基于VR技術的體驗式學習環境設計策略與案例實現

鐘正 陳衛東

摘要：VR技術在實驗仿真、技能培訓、體驗式學習、觀察學習、操作練習等方面具有重要的應用價值。它能夠突破傳統教學環境的局限，創設非常逼真的情境，營造出強烈的沉浸感，具有豐富自然的交互方式，有利于增進學習體驗、激發學習動機、促進情境認知和知識遷移等。作為一種新興技術，VR在教育中的應用遠落后于其自身的發展，需要相應的應用模式和理論支持，尤其在如何構建基于VR技術的體驗式學習環境方面，缺少理論依據，仍停留在經驗和直覺的層面上。由此，該文在分析體驗式學習理論、情境認知理論、建構主義學習理論的基礎上，結合VR技術的3I特性（沉浸性、交互性、構想性），詳細論證了體驗式學習環境設計的原則、要素、情境設計、活動設計、交互設計等策略，并構建了靈活開放的體驗式學習環境設計框架。以此設計策略和框架為指導，對基于VR技術的生物學枯草芽孢桿菌體驗式學習環境進行了設計，案例應用情況表明，基于vR技術的體驗式學習環境在教育上應用潛力巨大，能夠提升學習興趣和動機、增強學習體驗、促進知識記憶和情境化學習。

關鍵詞：虛擬現實;體驗式學習;學習環境;設計策略

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

體驗式學習是以學習者為中心，通過真實地或虛擬地經歷某一件事情或過程，并經過反思來獲得知識、發展能力、生成情感的學習方式。它有利于激發學習動機、增加學習者的參與感，也有利于直接具體的經驗向抽象概念的轉化。在體驗式學習的開展過程中，學習環境包括真實情境與虛擬情境兩大類：真實情境指現實的自然和社會情境，如自然地理環境、職業工作場所、人際交往情境等，可以用于學生的野外考察、現場實習等教學場合，學生所獲得的是真實的體驗和活的知識;模擬情境可以通過情境仿真和角色扮演等來實現，其用于教學的代價相對較低，比較適合在班級里開展教學。體驗式學習的核心即是要建立一種仿真化的學習環境。

目前，學校教育中學習環境大多采用多媒體技術來創設，比如使用計算機、投影儀播放視頻、展示圖片等，但這種學習環境的參與感不強，學習者處于被動地接受信息的狀態，很難獲得高質量的交互效果。更甚者，由于受到空間和時間的限制，在教室環境下，有些學科很難或根本無法構建出具有逼真性、能夠增強學習體驗的學習環境和情境，因此體驗效果和學習質量也會大打折扣。信息技術的快速發展和計算能力的提高，為構建虛擬化的學習環境提供了技術支持，比如，在操作技能培訓和職業教育中，由于大量的教學內容屬于實踐性內容，這些內容受環境、場地、設施設備、安全、污染、資金、不可控、不可再現等因素影響，難以實現有效教學，利用VR技術為其創設一種嶄新的體驗式學習空間是一種非常可行的方法。

VR技術能夠提供豐富的感知線索以及多通道的反饋，用于幫助學習者將虛擬情境的所學知識遷移到真實生活中，滿足情境學習的需要。VR教育應用目前集中在四個方面：VR支持學習環境創設、支持技能實訓、支持語言學習以及支持兒童教育，在激發學習動機、增強學習體驗、創設心理沉浸感和知識遷移方面具有較強的優勢和潛力。VR技術創設的學習環境能夠為實踐性教學提供優質的教學資源，使得學習者能夠在逼真的虛擬學習環境中盡情感知和體驗，有效促進學習者從具體感知經驗升華到抽象的概念，滿足學習者的體驗和參與需求，為教學的順利開展創設有利的條件。但如何將VR技術應用于教育中仍然面臨著一系列挑戰，尤其在虛擬化體驗式學習環境創設方面沒有現成的經驗和模式可以遵循，本文嘗試在分析體驗式學習理論、情境認知理論等學習理論的基礎上，結合VR技術的特征，探索出VR條件下體驗式學習環境的設計策略和框架，以期更好地服務于教育教學。

