教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統構建研究

鄭敏希

（渤海大學政治與歷史學院,遼寧錦州,121003）

教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統構建研究

鄭敏希

（渤海大學政治與歷史學院,遼寧錦州,121003）

教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統是對微格教學課堂模擬系統的整體升級換代，并將逐步成為21世紀教師教育專業培養中小學師資實踐性教學技能的主流方式。從虛擬仿真課堂訓練系統建設的原則、構成要素與設計樣態等方面進行深入分析，積極推進虛擬仿真課堂訓練系統的實踐步伐，必將為我國教師教育專業走上科學化、系統化、集約化道路提供重要的技術支撐。

教師教育專業；虛擬仿真；課堂訓練系統

隨著教師教育專業化的深入發展, 改革師范生實踐教學模式已成為高師教育改革的重要內容之一。為了提高中小學教師的培養質量，為中小學輸送實踐能力強，適應社會競爭的未來人民教師，建立一套行之有效的虛擬仿真課堂教學訓練系統，強化實踐性教學平臺建設，已經成為教師教育專業改革的必然趨勢。

1 微格教學在教師教育專業建設中的局限性

微格教學是當前國際上訓練教師教學技能的一種培訓方法和理論，它形成于美國20世紀60年代的教育改革運動，斯坦福大學的W.Allen等人在“角色扮演”教學方法的基礎上，利用攝錄像設備形成的。我國于20世紀80年代開始引入這種教學方法。由于計算機技術逐步成熟及數字化技術的長足發展，目前我國教師教育專業在教師實踐性教學技能培養方面已經普遍采用了數字化教學技能訓練系統。但與更為先進的虛擬仿真技術相比較，還是存在較大的差異和補足。

1.1 微格教學訓練系統的封閉性

微格教學的基本特點就是“訓練課題微型化，技能動作規范化，記錄過程聲像化，觀摩評價及時化”。我們必須指出的是，即便微格教學可以實現觀摩評價及時化，但這依然是在課堂教學之后才能實現的，而缺乏現場及時教學的情景化、交互性、對話性。傳統微格教學或數字化微格教學模擬訓練室一般由微格教室、評價教室和總控室組成。這本身就體現了該課堂模擬教學系統的封閉性。因此，需要有更為先進和現代的課堂仿真教學系統來加以超越和完善。但這并不代表微格教學訓練系統已經可以投入歷史的垃圾堆。在師范生早期實踐教學訓練中，微格教學訓練系統依然具有不可替代的價值。

1.2 微格教學訓練系統的單向度性

盡管有學者認為，傳統微格教學可以在一定程度上實現升級轉換，通過與慕課、翻轉課堂、微課等新型的課堂教學形式進行對接，進而提高微格教學的實效性。[1]但是，這些改進措施依然沒有改變人機之間的單向度性。在具體實施教學環節時，主講者只是單方面授課，錄像機進行實錄。事后，主講者才能得到相關的授課實況錄像，在自己的媒體設備中重播，才可以發現教學過程中所存在的問題。目前的微格教學系統是不能給予課堂及時反饋，因此主講者只是被動的、單向度地傳授知識，很難在線反思自己的教學。

1.3 微格教學系統的非交互性

正如上面所述，微格教學訓練系統的單向度性、封閉性也決定了該系統的非交互性。通過下圖我們不難看出，盡管數字化微格教學系統比傳統微格教學系統先進很多。例如在硬盤存儲、網絡點播、多媒體介入、積累起來的素材庫以及網絡案例庫點播等方面都有了長足改建和升級，但是該系統的關鍵問題依然沒有解決，即系統本身的動態性和主體交互性。具體地說，包括人—機交互性、師—生交互性、生—生交互性。

功 能傳統微格教室數字化微格教學訓練實驗室錄像方式磁帶錄像磁帶錄像＋硬盤錄像回放方式磁帶回放磁帶回放＋網絡點播教學手段粉筆＋黑板粉筆＋黑板＋多媒體教學資源無中學教學素材庫案例教學教師播放錄像帶網絡案例庫點播

