基于虛擬現實技術的虛擬教學系統設計探究

楊旭超

摘 要： 虛擬現實的教育特性包括多感知性、交互性、沉浸性以及構想性。虛擬教學系統的設計：①由先進教育學習理念作指導；②充分發揮虛擬現實技術，對場景、課堂、實驗、角色、情境進行虛擬設計，打造虛擬感知教學系統；③必須結合有效的教學策略，如運用案例學習、情境學習、協作學習、自主學習、探索學習等學習策略，允許學生以角色的身份，體驗虛擬的自然現象及事物的演變過程，支持學生學習、探索和發現。

關鍵詞： 虛擬現實技術； 虛擬教學系統； 感知； 交互； 沉浸

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）12-72-03

Research on the design of virtual teaching system based on virtual reality technology

Yang Xuchao

Abstract： The educational characteristics of virtual reality include multi-perception， interactivity， immersion and imagination. To design the virtual reality system， the advanced education idea should be taken as the guidance， a virtual perceptive teaching system should be built by giving full play to the virtual reality technology， to design the virtualized scene， classroom， experiment， roles and situation， and the student should be allowed as a role to experience the virtualized natural phenomena and process of things evolution， so as to support student learning， exploration and discovery.

Key words： virtual reality technology； virtual teaching system； perception； interaction； immersion

0 引言

虛擬現實（Virtual Reality簡稱VR）是近年來的一個研究熱點。

1965年，有“VR之父”之稱的計算機圖形學創始人Ivan Sutherland，曾在IFIP會議上做了題為“The Ultimate Display”的報告，第一次提出了虛擬現實的概念[1]。這一提法對“虛擬現實技術”來說，具有里程碑的意義。

1989年，美國的VPL公司宣布完成虛擬現實系統RB-2（Reality Built for2），VPL公司的創始人Jaron Lanier正式提出了“虛擬現實”一詞，從此進入虛擬現實階段[7]。

從上世紀90年代至今，“VR”進入全面發展階段，并開始在各領域綻放異彩，從而，逐漸走向實際應用[6]。近年來，VR技術的應用領域十分廣泛。VR應用到教育領域中，既是虛擬現實自身發展的需要，也是教育發展的需要。

虛擬現實教育特性歸納為四重性即：多感知性、交互性、沉浸性以及構想性[4]。

VR的教育應用價值是，可以建立虛擬的學習課堂，把相應知識進行情景化設計，形象直觀地展現在學生面前，允許學生以角色的身份，“身臨其境”地去體驗類真實生活中無法觀察到的自然現象、或事物的變化過程。學生沉浸在這樣的虛擬現實學習環境中，通過多層次的感知，獲得類似真實的體驗效果，全方位地獲取信息，主動自然地對知識進行認知和建構，在沉浸于探索活動之時，跳一跳，摘到果子。

1 虛擬教學系統的設計原則

教育是一個復雜的系統工程，作為一個結構完整的虛擬教學系統設計，教育性是根本屬性、此外還必須兼顧知識性、計算機虛擬技術特性、科學性與藝術性等方面。因此，虛擬教學系統設計必須遵循以下原則。

⑴ 運用先進教育學習理論作指導的設計原則

在教育理論體系中，學習理論經歷了由行為主義到認知主義、認知主義到建構主義、又由建構主義到情境認知與情境學習理論的演變和發展過程。這些學習理論都在不同的時期指導了CAI寫作，并成為CAI發展不可或缺的重要推手。

本研究課題其本質是教育性，核心是教育創新。因此，虛擬教學系統的設計必須要有教育學習理論做指導，否則系統的設計也就成了無源之水，無本之木，系統也就缺少了教育的屬性。

通過對教育學習理論的分析，吸取其中對課件寫作有益的經驗，指導課件寫作實踐，可以使虛擬教學系統的設計更符合教育規律。

⑵ 人機交互界面設計的原則

交互性是VR在教學上最有價值的應用。對于一個好的虛擬教學系統來說，人機交互設計很關鍵，虛擬現實教育的多感知性、沉浸性以及構想性就是要通過人機的有效交互產生效果，學生的參與、學生的“角色”扮演，學生的體驗都必須獲得交互性的支持。