二、體驗式學習環境的相關概念

（一）體驗式學習

體驗式學習（Experiential Learning）是20世紀80年代，美國社會心理學家、教育家庫伯（D Kolb）整合杜威、羅杰斯等人的教育思想后，提出著名的“體驗式學習循環模式”。庫伯認為體驗式學習包括具體經驗、觀察與反思、抽象的概念化、主動檢驗四個階段，這四個階段以螺旋式上升的方式作用于人的學習過程中。

體驗式學習非常重視學習者的主動性、參與性以及直觀感受和體驗，通過具體的體驗和反思活動來掌握知識和技能。根據學習目標的不同可以分為認知體驗式學習、情感體驗式學習和行為體驗式學習。由于體驗式學習過程具有情節記憶、情緒記憶、語義記憶等優勢，非常有利于記憶的保持和檢索，從而有利于學習的發生。它的意義在于針對當前學校教育中普遍存在的所學知識和技能與真實世界的脫節、過多的說教教育與接受學習、學習的去情境化等問題，提供了重要的參考價值和啟示。

（二）學習環境與學習情境

體驗式學習最重要的保障條件為學習環境的構建，學習環境是促進學習者主動建構知識的意義和促進能力生成的外部條件，也有學者認為學習環境是支持學習者學習的各種外部和內部條件的集合。目前人們對學習環境的共識包括以下幾點：學習環境是一種學習空間，包括物質空間、活動空間、心理空間，其目的是為開展學習活動而創設;應以學習者為中心，學習者處于主動的地位，自我控制學習;提供支持性的條件，由各種信息資源、認知工具、教師、學生組成;可以支持自主、探究、協作、問題解決等類型的學習。

我們認為學習環境和學習情境是既有區別又有聯系的兩個概念。學習環境的內涵較為廣泛，是一個上位概念，包含學習情境，學習情境是學習環境下的一種具體狀態，是在一定時間和空間內構建的具有明確教學意圖的境況;學習環境是一種相對穩定的存在，學習情境是一種動態的構成，在同樣的學習環境下，根據學習需要所構建的學習情境可能不同;學習環境強調的是一種時空形態和組成結構，學習情境更加強調外在的學習氛圍和學習者內心的感知與體驗。

（三）基于VR的體驗式學習環境

體驗式學習環境可以設計成虛擬的空間和場所，運用VR技術等現代高科技手段來實現，用戶借助特殊的設備如頭戴式顯示器（Head-Mounted Display，HMD）、3DH艮鏡等進入到該環境中，并能與其中的對象進行交互。VR所構建的體驗式學習環境有多種分類標準，根據體驗式學習環境的沉浸性特征，分為完全沉浸式（需要通過HMD觀看場景）、非沉浸式（無需佩戴設備觀看，如Second Life展示的場景）;根據體驗式學習環境是否需要網絡的支持，分為在線式和離線式;根據體驗式學習環境中用戶參與度的強弱，分為強交互式（如用戶可以碰觸、捏拿物體，可以與環境的構成元素交互，可以在環境中漫游等）和弱交互式（用戶一般只能觀看）。

基于VR技術的體驗式學習環境最大特點在于構成學習環境的對象都是數字化、虛擬的，該學習環境具有隋境性、沉浸性、參與性、交互性等特征，能夠極大地激發學習者的學習動機，支持師生在特定的教學模式中創建和使用對象，能夠給予師生在現實世界中無法獲得的體驗。VR技術有效促進學習的核心要素包括VB教學法、資源與VR設備以及學習者的體驗，使其彼此調節、共同發展，構建成一個具有強大兼容性和擴展性的VR學習環境，支持觀察性學習、操作性學習、社會性學習和科學研究，從而為體驗式學習的有效開展提供幫助和支持。

隨著VR技術的快速發展，創設完全虛擬的體驗式學習環境已成為現實，基于VR技術的體驗式學習環境具有以下優勢和教育意義：（1）學習環境更加逼真、自然，讓學習者具有高度的沉浸感，可以通過觀察、操作等學習行為獲得具體的經驗。（2）提供豐富的自然交互方式和功能，通過傳感器與虛擬環境的任何物體以最自然的方式進行交互，如運用聲音、體感、注視、表情等交互，能夠對學習者提供及時的學習反饋和指導，有利于學習者的反思及抽象概念的形成，也有利于學習者能夠主動檢驗知識和技能的掌握情況。（3）體驗式學習環境能夠給學習者帶來輕松、愉悅、感興趣等積極情緒，能夠激發其學習的內部動機。利用體驗式學習環境中的化身（Avatar）功能讓學習者實現角色扮演（RolePlaying），更好地增強學習體驗，實現情境學習和知識遷移。（4）能夠克服傳統教學環境的限制，有利于形成虛實融合的課堂教學環境。

