姬志敏?文福安?谷文忠

摘 要：虛擬現實技術在教育中的應用越來越廣泛，部分中小學教師已把虛擬現實技術納入課程設計中，但是課程設計并沒有取得預期的效果，因此實現虛擬現實課堂的首要任務是形成一個適用的教學設計模型，在充分發(fā)揮虛擬現實技術優(yōu)勢的前提下設計和組織教學活動。文章設計了一種以建構主義學習理論和STEAM教育理念為依托適用于虛擬現實課堂的教學設計模型，且從該模型的理論基礎、基本環(huán)節(jié)、評價機制等方面詳細闡述了該教學設計模型的構成要素和基本結構，然后以虛擬現實課程“解碼古代建筑的黑科技”為例，具體說明了該教學設計模型的應用，以便給虛擬現實教育探索中的教師提供幫助和建議。

關鍵詞：虛擬現實;五段式教學設計模型;情境教學;STEAM教育

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2020）02-0054-07

收稿日期：2019-11-20

作者簡介：姬志敏（1996— ），女，河南鶴壁人，碩士研究生，研究方向為教育軟件工程;文福安（1962— ），男，山西新絳人，北京郵電大學網絡教學系統(tǒng)研究中心主任，教授，碩士生導師，研究方向為虛擬仿真實驗教學應用，教育信息化和虛擬現實教育應用;谷文忠（1982— ），男，山西新絳人，工程師，研究方向為教育技術學、虛擬現實技術應用。

隨著虛擬現實設備的不斷發(fā)展和改良，虛擬現實技術越來越多地應用到中小學課程教育中。虛擬現實課堂不同于傳統(tǒng)課堂，學生在課堂中不僅需要使用虛擬現實頭盔等設備，還需要虛擬學習資源與課程的教學目標緊密結合。但是虛擬現實技術在實踐教學中的應用還處于初級階段，相關的研究成果不夠豐富，且大多屬于經驗型研究，缺乏配套的理論指導和模式建構[1]。很多中小學教師缺乏對虛擬現實課堂的實踐經驗，所以在設計虛擬現實課堂時無所適從。為了使虛擬現實技術更好地應用到教育課堂中，亟須一種教學設計模型為教師提供幫助和引導。

一、虛擬現實教育應用的國內外研究綜述

（一）國內研究綜述

國內有大量的學者提出虛擬現實技術是可以應用到課堂中的，這些學者涵蓋了中小學教師和高等院校教師。劉勉在其文章中指出可以設計虛擬現實視域下的未來課堂教學模式，其中涉及增強現實和虛擬現實兩種技術，并通過課堂案例講解了該模式的具體應用[2]。同濟大學的學者提出虛擬現實技術在歷史教學中的應用，以再現歷史場景的形式激發(fā)學生的學習熱情[3]。

（二）國外研究綜述

國外的學者提出虛擬現實應用的范圍可以擴充到音樂和樂器教學、工程建設教學、軟技能教學、世界觀教學（變革性體驗）;Serafin等學者[4]提出虛擬現實可以為學生提供更多可以獲得音樂技能的選擇; Rajeswaran等學者[5]提出VR在醫(yī)學訓練中使用有很廣闊的前景;Schild等學者[6]提出可以設計多用戶虛擬環(huán)境從而增強虛擬學習方式;Pena等學者[7]提出可以在建筑工程領域采用虛擬現實，在保證施工人員的安全下，再現事故場景，起到防患于未然的作用;Hickman等學者[8]提出虛擬現實課堂除了可以幫助學生學習必要的理論知識和專業(yè)技能，還可以培養(yǎng)學生的軟技能，例如領導能力、溝通能力、整合能力、跨文化學習能力和觀察反應能力;Stepanova學者[9]提出世界觀教育，例如可以采用虛擬現實技術設計一個非常震撼的場景，通過影響學生的感知，從而影響學生的認知和行為。

由于VR設備本身的特殊性，通常虛擬現實課堂中都采用協(xié)作學習，而協(xié)作學習則可以分為“full-collaborative”和“semi-collaborative”，研究表明，后者更有利于培養(yǎng)學生的社會存在感[10]。