在進行虛擬教學系統設計時，要考慮界面的可視化、一致性、簡潔性、易用性、直觀性、可控性和及時響應等原則，充分考慮到要適應學生的心理與情感需要；要適應學生的生理特征、行為特征等，把系統的交互設計看作是教學設計的最重要內容之一。

⑶ 虛擬現實四重性原則

基于VR建構的教學系統，在于通過感官刺激，使學生沉浸于虛擬教學系統中，體驗逼真的情境教學并主動動腦動手參與交互，以達到高效學習和提高技能。

⑷ 功能模塊化，提高復用性原則

系統的模塊化設計，考慮學生的個性化需求，允許定制學生適合的學習內容。

2 虛擬教學系統的指導思想

在教育的理論體系中，行為主義學習理論、認知主義學習理論、情景認知理論、建構主義學習理論以及遠程學習的交互理論都曾不同程度地指導著CAI寫作。

⑴ 行為主義把學習看做是由刺激與反應（即“S—R”）形成的聯接。曾指導了早期的CAI寫作；另外，程序教學的小步子策略至今仍深刻地影響著CAI寫作。

⑵ 認知主義對CAI的啟示是：要以學生為本，從學生的內外因素兩個方面來創設課件情境，外因提供刺激，驅動內因去認知知識，課件情境的設計就必須考慮學生的認知特點，必須要將知識性與趣味性相結合，以激發其好奇心和發現欲，誘發其質疑、猜想和認知、激發學生的學習興趣。

⑶ 建構主義理論強調學習的主動性、社會性和情境性。因而，“情境”、“協作”、“會話”、“意義建構”構成了建構主義的四大要素。對CAI的啟示是： 學習要在一定的情境中，通過協作活動和會話交流而建構意義。

⑷ 情境認知與學習理論更加強調情境對于學習的重要性。認為知識具有情境性，學習是基于社會情境的一種活動，知識的意義不能脫離具體的情境產生[8]。因而要通過設置真實的實驗環境（基于工作崗位的、基于知識內涵的）、或借助計算機信息技術設計的虛擬情境，來提高學習的有效性，并保證知識向真實情境的遷移。

可見，VR的教育應用與教育學習理念的精華是相一致的；設計適合學生學習的虛擬現實學習場景、創建情境化教學平臺，是虛擬教學系統教學設計的主要形式。教學設計要強調參與者的交互性與沉浸感，以有效提高學生學習的主動性，進行更好的知識建構。

3 系統教學功能的虛擬設計

⑴ 虛擬課堂的設計

對課堂場景的虛擬設計，使教學脫離傳統的學習場所，突破了時空的限制，學生可以自由自在地在虛擬課堂中學習，猶如沉浸在真實課堂一樣，讓教學變得輕松而實效。

⑵ 虛擬實驗的設計

設計和建立虛擬實驗室，是一種高效而且新穎的實驗方式，不僅可以避免實驗自身存在的安全隱患，而且可以節約實驗成本，不用顧慮實驗條件、環境和時空上的限制，學生可以隨時隨地地完成實驗內容。

⑶ 技能訓練功能模塊的設計

VR的沉浸性和交互性，允許學生以角色的身份參與到虛擬的學習環境中，去嘗試和體驗情境學習活動，這非常有利于學生的技能訓練。例如汽車維修的虛擬技能訓練、電器維修技能訓練等職業技能的訓練，學生可以不厭其煩地反復練習，直至掌握操作技能為止。

⑷ 虛擬情境設計

應該說，最理想的學習是發生在真實情境下的學習，但客觀地說，真實情境的學習條件可遇而不可求。因而，對情境進行虛擬設計就是現實的選擇了。

在虛擬教學系統中，創設與現實情境相類似的高度逼真的虛擬學習情境，代替書本描述或代替抽象語言的描述，使教學的過程與現實的問題解決過程相類似，有利于刺激學生的感知、沉浸與構想，從而使得學習有效發生。

⑸ 虛擬角色的設計

虛擬角色支持學生成為學習活動的“角色扮演者”，學習的過程則是角色參與的活動過程。教學情境的創設應營造一個利于“角色”主動探索的學習共同體和實踐共同體，支撐知識的社會協作性建構。角色扮演者在虛擬的情境中，可以身臨其境的體驗情境化的教學。可以自由地、主動地與虛擬對象進行交互，通過協作活動和會話交流而建構意義，符合建構主義理論的學習理念。

