虛實融合環(huán)境下實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)體系構(gòu)建方法研究

李雅嫻，陳曉勇，陳敏捷，羅穎淵

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311400)

0 引言

隨著虛擬現(xiàn)實、分布式存儲等新一代信息技術(shù)的不斷成熟和普及，虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境因具有良好的沉浸性、交互性和構(gòu)想性，能夠提供多元化的教學(xué)方式，滿足教育教學(xué)情境化、交互性的要求，日益受到人們的關(guān)注，是學(xué)習(xí)環(huán)境發(fā)展的重要方向。國內(nèi)學(xué)者對虛實融合學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建方法做了諸多探索，如蔡蘇[1-2]等人基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，整合現(xiàn)有學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)，把計算機(jī)生成的虛擬信息融合到用戶所要體驗的真實環(huán)境中，建立增強(qiáng)現(xiàn)實的學(xué)習(xí)環(huán)境，豐富和拓展了教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)活動。朱孝平等[3-4]認(rèn)為，建立虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，既能讓學(xué)習(xí)者獲取真實的學(xué)習(xí)體驗，促進(jìn)開展基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作學(xué)習(xí)，又有利于教師在探究過程中為學(xué)習(xí)者提供多方位的指導(dǎo)，拓展學(xué)習(xí)者的視野。

1 問題提出

虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境塑造了虛實融合的學(xué)習(xí)空間，從而體現(xiàn)出整體性、建構(gòu)性和對話性。然而，人們往往僅關(guān)注虛實融合學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建這一表觀問題，卻對該環(huán)境下的學(xué)習(xí)任務(wù)缺乏系統(tǒng)性探索。在實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，所構(gòu)建的學(xué)習(xí)任務(wù)對學(xué)習(xí)者操作技能的提升效果并不顯著。主要原因如下：

1.1 虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)任務(wù)與真實工作脫節(jié)

虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境多以功能實現(xiàn)為主，按照功能的不同，分成若干模塊，為了體現(xiàn)功能的完整性，往往需要人為虛構(gòu)一個綜合性任務(wù)。這些任務(wù)往往是基于知識結(jié)構(gòu)設(shè)計的，脫離了真實的工作過程，導(dǎo)致學(xué)習(xí)任務(wù)與真實工作任務(wù)脫節(jié)，難以實現(xiàn)“學(xué)習(xí)即工作、工作即學(xué)習(xí)”的一體化學(xué)習(xí)設(shè)計。

1.2 虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)活動忽略學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成

虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境往往過于注重學(xué)習(xí)環(huán)境的近似真實，學(xué)習(xí)過程中沒有創(chuàng)設(shè)有效的學(xué)習(xí)情境，開展有效的學(xué)習(xí)任務(wù)，僅有虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)目標(biāo)的實現(xiàn)無法通過有效的學(xué)習(xí)活動進(jìn)行內(nèi)化，導(dǎo)致實現(xiàn)既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)效果不理想。

1.3 虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)過程存在“時點效應(yīng)”

虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境本質(zhì)上是虛擬的，盡管可以通過虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實以及增強(qiáng)虛擬等創(chuàng)新技術(shù)予以改進(jìn)，但依然無法完全復(fù)現(xiàn)真實的工作過程，在支持教學(xué)方面存在“時點效應(yīng)[4]”。時點效應(yīng)是指在“準(zhǔn)備性學(xué)習(xí)”及技能熟練后的“素質(zhì)提升訓(xùn)練”兩個階段對支持教學(xué)具有較為顯著的效果，但在“實質(zhì)性學(xué)習(xí)”階段，情境的偏差會帶來反應(yīng)的偏差，而反應(yīng)的偏差無法在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下得到及時調(diào)整，故對教學(xué)全過程的支持效果不明顯。實踐表明，在“準(zhǔn)備性學(xué)習(xí)”及技能熟練后的“素質(zhì)提升訓(xùn)練”兩個階段，虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境對于支持教學(xué)確實具有較為顯著的效果，而在“實質(zhì)性學(xué)習(xí)”階段，缺乏對真實情境的針對性反饋，反饋的偏差無法在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下得到及時調(diào)整，從而導(dǎo)致對教學(xué)全過程的支持效果不明顯。