上述研究成果為五段式教學設計模型的產生提供了理論基礎，強調虛擬現實課堂可以培養(yǎng)學生的協(xié)作學習能力，增強學生的學習興趣。

二、虛擬現實課堂五段式教學設計模型

（一）五段式教學設計模型的理論基礎

利用 VR 技術，完成教學類型轉換、教學手段轉換、教學方法轉換、教學形態(tài)轉換以及教學空間的形態(tài)轉換，形象生動地展示了事物的性質、規(guī)律以及事物之間的內在聯(lián)系[11]。

首先，五段式教學設計模型以建構主義為理論支撐。建構主義有四個核心要素，即情境、協(xié)作、會話、意義建構。建構主義強調以學為主，強調學生的主觀能動性，認為學生的有意義學習是在一定的學習情境中學習者新舊知識間產生聯(lián)系后發(fā)生的;同時建構主義認為，在課堂學習中學生會和周圍的環(huán)境、教學媒體以及同伴發(fā)生交互，在交流互動的過程中學生可以更好地發(fā)揮主觀能動性，交流的過程中也可以促進知識的建構和升華。

其次五段式教學設計模型以STEAM教育理念為依托。STEAM教育理念強調將科學、技術、工程、藝術和數學等幾個方面的內容有效地結合在一起，培養(yǎng)學生的綜合素質，要讓學生學會運用相關聯(lián)學科的研究和學習方法去分析問題、解決問題[12]。隨著素質教育的不斷推廣，在虛擬現實課堂中，邏輯能力和設計能力的培養(yǎng)成為教學設計環(huán)節(jié)中不可或缺的部分。

虛擬現實課堂以其強大的沉浸性和交互性可以為學生提供最優(yōu)的學習情境和設計創(chuàng)新的學習空間，情境設計以STEAM教育理念為指導，培養(yǎng)學生知識技能的同時也提高學生的軟技能，情境教學和有意義學習能夠最大限度地發(fā)揮虛擬現實技術的優(yōu)勢特征。

（二）五段式教學設計模型的基本結構

教學設計模型主要用于虛擬現實課堂的設計，所以在設計過程中主要關注的核心問題有三個：一是學生為什么要在虛擬場景中學習，二是學生要在虛擬場景中學到什么，三是學生在虛擬場景中學會了嗎。而這三個問題將在教學設計模型中具體展開，模型結構如圖1所示。

1.學生需求分析

五段式教學設計模型的起點是學生需求分析。學習需求是學生期望達到的目標和學生現有知識能力的一個差值。教師或教學設計人員在了解學生學習需求后可以根據需求的內容選擇教學媒體。對于能夠使用非虛擬資源解決的知識問題無須使用虛擬環(huán)境，而對于一些高危險、高消耗或者現實生活中不可及的場景則可以優(yōu)先采用虛擬資源。

2.學習目標分析

第二部分是學習目標分析。教師或教學設計人員按照學生需求和教學大綱對將要學習的內容進行知識細分，保證學生有意義學習的發(fā)生，通過課程獲得相應的知識技能。過程與方法目標，主要保證學生在學習借助虛擬現實技術，通過虛擬實驗實現意義的建構[13]。學習目標的編寫還依賴于學習者特征分析，正確地分析學習者可以幫助教師或教學設計人員對教學目標進行適當調整，使得教學目標的完成度更高。

3.學習策略選擇

第三部分是學習策略選擇。虛擬現實課堂中教學媒體和教學資源更多的是虛擬情境中的內容，且支持學生自主學習和協(xié)作學習。在虛擬環(huán)境中“以學為主”的教學策略更加實用，學生可以更好地發(fā)揮主觀能動性，提升學習效率。學習的路線是由教師通過問題進行設計的，學習者走哪條路徑體現了教學的意志和策略[14]。

