江婕 時(shí)艷艷

摘要：科技者、教育者以及學(xué)習(xí)者都期望虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境能改善學(xué)習(xí)者互動(dòng)體驗(yàn)、增強(qiáng)身心參與感、提高學(xué)習(xí)效果，深化教學(xué)變革，但虛擬教學(xué)資源在教育上的應(yīng)用研究尚未有一致性。因此，本研究從小學(xué)科學(xué)課的具體案例出發(fā)，依據(jù)現(xiàn)狀和需求，開發(fā)與教學(xué)融合的虛擬教學(xué)資源，并基于“導(dǎo)、學(xué)、展、評(píng)、測”五環(huán)節(jié)教學(xué)模式，進(jìn)行VR沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境的總體設(shè)計(jì)，以期為如何有效利用虛擬教學(xué)資源構(gòu)建虛擬沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境以及優(yōu)化交互式學(xué)習(xí)環(huán)境提供研究參考。

關(guān)鍵詞：VR;沉浸式交互;小學(xué)科學(xué);學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2022）07-0000-05

● 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在教育領(lǐng)域中的成效被越來越多的專家、學(xué)者和教育者所認(rèn)同，但從基礎(chǔ)教育一線教師的角度來看，雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐成效不斷提升，可仍存在一些基本問題，如在虛擬環(huán)境下，如何在有限時(shí)間內(nèi)編排課程內(nèi)容、控制課堂學(xué)習(xí)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)全面沉浸式學(xué)習(xí)等。因此，基于虛擬教學(xué)資源的教育如何完整融合課堂教學(xué)，走進(jìn)教學(xué)實(shí)際需求;如何設(shè)計(jì)沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

● 相關(guān)綜述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，簡稱VR）是由交互式計(jì)算機(jī)仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動(dòng)作，替代或者增強(qiáng)一種或者多種感官反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸于或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺。[1]其包括三個(gè)突出特征：沉浸性、交互性、想象性。[2]沉浸性是虛擬現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)屬性，交互性和想象性是形成沉浸感的基礎(chǔ)。[3]

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不局限于視覺、聽覺，而是在有限的空間內(nèi)放大體驗(yàn)者的外部感官。鄭明玉等人描述支持力反饋的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，這種力反饋更能加深學(xué)生沉浸感，提升學(xué)習(xí)專注度，深化知識(shí)理解。[4]王雪等人關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境下生成性策略對(duì)學(xué)生內(nèi)部機(jī)制的研究，結(jié)果表明能有效降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷、消極情緒，但對(duì)大腦認(rèn)知、情緒狀態(tài)等無顯著效果。[5]胡藝齡等人研究沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（IVR）對(duì)實(shí)驗(yàn)技能遷移能力影響。研究表明，沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)有助于深度學(xué)習(xí)，活躍型學(xué)習(xí)者比沉思型學(xué)習(xí)者更能夠?qū)崿F(xiàn)技能遷移能力。[6]劉妍等人研究中卻指出，虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式環(huán)境對(duì)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)影響具有延遲性，從獲得更深的情感投入及持久記憶力中促進(jìn)深度學(xué)習(xí)投入。[7]

綜合來看，虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式體驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，自我測試策略、情緒調(diào)整，認(rèn)知加工策略，學(xué)習(xí)投入度等不同維度的影響和效果雖然大部分都是積極正向的，但不排除虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在提高沉浸感和自我效能感的同時(shí)產(chǎn)生新的外在的認(rèn)知負(fù)荷，從而降低學(xué)習(xí)效率。[8]這讓筆者不禁思考，如何借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建更具符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的全面沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境？因此，本研究聚焦如何在實(shí)際教學(xué)中實(shí)現(xiàn)課堂全面化沉浸體驗(yàn)這一問題，對(duì)于問題解決，筆者從如何設(shè)計(jì)符合沉浸式體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源以及如何面向“導(dǎo)、學(xué)、展、評(píng)、測”設(shè)計(jì)完整的虛擬沉浸式交互體驗(yàn)活動(dòng)過程這兩個(gè)方面進(jìn)行探析。