實訓(xùn)教學(xué)尤其注重實踐性與應(yīng)用性，在虛實融合環(huán)境下開展有效的實訓(xùn)教學(xué)活動，提升教學(xué)效果，學(xué)習(xí)任務(wù)的構(gòu)建迫切需要突破基于知識結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)構(gòu)建方法的不足。基于真實的工作情境，構(gòu)建情境型學(xué)習(xí)任務(wù)，開展虛實融合環(huán)境下實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)體系的構(gòu)建方法研究，對實訓(xùn)教學(xué)實踐具有重要的指導(dǎo)意義。

2 理論支持

2.1 情境學(xué)習(xí)理論

情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：知識與技能需在真實的情境中通過完成真實的任務(wù)來獲得?；谇榫硨W(xué)習(xí)理論創(chuàng)設(shè)實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)，是解決虛實融合學(xué)習(xí)環(huán)境“重模塊設(shè)計輕真實工作場景”問題的有效途徑。同時，情境學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)：知識的意義連同學(xué)習(xí)者自身的意識與角色，都是在學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)情境的互動、學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者之間的互動過程中生成的，學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)首先需要考慮學(xué)習(xí)者自身的已有經(jīng)驗[5]。

2.2 具身認(rèn)知理論

具身認(rèn)知理論主張：認(rèn)知是具身的、情境的，認(rèn)知發(fā)展依靠經(jīng)驗積累，在虛實融合環(huán)境下，學(xué)習(xí)者參與學(xué)習(xí)互動就是具身認(rèn)知學(xué)習(xí)的過程[6]。認(rèn)知的形成是個體身體與情境互動作用的結(jié)果，學(xué)習(xí)情境任務(wù)應(yīng)當(dāng)能夠體現(xiàn)完整的認(rèn)知過程。

3 虛實融合環(huán)境下實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)構(gòu)建

基于情境認(rèn)知理論和具身認(rèn)知理論，結(jié)合實訓(xùn)教學(xué)的特征，以“機(jī)械檢測技術(shù)”課程中的三坐標(biāo)檢測虛實融合實訓(xùn)任務(wù)為例，將典型的情境構(gòu)建分為“規(guī)劃情境”“選擇情境”“定義情境”三個階段，進(jìn)行學(xué)習(xí)情境任務(wù)構(gòu)建方法的探索實踐。

3.1 依據(jù)學(xué)習(xí)者已有學(xué)習(xí)經(jīng)驗規(guī)劃情境

通過上述研究理論的探討不難發(fā)現(xiàn)：學(xué)習(xí)者已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，是確定學(xué)習(xí)情境的關(guān)鍵因素[7]。三坐標(biāo)檢測的任務(wù)目標(biāo)是對機(jī)械加工后的工件進(jìn)行檢測，以判定是否合格。對加工工藝的了解和掌握程度是衡量學(xué)習(xí)者已有學(xué)習(xí)經(jīng)驗的重要參數(shù)。針對工件加工常用的加工工藝，以模具設(shè)計與制造專業(yè)相同專業(yè)背景的兩個班級共87名學(xué)生為調(diào)研對象進(jìn)行問卷調(diào)查，得到學(xué)習(xí)者已有學(xué)習(xí)階段對各加工工藝的了解和掌握情況，規(guī)劃了車削、銑削、刨削、磨削、銼削(鉗工)、線切割、電火花、加工中心等8種學(xué)習(xí)情境。

3.2 針對實訓(xùn)教學(xué)的特點選擇情境

實訓(xùn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)實踐的應(yīng)用性，將各情境按照“實際操作中發(fā)生的頻繁程度”“實際應(yīng)用的重要程度”“學(xué)習(xí)者已有的經(jīng)驗程度”“該情境學(xué)習(xí)的難易程度”四個維度進(jìn)行評估，分別對企業(yè)、學(xué)習(xí)者和教師進(jìn)行調(diào)研，得到上述四個維度的量值。把每個維度的量值，細(xì)分為高、中、低三個等級，并分別賦分3分、2分、1分，將四個維度的總分加和后，按照分?jǐn)?shù)由高到低進(jìn)行排序，選擇學(xué)習(xí)情境。