2 教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統開發的基本原則

虛擬仿真技術所帶來的身臨其境的神奇效應正滲透到各行各業，成為近年來國際科技界關注的一個熱點。它是建立在計算機圖形學、人機接口技術、傳感技術和人工智能等學科基礎上的綜合性極強的高新信息技術，在軍事、醫學、教育等諸多領域都得到了廣泛的應用，被認為是21世紀大有發展前途的科學技術領域。

Virtual 就是虛假的意思，Reality 就是真實的意思，合并起來就是虛擬現實。所以，Virtual reality 一詞翻譯成中文即“虛擬現實”、“虛擬仿真”、“虛擬真實”。也就是說原本不存在的事物和環境，通過當代各種技術手段而虛構出來，讓我們感覺身臨其境，獲得與真實事件、真實物體、真實環境一樣效果。正如有學者指出，“大學的教師教育課程應該進行相應改革，開發師范生的‘實踐性知識庫’”。[2]而虛擬仿真課堂教學訓練系統的發展恰恰是養成師范生實踐性知識的重要途徑之一。

2.1 虛擬仿真課堂訓練系統的真實性

虛擬仿真系統的基本特征就是“逼真”。電視的空間是二維空間而不是現實世界的三維空間，電視的所謂“立體聲”效果也不同于現實世界的聲音的立體特征。而虛擬仿真系統所強調的視覺空間、視覺形象以及音響效果都是三維的。二維與三維的視覺形象有本質的區分：在一個二維屏幕上看三維的圖像就如同從一個玻璃船底看下面的海水，這時感到自己還是在船上，處于三維環境的邊緣，從它的邊緣看這個世界的深處。而在一個立體的“屏幕”里看一個視覺世界就像是在潛水。通過一個電腦化的手套來操縱一個三維顯示器，我們進入到虛擬現實的多重感覺的世界中。對于師范生而言，在一個虛擬仿真課堂教學系統中，就如在一個坐滿了中小學學生的真實教師中，他可以展示真實教學的全景。師生交流、個案分析，提問對話等教學情境都可以在該系統中得以真實地實現。從而保證了師范生實踐教學的經驗性、情境性、情景性。

2.2 虛擬仿真課堂訓練系統的人機交互性

在虛擬仿真課堂教學系統中，師范生可以直接控制對象的各種參數，如：課堂提問、學生的反饋、教學進程、教學時間的分配等，而系統也可以向參與實踐教學的師范生反饋信息，如：學生回答問題的正確率、學生對教學的滿意度、學生對教學重點難點的反饋程度等。在虛擬仿真系統中，視覺無疑是最主要和最常用的交互手段。因為觀察點是在觀察者的眼睛上，這樣，觀察者就可以得到與在真實世界中同樣的感受。隨著圖像的變化，再配以適當的音響效果，就可以使人們有身臨其境的感受。但是，當人們希望用手來觸摸虛擬模型，或用手直接對虛擬模型進行操作時，只是視覺和聽覺就無能為力了，因而需要研制和開發具有觸覺功能的交互手段，也就是具有"力反饋"功能的裝置。它可以對使用者的輸入（如手勢，語言命令）做出響應。

2.3 虛擬仿真課堂訓練系統的開放性

該系統在教師教育專業的實踐性教學應用中體現了廣泛的開放性特點。首先，該系統對真實的中小學課堂教學的開放性。大量的課堂教學資源經過選擇而形成的優質教學資源進入到虛擬模擬系統的數據庫，可以為師范生提供鮮活的案例教學范例。其次，該系統與網絡平臺進行對接，實現其開放性。在大數據時代，計算機和網絡資源為系統而深入研究教師的教學風格、教學規律、教學技術、教學素養提供了基礎性素材。經過與網絡資源的對接，虛擬仿真系統可以為教師專業成長提供個性化、差異化、時代性的資源和信息。第三，該系統對師范生、教師自己的發展體現了開放性。由于系統本身由不同的資源數據庫構成，因而針對不同發展階段、不同學科特點和不同個性化需求的教師、師范生都可以提供個性化實踐教學服務。