● VR沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)策略

在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建VR沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境需要考慮實(shí)現(xiàn)各種教學(xué)要素包括教師、學(xué)生、教學(xué)媒介等共同沉浸化。主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三個(gè)層面的要素沉浸，即物理沉浸（教學(xué)流程）、感官沉浸（外部身體沉浸）、心理沉浸（內(nèi)在情感沉浸）（如圖1）。

物理沉浸包括整個(gè)教學(xué)流程中輔助設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)上的沉浸設(shè)計(jì)。輔助設(shè)備是開展虛擬沉浸式學(xué)習(xí)的硬件支撐。依靠設(shè)備的介入，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與虛擬世界的溝通。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源是開展虛擬沉浸式教學(xué)的重點(diǎn)部分，設(shè)計(jì)虛擬教學(xué)資源要保證知識(shí)的系統(tǒng)性，防止知識(shí)碎片化，應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)知順序，減少學(xué)生額外產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，選擇最恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)知識(shí)點(diǎn)分區(qū)適度沉浸化，避免過度技術(shù)化，淡化知識(shí)學(xué)習(xí)的初衷。教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)上，通過將傳統(tǒng)教學(xué)融合入虛擬教學(xué)實(shí)現(xiàn)互相融合沉浸化，而不是單獨(dú)以虛擬教學(xué)為中心。

感官沉浸包括視覺、聽覺、動(dòng)覺?？紤]到學(xué)生的年齡特征，在視覺感官沉浸設(shè)計(jì)中改變傳統(tǒng)教學(xué)的二維知識(shí)信息接收，將知識(shí)立體三維可視化，這種三維可視化沖擊學(xué)生的視覺感官，吸引學(xué)生注意力，在一定程度上提升學(xué)習(xí)專注度。聽覺感官沉浸設(shè)計(jì)的突出點(diǎn)在于不同于傳統(tǒng)的言語教學(xué)、音頻教學(xué)，之所以有不同體驗(yàn)是因?yàn)檫@種聽覺音頻除了不同角度發(fā)聲的3D環(huán)繞音頻，還在于其聽覺“引導(dǎo)感”，不是一味地傳輸告知傳授知識(shí)信息，而是使聲音設(shè)計(jì)模塊以引導(dǎo)層次讓學(xué)生產(chǎn)生自主探究的意識(shí)。動(dòng)覺感官沉浸主要表現(xiàn)在解放學(xué)生的四肢，加深學(xué)生的參與感，通過身體記憶加深學(xué)生的體驗(yàn)及對(duì)知識(shí)的識(shí)記印象。

心理沉浸是深層次的沉浸設(shè)計(jì)，也是比較難以宏觀進(jìn)行檢測的沉浸，包括教師心理沉浸、學(xué)生心理沉浸、師生共同產(chǎn)生的心理沉浸。教師的心理沉浸突出表現(xiàn)在參與引導(dǎo)整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，部分教師已熟練掌握教學(xué)環(huán)節(jié)的步驟，預(yù)測整個(gè)教學(xué)過程，這種熟練即為沉浸的一部分，合理設(shè)計(jì)教師的心理沉浸對(duì)教師來講比較容易實(shí)現(xiàn)。學(xué)生心理沉浸是在教師引導(dǎo)的基礎(chǔ)上促進(jìn)的，通過一系列完備的設(shè)計(jì)能夠引起學(xué)生心理沉浸，這種心理沉浸雖然難得，但一旦發(fā)生，將影響學(xué)生未來對(duì)行動(dòng)方針的選擇。師生共同心理沉浸聚焦于教師和學(xué)生互動(dòng)融合心理沉浸，這種融合程度包含師生共同沉浸，即教師外在引導(dǎo)和語言教學(xué)沉浸化引起學(xué)生體驗(yàn)探究心理沉浸，共同產(chǎn)生的心理沉浸能改善課堂氛圍，加深學(xué)生對(duì)課堂學(xué)習(xí)、教師的喜愛程度。