4.學習活動設計

第四部分是學習活動設計。學習活動是虛擬現實課堂中的核心內容，同時也是虛擬現實課堂的實踐部分，學習活動設計最能體現教師或教學設計人員的智慧。學習活動設計主要包含五個基本環(huán)節(jié)：分別為情境創(chuàng)設、明確問題、探究取證、總結反思和拓展延伸。這五個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，推動課堂有序發(fā)展，其中探究取證環(huán)節(jié)可以根據教學目標的需求選擇不同的探究方式，這里的選擇依賴教師或教學設計人員對教學目標和學生特征等具體因素的具體判斷。為了更清楚地表現五個環(huán)節(jié)之間的關系，我們通過學習活動設計模型具體介紹，模型如圖2所示。

環(huán)節(jié)一：情境創(chuàng)設

虛擬現實具有極強的交互性，且虛擬現實場景高度仿真，可產生強烈的沉浸感。教師或教學設計人員在設計VR資源時應該選擇和教學目標最為貼近且能夠和學生已有知識結構產生聯(lián)系的資源或知識點，同時借助虛擬現實技術創(chuàng)建逼真的問題情境，讓學生能夠實現感官沉浸、挑戰(zhàn)沉浸和想象力沉浸[15]，在激發(fā)學生興趣的同時引發(fā)學生思考。虛擬現實學習環(huán)境的設計也有利于促進學生心流的產生[16]。

環(huán)節(jié)二：明確問題

沉浸式虛擬情境更容易讓學生迅速地進入課堂。學生切身體會后對問題的認知會更加敏感。教師在問題引導的過程中會更加容易。學生發(fā)現問題后，教師給予適當的提醒和知識補充，引導學生進行假設，猜想問題形成的可能性因素。

環(huán)節(jié)三：根據教學目標要求選擇探究方式

探究方式分為自主探究和協(xié)作探究兩種形式，課堂活動非常靈活。在選擇時要注意以下因素：教學目標、學生人數、問題規(guī)模、課堂時間、虛擬資源類型等。當學生人數較少時，教師可以選擇自主學習，保證自主學習的效率;反之則可以選擇協(xié)作學習，提高課堂的學習效率。

環(huán)節(jié)四：自主探究/協(xié)作探究

自主探究的過程為分析問題要素、虛擬環(huán)境探究、傳統(tǒng)教學資源學習、歸納分析和形成個人成果。其中所有環(huán)節(jié)的進行依賴于學習者自己、教師或教學設計人員將虛擬資源和傳統(tǒng)教學資源提前設計完成，學習者以這些資源為依據開始自己的探究過程，虛擬資源支持學生的假設、推理、設計、驗證、分析、數據處理等過程，教師可以為其提供教學指導，最終學生形成個人成果，完成探究過程。

協(xié)作探究的過程為分析問題要素、小組成員分工、虛擬環(huán)境探究、傳統(tǒng)教學資源學習、溝通交流、歸納分析、形成小組成果。其中所有環(huán)節(jié)依賴于團隊共同完成，分析問題后小組成員要進行明確分工，防止出現分配不公、學習效果差等現象。學生以虛擬資源為主，傳統(tǒng)資源為輔。學習完成后進行內部討論，將學習結果分析匯總形成最后小組成果。協(xié)作學習需要大家分享交流、取長補短、互相借鑒。教師在學生探究過程中應該鼓勵學生分享觀點、提出問題、解決問題，并且做好設備和課堂之間轉換的準備工作，不能讓設備影響課堂秩序，兩者應相輔相成。

環(huán)節(jié)五：總結反思

課堂從問題開始，以問題解決結束。學生無論通過哪種形式解答問題，都必須經過嚴格的探究和不斷的修改反思。教師可以組織學生對學習成果進行匯報交流，并將學習內容進行分析總結，引導學生對探究過程中發(fā)生的問題和產生的疑惑進行分析和反思，培養(yǎng)學生良好的學習習慣，注重學生思維習慣的養(yǎng)成，幫助學生完成高階學習目標。

環(huán)節(jié)六：拓展延伸

知識拓展，尤其對中小學生來說非常重要。實踐是檢驗真理的唯一標準。教師要組織學生對知識進行拓展和應用，將知識橫向和縱向拓展，幫助學生更深層次地發(fā)現問題，從而解決問題。

