王岳 陳翀 陳晨

摘 ? 要：當前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在語言、醫(yī)學、STEM等學科中的教學應(yīng)用越來越廣泛，但虛擬現(xiàn)實教學設(shè)計研究尚處于起步階段。為提升虛擬現(xiàn)實教學效果，為學習者提供更好的學習體驗，文章從教學模式、教學策略、學習環(huán)境、教學評價與反饋、教學支持5個維度，對美國、英國、芬蘭和澳大利亞4國知名專家或機構(gòu)提出的6項虛擬現(xiàn)實教學設(shè)計原則進行比較分析?；诜治鼋Y(jié)果，最終得出利用虛擬現(xiàn)實開展探究性學習、適應(yīng)性學習和協(xié)作式學習，增加學習者與虛擬現(xiàn)實交互等13條虛擬現(xiàn)實教學設(shè)計原則，以期為國內(nèi)虛擬現(xiàn)實教學實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;教學設(shè)計原則;內(nèi)容分析

中圖分類號：G40-057 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2020）11-0001-05

一、引言

隨著虛擬現(xiàn)實成本不斷降低、易用性不斷提高，虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用愈加廣泛，如何利用虛擬現(xiàn)實進行教學受到越來越多人的關(guān)注。美國高等教育信息化協(xié)會（EDUCASUE）2016年至2019年連續(xù)發(fā)布的4版《地平線報告》均將虛擬現(xiàn)實列為未來促進高等教育發(fā)展的重要技術(shù)。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他科學技術(shù)為用戶創(chuàng)建視、聽、觸等多感官刺激虛擬環(huán)境的技術(shù)，用戶借助頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套等工具與環(huán)境進行交互，獲得沉浸式體驗。[1]VR可以創(chuàng)建個性化智慧學習環(huán)境，[2]以新的可視化形式呈現(xiàn)知識內(nèi)容，[3]為學習者提供現(xiàn)實生活中無法獲取的“有目的的直接體驗”，利用捕捉到的關(guān)鍵學習行為對學習者進行評價與反饋。[4]

當前，VR在語言教學、醫(yī)學教學和STEM教學等方面的應(yīng)用十分廣泛，如Dalton等人利用VR幫助學習者學習語義表達，[5]西班牙加泰羅尼亞理工大學利用VR技術(shù)幫助護理專業(yè)學生學習人體結(jié)構(gòu)知識，[6]Markowitz等人利用VR教授 “氣候變化”課程。[7]

然而，由于國內(nèi)外VR教學設(shè)計原則的相關(guān)研究比較匱乏，教育研究者進行VR教學設(shè)計時主要借鑒VR游戲設(shè)計師的經(jīng)驗，更加注重提升學習者參與度，對學習結(jié)果的關(guān)注不足。[8]為了推進VR教學應(yīng)用、提高VR教學質(zhì)量，本研究利用內(nèi)容分析法對美國、英國、芬蘭和澳大利亞4個國家的6項VR教學設(shè)計原則進行分析，探討各原則關(guān)注點，梳理原則的共性和差異，最終總結(jié)VR教學設(shè)計原則，以期為我國VR教學應(yīng)用提供參考。

二、研究方法與過程

1.樣本選擇

當前，VR學習研究主要為技術(shù)研究，如芬蘭奧盧大學Steven對VR教學技術(shù)進行了詳細的闡釋;[9]但是與VR教學設(shè)計相關(guān)的研究較少，如Paula等人基于兩門本科課程VR教學應(yīng)用經(jīng)驗提出了VR教學應(yīng)用建議。[10]為構(gòu)建系統(tǒng)的VR教學設(shè)計原則，本研究以“虛擬現(xiàn)實”、“虛擬學習環(huán)境”、“沉浸式學習”、“Virtual Reality”、“virtual reality environment”、“immersive learning”等為主題詞，包含“教學設(shè)計”、“設(shè)計原則”、“設(shè)計指導”、“instructional design”、“design principles”、“design guidelines”等對中國知網(wǎng)、百度學術(shù)、谷歌學術(shù)、ERIC等數(shù)據(jù)庫進行搜索，并以原則構(gòu)建依據(jù)（包括基于學習理論、學習者體驗研究或教學實踐經(jīng)驗）為標準對文獻進行篩選，最終選擇了美國、英國、芬蘭和澳大利亞4個國家知名專家或機構(gòu)提出的6個VR教學設(shè)計原則作為分析對象。

