具身視角下的師范生課堂管理虛擬實訓系統(tǒng)設(shè)計

李凌月　彭曉麗

關(guān)鍵詞：具身認知；虛擬實訓；師范生；微格教學；課堂管理

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）36-0106-04

微格教學是師范生鍛煉教學技能、診斷教學能力普遍運用且行之有效的工具。目前基于數(shù)字微格系統(tǒng)的微格教學課堂已在高校中廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)有微格教學仍存在教學模式單一、教學場景有限等不足，Hargie等學者提出[1]：微格教學相對于課堂教學不夠成熟。如果把真實的課堂當作是游泳池的深水區(qū)， 那么微格課堂的作用就是讓師范生“在淺水區(qū)里練習游泳”。虛擬現(xiàn)實可以逼真地模擬現(xiàn)實世界的環(huán)境和事物，當人們借助相關(guān)設(shè)備進入到虛擬環(huán)境中，立即會產(chǎn)生“親臨其境”的體驗，參與者可親自操作與虛擬環(huán)境或是虛擬對象進行交互[2]。目前已有研究者嘗試將虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)應(yīng)用于微格教學技能訓練[3]，但尚存在教學場景和訓練模式單一等問題，尤其是師范生的課堂管理能力未得到充分重視。針對這一問題，本研究從具身認知的視角出發(fā)，設(shè)計開發(fā)了虛擬微格課堂管理實訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持師范生體驗多樣化的教學情境，并支持師范生通過多種方式來應(yīng)對課堂教學中可能遇到的各類事件，突出學習過程的情境化及體驗性，能夠較好體現(xiàn)具身認知的基本理念，有利于師范生將虛擬環(huán)境中習得的課堂教學與管理技能向未來真實教學情境中遷移。

1 課堂管理能力實訓系統(tǒng)設(shè)計需求分析

從具身認知的視角審視教育教學：“親身體驗”是獲取知識必不可少的環(huán)節(jié)；情境會對學生的認知過程產(chǎn)生影響從而對教學效果產(chǎn)生影響。學生在學習過程中是否能產(chǎn)生具身體驗從而獲得更好的學習效果，教學情境的生動性與逼真性都起到?jīng)Q定性作用，情境越生動、越貼近生活的真實場景就越能引發(fā)學生的具身體驗[4]。

Emmer將課堂管理定義為一系列教師的行為和活動[5]，致力于培養(yǎng)學生在課堂活動中的參與、合作意識，引導學生積極學習，建立良好的課堂秩序，有效處理學生的問題行為，營造良好的課堂氛圍。傳統(tǒng)微格教學將關(guān)注點更多集中于培養(yǎng)師范生的教學技能，對于課堂管理能力較少關(guān)注。在教師課堂管理能力評價指標體系中，課堂環(huán)境管理能力強調(diào)教師對于物理環(huán)境和心理環(huán)境的管理即營造良好的師生及同學關(guān)系，在規(guī)定時間完成教學任務(wù)。課堂問題行為管理能力具體是指教師處理課堂沖突和問題行為的能力[6]。這兩個維度的管理能力在傳統(tǒng)微格教學活動中較難模擬，師范生在訓練過程中也難以產(chǎn)生具身體驗。

綜上，虛擬實訓系統(tǒng)應(yīng)當最大限度還原真實課堂教學，從而幫助師范生在模擬授課的過程中獲取接近親身體驗的認知和技能。虛擬微格系統(tǒng)作為支持具身認知發(fā)生的工具，應(yīng)當支持師范生的身體與學習內(nèi)容進行交互，盡量保證其多種感覺通道被調(diào)動；支持師范生利用其身體與學習環(huán)境進行交互，支持多種教學情境的體驗，努力還原真實課堂和現(xiàn)實生活的情境及活動。

2 基于虛擬現(xiàn)實的實訓系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

虛擬實驗室開發(fā)主要通過利用Unity 3D開發(fā)引擎，結(jié)合3D Studio Max（3ds Max）制作的仿真模型搭建虛擬實驗環(huán)境，使用C# 語言在Microsoft Visual Stu?dio（簡稱VS）軟件上實現(xiàn)交互，主要涉及以下相關(guān)技術(shù)[7]：

2.1 三維建模技術(shù)

虛擬現(xiàn)實強調(diào)沉浸感、真實感，模型的質(zhì)量直接影響虛擬實驗的質(zhì)量。本研究通過3ds Max 軟件對虛擬實驗室及虛擬實驗器材進行創(chuàng)建、修改、貼圖、調(diào)整、渲染，并將其以fbx格式導出，模型與Unity 3D具有較好的兼容性。利用3ds Max還原講授型和小組討論型課堂情境，滿足微格實訓具身學習對多種教學情境的需求。在不同的教學情境中，師范生需要及時轉(zhuǎn)變角色，如在講授型課堂中扮演講授人和主導者的角色，而在小組討論型課堂中，則主要充當活動組織者和引導者的角色。虛擬實訓系統(tǒng)的多樣化教學情境在一定程度上克服了傳統(tǒng)微格教學場景單一的問題，有利于具身認知體驗的生成。

