基于虛擬現(xiàn)實的PBL在高中程序設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用*

◆楊偉

0 引言

項目式學(xué)習(xí)是一種以項目為導(dǎo)向，促進學(xué)生在合作中自主學(xué)習(xí)、獨立探究，提高學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力的新型學(xué)習(xí)方式。但是，項目式學(xué)習(xí)對于學(xué)習(xí)情境的要求較高，傳統(tǒng)的教學(xué)媒體很難滿足。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠利用虛擬平臺構(gòu)建符合項目式學(xué)習(xí)需求的相對真實的環(huán)境，學(xué)生對環(huán)境中遇到的問題進行分析，再利用虛擬平臺進行程序設(shè)計驗證，進而突破傳統(tǒng)教學(xué)媒體存在的缺陷，達(dá)到在做中學(xué)、在實踐中創(chuàng)新的學(xué)習(xí)目的。

1 項目式學(xué)習(xí)（PBL）與虛擬現(xiàn)實技術(shù)

項目式學(xué)習(xí)是一種動態(tài)的學(xué)習(xí)方法[1]，它的概念可以追溯到很早以前，最開始是由美國著名的教育家杜威提出來的。他提出在做中學(xué)的教學(xué)理念，強調(diào)教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生根據(jù)自身興趣選擇教學(xué)內(nèi)容并自行設(shè)計教學(xué)活動流程，在“做”中實現(xiàn)問題解決能力的提高[2]。美國巴克教育研究所把以課程標(biāo)準(zhǔn)為核心的項目教學(xué)（Standards-Focused PBL）定義為“一套系統(tǒng)的教學(xué)方法，它是對復(fù)雜、真實問題的探究過程，也是精心設(shè)計項目作品、規(guī)劃和實施項目任務(wù)的過程，在這個過程中，學(xué)生能夠掌握所需的知識和技能”[3]。項目式學(xué)習(xí)過程由從問題中發(fā)現(xiàn)項目需求即項目主題、制訂項目方案、小組合作實施項目以及項目評價等階段構(gòu)成。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一，是一種綜合了計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能技術(shù)等多領(lǐng)域成果的新技術(shù)[4]。它又可以被稱為沉浸式技術(shù)或者現(xiàn)實模擬技術(shù)，通過使用這種技術(shù)能夠讓用戶從聽覺、視覺、觸覺等多個方面去體驗和感受模擬的現(xiàn)實世界，從而達(dá)到人機交互的目的。本文運用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指iRobotQ平臺，是由蘿卜圈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)公司開發(fā)的一款3D虛擬機器人在線仿真設(shè)計平臺，通過對平臺的使用，體驗具有物理引擎的機器人仿真系統(tǒng)。在教學(xué)過程中，學(xué)生通過搭建汽車機器人、設(shè)計任務(wù)算法、編寫控制程序、讓汽車機器人完成指定的任務(wù)等一系列步驟，實現(xiàn)仿真。

2 研究的意義

項目式學(xué)習(xí)是一種注重對學(xué)生問題解決能力、小組合作能力和實踐操作能力進行培養(yǎng)的學(xué)習(xí)方式。在項目式學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生以小組為單位發(fā)現(xiàn)項目需求、提出項目目標(biāo)、設(shè)計項目解決方案、實施解決方案并進行實時調(diào)整。除此以外，學(xué)生還需要對于整個學(xué)習(xí)過程中自己的表現(xiàn)、小組中他人的表現(xiàn)以及項目完成的最終情況給予評價。通過這些過程可以發(fā)現(xiàn)，要實施有效的項目式學(xué)習(xí)，首先需要給學(xué)生創(chuàng)造有效的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生能夠產(chǎn)生主動發(fā)現(xiàn)問題的想法，才能夠順利開展項目式學(xué)習(xí)的后續(xù)環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的課堂環(huán)境下進行項目式學(xué)習(xí)存在許多不足之處，如探究活動時空受到限制、學(xué)習(xí)資源內(nèi)容不夠豐富、教學(xué)管理與評價效果不佳、學(xué)習(xí)方式單一、師生間交流協(xié)作缺乏等[5]，對于項目式學(xué)習(xí)的實施存在一定的限制。

而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則在一定程度上打破了這種限制，iRobotQ程序設(shè)計平臺通過使用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)對現(xiàn)實情境進行模擬，為項目式學(xué)習(xí)提供了有利的教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生創(chuàng)造了優(yōu)越的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生能夠圍繞感興趣的、相對真實的項目主題進行研究。學(xué)生通過小組合作發(fā)現(xiàn)問題，提出項目需求，設(shè)計項目解決方案，最后在iRobotQ平臺設(shè)計汽車和程序進行實際操作，驗證項目解決方案的可行性。通過與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，能夠增強項目式學(xué)習(xí)的實施效果。