研究樣本為美國紐約大學醫(yī)學院Zweifach VR教學設(shè)計原則[11]、美國亞利桑那州立大學Mina VR教學設(shè)計原則[8]、Educause VR教學設(shè)計原則[12]、英國開放大學Okada VR教學設(shè)計原則[13]、芬蘭于韋斯屈萊大學教育學院VR教學設(shè)計原則[14]和澳大利亞教育與培訓部VR教學設(shè)計原則[15]，具體如表1所示。

2.內(nèi)容分析框架

現(xiàn)有原則劃分維度不同，如表2所示。Zweifach、Educause、 Okada、于韋斯屈萊大學教育學院、澳大利亞教育與培訓部均從教師角度提出了設(shè)計應(yīng)用原則，Zweifach、Okada和于韋斯屈萊大學教育學院從學習者角度提出了相關(guān)原則。此外，還有2個原則從技術(shù)人員的角度提出了相關(guān)建議。

為構(gòu)建科學、系統(tǒng)的VR教學設(shè)計原則，本研究以教學設(shè)計要素為基礎(chǔ)構(gòu)建分析框架。教學設(shè)計包含教學目標分析、學習者分析、教學模式與策略的選擇與設(shè)計、學習環(huán)境設(shè)計和教學評價。[17]王雪等人基于教學設(shè)計基本要素對VR教學應(yīng)用文獻進行了定量分析，并基于分析結(jié)果提出了相關(guān)建議。[18]周榕等人從學段、學科、教學時長、教學方法、教學場所、虛擬現(xiàn)實技術(shù)類型6個角度分析了相關(guān)文獻，基于研究結(jié)果提出了VR教學建議。[19]Jock從VR應(yīng)用學科、教學方法、教學效果、認知負荷和教學安全5個維度，系統(tǒng)地梳理了VR教學應(yīng)用文獻。因此，本研究選擇從教學模式、教學策略、學習環(huán)境、教學評價與反饋以及開展VR教學所需支持5個維度構(gòu)建現(xiàn)有原則分析框架，如表3所示。

3.分析編碼過程

根據(jù)構(gòu)建的內(nèi)容分析框架，本研究在仔細閱讀和理解現(xiàn)有原則的基礎(chǔ)上對現(xiàn)有原則進行了編碼。在編碼的過程中，三位研究者基于自己的理解，分別按照分析框架對現(xiàn)有原則進行編碼;編碼結(jié)束后，三位研究者對編碼結(jié)果進行比較，保留相同的編碼結(jié)果，并對不同的部分進行分析、再調(diào)整，最后確認所有編碼內(nèi)容，完成整個編碼工作。

三、研究結(jié)果

1.教學模式

（1）利用VR促進學習者主動參與，開展探究性學習。Zweifach、Mina、Educause和芬蘭于韋斯屈萊大學教育學院均建議學習者在虛擬學習環(huán)境中進行探究，主動學習。教師應(yīng)鼓勵學習者在沉浸式學習環(huán)境中進行探究，并給予學習者充足的學習時間，以便學習者與內(nèi)容交互，如尋找信息、自主操作等，從而提升學習者的學習動機，促進學習者知識建構(gòu)。

（2）利用VR協(xié)助學習者進行個性化學習、適應(yīng)性學習。Zweifach、Mina、Okada原則認為學習者可以利用VR自定步調(diào)、個性化、適應(yīng)性學習。教師選擇處于學習者“最近發(fā)展區(qū)”的教學內(nèi)容，并對內(nèi)容進行難度分級分段教學;添加動態(tài)學習分支，基于學習者在學習過程中的自主決策，為其提供相適應(yīng)的學習資源。

