虛擬現(xiàn)實(shí)視域下的未來(lái)課堂教學(xué)模式研究

劉勉 張際平

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)是指由計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建的、反映真實(shí)情境的、可體驗(yàn)交互的虛擬世界，其中涉及四個(gè)維度，分別是計(jì)算機(jī)程序、用戶(hù)（人）、現(xiàn)實(shí)世界、虛擬情境，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)的目的是用戶(hù)通過(guò)與虛擬情境交互，進(jìn)而獲得對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知。未來(lái)課堂是以全面構(gòu)建面向未來(lái)的教學(xué)主陣地“課堂”為目標(biāo)的教學(xué)科研項(xiàng)目，是一套整合軟硬件和云端服務(wù)的教學(xué)專(zhuān)家系統(tǒng)，著重突出了個(gè)性化學(xué)習(xí)、強(qiáng)調(diào)交互、教學(xué)資源豐富、一鍵操控、技術(shù)領(lǐng)先和生態(tài)健康等新型課堂理念。該文基于已有未來(lái)課堂研究成果以及最新科技趨勢(shì)，提出了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂的構(gòu)想，構(gòu)建了基于未來(lái)課堂環(huán)境的“VaA”教學(xué)模式，探索了從理論與實(shí)踐兩方面共同提升學(xué)生綜合認(rèn)知水平的道路，設(shè)計(jì)了以中職汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)課程為例的教學(xué)活動(dòng)方案，并指出了采用“VaA”教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)。最后從空間結(jié)構(gòu)、資源建設(shè)和發(fā)展途徑三個(gè)方面對(duì)相關(guān)后續(xù)研究提出了建議。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；未來(lái)課堂；教學(xué)模式

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是最近幾年在ICT業(yè)界出現(xiàn)頻率較高的詞語(yǔ)，它是由許多相關(guān)學(xué)科進(jìn)行交叉、融合的產(chǎn)物，其中包括了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在諸如娛樂(lè)、建筑、測(cè)量、軍事、制造、醫(yī)療等行業(yè)得到了較為廣泛的運(yùn)用，而在教學(xué)上的運(yùn)用則處于起步階段。

在當(dāng)今的教育領(lǐng)域中，以教師傳授知識(shí)為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式已逐漸被以學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)認(rèn)知為中心的教學(xué)模式所取代。建構(gòu)主義教學(xué)模式是一個(gè)教學(xué)模式大類(lèi)，其中包括利用不同教育技術(shù)實(shí)施教學(xué)的多個(gè)分支，而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)就是其中之一。實(shí)施虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)需要最新ICT技術(shù)支持教學(xué)環(huán)境，未來(lái)課堂中關(guān)于構(gòu)建泛信息技術(shù)課堂的理念正好與之契合。

二、何謂虛擬現(xiàn)實(shí)

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)概述

1963年，伊凡·薩瑟蘭在他的博士論文中第一次提出虛擬現(xiàn)實(shí)理論。到了1989年，VPL（VirtualProgramming Languages）研究公司的創(chuàng)始人雅龍·拉尼爾才將虛擬現(xiàn)實(shí)這一術(shù)語(yǔ)引入大眾視野。不同研究領(lǐng)域的學(xué)者各自對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行了定義，謝爾曼和賈金斯用五個(gè)“I”為虛擬現(xiàn)實(shí)下了定義：“Intensive（集中的），Interactive（交互的），Immersive（沉浸的），Illustrative（例證的）and Intuitive（直觀的）”。皮門(mén)特爾和特謝拉定義虛擬現(xiàn)實(shí)為一種通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的沉浸式、交互式體驗(yàn)。在較近的一篇文獻(xiàn)中，狄?jiàn)W尼索斯等人提出虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)生成的模擬平臺(tái)，在該平臺(tái)中的三維物體與環(huán)境看上去好像是真實(shí)直觀的，并且用戶(hù)可以與之互動(dòng)。

參考上述文獻(xiàn)資料，筆者認(rèn)為所謂虛擬現(xiàn)實(shí)是指由計(jì)算機(jī)程序構(gòu)建的真實(shí)或接近真實(shí)的三維虛擬情境，用戶(hù)利用某種手段進(jìn)入虛擬情境，并與之交互，從而建構(gòu)起對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界合理認(rèn)知。其中涉及到四個(gè)維度，分別是計(jì)算機(jī)程序、用戶(hù)（人）、現(xiàn)實(shí)世界、虛擬情境，概念圖如下頁(yè)圖1所示。根據(jù)此圖，虛擬源于現(xiàn)實(shí)，也歸于現(xiàn)實(shí)，用戶(hù)與虛擬情境互動(dòng)，目的是更好的認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界。虛擬現(xiàn)實(shí)不僅讓參與者能夠觀看虛擬情境，更重要的是使其通過(guò)交互的方式與該情境中的事物產(chǎn)生聯(lián)系，最終建構(gòu)起對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知。