3 教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統的構成要素

教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統將模擬環境、視景系統和仿真系統合三為一，并利用人機交互設備，把師范生自身與計算機系統生成的三維虛擬環境合成，是高校教師、師范生群體利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環境。師范生通過人機交互設備，把實踐性教學環節以自然的方式（例如提問、討論等）向計算機送入各種動作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺等多種感知獲得三維感覺世界。

教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統的主要構成要素有以下6種：

（1）3D立體眼鏡。立體眼鏡是用于3D模擬場景VR效果的觀察裝置，它利用液晶光閥高速切換左右眼圖像原理，有有線和無線之分，可支持逐行和隔行立體顯示觀察，也可用無線眼鏡進行多人團體VR效果觀察，是目前最為流行和經濟適用的VR觀察設備。

（2）數據手套。數據手套是虛擬現實應用的主要交互設備，它作為一只虛擬的手或控件用于3DVR場景的模擬交互，可進行物體抓取、移動、裝配、操縱、控制，有有線和無線、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3D VR或視景仿真軟件環境中。

（3）三維空間交互球。三維空間交互球是虛擬現實應用中的另一重要的交互設備，用于六個自由度VR場景的模擬交互，可從不同的角度和方位對三維物體觀察、瀏覽、操縱；也可作為3D Mouse來使用；并可與數據手套或立體眼鏡結合使用，作為跟蹤定位器。也可單獨用于CAD/CAM，(Pro/E、UG)。

（4）位置跟蹤器。三維空間跟蹤定位器是VR系統中用于空間跟蹤定位的裝置，一般與其他VR設備結合使用，如：數據頭盔、立體眼鏡、數據手套等，使參與者在空間上能夠自由移動、旋轉，不局限于固定的空間位置，操作更加靈活、自如、隨意。產品有六個自由度和三個自由之分。

（5）頭盔顯示器。頭盔顯示器（又稱數據頭盔或數字頭盔）是虛擬現實應用中的3DVR圖形顯示與觀察設備，可單獨與主機相連以接受來自主機的3DVR圖形信號。使用方式為頭戴式，輔以空間跟蹤定位器可進行VR輸出效果觀察，同時觀察者可做空間上的自由移動，如；自由行走、旋轉等，VR效果非常好，沉浸感極強，在VR效果的觀察設備中，頭盔顯示器的沉浸感優于立體眼鏡。

(6)力反饋器。力反饋器是VR研究中的一種重要的設備，該設備能使參與者實現虛擬環境中除視覺、聽覺之外的第三感覺——觸覺和力感，進一步增強虛擬環境的交互性，從而真正體會到虛擬世界中的交互真實感，該設備廣泛應用于虛擬醫療、虛擬裝配等諸多領域。

4 教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統的設計樣態

事實上，教師教育虛擬仿真課堂訓練系統就是要創建一個酷似真實中小學課堂環境又超越客觀時空，能沉浸在無人的教室、課堂中，又能產生真實課堂教學效果的和諧人機環境，也就是由多維信息所構成的可操縱的空間。它的應用能再現實驗過程,為學生提供生動、逼真的感性學習材料,幫助學生解決學習中的知識難點;它能使抽象的概念、理論直觀化、形象化,方便學生對抽象概念的理解。[3]

該系統基于高速互聯的網絡，具備有系統管理模塊、個人工作室模塊、課程設置模塊、教案及資源庫模塊、虛擬教室模塊、課堂（記錄）備份模塊、交流反饋模塊、在線指導模塊等功能模塊組成。