（3）利用VR提供協(xié)作式學習體驗。VR在教學中的應(yīng)用為開展協(xié)作式學習提供了便利。Mina、Okada、澳大利亞教育與培訓部建議教師應(yīng)利用VR引導學習者在虛擬空間進行協(xié)作，增加同伴虛擬交互、社會交互、認知交互;在學習結(jié)束后，鼓勵學習者分享學習結(jié)果和感受，討論學習過程中遇到的問題，幫助學習者建構(gòu)知識，提升協(xié)作學習能力。

2.教學策略

（1）基于教學目標、教學內(nèi)容和學習者特征確保VR為最適教學媒體。Zweifach、Mina、Educause、Okada、于韋斯屈萊大學教育學院均建議基于教學目標、教學內(nèi)容和學習者特征確定VR為最適教學媒體，利用VR滿足學習者需求，幫助學習者完成學習目標。教師可以利用VR培養(yǎng)學習者的空間能力，提高內(nèi)在動機和參與度，提供真實情境以幫助學習者完成知識遷移。[21]

（2）幫助學習者回憶先修知識，鏈接虛擬體驗與現(xiàn)實體驗。Okada和于韋斯屈萊大學教育學院建議學習者應(yīng)當在課前了解學習的主題，通過VR呈現(xiàn)的內(nèi)容回憶先修知識，將虛擬體驗與現(xiàn)實經(jīng)歷聯(lián)系起來，從而有意義地構(gòu)建知識，主動完成知識遷移。

（3）內(nèi)嵌引導功能，降低外在認知負荷。VR視覺引導可以減少無關(guān)環(huán)境干擾，提高學習者搜索速度，降低外在認知負荷。[22]Mina、Educause、Okada和澳大利亞教育與培訓部建議在VR中設(shè)置路徑、路標、閃爍物體等提示，添加開始、向前、向后、返回、退出等操作選項按鈕，提供VR導航地圖，內(nèi)嵌關(guān)鍵行為標準或認知地圖。

（4）增加學習者與VR交互，激發(fā)學習興趣。為提高學習動機，幫助學習者掌握技能，Mina、 Okada、于韋斯屈萊大學教育學院和澳大利亞教育與培訓部建議學習者在VR環(huán)境中充分運用肢體與VR內(nèi)容進行交互，如放大或縮小虛擬物體、標記信息，利用VR練習、試驗、創(chuàng)造。特別注意，學習者的動作應(yīng)該與正在學習的內(nèi)容一致，[23]如學習者學習旋轉(zhuǎn)裝置的方向和速度時，其旋轉(zhuǎn)手勢應(yīng)與屏幕上的虛擬裝置方向和速度相同。[24]

3.VR學習環(huán)境

（1）利用VR為學習者提供沉浸式的智慧學習空間。重新設(shè)計學習空間是未來影響高等教育變革的短期趨勢，[25]當前很多高校正在探索利用VR模擬真實的工作和社會環(huán)境，幫助學習者掌握技能。[26]VR可以為學習者提供沉浸式的學習體驗，增加學習者的臨場感;VR情境仿真度越高，越能引發(fā)個體的身體體驗。[27]Mina、Educause、Okada原則認為在VR沉浸式智慧學習空間的構(gòu)建中，應(yīng)減少VR中文本信息，利用圖形圖像、動畫、視頻等以360度的視角呈現(xiàn)教學內(nèi)容，并為學習者提供真實的環(huán)境聲音，提高VR仿真度。

（2）測試VR內(nèi)容，控制VR教學時長。由于VR伴有暈屏[28]、記憶混淆[29]等副作用，Mina、于韋斯屈萊大學教育學院、澳大利亞教育與培訓部建議教師在使用VR教學前應(yīng)測試VR的內(nèi)容、任務(wù)、動作等，并控制VR教學時間，建立VR學習退出機制，有效降低VR對學習者的負面影響。VR教學適用于12歲以上的學習者，有研究建議學習者在3小時內(nèi)使用VR的時間不應(yīng)超過15分鐘。[30]