綜合來看，以上三種沉浸相互支撐又相互融合：物理沉浸是感官沉浸的基礎(chǔ)，在感官沉浸達(dá)到一定程度時(shí)實(shí)現(xiàn)心理沉浸。因此，在虛擬沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)中，需注重三個(gè)方面的沉浸有序支撐連接和融合，避免單純偏向某一方的沉浸設(shè)計(jì)。

● VR沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)案例

1.案例背景

小學(xué)科學(xué)是一門注重探究的實(shí)踐性課程，是培養(yǎng)學(xué)生辯證思維能力、探究意識(shí)和能力的基礎(chǔ)課程。本研究對(duì)南昌市某小學(xué)六年級(jí)的學(xué)生和教師進(jìn)行需求調(diào)查，選擇科學(xué)課程中認(rèn)識(shí)鳥類課程，從知識(shí)學(xué)段、探究過程、情感態(tài)度三個(gè)維度提出教學(xué)重點(diǎn)。

2.案例分析

（1）設(shè)計(jì)內(nèi)容分析

根據(jù)對(duì)小學(xué)科學(xué)“生命”章節(jié)的課程標(biāo)準(zhǔn)解析，筆者將其章節(jié)的內(nèi)容學(xué)習(xí)分成不同的模塊。根據(jù)設(shè)計(jì)策略，不同模塊中的沉浸程度以知識(shí)學(xué)段目標(biāo)、探究過程目標(biāo)、情感態(tài)度目標(biāo)為基礎(chǔ)，由掌握知識(shí)沉浸層到探究實(shí)踐沉浸層再到情感態(tài)度沉浸層進(jìn)行主要活動(dòng)設(shè)計(jì)（如圖2）。

第一，沉浸式交互獲取知識(shí)模塊。在知識(shí)學(xué)段目標(biāo)中，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主通過沉浸式交互學(xué)習(xí)不同種類的鳥之間的外貌特征、生活習(xí)性及不同區(qū)別。選擇Unity3D開發(fā)軟件針對(duì)此模塊設(shè)計(jì)身臨其境的鳥類居住環(huán)境，在場景搭建上設(shè)置導(dǎo)入情節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)板塊，同時(shí)利用3D Max構(gòu)建鳥模型、食物模型。虛擬真實(shí)場景的沉浸式設(shè)計(jì)核心是雖然虛擬但與真實(shí)場景無偏差，這種沉浸感的最強(qiáng)體現(xiàn)為與現(xiàn)實(shí)生活存在的邏輯相對(duì)應(yīng)。

為了使沉浸感更富有層次性，筆者在虛擬教學(xué)資源中添加類似背包的系統(tǒng)功能，使學(xué)生在面對(duì)種類繁多的鳥類時(shí)，可以通過自我探究發(fā)現(xiàn)獲取單只鳥種的知識(shí)，并歸納、記錄到“背包”中。在背包系統(tǒng)中，學(xué)生可以調(diào)取不同的鳥，對(duì)其開展對(duì)比分析，主觀參與意識(shí)加強(qiáng)，數(shù)據(jù)信息整理、自我操作歸納以及分析能力得到鍛煉。因此，學(xué)生佩戴VR眼鏡和手握手柄即可實(shí)現(xiàn)在虛擬沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境中觀察、分析、對(duì)比不同鳥類，在享受視覺盛宴的同時(shí)掌握鳥類的特征和組成部分知識(shí)內(nèi)容。

第二，沉浸式交互掌握技能模塊。在探究過程目標(biāo)中，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)更注重體現(xiàn)通過虛擬沉浸式探究活動(dòng)過程掌握科學(xué)探究的技能，熟練掌握探究基本步驟，培養(yǎng)善于使用探究工具的意識(shí)。此模塊共包含三個(gè)探究活動(dòng)，探究活動(dòng)圍繞小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求及知識(shí)點(diǎn)展開（如下頁圖3）。三個(gè)活動(dòng)之間，依據(jù)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系、學(xué)生思維特點(diǎn)，由整體到部分、抽象到具體展開教學(xué)內(nèi)容。通過模塊間的內(nèi)在連接，使學(xué)生的沉浸體驗(yàn)達(dá)到最佳，以便在其他模塊中清晰明確學(xué)習(xí)思路，掌握探究過程，減少不必要的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