4 虛擬教學系統的教學策略設計

4.1 案例學習策略的設計

案例教學，既是針對一個真實事件的再現與思考，也是對這一典型事例的反思與探討。案例制作的原則有以下。

⑴ 案例設計要突出主題、把握主線，要保持案例真實性、典型性、完整性、趣味性原則，闡明事件發生的時間、地點、背景，注意處理好事件中的一些戲劇性的突變，使得案例直觀明了、富有懸念，能有效地反映出事件發生的特定教育背景，并能給予啟示。

⑵ 感知性、沉浸性原則，可以使學生親身體驗和感悟現實中的真實問題。

⑶ 案例設計應能提出關鍵問題，且能提出有效的解決辦法、及提供對這種解決問題方法的評價，以便為新的決策提供參照點。

案例教學是開啟學生思維大門的鑰匙，也是發展技能的重要渠道。好的案例無疑可促使學生更快地適應工作情景的挑戰。有利于培養學生分析問題解決問題的能力。

4.2 情境學習策略設計

情境化是虛擬現實特性在教學上的最有價值的又一體現。

在逼真情境認知環境下的虛擬教學系統的學習過程，也被稱為情境性教學，通常通過借助“VR”技術進行虛擬學習情境設計來實現。

情境的模擬或基于真實工作崗位、或基于知識的本質內涵要求，是學生獲取知識，理解知識并基于一定的社會文化情境建構意義的最佳環境。

4.3 協作學習策略設計

“協作”是建構主義學習理論的要素之一。“協作學習”可以使得學生在一定的情境中，通過協作活動和會話交流活動中而建構意義。因而對教學具有獨特的應用意義。

合作、交互、角色參與、信息共享和活動共享是實現“協作學習”的重要渠道。因此，在虛擬學習設計中，必須提供以上活動的機制，提供在線的網絡對話、學習論壇、共享白板及電子郵件、留言板等交互方式。

4.4 自主學習策略設計

自主學習（autonomous learning）指學生自主選擇學習內容、學習方法、學習的監控、評價學習結果的過程。自主學習強調學生的主體性和學習能動性，教師則是教學活動的組織者、參與者和指導者。

基于VR的網絡教育創設的是一個開放的學習環境，學生可以在虛擬世界中自由翱翔，最大程度的發揮學習者的自主性，通過自己的探究活動和與其他學習者的協作學習來建構知識。

4.5 探索學習策略設計

利用VR技術可以對各種教學內容的假設對象進行虛擬構建，所呈現的結果應能直觀生動地揭示規律，或給予的啟示。例如，在化學虛擬試驗中，學生可根據假設，進行不同分子的組合，通過對虛擬的結果進行探索式的研究，很有可能得出新的發現，有利于培養學生的創造性思維和能力。

5 結束語

利用VR技術，可以對學習場景、角色、情境等進行虛擬設計，結合各種有效的學習策略，有力地支持學生學習、探索和發現。

虛擬教學系統雖然是教學的輔助工具，但為教育提供了一種全新的思想方法和教育手段，它將促使教育形態、教育環境、教學過程的基本要素及相互關系發生重大變革。

參考文獻（Reference）：

[1] 宗光華.高層建筑擦窗機器人[J].機器人技術與應用，

1998.72（4）：20

[2] 趙沁平教授談虛擬現實技術的應用前景[EB/OL].http：//

www.vrvchina.com/News/Html/News7.Hun

[3] 張翰峰.第二代WWW標準語言VRML PC WORLD

CHINA，1999.7-9期.

[4] 黃鑫.基于VR技術的虛擬教學應用研究[D].華中師范大學，

2005.

[5] 曾芬芳.虛擬現實技術[M].上海交通大學出版社1997.

[6] 張倩葦.虛擬現實技術與教育[J].電化教育研究，1998.2：

29-32

[7] 徐大敏.于兆勤.郭鐘寧.虛擬現實技術及其應用與展望[J].機

床與液壓，2006.7：35-36，79

[8] 陳世友.陳新民.試論網絡學習中的教學情境建構[J].南京廣

播電視大學學報，2008.4：68-70