4.教學評價與反饋

（1）利用VR進行形成性評價和總結(jié)性評價。VR提供了新的學習者評價方式，使傳統(tǒng)的書面考試轉(zhuǎn)向沉浸式的情境評估。Zweifach、Mina、Okada和澳大利亞教育與培訓部均建議利用VR對學習者的學習過程與結(jié)果進行評價。教師可以將評價標準內(nèi)置于VR中，通過記錄學習者與VR交互過程，捕捉學習者的關(guān)鍵行為，對學習者進行客觀、全面的評價;通過觀察學習者的操作過程、姿勢以及學習者學習過程分享，教師可以判斷學習者是否掌握技能。

（2）為學習者提供反饋，優(yōu)化學習效果。Mina和于韋斯屈萊大學教育學院建議在VR練習過程中為學習者提供真實的、無風險的反饋，幫助學習者分析錯誤、鞏固知識，促進學習者自我反思。學習者在參與VR操作類學習活動時，應(yīng)利用獲得的行為反饋反復練習，更好地掌握知識與技能，并將所學技能有效遷移到真實任務(wù)中。

5.教學支持

（1）提升教師VR素養(yǎng)，幫助教師開展VR教學。為鼓勵、幫助教師開展VR教學，Zweifach、Educause和澳大利亞教育與培訓部建議為教師提供教學支持。學校應(yīng)與優(yōu)質(zhì)的商業(yè)伙伴合作，建立資源庫，為教師提供優(yōu)質(zhì)教學資源，滿足教學需求。教師應(yīng)掌握VR教學知識與技能，更好地利用VR教學，為學習者提供支持;教師還應(yīng)與教學設(shè)計師、VR技術(shù)人員等合作，參與各VR教學應(yīng)用階段，包括教學目標的確定、系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和評價。此外，教師間應(yīng)共享VR教學經(jīng)驗、教學資源、教學工具等，并結(jié)合學習者的過程性反饋和結(jié)果性反饋，不斷優(yōu)化教學過程，實現(xiàn)最佳教學效果。

（2）為學習者提供VR支持。為幫助學習者學習，Mina、Educause、Okada、于韋斯屈萊大學教育學院和澳大利亞教育與培訓部建議開設(shè)VR通識課程或培訓，并為學習者提供技術(shù)支持。學校應(yīng)為學習者提供相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備等，提供安全的、易用的VR學習空間。教師在授課前明確VR的教學目的和學習任務(wù)，告知學習者使用方法，進行VR使用安全培訓，減少學習者的任務(wù)理解時間，識別并幫助解決學習者在學習過程中遇到的技術(shù)問題。此外，教師應(yīng)開設(shè)VR通識課程，幫助學習者學習VR知識，提升學習者VR素養(yǎng)。

四、總結(jié)與討論

經(jīng)驗學習理論、發(fā)現(xiàn)學習理論、建構(gòu)主義和情境學習理論等為VR教育應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為VR教學應(yīng)用開辟了廣闊的空間。[31]VR教學設(shè)計的質(zhì)量直接影響教學效果。

本研究分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有原則對教學反饋所持的觀點不同。Zweifach認為學習者與VR內(nèi)容交互時，應(yīng)為學習者提供實時的反饋;而Mina認為給學習者提供的反饋不一定是實時反饋。教學反饋是VR教學設(shè)計的重要部分，當學習程序性知識時，應(yīng)為學習者提供正誤反饋，當學習陳述性知識時，應(yīng)為學習者提供解釋反饋。[32]學習者與虛擬環(huán)境進行交互獲得的實時反饋和教師通過觀察學習行為和過程提供的非實時反饋，均可以提高學習者的學習效果。因此，本研究建議基于教學目標和教學內(nèi)容為學習者提供相適應(yīng)的反饋，使教學效果最優(yōu)化。

通過比較美國、英國、芬蘭和澳大利亞4個國家的6個VR教學設(shè)計原則，本研究最終歸納了3條教學模式原則、4條教學策略原則、2條學習環(huán)境原則、2條教學評價與反饋原則以及2條教學支持原則，旨在為國內(nèi)教師開展VR教學提供參考，為學習者提供更好的學習體驗，以期優(yōu)化現(xiàn)有的VR教學效果。

參考文獻：

[1]高媛，劉德建，黃真真等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進學習的核心要素及其挑戰(zhàn)[J].電化教育研究， 2016（10）：77-87.