程序設(shè)計是高中信息技術(shù)中對于學(xué)生要求相對較高的一部分必修內(nèi)容，這部分內(nèi)容對于訓(xùn)練學(xué)生的算法思維能力、提高學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新實踐能力具有重要意義。傳統(tǒng)的程序設(shè)計教學(xué)以教師講授、學(xué)生練習(xí)為主要方式，不利于發(fā)揮學(xué)生的主體作用，在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信息化核心素養(yǎng)方面也有一定的局限性。而利用虛擬平臺展現(xiàn)不同的情境，結(jié)合項目式學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生在實際問題中通過小組合作的方式發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，則能夠在不知不覺中培養(yǎng)學(xué)生自主、協(xié)作和創(chuàng)新的能力。

3 虛擬現(xiàn)實環(huán)境下項目式學(xué)習(xí)的應(yīng)用模式

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中開展有關(guān)程序設(shè)計項目式學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生在模擬的現(xiàn)實環(huán)境中通過小組合作的方式學(xué)習(xí)、探討、研究和實踐，充分發(fā)揮項目式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，讓學(xué)生能夠在實踐中學(xué)習(xí)、在實踐中思考、在實踐中創(chuàng)新。教師在利用3D虛擬現(xiàn)實iRobotQ平臺開展教學(xué)之前需要根據(jù)由淺入深、由簡到繁的原則對高中階段的程序設(shè)計課程模塊內(nèi)容進行梳理，將本課程中的關(guān)鍵知識點按知識單元進行結(jié)構(gòu)匯總，形成項目學(xué)習(xí)表格；再結(jié)合平臺中已有的汽車機器人情境（如直行、左拐、右拐、定點停車以及野外行駛等）或根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，在平臺中重新創(chuàng)設(shè)和構(gòu)建汽車機器人項目情境，為后續(xù)每一個程序設(shè)計單元的項目式學(xué)習(xí)構(gòu)建完整的知識鏈。

項目式學(xué)習(xí)虛擬環(huán)境平臺介紹階段在教學(xué)開始階段，教師需要向?qū)W生介紹平臺的界面構(gòu)成，3D虛擬現(xiàn)實iRobotQ平臺包含汽車的設(shè)計與組裝界面、程序設(shè)計界面以及汽車模擬運行界面：汽車設(shè)計與組裝界面包含各種各樣的汽車零配件，可以根據(jù)自己的喜好以及程序設(shè)計的需要設(shè)計不同的汽車造型；程序設(shè)計界面包含變量模塊、判斷模塊、循環(huán)模塊、子程序等一系列程序設(shè)計相關(guān)內(nèi)容；汽車設(shè)計與組裝完成后，結(jié)合設(shè)計好的程序，進入汽車模擬運行界面，完成汽車在虛擬環(huán)境中的行駛。學(xué)生需要根據(jù)教師的講解，了解3D虛擬現(xiàn)實iRobotQ平臺的構(gòu)成。

創(chuàng)設(shè)項目情境階段在這一階段，教師按照已經(jīng)構(gòu)建好的教學(xué)單元進度和教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)建相應(yīng)的項目情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和好奇心，引起學(xué)生思考在相應(yīng)項目情境中汽車機器人的任務(wù)該如何實現(xiàn)。學(xué)生在此階段的主要任務(wù)則是根據(jù)教師創(chuàng)設(shè)的情境，初步明確要解決的項目需求是什么。

項目分析與設(shè)計階段在這一階段，教師給予學(xué)生充分的時間進行討論，先由學(xué)生按照想法和興趣一致的原則形成初步的小組，然后按照“組內(nèi)同質(zhì)，組間異質(zhì)”的原則進行最終分組。每個小組推選一名組長，根據(jù)給定的項目問題情境進行討論分析，提出小組的問題假設(shè)。根據(jù)問題假設(shè)，分為兩個部分完成項目解決方案設(shè)計：

第一個部分即汽車設(shè)計以及需要用到的傳感器的安裝與設(shè)計；

第二個部分即問題解決程序設(shè)計，學(xué)生可以通過流程圖、自然語言或者偽代碼的方式進行方案研討。

教師在這一階段需要時刻注意學(xué)生的項目進展，在學(xué)生遇到問題時需要及時給予指導(dǎo)和幫助。

項目實施階段本階段學(xué)生依據(jù)上一階段設(shè)計的項目解決方案進行具體實施，將小組的項目解決方案通過在3D虛擬平臺中進行實踐，完成汽車的組裝以及程序代碼的編寫，并在相應(yīng)的情境下進行驗證；如果遇到問題，需要對項目解決方案進行相應(yīng)調(diào)整與修改。

項目展示階段教師根據(jù)高中信息技術(shù)程序設(shè)計模塊教學(xué)計劃，結(jié)合每個項目的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)定項目展示時間與展示方式。學(xué)生每組派一名代表展示自己小組設(shè)計的汽車和程序在3D虛擬平臺上運行的最終結(jié)果，并對小組的項目設(shè)計思想和方案進行講解。