三、基于VR的體驗式學習環境設計策略

（一）指導思想

基于VR的體驗式學習環境是一種用于滿足學習者體驗學習需求的人工環境，其設計的主要指導思想是體驗式學習理論、建構主義學習理論和情境認知理論。體驗式學習理論著重參考了庫伯的“體驗式學習循環模式”，在體驗式學習環境中關注具體經驗、觀察與反思、抽象的概念化、主動檢驗等學習活動的設計。建構主義學習理論認為“情境”“協作”“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素，強調以學習者為中心，注重在實際情境中展開教學，注重協作學習，學習環境應該能夠提供充分的學習資源以滿足學習者的意義建構。情境認知理論認為知識具有情境性、生成性、分布性和默會性，學習應當根植于情境之中，通過社會協商達到一種文化適應和知識創新，是一種合法的邊緣性參與。學習情境的設計要體現出認知活動的真實性，具備真實性認知活動的學習情境將對知識的建構起到幫助作用。

根據以上指導思想，基于VR的體驗式學習環境首先應當能夠提供一種真實的學習情境，情境的真實性有利于激發學生的學習動機。學習者能夠在該情境下根據一定的學習目的進行具體體驗、自主探究學習，通過體驗、探究活動和操作獲得具體的經驗。該學習情境應該提供豐富的交互功能和合適的協作會話機制，以利于學習者與學習環境以及學習者之間的交流，并通過交流和反思活動形成抽象的概念，從而完成對知識意義的建構。評價應當以學生的自我評價為主，在學習結束后對學習過程和學習結果進行總結和反思。它還應當提供檢驗學習者所獲得知識的機會，以便對學習結果進行驗證。

（二）設計原則

1.真實性原則。充分利用三維建模和可視化技術，提供真實的或接近真實的環境和情境，產生強烈的沉浸感，激發學習者的動機，真實性有利于提高環境擬真度、操控可信度和用戶體驗度。真實性不僅指創建的環境及其包含的物體具有較高的真實感，還意味著創設的問題來自于生活實際，具有真實意義。

2.易于導航原則。該體驗式學習環境具有封閉的特性，學習者佩戴HMD進入時，將會屏蔽周圍真實世界的信息，展示一個完全虛擬的時空。如果導航設計不合理，就容易給學習者帶來很大的困擾，學習者不知道如何在虛擬空間中導航操作、場景切換，從而迷失掉自己，影響其學習的興趣和積極性，也會增加外部認知負荷，導致認知負荷加重。導航設計要易于識別和操作，導航文字和圖標要醒目，采用語音提示、箭頭指示、文字提示等多樣化導航方式。

3.內容適度原則。在一個虛擬、封閉的體驗式學習環境中，學習者需要進行體驗、觀察和操作等學習活動，包括動腦、動手、肢體動作等，容易給學習者帶來疲倦感。因此，難度要適中，難度太高容易引起學習者的焦慮和擔憂，太低容易引起學習者的無趣反應，都會影響人們的沉浸狀態，適中的、具有一定挑戰性的學習內容是最佳選擇。同時，學習內容不宜太多和過于復雜，否則會給學習者帶來較大的心理負擔。

4.反思性原則。應該給予學習者學習反思的機會，讓其通過反思明白在做什么，為什么這么做，學習了哪些知識和技能、掌握了哪些概念等，通過反思可以使學習者對學習過程和結果有更深刻的理解。在虛擬的體驗式學習環境中可以設計一些場景和會話機制，讓學習者回答問題、操作練習等，以增進學生的反思行為。

（三）設計要素

學習環境要發揮教育價值，必須對設計要素進行統籌和規劃，厘清各要素的功能及相互關系。設計要素如圖1所示，可作為設計要素的參考。

首先要考慮學習者的特點和應用需求。對學習者有一個初步的分析，清晰地界定使用對象，比如使用者的年級、興趣、專業、學習風格、對VR的熟悉程度及使用能力等，只有這樣才能做到有的放矢。比如，低年級的學習者比較喜歡寓教于樂的、游戲化的學習形式，應盡量提供觀察和體驗的機會，增進其具體經驗;高年級的學習者抽象思維能力發達，應該多提供反思的機會，以促進其知識和概念的生成。