[2]褚樂陽，陳衛(wèi)東，譚悅，鄭思思.重塑體驗：擴展現(xiàn)實（XR）技術(shù)及其教育應(yīng)用展望——兼論“教育與新技術(shù)融合”的走向[J].遠程教育雜志，2019，37（1）：17-31.

[3]孫志偉，李小平，張琳等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的學習空間擴展研究[J].電化教育研究， 2019（7）：76-83.

[4]Mantovani G， Riva R， Galimberti C.VR learning： Potential and challenges for the use of 3D[J].Towards cyberpsychology： Mind，cognitions，and society in the Internet age，2003.

[5]Dalton，G.，A.Devitt.Irish in a 3D world： Engaging primary school children[J].Language Learning & Technology，2016（1）：21-23.

[6]Fairén， M.， Farrés， M.，Moyes， J.，Insa，E.Virtual reality to teach anatomy.A： Annual Conference of the European Association for Computer Graphics[C].Lyon： European Association for Computer Graphics （Eurographics），2017：51-58.

[7]David M. Markowitz， Rob Laha， Brian P. Perone，Roy D. Pea，Jeremy N. Bailenson. Immersive Virtual Reality Field Trips Facilitate Learning About Climate Change[J]. Frontiers in Psychology，2018：1-20.

[8]Johnson-Glenberg MC.Immersive VR and Education： Embodied Design Principles That Include Gesture and Hand Controls[J].Front. Robot. AI，2018（5）：1-19.

[9]Steven M.LaValle.Virtual Reality[EB/OL].http：//vr.cs.uiuc.edu/vrbook.pdf， 2019-12-2.

[10]Hodgson P，et al.Immersive Virtual Reality （IVR） in Higher Education： Development and Implementation[C].In： tom Dieck M.， Jung T. （eds） Augmented Reality and Virtual Reality. Progress in IS.Springer， Cham，2019：161-173.

[11]Zweifach SM， Triola MM. Extended Reality in Medical Education： Driving Adoption through Provider-Centered Design[J].Digital Biomarkers，2019，3（1）：14-21.

[12]EDUCAUSE. XR for teaching and learning： Year 2 of the EDUCAUSE/HP Campus of the Future Project[EB/OL]. https：//library.educause.edu/-/media/files/library/2019/10/2019hpxr.pdf？la=en&hash=306474918AA2F101 DDDCABD59E4366AD7244D572， 2019-11-5.

[13]Okada，A.Rocha， K.Fuchter， S.Zucchi，S.and Wortley，D.Formative assessment of inquiry skills for Responsible Research and Innovation using 3D Virtual Reality Glasses and Face Recognition[C].In：TechnologyNEnhanced Assessment Conference（TEA 2018）： Revised Selected Papers （Draaijer， Silvester; Joosten-ten Brinke， Desir'ee and Ras， Eric eds.）， Communications in Computer and Information Science，2019： 91-101.

[14]Vastaa.VR App Testing Experiences from a Pedagogical Viewpoint[EB/OL]. https：//luovuusjainnovatiivisuus.wordpress.com/2018/06/04/vr-app-testing-experiences-from-a-pedagogical-viewpoint/， 2019-12-1.

[15]Southgate， E.， Blackmore， K.， Pieschl， S.， Grimes， S.， McGuire， J. & Smithers， K.Artificial Intelligence and Emerging Technologies in Schools[EB/OL]. https：//docs-edu.govcms.gov.au/system/files/doc/other/aiet_final_report_august_2019.pdf， 2019-11-20.