3.2.1 企業(yè)調(diào)研——情境的應(yīng)用性

通過企業(yè)走訪、調(diào)查問卷、畢業(yè)生跟蹤調(diào)查等方式，獲取企業(yè)實際工作過程數(shù)據(jù)，評估情境任務(wù)在實際應(yīng)用中的頻繁程度和重要程度，如表1所示。

表1 情境任務(wù)的應(yīng)用性程度等級

3.2.2 學(xué)習(xí)者調(diào)研——已有經(jīng)驗的豐富程度

對上述8種情境，采用CLASS問卷調(diào)查法，將前述87名學(xué)習(xí)者已有經(jīng)驗的掌握程度分為：“沒學(xué)過，不會用”“學(xué)過，但用得不好”“學(xué)過，基本掌握”“學(xué)過，比較熟練”“學(xué)過，非常熟練”五個等級，調(diào)查結(jié)果如表2所示。

表2 學(xué)習(xí)者對各學(xué)習(xí)情境的經(jīng)驗豐富程度量表

對“沒學(xué)過，不會用”“學(xué)過，但用得不好”“學(xué)過，基本掌握”“學(xué)過，比較熟練”“學(xué)過，非常熟練”五個等級分別賦分1、2、3、4、5分，用每一個等級的分值乘以其已有經(jīng)驗豐富程度百分比，得到其各等級的分值。將每一種學(xué)習(xí)情境各等級的分值加和，匯總得到各學(xué)習(xí)情境的已有經(jīng)驗豐富程度量值，如表2所示。由表2的計算過程可知，總分越高，學(xué)習(xí)者對這一情境的經(jīng)驗越豐富。對于總分高于2分的學(xué)習(xí)情境賦予等級“高”，總分高于1.5分且低于2分的學(xué)習(xí)情境賦予等級“中”，總分低于1.5分的學(xué)習(xí)情境賦予等級“低”，得到“已有經(jīng)驗豐富程度”的等級情況。

3.2.3 教師調(diào)研——情境任務(wù)的難易程度

分析各加工工藝所加工工件的特征及加工精度，工件的精度越高、特征越復(fù)雜，其難易程度越高，反之則難易程度越低，得到各情境任務(wù)的難易程度，如表3所示。

表3 情境任務(wù)的難易程度

3.2.4 情境任務(wù)體系選擇量表

將上述四個維度的等級情況進(jìn)行匯總，并按照高、中、低三個等級依次賦分3分、2分、1分，得到各學(xué)習(xí)情境的分值匯總情況，如表4所示。

表4 情境任務(wù)體系分值表

由表4可見，8種學(xué)習(xí)情境的分值由高到低依次為車削(11分)、鉗工(10分)、銑削(9分)、加工中心(9分)、線切割(8分)、電火花(6分)、磨削(5分)、刨削(5分)。分值高的學(xué)習(xí)情境表明其在真實工作過程中的重要性較高，能夠較好地反映真實工作過程，且易于被學(xué)習(xí)者接受，便于開展有效的學(xué)習(xí)互動活動。故下文選擇車削、鉗工、銑削、加工中心4個學(xué)習(xí)情境為代表進(jìn)行學(xué)習(xí)情境任務(wù)構(gòu)建。

3.3 依據(jù)典型挑戰(zhàn)定義情境

對照真實任務(wù)操作過程的“發(fā)布—實施—考核”流程，建立情境任務(wù)的“輸入—加工—輸出”模型，定義虛實融合環(huán)境下實訓(xùn)教學(xué)的情境型學(xué)習(xí)任務(wù)，見表5。

表5 情境任務(wù)的“輸入—加工—輸出”模型

以得分最高的學(xué)習(xí)情境——“車削”為例，定義情境任務(wù)的一般方法如下。

3.3.1 輸入——定義任務(wù)的邊界條件

對于車削工藝，選擇光軸、階梯軸和有鍵槽軸等三種最具代表性的零件特征，依據(jù)學(xué)習(xí)難易和學(xué)習(xí)者已有學(xué)習(xí)經(jīng)驗的豐富程度進(jìn)行分析，如表6所示。