（二）混合實(shí)境

1994年，米爾格拉姆和岸野定義了一個(gè)“真實(shí)一虛擬連續(xù)體”模型，如圖2所示。在此模型中，混合實(shí)境（Mixed Betty）區(qū)域位于完全真實(shí)環(huán)境和完全虛擬環(huán)境之間，偏向真實(shí)環(huán)境端的混合實(shí)境稱(chēng)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，偏向虛擬環(huán)境端的混合實(shí)境稱(chēng)為增強(qiáng)虛擬。混合實(shí)境在實(shí)際中的應(yīng)用多表現(xiàn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），AR是將虛擬環(huán)境或事物實(shí)時(shí)疊加到真實(shí)環(huán)境或事物上去，允許用戶(hù)既感知虛擬的世界，也看到真實(shí)的世界。

托馬斯·霍爾茲和亞伯拉罕G坎貝爾等人對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了改進(jìn)型“真實(shí)一虛擬連續(xù)體”模型，如圖3所示。在該改進(jìn)模型中，托馬斯和亞伯拉罕等人將“較大物理呈現(xiàn)”與“較大虛擬呈現(xiàn)”的分割點(diǎn)定位于連續(xù)體線(xiàn)段的1/2處，1/2處則為“兩者均等呈現(xiàn)”，改進(jìn)型“真實(shí)—虛擬連續(xù)體”由五個(gè)區(qū)域組成，即物理區(qū)域、較大物理呈現(xiàn)區(qū)域、物理虛擬均等呈現(xiàn)區(qū)域、較大虛擬呈現(xiàn)區(qū)域和虛擬區(qū)域，其中較大物理呈現(xiàn)區(qū)域、物理虛擬均等呈現(xiàn)區(qū)域和較大虛擬呈現(xiàn)區(qū)域組成混合實(shí)境。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂

（一）未來(lái)課堂研究基礎(chǔ)

華東師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所是國(guó)內(nèi)真正意義上開(kāi)展未來(lái)課堂相關(guān)研究的科研機(jī)構(gòu)，并且“未來(lái)課堂”已成為教育信息化領(lǐng)域的專(zhuān)用名詞。在“教學(xué)之主陣地：未來(lái)課堂研究”一文中張際平教授談到未來(lái)課堂是基于“教育面向未來(lái)”和“國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革與發(fā)展綱要”中“把提高教育質(zhì)量作為未來(lái)教育的戰(zhàn)略重點(diǎn)”“以人為本”“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”等思想而提出的，它將在人本主義、互動(dòng)、環(huán)境心理學(xué)相關(guān)的理論和信息、智能、人機(jī)交互等技術(shù)支持下，充分發(fā)揮課堂組成各要素的作用，以互動(dòng)為核心，旨在提高課堂主體的主動(dòng)性、能動(dòng)性，創(chuàng)造和諧、自由發(fā)展的教與學(xué)的環(huán)境與活動(dòng)隨后，大量學(xué)者與研究人員對(duì)未來(lái)課堂的理論建構(gòu)與實(shí)施策略開(kāi)展了廣泛而深入的研究，如陳衛(wèi)東將未來(lái)課堂定義為高互動(dòng)學(xué)習(xí)空間，其實(shí)現(xiàn)主要依托于多屏交互顯示設(shè)備、觸摸輸入設(shè)備、即時(shí)反饋系統(tǒng)、課堂實(shí)錄系統(tǒng)、視訊會(huì)議系統(tǒng)以及智能化環(huán)境控制平臺(tái)等相應(yīng)的硬件及軟件平臺(tái)，許亞鋒則提出了一種基于改進(jìn)的PST框架的面向體驗(yàn)學(xué)習(xí)的未來(lái)課堂設(shè)計(jì)方案。本文以CNKI學(xué)術(shù)期刊數(shù)據(jù)庫(kù)為文獻(xiàn)來(lái)源數(shù)據(jù)庫(kù)，搜索主題為“未來(lái)課堂”，期刊類(lèi)別為“核心期刊+CSSCI”，時(shí)間跨度為“不限”，共檢索出59篇文章。對(duì)這59篇文章逐一詳細(xì)閱讀，剔除與“未來(lái)課堂”這一專(zhuān)用名詞不符的文章，如“加強(qiáng)未來(lái)的課堂管理”“聚集于現(xiàn)實(shí)和未來(lái)課堂中的教學(xué)”等，最終篩選出32篇論文，并針對(duì)研究主題，從論文數(shù)目、所占比例、代表人物、代表文章和刊發(fā)期刊五個(gè)類(lèi)別對(duì)到目前為止的未來(lái)課堂研究成果進(jìn)行了梳理，如表1所示。