項目評價階段教學(xué)模式的最終評價標(biāo)準(zhǔn)大部分取決于學(xué)生最終的學(xué)習(xí)效果，因此通過三個不同方面對學(xué)生進行評價：組內(nèi)進行自我評價，組間進行小組評價，教師進行整體評價。

1）小組成員對自己在項目學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)進行自我評價，包括項目參與度、項目分工任務(wù)完成度以及自我學(xué)習(xí)效果評價，即在學(xué)習(xí)過程中進行形成性評價，學(xué)習(xí)結(jié)束時進行總結(jié)性評價[6]。

2）每一個小組派一名代表對其他小組的項目作品進行評價，指出其優(yōu)點和缺點，根據(jù)教師給的評價標(biāo)準(zhǔn)進行合理評價。

3）每一組學(xué)生在將項目最終完成的作品提交后，教師根據(jù)本單元的教學(xué)目標(biāo)進行整體評價，評價內(nèi)容包括每一小組項目完成情況、優(yōu)秀項目成果的展示、項目作品針對性評價；同時從項目開展的整個過程分析本單元學(xué)習(xí)存在的問題，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)提供借鑒。

在3D虛擬現(xiàn)實情境中開展程序設(shè)計課程的項目式學(xué)習(xí)，教師不再是傳統(tǒng)的講授者，而是轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)引導(dǎo)者和幫助者；學(xué)生也不再被動地接受知識，而是以小組的方式實現(xiàn)合作與探究，積極主動進行學(xué)習(xí)，成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者。整個學(xué)習(xí)流程如圖1所示。

圖1 學(xué)習(xí)流程圖

4 基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)的項目式學(xué)習(xí)在程序教學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢

提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)動力現(xiàn)階段高中生由于升學(xué)壓力大，學(xué)習(xí)環(huán)境相對封閉，學(xué)習(xí)情境相對單一，在學(xué)習(xí)過程中獲取知識的方式以被動接受為主，在一定程度上會降低學(xué)習(xí)興趣。通過運用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過各個感知器官的綜合體驗完成知識的獲取，會大大提高學(xué)習(xí)動力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。通過運用在做中學(xué)的方式，讓知識變得更加容易理解和掌握。

設(shè)計項目方案時目標(biāo)更清晰、感受更直觀傳統(tǒng)的項目式學(xué)習(xí)，教師通過簡單的教學(xué)語言和簡單的教學(xué)媒體進行情境創(chuàng)設(shè)，需要學(xué)生自行進行理解和想象。由于每一個學(xué)生都是單獨的個體，這就會造成項目需求和項目目標(biāo)理解出現(xiàn)偏差。而教師通過運用3D虛擬現(xiàn)實平臺展示項目情境，學(xué)生接收的項目不僅有語言的描述，還有相對真實的環(huán)境，這就使得學(xué)生對于每一個項目的學(xué)習(xí)有更加直觀的感受，目標(biāo)也隨之清晰。

增強實施項目沉浸感沉浸感指逼真的感覺，即用戶借助特殊的輸入/輸出設(shè)備，與虛擬世界進行自然的交互，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，用戶如同親身經(jīng)歷一般[6]。通過運用3D虛擬現(xiàn)實平臺，學(xué)生進行身臨其境式的實踐與操作，并且平臺對于學(xué)生的每一步操作都能夠給予實時反饋，學(xué)生能夠直接觀察到實踐過程中以及程序最終的運行效果，大大提高對于學(xué)習(xí)情境的真實體驗感，增強項目實施沉浸感。

項目評價更具有針對性3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)使得項目成果的評價更加高效，一方面，每一個小組在項目設(shè)計過程中就能夠?qū)崟r評價與調(diào)整自己的項目方案，從而形成更加完美的項目成果；另一方面，其他學(xué)生和教師能夠通過小組演示直接看到項目的最終運行效果，存在哪些優(yōu)點和缺點一目了然，評價時更具有針對性，為后續(xù)的學(xué)習(xí)指明了方向。

5 結(jié)語

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出，以信息化引領(lǐng)教育理念和教育模式的創(chuàng)新，充分發(fā)揮教育信息化在教育改革和發(fā)展中的支撐與引領(lǐng)作用[7]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為21世紀(jì)的新興技術(shù)，為在高中階段進行程序設(shè)計的項目式學(xué)習(xí)提供了有利的開展條件，能夠讓學(xué)生有更加真實的學(xué)習(xí)體驗，提高學(xué)生小組合作的能力，提升學(xué)生自主探究、創(chuàng)新實踐的能力，提高學(xué)生的信息化核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的綜合素質(zhì)，符合新課改對人才的培養(yǎng)要求。