以“已有經(jīng)驗相對豐富，且學(xué)習(xí)難度適中”為原則，選擇具有階梯軸特征的自行車傳動軸檢測作為情境任務(wù)。

表6 車削情境任務(wù)分析表

3.3.2 加工——發(fā)布任務(wù)的實施步驟

基于“工作過程典型挑戰(zhàn)”法，對各任務(wù)完成步驟進(jìn)行典型挑戰(zhàn)分析，明確每一個步驟完成過程中的典型挑戰(zhàn)。結(jié)合虛實融合學(xué)習(xí)環(huán)境的特點，評判每一個典型挑戰(zhàn)是否存在“時點效應(yīng)”，從而確定“虛—實”融合的實施步驟，結(jié)果如表7所示。

表7 工作任務(wù)各步驟典型挑戰(zhàn)

通過上述分析可見，在“測頭構(gòu)建”和“元素測量”兩個步驟存在“時點效應(yīng)”，該部分屬于“實質(zhì)性學(xué)習(xí)”階段，虛擬環(huán)境的學(xué)習(xí)過程無法替代真實環(huán)境，需采用真實操作才能更好地實現(xiàn)學(xué)習(xí)者間的有效互動，虛實融合學(xué)習(xí)環(huán)境對學(xué)習(xí)支持的有效性不顯著。為提高學(xué)習(xí)活動的有效性，“測頭構(gòu)建”和“元素測量”兩個步驟應(yīng)采用真實操作，實施過程應(yīng)采用“虛—實”交替的步驟進(jìn)行，即機(jī)器構(gòu)建(虛)—測頭構(gòu)建(實)—建立坐標(biāo)系(虛)—元素測量(實)—公差分析(虛)—輸出報告(虛)。

3.3.3 輸出——制定任務(wù)評價標(biāo)準(zhǔn)

整個任務(wù)的實施過程由多個步驟完成，基于上述“虛—實”交替實施過程的任務(wù)特征，針對任務(wù)的評價應(yīng)包含各實施步驟的階段性評價標(biāo)準(zhǔn)和整體完成的質(zhì)量、數(shù)量、時間等總體評價指標(biāo)。

4 構(gòu)建方法實驗驗證

4.1 實驗設(shè)計

選擇兩個平行班級(其中A班42人，B班45人)進(jìn)行實驗驗證，共同完成車削學(xué)習(xí)情境下自行車傳動軸檢測任務(wù)，分別檢驗兩個班的階段性完成情況(每一步驟的班級完成正確率)和總體完成情況(時間、數(shù)量、質(zhì)量等)，如表8所示。

表8 兩個班各實施步驟完成情況

4.2 實驗結(jié)果分析

由表8可以看出，在階段性評價過程中：兩個班級的學(xué)習(xí)者均能夠較好地完成各階段的學(xué)習(xí)任務(wù)。在總體評價中：(1)兩個班級的學(xué)習(xí)者均在計劃完成時間內(nèi)完成了情境任務(wù)；(2)A班學(xué)習(xí)者檢測結(jié)果的完成度為87.1%，B班學(xué)習(xí)者檢測結(jié)果的完成度為84.2%，完成度均高于80%，在按時完成的同時有較高的完成度；(3)仍有部分學(xué)習(xí)者不注重報告格式的規(guī)范性，任務(wù)完成后的呈現(xiàn)效果一般。實驗結(jié)果表明：上述提出的“規(guī)劃情境”“選擇情境”“定義情境”的虛實融合環(huán)境下實訓(xùn)教學(xué)學(xué)習(xí)情境任務(wù)的構(gòu)建方法對學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成具有一定的支持效果。

5 虛實融合環(huán)境下實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)設(shè)計體系構(gòu)建

虛實融合的學(xué)習(xí)情境任務(wù)體系由一個個情境任務(wù)構(gòu)成，各情境的設(shè)計順序是教學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵。文章分別基于“學(xué)習(xí)者已有經(jīng)驗豐富程度”和“情境任務(wù)難易程度”兩種要素為主線，設(shè)計不同的排序方式，進(jìn)行情境應(yīng)用效果評估。以兩種不同的設(shè)計次序下同一情境任務(wù)的完成效果優(yōu)劣為目標(biāo)，確定情境任務(wù)教學(xué)體系設(shè)計原則，并對前述虛實融合情境下實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)構(gòu)建方法進(jìn)行驗證。