第二個要素為應用場合。該要素著重考慮應用場合和條件支持，包括應用于課堂還是課外、自主學習還是小組學習、應用形式是桌面式還是移動式、在線的還是離線的、在學校使用還是在家庭使用，使用時間長短等，分析應用場合有利于對技術要素的選擇。

第三個要素是學習內容及學習目標。應根據學習內容來設計體驗式學習環境，對于操作性、觀察性、體驗性強的學習領域采用體驗式學習環境較為合適，比如用于職業技能培訓、物體結構認識等。在確定學習內容的基礎上，應進一步明確學習目標類型和層次，如目標類型屬于認知領域、動作技能領域、情感學習領域的哪一種，達到什么樣的層次和要求。學習內容和目標是設計要素的核心部分，是體現教育性的重要依據。

最后要考慮的是VR技術要素。包括硬件支持（如Oculus VR、HTC Vive、三星Gear VR等設備）、交互方式和類型（如語音識別、動作捕捉、手勢追蹤、眼球追蹤、表情交互等）、學習者的觀察視角（如第一人稱視角、第三人稱視角和上帝視角）、是否使用化身、場景的切換方式（在虛擬環境中自然移動切換場景、射線選擇目標地點瞬間移動切換場景）等，此外還應當明確開發工具和引擎、技術可行性、開發成本和周期等。

（四）設計情境

依據庫伯的“體驗式學習循環模式”，在吸收其學習理論的基礎上，設計成四個學習情境，分別為“體驗的情境”“反思的情境”“形成概念的情境”和“驗證的情境”，每個情境中可以提供必要的認知、協作、交流等輔助工具，如圖2所示。所設計的情境能夠使學習者在探索過程中發現問題、有機會生成問題、提出解決問題的假設，并在解決真實問題的過程中獲得各種資源的支持，能夠提供其它豐富的例證和類似的問題以使學習者產生概念化和遷移。采用線性和隨機相結合的設計模式，學習者可以按照“體驗一反思—形成概念一驗證概念”的順序進行學習，也可以隨機進入某個情境開展學習，不必從“體驗的情境”開始。以上四個學習情境并非硬性規定，可以根據需要將其中兩個或多個合并，融合為一個情境。

“體驗的情境”用于實際體驗，可以采用模擬、演示、實地考察等方式讓學習者獲得具體的經驗，比如以三維動畫形式演示零件的組裝與拆分過程、到虛擬的野外考察自然環境等。情境中可設置三維模型、視頻、動畫、文字信息、語音提示、交互元素等，提供一定的認知工具，情境應當逼真可信，能夠激發學習者的動機。

“反思的情境”用于促進學習者思考和回味，反思體驗活動和經歷，進而更加全面、深刻地認識所學知識。可以采用討論、問答等形式促進反思，比如情境中以文字或語音的方式提出問題，從而讓學習者有一定的反思過程，也可在場景中提供多角度的觀察機會或者設計一些拓展的操作練習，讓學習者在操作練習中有所感悟和反思。

“形成概念的情境”能夠促使認識從感性到理性的升華，獲得抽象的概念，并納入學習者已有的認知結構中。注重知識分享活動的設計，在分享過程中歸納和總結知識，利于抽象概念的形成。

“驗證的情境”讓學習者在新的情境中測試所獲得的概念，運用知識做出決策和解決問題，檢驗獲得的知識和技能。可以設計成常規的題目，或設計成操作活動，比如學習了三相電機的原理后，在“驗證的情境”中可以提供三相電機的零部件，讓學習者自己去組裝，如果安裝正確則給出一個笑臉提示并正常運轉，如果安裝錯誤則提示錯誤的原因。