[16]Johnson-Glenberg MC.The Necessary Nine： Design Principles for Embodied VR and Active Stem Education[C].In： Díaz P.， Ioannou A.，Bhagat K.，Spector J.（eds） Learning in a Digital World. Smart Computing and Intelligence. Singapore：Springer， 2019：113-133.

[17]何克抗，林君芬，張文蘭.教學系統(tǒng)設(shè)計（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2016.3：28-56.

[18]王雪，徐文文，高澤宏，王志軍.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學應(yīng)用能提升學習效果嗎？——基于教學設(shè)計視角的38項實驗和準實驗元分析[J].遠程教育雜志，2019：61-71.

[19]周榕，李世瑾.虛擬現(xiàn)實技術(shù)能提高學習成效嗎？——基于46個有效樣本的實驗與準實驗元分析[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2019（11）：46-52.

[20]布魯斯·喬伊斯. 教學模式[M].北京：中國人民大學出版社，2014：18-27.

[21]Dalgarno B，Lee MJ.What are the learning affordances of 3-D virtual environments？[J].British Journal of Educational Technology，2010，41（1）：10-32.

[22]Bork F， Schnelzer C， Eck U， Navab N. Towards efficient visual guidance in limited field-of-view head-mounted displays. IEEE transactions on visualization and computer graphics，2018，24（11）：2983-2992.

[23]John B.Black， Ayelet Segal， Jonathan Vitale， Cameron Fadjo. Embodied Cognition and Learning Environment Design[EB/OL]. https：//www.tc.columbia.edu/faculty/jbb21/faculty-profile/files/8Embodied_Cognition2.pdf， 2019-11-28.

[24]Johnson-Glenberg MC，Birchfield DA，Megowan-Romanowicz C，Snow EL.If the gear fits， spin it?。?Embodied education and in-game assessments[J].International Journal of Gaming and Computer-Mediated Simulations （IJGCMS），2015，7（4）：40-65.

[25]金慧，沈?qū)廂?，王夢?《地平線報告》之關(guān)鍵趨勢與重大挑戰(zhàn)：演進與分析——基于2015-2019年高等教育版[J].遠程教育雜志，2019（4）.

[26]金慧，邵鈺，胡盈瀅.智能化教育生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建與創(chuàng)新——《地平線報告》（2018高等教育版）啟示[J].遠程教育雜志，2018，36（5）：5-16.

[27]Kolb， D. A. Experiential Learning： Experience as the Source of learning and Development[M].Englewood Cliffs. NJ： Pren-tice-Hall，1984：23.

[28]Melo M，Vasconcelos-Raposo J，Bessa M.Presence and cybersickness in immersive content： effects of content type， exposure time and gender[J].Computers & Graphics， 2018（71）：159-165.

[29]Southgate E， Smith SP， Cividino C，Saxby S，Kilham J，Eather G，Scevak J， Summerville D， Buchanan R， Bergin C. Embedding immersive virtual reality in classrooms： Ethical， organisational and educational lessons in bridging research and practice[J].International journal of child-computer interaction，2019（19）：19-29.

[30]Southgate E， Smith SP，Eather G， Saxby S，Cividino C， Bergin C，Summerville D， Kilham J，Buchanan R，Scevak10 J.Ethical Conduct and Student Safety in Immersive Virtual Reality： Protocols and Resources from the VR School Research Project[EB/OL]. https：//pdfs.semanticscholar.org/6cfa/917ade951f34bcfabc930872e4b567cab9e4.pdf， 2019-12-01.

[31]Johnston E，Olivas G，Steele P，Smith C，Bailey L.Exploring pedagogical foundations of existing virtual reality educational applications：A content analysis study[J]. Journal of Educational Technology Systems，2018，46（4）：414-439.

[32]Merchant Z， Goetz E T， Cifuentes L， et al. Effectiveness of virtual reality-based instruction on students learning outcomes in K-12 and higher education： A meta-analysis[J].Computers & Education，2014（70）：29-40.

（編輯：王天鵬）