2.2 立體顯示技術(shù)

本研究采用的是HTC Vive 頭盔顯示器（Head-Mounted Display，簡稱HMD），參與者通過頭盔顯示器感知虛擬教室當中的環(huán)境及角色，觀察虛擬角色的表現(xiàn)。

2.3 人機交互技術(shù)

虛擬現(xiàn)實在人機交互方面借助的設(shè)備一般包括3D 體感攝像機、數(shù)據(jù)手套和手柄等。本研究是采用HTC Vive 手柄控制器，參與者通過手柄拾取教學工具，通過教具發(fā)射射線操控教學課件的播放，教師也可通過手柄實現(xiàn)在虛擬教室當中的位移。通過采集并識別學習者的身體行為，來獲得其學習需求與狀態(tài)信息，在交互的過程中，參與者利用虛擬角色的行為作為反饋，即行為和動作可以交互式地創(chuàng)造虛擬場景，滿足具身認知對于身體與學習內(nèi)容進行交互的需求[8]。系統(tǒng)構(gòu)建的流程如圖1所示：

3實訓系統(tǒng)實施流程

3.1 課前準備

虛擬微格實訓系統(tǒng)需在一間較為空曠的教室運行，保證師范生在無法觀察周圍環(huán)境的情況下也有足夠的安全感。將設(shè)備與主機相接，并配置好頭戴式顯示器、傳感定位器、手柄；通過SteamVR 配置虛擬空間，完成其與虛擬頭盔、手柄以及感應(yīng)器的連接[9]。設(shè)備成功連接后，打開實訓系統(tǒng)軟件，根據(jù)提示進入虛擬教室環(huán)境。

3.2 教學設(shè)計

該系統(tǒng)支持師范生體驗不同年級教學對象和多種教學場景，所以師范生可以嘗試采用不同教學方式進行教學設(shè)計。師范生將上課所需課件導入系統(tǒng)，根據(jù)課程內(nèi)容選擇對應(yīng)年級的教學對象，輸入提問內(nèi)容及預(yù)設(shè)學生回答，再根據(jù)教學內(nèi)容設(shè)定教學時長。

3.3 實訓內(nèi)容

參訓師范生通過點擊pad顯示屏中的開始上課按鈕，觸發(fā)上課功能。利用操控手柄可以拾取虛擬環(huán)境中的激光筆，播放教學課件，開始授課。在模擬的過程中，虛擬學生角色會隨機表現(xiàn)出問題行為，師范生需去制止或是勸導這些學生。虛擬學生的行為將會根據(jù)參與者的決策做出相應(yīng)的改變，如果師范生采用了無效的方式，虛擬學生的不良行為將一直持續(xù)下去，并且有可能會擾亂課堂教學，直到師范生作出正確的反應(yīng)。參考Niemeyer在其研究中羅列出常見的教學管理事件[10]，該虛擬實訓系統(tǒng)設(shè)計了6 種隨機事件：

1）嘲笑同學事件：在上課開始一段時間后會觸發(fā)該行為，一名同學會舉手并起立告訴參與者沒有聽懂上課所講內(nèi)容，周圍同學會發(fā)出笑聲。

2）學生睡覺事件：在進行至課程預(yù)設(shè)時間一半時可能會觸發(fā)該事件，課堂中會有一名學生表現(xiàn)出閉眼、低頭最后趴桌子等一系列動作。

3）學生聊天事件：學生會和周圍同學竊竊私語，參與者能夠明顯感覺到虛擬教學環(huán)境會由安靜逐漸變得嘈雜。

4）學生走神事件：系統(tǒng)中當學生不表現(xiàn)問題行為時，目光會一直追隨教師。但如果觸發(fā)走神事件，教室內(nèi)會有一名學生眼神不再追隨參與者，而是望向窗外。

5）提前下課事件：在臨近課程預(yù)設(shè)時間時會觸發(fā)該行為，此時教室會有部分學生收拾桌面物品并伴隨竊竊私語，參與者也能明顯感受到虛擬教學環(huán)境由安靜逐漸變得嘈雜。