（五）設計活動與交互

1.設計學生活動

在“體驗的情境”中，學生的活動主要以探索和體驗為主，學生以化身的形式出現在虛擬空間中，可以在虛擬空間中漫游，可以與虛擬物體交互感知信息，也可以多種角度觀察對象。在設計時可以采用第一人稱視角，此時學生看到場景與化身看到的場景一致，這種視角代人感好，能夠產生較強的身臨其境的心理體驗。也可以采用第三人稱視角，此時學生不僅能看到場景，也可以看到其化身。在“反思的情境”和“形成概念的情境”中，學生活動以反思、觀察、討論、分享、對話、操作和練習為主，可以將學生的活動設計成競賽、娛樂等形式，比如，學生如果回答問題正確，可以在虛擬空間中出現一些表揚的文字或聲音，也可以用虛擬物品進行獎勵。在“驗證的情境”中，學生的活動表現為解決類似的問題，通過測驗、操作、決策、試誤等活動，檢驗獲得的知識，鞏固學到的概念。

2.設計教師活動

教師在體驗式學習環境中的作用主要表現為協助學習者體驗情境、適時引導與交流、幫助學習者進行反思與總結，因此，在四種情境下教師的角色可以設計為幫助者、組織者、指導者等，根據角色不同設計相應的活動。由于學生是虛擬環境下體驗式學習的主體，設計時應當盡量弱化教師的角色，突出學生的學習主體性，體驗式學習活動的設計應當發揮學習者主體的作用，切忌越俎代庖。

3.設計交互

交互是學習過程中不可或缺的環節，交互具有溝通信息、診斷學情、情感交流、促進反思等作用，交互是一種心理需求和自我實現。交互的主要目是為學習者提供幫助和指導，以便及時獲得學習反饋。基于VR的體驗式學習環境的交互形式可以設計為顯式或隱式兩種。顯式交互是指學習者始終能夠看到交互元素，比如場景中交互元素高亮顯示、突出顏色、閃爍顯示、指示箭頭等，以便學習者能夠隨時利用。隱式交互是指在場景中交互的元素不是一直存在，只有當學習者到達一個區域時才會出現，離開這個區域交互元素會自動消失，其目的在于提供臨時提示，以便能夠無障礙學習。從交互主體和對象來看，分為人與虛擬物體交互、人與人的交互兩種情況，在虛擬空間中，兩種交互情況都很重要，人與虛擬物體的交互能促進學習者的體驗，人與人的交互能夠增進學習者的反思。還應充分考慮VR特有的交互技術和設備，如采用“動作捕捉”“觸覺反饋”“語音交互”“眼球追蹤”等交互技術實現自然的交互，有助于增加沉浸感。

（六）設計框架

基于VR的體驗式學習環境設計以學生活動為中心，教師活動為輔助，構成一個以師生交互活動為內核的設計框架，如圖3所示。學生通過積極主動的活動融入到學習情境中，通過體驗、觀察、反思、動手操作、協作分享等活動達到學習目標。教師通過目標導引、解釋情境、激發動機、協助反思等活動幫助學習者完成學習任務。在教師活動和學生活動的相互作用中，應該提供交流、認知等輔助工具，并提供驗證與測試功能。所有的這些模塊和工具應當圍繞著學生和教師的活動展開設計。需要注意的是，該框架僅僅作為體驗式學習環境設計的一種參考，應根據具體的情況對框架的組成進行相應的取舍。

四、基于VR的體驗式學習環境設計案例

（一）案例背景

生物學實驗往往具有實驗周期長、實驗設備復雜昂貴等特點，在短暫時間內很難體驗和掌握實驗的過程和原理，因此真實的生物學實驗往往需要較多的時間去探究和學習，尤其在實驗人員多、實驗條件不好的情況下，對實驗教學帶來了巨大的壓力，往往需要調整課時、費時費力。

利用VR技術開發的生物學體驗式學習環境，能夠縮短實驗周期、持續開展生物學實驗，通過體驗實驗過程、觀察實驗結果、對實驗進行反思和驗證，能夠加速學生實驗技能的培養，為真實實驗的開展做好必要的準備。本案例以高校生物學枯草芽孢桿菌的培養為例，構建一種基于VR的體驗式學習環境，讓學生通過對虛擬實驗的體驗、探索、觀察、操作和反思，掌握實驗的過程、操作技能和知識要點。