上述幾個環(huán)節(jié)再現了學習活動設計的基本內容。教師或教學設計人員在使用虛擬現實課堂時可以按照上述內容對課程的活動進行設計和選擇，以實現技術和教育內容的無縫對接，使技術更好地服務于教育。

5.學習評價設計

五段式教學設計模型的第五部分是學習評價設計。虛擬現實課堂看似不可控，但是借助適當的評價工具，可以將靈活的虛擬環(huán)境和虛擬活動量化。教學設計人員在設計評價環(huán)節(jié)時要選擇一種適用于虛擬現實的評價工具，具體的評價方式如圖3所示。

首先在分析學習者的知識結構時可以使用思維導圖。思維導圖可以呈現出學習者對于某一知識的關聯(lián)性認知，在課程結束后可以通過繪制思維導圖的方式測量學生的學習效果。教師可以及時了解學生的知識狀態(tài)[17]。為了更加明顯地呈現出學習變量，采用前測+后測的方式。首先讓學生繪制一個初始思維導圖。待課程結束后，讓學生在原有思維導圖的基礎上進行補充繪制，通過知識增量可以評判出學生的學習情況。

學習者的學習動機受評價反饋、技術可用性、交互性、沉浸感、構想性等多重因素的影響。評價反饋和技術可用性是影響學習動機的根本因素。沉浸感和構想性直接影響學習動機[18]。為了有效判斷學生使用虛擬現實課堂對其學習動機的影響，以國外學者凱勒[19]提出的ARCS動機激勵模型為評判標準，將原有內容和課堂知識、課堂活動緊密結合，在不改變原有結構的基礎上形成一份學習動機測試量表。具體指標內容如表1。

通過上表中關注的問題對學生的學習過程進行評價，可以了解學生在課堂學習中的動機變化。

最后為了更好地評價個人在協(xié)作學習中的學習效果，采用量表的形式對學生進行評價。該量表由浙江大學課程與學習科學系劉徽老師團隊[20]提出，用于評價協(xié)作學習過程中學生的合作情況。其中包括3個一級指標和28個二級指標，為了更符合虛擬現實課堂環(huán)境，將該量表進行適當調整，去除“自己做”這個一級指標，調整后形成的量表共計兩個一級指標，14個二級指標，該量表在使用過程中采用1—5分制，分數越高表示學生在協(xié)作學習過程中出現的該行為越強烈，若量表中的行為學生未出現則可以用0填充，具體評價內容如表2所示。

通過上述幾種評價方式，可以從學習動機、協(xié)作學習效果以及學生的知識剩余量來判斷學生的學習效果，同時也可以根據學生的學習動機變化情況進一步分析虛擬現實課堂相較于傳統(tǒng)課堂是否可以提升學生的學習興趣。為了驗證教學設計流程的適用性，下面通過具體的案例對該模式的應用展開敘述。

三、五段式教學設計模型應用案例

結合北京市教委組織的北京市開放實踐活動，積極探索虛擬現實在實踐教學中的應用，課題組選定多所實驗學校，根據五段式教學設計模型共計制作了20多節(jié)虛擬現實課程，并已形成一系列完善可推廣的教學設計方案，選取“解碼古代建筑的黑科技”作為應用案例。

該課程面向七、八年級學生，本次實驗對象選擇的是北京市景山中學七年級學生，該課程的設計過程嚴格按照五段式教學設計模型展開，著重闡述該課程教學活動設計部分。

中國古代建筑具有悠久的歷史傳統(tǒng)和光輝的成就，為了更好地幫助學生認知古建筑中的每個組件，并且能給學生帶來身臨其境的感覺，故選擇虛擬現實技術呈現課程內容。

首先需要完成的環(huán)節(jié)是情境創(chuàng)設和明確問題。借助虛擬現實完成問題情境的創(chuàng)設后，學生進入場景體驗，虛擬場景可以模擬地震效果，學生通過體驗并觀察地震后保和殿的結構變化從中發(fā)現問題。教師根據教學目標和學生的人數先組織學生自主學習，隨后組織學生協(xié)作探究。

其次是自主探究環(huán)節(jié)的設計。教師為保證每個學生的學習效率，采取自主探究的形式，讓學生盡可能發(fā)揮自己的想象力和邏輯能力。學生假設，推理并進行驗證，最終得出探究結果，具體內容如圖4所示。