(1)系統管理模塊

該模塊主要有系統設置、用戶管理、課程管理、教室設置、資源管理、課堂記錄管理、交流論壇管理等功能。其中，用戶群為：管理員、指導教師、實習教師和虛擬學生。

（2） 個人工作室模塊

該模塊主要供學生使用，該模塊主要有個人資料修改、個人日志、個人資源、文摘搜集、好友鏈接、備課系統、課件庫等功能。注冊的學生有“實習教師”和“學生”兩種身份，做為教師，他（她）可以進行“教育敘事”的日志撰寫，做為學生，又可以進行“觀后感”的記錄和反思。

（3） 課程設置模塊

這個模塊主要是規劃網站內部所有的課程，按照年級進行分類安排，實現增加、修改和刪除等。

（4） 教案及資源庫模塊

該模塊提供一個強大的在線教案編輯平臺，同時提供“教學設計”等相關的理論指導和優秀案例，讓實習教師能夠在線完成教案的寫作；同時，該編輯平臺可是實現在線協作的教案撰寫模式。

（5） 虛擬教室模塊虛擬教室是本構想中最重要的模塊，在該模塊中，采用UDD模式用攝像頭將“實習教師”的活動圖像展現的“講臺”前面，教師可以聲畫同步的進行講授，通過點擊虛擬學生，進行交互式提問，而在座的學生中，在線的可以彩色顯示，不在線的灰色顯示，通過發言、舉手等動作與教師進行交流。

（6） 課堂（記錄）備份模塊

每堂課講完后，系統講通過對話框與實習教師進行對話設置，并保存全部或者部分的講課記錄，這些記錄將被所有注冊的指導教師和學生隨時提取觀看。

（7） 交流反饋模塊

該模塊主要采用實時和非實時的方式進行交流，如在線會議室（聊天室）和BBS論壇等方法，實習教師可以通過在線與指導教師進行會談，也可以隨時在BBS上面發表帖子，尋求某個問題的幫助等。

（8） 在線指導模塊

這是指導教師能夠在該模塊中針對學生的提問進行解答，或者將一些優秀的課堂教學案例進行推薦，在觀看學生的講課后及時將反饋意見發布，也可以將學生的講課情況進行打分等。

在上述的功能模塊的基礎上，逐步構建起校內分布式社群，實習學生分配特定的賬號和密碼登錄系統后，可以選擇“實習教師”和“班級學生”的身份進入社區，作為“實習教師”身份，他（她）可以選課、選班級根據系統安排進入到“教室”中進行上課。

5 結束語

目前，虛擬仿真課堂教學系統已經進入實際應用階段。但是由于該系統的整體造價較高，因而在國內高校的教師教育專業建設中普及性較差。不過，隨著我國高校啟動虛擬仿真實驗室建設工程以來， 相信越來越多的高校將會逐步建設教師教育專業虛擬仿真課堂訓練系統，進而有效提高中小學教師的整體質量。

[1]王華蓉.關于微格教學的思考[J].寧波大學學報（教育科學版）,2015（03）:112-115.

[2]陳向明等.搭建實踐與理論之橋——教師實踐性知識研究[M].北京:教育科學出版社,2011.236.

[3]黃元南.虛擬實驗室設計技術與應用探析[J].中國科技信息,2005(14): 90-91.

Reserch on the Virtual Classroom Training Simulation System of Teacher Education Specialty

Zheng Minxi
(Bohai university institute of politics and history Jinzhou,Liaoning province,121003)

The virtual classroom training simulation system of teacher education specialty is the whole upgrade of the micro-standard teaching simulation system,and in the 21st century,it will become the mainstream of the teacher education specialty in training primary and middle school teachers' practical teaching skills.This paper makes a analysis of the principle、components and design of the virtual classroom training simulation system,and to promote the practice.In a word ,it is bound to provides important technical support to make the teacher education specialty become scientific、systematic and intensive.

teacher education specialty;virtual simulation;classroom training system

TP315

A

鄭敏希（1984-），女，福建福州人，渤海大學政治與歷史學院講師，哲學博士，研究方向為教師教育、教育哲學等。

2014年度遼寧省社會科學規劃基金重點項目“公共教育內涵的后現代哲學思考”[NO.L14AZX002]。