（二）案例設計

1.設計要素分析

該案例中，使用對象是生物學專業的本科學生，他們具備一定的自學和自主能力，對生物學實驗具備一定的操作能力，大部分學生了解或者接觸過VR虛擬現實技術。配備專門的虛擬實驗室，學生可以利用課外時間自主學習。實驗室配置有zSpace桌面虛擬現實平臺，具有立體顯示、低延遲的跟蹤系統，該實驗平臺跟HTC vive眼鏡連接，具有定位追蹤功能，使用的交互設備為控制手柄。在自主學習方式下，在場景中設計學習者化身，更好地增加沉浸感。使用Max三維軟件建模，采用Unity引擎作為開發工具。在學習目標和學習內容上，讓學生熟悉枯草芽孢桿菌培養的原理與方法，如枯草芽孢桿菌的培養、分離、純化技術和鑒定方法，熟悉所使用的儀器和實驗試劑，領會實驗的過程和操作技巧，能夠將所學遷移到真實實驗當中。

2.交互設計

該體驗式學習環境以自主學習為主要形式，在交互設備選擇上采用HTC vive無線雙模定位跟蹤技術和控制手柄相結合的方式，滿足學習者在虛擬空間自由移動和漫游的需求。交互的形式采用顯式設計方式，易于學習者發現和導航。在交互技術上采用“視覺注視交互”“手柄射線交互”“語音交互”三種方式。“視覺注視交互”運用眼球追蹤技術，當學習者注視虛擬場景中的某個具有交互功能的虛擬物體一段時間后，就會出現相應的文字、圖片、語音等提示信息。“手柄射線交互”用于對虛擬物體的操作，比如，學習者在虛擬空間要移動一個玻璃杯，使用“手柄射線交互”可以選擇該玻璃杯，并能夠把它放置到合適的位置。“語音交互”主要用于提示學習者注意實驗中的關鍵點和事項，讓學習者能夠從聽覺上獲得反饋信息，加深體驗的感受。本案例是在單機單人條件下設計體驗式學習環境，而非基于分布式虛擬現實系統設計學習環境，因此，在交互主體上僅考慮學習者的角色和化身。

3.情境和活動設計

本案例共設計了“看一看”“想一想”和“測一測”三個情境。學習者進入虛擬化體驗式學習環境后，首先呈現在眼前的是一個初始畫面，三個情境都包含其中，使學習者對虛擬環境的結構一目了然。在每個情境中設置都兩個虛擬按鈕，一個用于返回初始畫面，一個用于跳轉到下一個情境中。在情境跳轉時，“視覺注視交互”和“手柄射線交互”兩種方式都可以用。學習者可以按照情境順序依次學習，也可以隨機進入某個情境學習。本案例的初始畫面效果如圖4所示。

“看一看”情境提供給學習者觀察和體驗的機會。在該情境中設置了虛擬的實驗儀器和材料，如無菌移液管、載玻片、無菌培養皿等實驗儀器，碘液儲備液、碘液使用液、鹽酸溶液等實驗試劑，以及各種培養基等。學習者的活動設計為在虛擬情境中漫游、觀察各種實驗材料和儀器，并可以與之進行交互，比如學習者可以多角度的觀察實驗材料，當學習者使用手柄指向它們時，以文字形式顯示其作用。該情境還具有動畫演示功能，學習者還可以選擇觀看動畫，此時儀器和實驗材料會自動展示枯草芽孢桿菌的培養過程，在關鍵環節還能夠給出提示和暫停，便于學習者仔細觀察。通過該情境的體驗和觀察，學習者能夠熟悉整個實驗的流程、儀器、藥品、實驗的技能以及注意的問題。

“想一想”情境設計了兩種游戲化的活動。一種是“配對游戲”，在場景中隨機分散排列著部分儀器和文字描述，學習者需要使用控制手柄將儀器和相應的文字放置一起進行配對，當配對正確后情境以語音反饋的形式加以鼓勵。另外一種游戲為“爭分奪秒”，游戲時將隨機出現“看一看”情境中的部分儀器、藥品等，其間混有其他物體，學習者需要在一定的時間內辨認出其他物體，當辨認成功后，會給出一定的表揚和分值獎勵。經過游戲化的活動，學習者能夠在輕松愉悅的氛圍中加深反思，使前面體驗學習獲得的表象和具體知識轉化為抽象的概念，加深對知識的理解和體會。