由已有的研究成果中可看出對(duì)未來(lái)課堂概念的界定和特性提煉占最大比例，這與未來(lái)課堂屬于教育信息化新領(lǐng)域，有必要對(duì)其進(jìn)行縝密的概念與特性定義密不可分。緊隨其后的是關(guān)鍵技術(shù)的研究，這與未來(lái)課堂始終關(guān)注最新科技在課堂中的應(yīng)用緊密相關(guān)。目前在未來(lái)課堂中所運(yùn)用的信息技術(shù)主要有泛在網(wǎng)絡(luò)、多屏顯示、智能測(cè)評(píng)等，不過(guò)，從2016年開(kāi)始爆發(fā)式增長(zhǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并未在已有未來(lái)課堂研究中詳細(xì)提及。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、創(chuàng)設(shè)心理沉浸感、實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，有著教育技術(shù)風(fēng)向標(biāo)之稱(chēng)的地平線(xiàn)報(bào)告在2016年高等教育版里把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)列為中期（2-3年）的技術(shù)進(jìn)展目標(biāo)。由此可見(jiàn)，在越來(lái)越重視以學(xué)生為主體、以交互為手段的現(xiàn)代教學(xué)理念的指導(dǎo)下，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂，構(gòu)建適合兩者完善融合的教學(xué)模式是有利而必要的。

（二）基于未來(lái)課堂環(huán)境的“VaA”教學(xué)模式

如何切實(shí)有效提升教學(xué)主陣地“課堂”的教學(xué)效果，是未來(lái)課堂研究的重點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要能夠完善的融入未來(lái)課堂，合理的教學(xué)設(shè)計(jì)必不可少。教學(xué)設(shè)計(jì)思想最有代表意義的著作是加涅于1965年出版的《學(xué)習(xí)的條件》和1974年出版的《教學(xué)設(shè)計(jì)原理》，對(duì)后世的教學(xué)設(shè)計(jì)研究具有深遠(yuǎn)的影響。教學(xué)設(shè)計(jì)模型脫胎于教學(xué)設(shè)計(jì)理論，是對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行精煉后得到的一套操作性較強(qiáng)的實(shí)用模型。教學(xué)設(shè)計(jì)模型雖然從設(shè)計(jì)序列和關(guān)注對(duì)象來(lái)看各有不同，但是大多數(shù)可以歸納成ADDIE模型：分析（Analyze），設(shè)計(jì)（Design），開(kāi)發(fā)（Develop），實(shí)施（Implement），評(píng)價(jià)（Evaluate）。ADDIE模型又稱(chēng)通用教學(xué)設(shè)計(jì)模fGeneric Instructional Design Model）筆者通過(guò)分析虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)及運(yùn)用在未來(lái)課堂教學(xué)中的可能性，結(jié)合通用模型ADDIE，構(gòu)建起如圖4所示的基于未來(lái)課堂環(huán)境的“虛擬現(xiàn)實(shí)+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR and AR，簡(jiǎn)稱(chēng)VaA）”教學(xué)設(shè)計(jì)模型。

要實(shí)施“VaA”教學(xué)模式，首先分析課程是否滿(mǎn)足采用“VaA”教學(xué)模式的條件，條件為既要學(xué)習(xí)理論知識(shí)，又要求實(shí)踐操作。若可行，則采用“VaA”教學(xué)模式，否則，采用其它教學(xué)模式。然后，實(shí)踐教學(xué)部分采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，架設(shè)獨(dú)立的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū)，在其中布置可供虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的體驗(yàn)設(shè)備，幫助學(xué)生強(qiáng)化實(shí)踐認(rèn)知；理論教學(xué)部分采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利用未來(lái)課堂多屏循環(huán)技術(shù)與學(xué)生端PAD聯(lián)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)學(xué)生的理論認(rèn)知建構(gòu)。最后，整合理論認(rèn)知和實(shí)踐認(rèn)知獲取程度，得出學(xué)生對(duì)于本課程的綜合認(rèn)知獲取情況。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)