以前述兩個同專業(yè)同年級的平行班為樣本，進(jìn)行情境任務(wù)學(xué)習(xí)效果分析，其中A班級按照學(xué)習(xí)任務(wù)的難易程度由易到難的順序進(jìn)行情境任務(wù)學(xué)習(xí)，B班級按照學(xué)習(xí)者已有經(jīng)驗的豐富程度由高到低進(jìn)行情境任務(wù)學(xué)習(xí)，各班級教學(xué)設(shè)計順序如表9所示。

表9 情境任務(wù)教學(xué)體系設(shè)計表

基于前期企業(yè)調(diào)研和學(xué)情分析，預(yù)設(shè)每個學(xué)習(xí)情境任務(wù)完成的基準(zhǔn)目標(biāo)時長均為80分鐘，分別統(tǒng)計樣本班級每個情境的人均完成時間，結(jié)果如表10所示。

表10 樣本班級完成各學(xué)習(xí)情境的平均用時/分鐘

由上表可以看出：

(1)樣本班級的學(xué)生均能在80分鐘的基準(zhǔn)目標(biāo)時長內(nèi)完成各項情境任務(wù)，表明所設(shè)計的學(xué)習(xí)情境能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)目標(biāo)要求。

(2)當(dāng)按照學(xué)習(xí)任務(wù)的難易程度設(shè)計學(xué)習(xí)情境順序時(A班級)，隨著學(xué)習(xí)任務(wù)的難度加大，完成各情境任務(wù)所需要的時間有增加的趨勢，但由于學(xué)習(xí)者實訓(xùn)技能的熟練度也同步在提高，這種增加的趨勢不顯著，各情境任務(wù)的用時整體差異不大。

(3)當(dāng)按照經(jīng)驗豐富程度設(shè)計學(xué)習(xí)情境順序時(B班級)，在情境1的學(xué)習(xí)過程中，由于難度相對較大，且學(xué)生不夠熟悉，該情景的完成時長已接近80分鐘的基準(zhǔn)目標(biāo)時長。情境2相對情境1，學(xué)生實訓(xùn)技能的熟練度有所提高，且任務(wù)難度降低，該情境任務(wù)的完成時間存在明顯結(jié)余。其他兩個情境任務(wù)的順序與A班級相同，各情境任務(wù)的用時與A班級也較為接近。

由以上(2)和(3)可以得出，在實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，虛實融合環(huán)境下學(xué)習(xí)情境任務(wù)按照其難易程度以由易到難的順序為主線進(jìn)行設(shè)計，遵循了循序漸進(jìn)的知識體系形成規(guī)律，學(xué)習(xí)者完成各情景任務(wù)用時的一致性更強(qiáng)，達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)的效果更好。

6 結(jié)語

信息技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境由傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境向虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境的改變，實訓(xùn)教學(xué)任務(wù)需要由知識結(jié)構(gòu)向情境認(rèn)知轉(zhuǎn)變。文章提出了在虛實融合學(xué)習(xí)環(huán)境下，“規(guī)劃情境”“選擇情境”“定義情境”的實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)體系的構(gòu)建方法?；凇皩W(xué)習(xí)者已有的經(jīng)驗程度”規(guī)劃情境；由“實際操作中發(fā)生的頻繁程度”“實際應(yīng)用的重要程度”“學(xué)習(xí)者已有的經(jīng)驗程度”“該情境學(xué)習(xí)的難易程度”四個維度綜合量化分析、選擇情境；基于“工作過程典型挑戰(zhàn)”，結(jié)合虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境定義情境。通過設(shè)計實驗進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：該實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)體系構(gòu)建方法可以有效地輔助學(xué)習(xí)過程，達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。同時，基于“情境學(xué)習(xí)的難易程度”進(jìn)行虛實融合環(huán)境下實訓(xùn)教學(xué)情境任務(wù)體系設(shè)計，可以達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。