“測一測”情境提供兩種形式的檢測手段。一種是虛擬實驗操作，按照枯草芽孢桿菌的培養過程進行模擬實驗，按照準備儀器、配置培養基、采集土樣、富集培養、稀釋分離、純化等順序開展，在此過程中，設計為有提示信息和無提示兩種方式，有提示信息是對每一步的操作給予指導和提示。當整個實驗操作完成后，會給出相應的評判分值、實驗花費的時間、熟練程度等。另外一種檢測手段采用傳統的選擇題樣式，學習者在場景中會看到隨機出現的題目，用于檢測學習者知識掌握的情況。

（三）案例應用與分析

為檢驗基于VR技術的體驗式學習環境的學習體驗和效果，在某高校生物學專業中隨機選取了46名在校學生作為被試開展實驗，其中，男生20人，女生26人，一年級學生22人，二年級學生16人，三年級學生10人。實驗采取分散進行的方式，學生可以在空余時間參與體驗式學習。實驗開始前被試學生首先接受一個簡單的培訓，掌握VR系統的使用方法。實驗開展過程中學生可以充分地進行學習和體驗，直到學習者要求結束實驗，實驗結束后學習者需要填寫一份調查問卷。

調查問卷共包含3個大項10個小項，采用量表問卷的形式進行設計。問卷的具體內容包括“總體的學習體驗及感受（A）”“操作難度及技術接受度（B）”“學習效果（C）”三個大的維度，其中總體的學習體驗及感受（A）包括“能夠很好地支持探究體驗學習，效果較好（A1）”“沉浸感非常強烈（A2）”“能夠激發學習的興趣，參與感強烈（A3）”，操作難度及技術接受度（B）包括“非常容易使用（B1）”“對開展真實實驗具有很好的指導幫助作用（B2）”“交互方便、自然（B3）”“如果有可能，愿意繼續使用（B4）”，學習效果評價（C）包括“所學知識有利于遷移到真實的實驗中（C1）”“視覺記憶效果好，有利于回憶實驗過程和要點（C2）”“有助于實驗技能的提升（C3）”。問卷調查統計結果如下表所示。

從調查統計結果可以看出，在十個小項的調查結果中“比較符合”和“非常符合”合計值都已經超過了50%，其中“比較符合”和“非常符合”合計值最高的調查項為“視覺記憶效果好，有利于回憶實驗過程和要點（C2）”，合計值最低的調查項為“能夠激發學習的興趣，參與感強烈（A3）”，可以看出大部分學生對基于VR技術設計和開發的體驗式學習環境是肯定的，認為能夠帶來很好的學習效果和學習體驗，愿意接受VR這種新的技術。但也應該看該案例存在的問題，在易用性上還需要改進提高。

綜合以上分析結果，基于VR技術的體驗式學習環境從總體上來說能夠支持體驗式學習、探究學習。由于構建的環境以三維方式顯示，畫面逼真，交互方式自然，與傳統的二維顯示效果（如基于Flash技術的仿真實驗）相比，更有利于沉浸感的生成，能夠在很大程度上激發學習的動機和興趣，使學生全身心地參與學習過程，可以為學習者帶來較為積極的體驗和感受。由于基于VR技術的體驗式學習環境在信息呈現方式上以情景展示方式為主，情景記憶相較于語義記憶更容易為學習者所記住，情景記憶是個人對親身經歷的、發生在一定時間和地點的事件（情景）的記憶，它以時間和空間為坐標，有個人的情緒情感滲透其中，比較容易產生和提取，因此我們認為基于VR的體驗式學習環境能夠促進知識的記憶和保持。同時，采用虛擬化的體驗式學習環境，能夠大量節約實驗的成本，可以讓學習者反復觀摩和操練，有利于技能的提高。

五、結束語

基于VR技術的體驗式學習環境是一種新型的學習環境和工具，其在體驗式學習、探究式學習、實驗教學、職業技能訓練等方面具有重要的應用價值。該學習環境設計需要遵循一定的原則、方法和策略，要根據具體的學習需求對設計要素進行全面考慮和取舍，能夠使學習者在構建的學習環境中發揮學習主體作用、充滿體驗的樂趣和探索精神。在信息技術高速發展和終端顯示技術、硬件技術的日益成熟的大背景下，基于VR技術的體驗式學習環境的構建將獲得重要的技術保障和支持，從而為體驗式學習環境的推廣和應用奠定良好的基礎，也應當看到，作為一種新興的技術，VR在教育中的應用方興未艾，VR如何有效地融入到教育之中還有待深入探索。

收稿日期：2017年6月27日

責任編輯：趙云建