學生形成成果后，教師引導學生對成果進行分享和交流，將想法和思路一致的學生重新分組，將不一致的觀點和想法進行凝練升華后形成更加清晰的問題，引導學生再次探究。學生在新的探究過程中可以設計出自己認為能夠抗震的組件，并與保和殿中原有的組件進行對比分析，可以搭建保和殿，了解古代建筑的搭建順序，了解古建筑之美，詳細內容如圖5所示。

學生小組匯報成果并分享交流。教師對最終的問題和結果進行總結和反思，并通過“魯班鎖”等生活案例進行知識拓展。完成后該課程的學習活動設計結束。

評價方式從五段式教學設計模型中選擇了兩種：第一種評價方式是知識建構思維導圖，第二種評價方式是協(xié)作學習績效量表，課程結束后回收觀察數據，著重分析學生在協(xié)作學習中的學習效果。

對于學生個人在合作學習中的表現情況，選擇其中一個小組數據進行分析（分值1-5，分值越高表示狀態(tài)越強烈，0表示沒有該行為）具體數據見表3。

學生參與協(xié)作學習的記錄顯示，小組內的各個成員在合作的過程中表現得非常友好，在小組內其他成員完成任務時基本沒有出現“批評”的行為。大多數會表現出贊同和欣賞的態(tài)度，組內學習氛圍良好;而在大家一起協(xié)同完成任務的時候，大家非常有禮貌，輪流表達自己的意見和看法，學習秩序很好?；緵]有學生游離于團體之外，表中最后一位學生在協(xié)作過程中狀態(tài)不好，經詢問后表示身體不舒服，但仍然積極參與討論。

綜合上述數據，文章發(fā)現本次虛擬現實課堂的學習效果良好，學生對虛擬現實情境表現出高度的學習興趣，在體驗過程中表現得非常積極，同時在小組協(xié)作的過程中，組內成員可以較為高效地發(fā)揮自己的作用，積極參與討論，互相交流觀點。學生的學習效果進一步證明五段式教學設計模型適用于虛擬現實課堂，對虛擬現實技術應用感興趣的教師可以使用該教學設計模型設計并組織自己的課堂。

四、總結

虛擬現實課堂已成為現在教育發(fā)展的一個趨勢。五段式教學設計模型有效地提高了虛擬現實課堂的設計效率，避免了設計過程中出現的資源和目標分離的不良現象，并且有效解除了設備和課程學習之間的連接障礙，使得技術和學習相輔相成。

目前五段式教學設計模型已應用于北京市部分中小學課程的設計中。通過調查和訪談任課教師，發(fā)現該模型在應用過程中方便簡潔，可實施性強，幫助任課教師節(jié)約了很多設計課程的時間。此外該模式提供評價工具，可以直接回收學生的學習數據，幫助教師多元化評價學生學習效果。但是該模型仍有不足之處，模型還需要經歷更多測試。目前的試點主要是中小學，高校尚未開始實驗，為了使模型更加優(yōu)化，使用效率更高，下一步將抽樣選擇部分高校進行測試，測試結果將在后續(xù)研究中加以體現。

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（責任編輯 孫震華）

Abstract： The application of virtual reality in education is becoming more and more widespread. Some teachers of primary and secondary schools have already put virtual reality technology into curriculum design，but the curriculum design has not gained expected result.So，the most important task of realizing virtual reality class is to form an applicable teaching design model，and to design and organize teaching activity under the premise of fully exploiting the advantages of virtual reality technology.This article has designed a teaching design model applicable to virtual reality class based on constructivist learning theory and STEAM educational ideas，elaborated the constitute elements and fundamental structure of this teaching design model in detail from the following aspects，namely，the theoretical basis，basic links，and assessment mechanism of this model，and then illustrated specifically the application of this teaching design model，taking the virtual reality curriculum“Decoding the Black Tech of Ancient Architecture”，hoping to provide help and suggestion to the teachers in the exploration of virtual reality education.

Key words： virtual reality;five-segment teaching design model;situational teaching;STEAM education