6）消極參與事件：此行為只在小組討論型教室當中會觸發(fā)，當教師要求小組討論時，有部分學生不參與討論。參與者需上前勸導，使其加入小組討論當中。

師范生需要在進行虛擬實訓之前合理規(guī)劃教學流程，控制好教學節(jié)奏和時長。當遇到虛擬學生呈現(xiàn)問題事件時，師范生可以通過頭部定位器朝向問題行為學生并持續(xù)“凝視”，也可以通過操控手柄實現(xiàn)位移以及敲桌板進行提示，但這種處理方式只能讓虛擬學生的問題行為短時間停止，其后有可能再次出現(xiàn)；此時，需要師范生通過語音發(fā)出明確的制止指令，當系統(tǒng)通過語音識別引擎識別出“認真聽講”“安靜”等關(guān)鍵詞時，虛擬學生的問題行為最終得到制止。此外，師范生在模擬授課時不能只重視控制課堂紀律，和諧的課堂心理環(huán)境也是需要考慮的重點。因此，師范生在虛擬課堂中能否合理勸導并安撫學生也將作為其教學技能評價的依據(jù)之一。

3.4 評價實訓結(jié)果

實訓過程支持全程錄音錄像，師范生依據(jù)虛擬學生的表現(xiàn)，結(jié)合教學視頻和系統(tǒng)自動生成的報告單初步判斷自身是否能夠有效管理課堂紀律，了解自己的課堂管理能力的發(fā)展情況。指導教師和其他師范生也可以共同觀看教學錄像進行點評，給予針對性的評價或建議，讓參與虛擬實訓的師范生明確后續(xù)改進和提升的方向。

4 實訓系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

4.1 用戶體驗調(diào)查分析

為了檢驗虛擬微格實訓系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在某師范大學教育技術(shù)學專業(yè)的微格課程中，邀請了26位師范生使用該系統(tǒng)輔助其微格實訓學習活動。在試用四周后發(fā)放調(diào)查問卷，該問卷采取5級評分制，共有11個問題，涵蓋了用戶對于實訓系統(tǒng)的易用性、真實性和教學管理事件的態(tài)度，如表1所示。經(jīng)過統(tǒng)計，該問卷的信度為0.889，表明該問卷較為可靠。

根據(jù)圖3可知，在系統(tǒng)易用性方面，使用者反饋該系統(tǒng)的流暢性較好，簡單易操作，但也有半數(shù)師范生對于該系統(tǒng)的交互方式處于中立態(tài)度，進一步了解可能的原因是，大多師范生初次接觸VR技術(shù)，對于虛擬環(huán)境下的交互方式不太適應(yīng)。Larson的調(diào)查研究顯示，用戶在剛開始接觸虛擬實訓系統(tǒng)時感到緊張是在所難免的[11]。

針對系統(tǒng)環(huán)境和角色真實性的調(diào)查情況可知，超過半數(shù)的師范生認為該系統(tǒng)在很大程度上還原了接近真實課堂的教學場景，其中的虛擬學生角色的形象動作均比較貼近現(xiàn)實。尤其是師范生在該系統(tǒng)中可以體驗多種教學場景，他們認為這對其教學技能的訓練很有幫助，有助于微格課程理論知識的應(yīng)用和遷移。

關(guān)于教學管理事件的態(tài)度，大多數(shù)參與者認為系統(tǒng)當中的課堂管理事件是真實的，超過半數(shù)的學習者喜歡該系統(tǒng)的事件管理功能，并認為隨機觸發(fā)的課堂管理事件對于自己熟悉未來真實課堂很有幫助。

4.2 師范生教學技能水平分析

微格任課教師依據(jù)教學能力維度量表[12]，為參與虛擬實訓的師范生的教學能力水平進行打分。其中“組織技能”和“結(jié)束技能”均涉及教學管理方面的能力，針對這兩個維度進行分析可知：

師范生在使用實訓系統(tǒng)之前的組織技能和結(jié)束技能平均得分分別為6.08和4，在使用實訓系統(tǒng)之后兩者的平均得分為8.36和7.24，配對樣本檢驗結(jié)果顯示前后測呈現(xiàn)出非常顯著的差異（p=0.000＜0.05），如表2所示。由此表明，使用虛擬微格實訓系統(tǒng)能夠有效提升師范生的組織技能和結(jié)束技能。在訓練過程中，當虛擬學生角色出現(xiàn)走神等行為后，師范生除了制止不良行為之外通常會調(diào)整教學策略，盡可能吸引學生的注意力以促其參與到虛擬課堂教學活動中。當臨近下課時系統(tǒng)會有鈴聲提示并觸發(fā)“提前下課”事件，師范生在處理該事件時學會了及時調(diào)整教學節(jié)奏，從而確保了微格教學活動的完整性。

5 結(jié)束語

本文以具身認知理論為基礎(chǔ)，針對傳統(tǒng)微格教學的局限和已有虛擬實訓系統(tǒng)的不足，針對師范生的課堂管理能力設(shè)計了虛擬微格實訓系統(tǒng)。該實訓系統(tǒng)能夠調(diào)動師范生多通道感知和參與的積極性，支持自然狀態(tài)下的多模態(tài)交互。該系統(tǒng)可還原真實課堂的多樣化教學情境，有助于激發(fā)師范生具身認知體驗的生成以及教學技能的應(yīng)用、遷移和提升。