模式具有多種優(yōu)勢，并且對于傳統(tǒng)教學模式中常見的問題，均有不同程度的緩解或改善。

4 結束語

與傳統(tǒng)的教學模式相比，移動學習虛擬實驗教學模式具有一定的先進性，且有利于教學質量的提高。同時，在移動學習虛擬實驗教學模式下，成本投入大大降低，極大地利于其未來應用、開發(fā)和推廣。但需指出的是：盡管移動學習虛擬實驗教學模式具有較大優(yōu)勢，但在具體教學過程中該模式仍需傳統(tǒng)教學模式加以輔助。主要原因在于，由于移動智能終端由學生自備，設備的充分性難以保證;在移動學習虛擬實驗教學模式下，學習的主體為學生，教師對教學活動的控制和干涉存在一定程度的困難。

從未來發(fā)展方向看，三維“立體課堂”的出現(xiàn)是必然趨勢。與遠程教學相結合，三維慕課系統(tǒng)等新的教學形式將相繼出現(xiàn)，對教育發(fā)展和改革將起到積極的推動作用。今后，多種技術結合的教學模式是值得深入研究的重點。

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