學(xué)生佩戴VR眼鏡，可以對(duì)虛擬場景中的對(duì)象進(jìn)行多方位多角度的觀察，通過手柄交互對(duì)象，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)擊、放大、縮小等操作，從細(xì)節(jié)上觀察分析鳥類之間的不同之處。通過深層次引導(dǎo)學(xué)生沉浸課堂教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

第三，沉浸式交互情感升華模塊。在情感態(tài)度目標(biāo)中，主要借助Unity3D設(shè)計(jì)瀕臨滅絕的鳥類居住環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生在思想上形成保護(hù)環(huán)境、愛護(hù)鳥類的意識(shí)，同時(shí)展開行動(dòng)上的虛擬演練，讓學(xué)生能在真實(shí)環(huán)境中做到思想行動(dòng)一致，實(shí)現(xiàn)本課的最高目標(biāo)。以視覺聽覺的沉浸感沖擊更容易激發(fā)學(xué)生深層次的情感認(rèn)同，學(xué)生接受的情感信息與現(xiàn)實(shí)行動(dòng)更為密切，對(duì)行為態(tài)度的影響則更為深刻。

（2）教學(xué)模式分析

根據(jù)對(duì)一線教師的調(diào)研，其最常用最基本的教學(xué)模式為“導(dǎo)、學(xué)、展、評(píng)、測”五環(huán)節(jié)模式，五個(gè)環(huán)節(jié)既可以相對(duì)獨(dú)立存在，又可以相互融合。教師在使用虛擬教學(xué)資源進(jìn)行教學(xué)過程設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，調(diào)用編排“導(dǎo)、學(xué)、展、評(píng)、測”五個(gè)環(huán)節(jié)，以發(fā)揮虛擬沉浸式交互學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。同時(shí)明確，“導(dǎo)”是前提，這種前提在虛擬沉浸式教學(xué)環(huán)境中是一個(gè)潛在的相對(duì)持續(xù)存在的過程，在虛擬教學(xué)資源中采用的引導(dǎo)式音頻，也是淺層次不斷導(dǎo)入學(xué)習(xí)的過程。在虛擬沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中，“展”是“學(xué)”中開展知識(shí)點(diǎn)自主探究的重要環(huán)節(jié)，“展”的環(huán)節(jié)更能夠鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，“學(xué)”是一直持續(xù)存在的過程?！霸u(píng)”融于整個(gè)虛擬沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中，是對(duì)“學(xué)”“展”環(huán)節(jié)的重要支撐?！皽y”是深化，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)已有知識(shí)內(nèi)容的轉(zhuǎn)化和遷移，訓(xùn)練學(xué)生調(diào)用認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

3.案例實(shí)施

①“導(dǎo)”環(huán)節(jié)。本節(jié)課采用“雙導(dǎo)”引入。一導(dǎo)：教師言語引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生對(duì)探究鳥的生存世界的好奇心和求知欲。二導(dǎo)：學(xué)生佩戴設(shè)備進(jìn)入虛擬鳥類世界。教師的言語導(dǎo)入與虛擬教學(xué)資源的導(dǎo)入情境是環(huán)環(huán)相扣的，虛擬教學(xué)資源的情境設(shè)計(jì)優(yōu)勢能夠給教師的言語導(dǎo)入提供漸進(jìn)式深層次導(dǎo)入支撐。

②“學(xué)”環(huán)節(jié)。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：這么多鳥，它們有哪些共同特征？提供支架式指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬鳥類世界中搜集鳥的種類，觀察鳥的特征，以自主探究的模式進(jìn)行趣味性學(xué)習(xí)。以學(xué)生為“中心”的虛擬沉浸式學(xué)習(xí)不同于傳統(tǒng)課堂教學(xué)的形式，不僅聚焦于多樣化的探究活動(dòng)，而且注重探究活動(dòng)安排，課堂內(nèi)容的呈現(xiàn)以從整體到部分再到整體的方式展開，學(xué)生的學(xué)也形成由整體到部分再到整體的過程。虛擬沉浸式學(xué)習(xí)使知識(shí)可視化、系統(tǒng)化，符合學(xué)生的思維方式。

③“展”環(huán)節(jié)。以學(xué)生為“中心”的自主探究進(jìn)入具體活動(dòng)探究。活動(dòng)一：羽毛虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生操縱手柄進(jìn)行“剪”羽根、“觀”絨羽，深刻理解羽毛的結(jié)構(gòu)及作用?；顒?dòng)二：探究鳥喙虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生選擇相應(yīng)的食物，與不同食種的鳥類進(jìn)行虛擬互動(dòng)，掌握鳥類的鳥喙形狀各不相同，所以形成不同的飲食習(xí)慣?；顒?dòng)三：探究鳥足虛擬實(shí)驗(yàn)。不同的棲息環(huán)境中的動(dòng)物其生存場所具有很大的不相同，學(xué)生通過操作手柄交互選擇鳥類的棲息環(huán)境，理解不同棲息環(huán)境中的鳥類具有不同的鳥足。活動(dòng)四：教師引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)生態(tài)環(huán)境破壞的鳥類世界，思考破壞生態(tài)引發(fā)的環(huán)境對(duì)鳥類生存的影響，此部分注重調(diào)動(dòng)學(xué)生情感態(tài)度上的轉(zhuǎn)變。

④“評(píng)”環(huán)節(jié)。在虛擬課堂沉浸式教學(xué)中，評(píng)價(jià)主要分為兩個(gè)層面，即虛擬教學(xué)資源中的及時(shí)評(píng)價(jià)和教師的總結(jié)評(píng)價(jià)。在學(xué)生沉浸式交互過程中，虛擬教學(xué)資源提供及時(shí)的知識(shí)反饋，加深學(xué)生的理解，這種評(píng)價(jià)鼓勵(lì)式教學(xué)貫穿學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程，在潛移默化中以不斷反饋的形式強(qiáng)化學(xué)生的求知欲，滿足學(xué)生的好奇心。除了虛擬沉浸式交互學(xué)習(xí)過程中的反饋機(jī)制，教師的反饋機(jī)制也必不可少，其優(yōu)勢主要在于教師將言語鼓勵(lì)式機(jī)制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性總結(jié)，幫助學(xué)生提高對(duì)知識(shí)點(diǎn)的概括和歸納能力。

⑤“測”環(huán)節(jié)。在虛擬沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中安排沉浸式答題環(huán)節(jié)，能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的信息加工轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。場景式答題設(shè)計(jì)了游戲式答題模式，學(xué)生順利完成答題環(huán)節(jié)，就能夠進(jìn)入生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的場景，使測驗(yàn)過程富有了趣味性和情境性，同時(shí)，加深了學(xué)生保護(hù)環(huán)境的意識(shí)和態(tài)度，有益于學(xué)生將情感態(tài)度學(xué)習(xí)與現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際行動(dòng)相連接。

● 總結(jié)

總之，在設(shè)計(jì)開發(fā)沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境時(shí)，應(yīng)重視可操作設(shè)計(jì)沉浸化部分，幫助學(xué)習(xí)者在虛擬沉浸式交互學(xué)習(xí)環(huán)境中體驗(yàn)交互樂趣，產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，獲得學(xué)習(xí)成就。

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作者簡介：江婕（1982.05—），女，漢族，工作單位為江西科技師范大學(xué)，副教授，碩士，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)、新媒體技術(shù)、智慧學(xué)習(xí)。時(shí)艷艷（1996.11—）女，漢族，工作單位為江西科技師范大學(xué)，碩士，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體應(yīng)用。

本文系江西省教育廳2021年研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金資助課題“面向?qū)W(xué)展評(píng)測的VR沉浸式課堂探究——以小學(xué)科學(xué)‘鳥類’為例”（課題立項(xiàng)號(hào)：YC2021-S785）;江西省2020年教科省級(jí)課題“智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下的深度交互價(jià)值探析及模型建構(gòu)的實(shí)踐研究”（課題立項(xiàng)號(hào)：2020YB129）的研究成果。