皮亞杰曾說(shuō)過(guò)“我的核心思想始終是相互作用”。其開(kāi)創(chuàng)的發(fā)生認(rèn)識(shí)論明確強(qiáng)調(diào)認(rèn)識(shí)既不來(lái)自客體，也不來(lái)自主體，認(rèn)識(shí)是主客體之間相互作用的產(chǎn)物，主體與客體之間的相互作用是依賴(lài)于動(dòng)作（活動(dòng)）這一中介來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，動(dòng)作是既是認(rèn)識(shí)的源泉也是思維的基礎(chǔ)。莫蘭和麥金泰爾對(duì)運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知相互關(guān)系進(jìn)行深入研究后提出運(yùn)動(dòng)認(rèn)知為認(rèn)知心理學(xué)提供了一個(gè)更為豐富的理論研究范式，它不僅僅是關(guān)于認(rèn)知和行為之間必然聯(lián)系的知識(shí)系統(tǒng)，而且，更強(qiáng)調(diào)在心理活動(dòng)產(chǎn)生時(shí)身體知識(shí)和動(dòng)覺(jué)過(guò)程的重要性。具身認(rèn)知心理學(xué)也支持類(lèi)似觀點(diǎn)，西倫等人認(rèn)為具身參與引發(fā)認(rèn)知，即認(rèn)知的源泉來(lái)自于人類(lèi)身體與周?chē)h(huán)境的相互作用。并且，具身認(rèn)知還認(rèn)為身體和環(huán)境對(duì)認(rèn)知的作用不限于因果影響，夏皮羅指出身體和世界在認(rèn)知加工中扮演了某種構(gòu)成性的的角色，而不僅僅是因果作用的角色。實(shí)踐教學(xué)特別關(guān)注學(xué)生動(dòng)手操作，學(xué)生利用動(dòng)作與實(shí)踐對(duì)象交互，從自身與對(duì)象的互動(dòng)中建立認(rèn)知，掌握對(duì)象的性質(zhì)。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)參與者與虛擬環(huán)境的交互，參與者利用數(shù)字技術(shù)以自身的動(dòng)作改變虛擬場(chǎng)景，完成相關(guān)任務(wù)與挑戰(zhàn)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常適合實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生在虛擬情境中與學(xué)習(xí)對(duì)象互動(dòng)，獲得與現(xiàn)實(shí)世界相同或相近的實(shí)踐認(rèn)知，還可避免某些在現(xiàn)實(shí)情況下有危險(xiǎn)的操作。

在未來(lái)課堂虛擬體驗(yàn)區(qū)域，學(xué)生通過(guò)佩戴相關(guān)的設(shè)備進(jìn)入已設(shè)計(jì)好的虛擬情境，在該情境中操控學(xué)習(xí)對(duì)象完成規(guī)定的挑戰(zhàn)任務(wù)。當(dāng)學(xué)生與虛擬情境進(jìn)行互動(dòng)時(shí)，未來(lái)課堂虛擬體驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)收集設(shè)備對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景改變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。學(xué)生根據(jù)要求互動(dòng)完畢后退出虛擬情境，數(shù)據(jù)收集設(shè)備也會(huì)將虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景改變數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)分析軟件，經(jīng)過(guò)分析得出學(xué)生實(shí)踐認(rèn)知獲取情況，同時(shí)上傳未來(lái)課堂后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以備后續(xù)使用。此教學(xué)模式利用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，所以可稱(chēng)為“v”教學(xué)模式。

根據(jù)學(xué)生認(rèn)知與虛擬情境之間的關(guān)系，可構(gòu)建如下算式：

令學(xué)生進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)情境前的認(rèn)知為前認(rèn)知Cv，經(jīng)過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)后的認(rèn)知為后認(rèn)知Cv，前認(rèn)知與后認(rèn)知之間的認(rèn)知增量為△Cv，即Cv=Cv+△Cv。令與學(xué)生交互前的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景為前場(chǎng)景S，經(jīng)過(guò)交互后的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景為后場(chǎng)景S，前場(chǎng)景與后場(chǎng)景之間的場(chǎng)景增量為△S，即S=S+△S。認(rèn)知增量的產(chǎn)生源于主體與場(chǎng)景之間的相互作用，因此場(chǎng)景的改變可映射出主體認(rèn)知的改變，引入函數(shù)fv表示△Cv與△S的關(guān)系，即△Cv=fv（△S）。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景由若干子場(chǎng)景構(gòu)成，每個(gè)子場(chǎng)景的增量可能不相同，并且每個(gè)子場(chǎng)景對(duì)構(gòu)成完整場(chǎng)景的影響力也不相同。設(shè)子場(chǎng)景的數(shù)量為n，每個(gè)子場(chǎng)景增量為△Si，對(duì)應(yīng)的子場(chǎng)景影響力即權(quán)值為i，則，

學(xué)生的認(rèn)知狀態(tài)內(nèi)隱在大腦中，為不可見(jiàn)狀態(tài)，而虛擬場(chǎng)景改變量則以數(shù)字形式保存在系統(tǒng)中，為可見(jiàn)狀態(tài)，所以通過(guò)研究可見(jiàn)的虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)而研究不可見(jiàn)的認(rèn)知狀態(tài)。

2.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)

利用信息技術(shù)促進(jìn)自主學(xué)習(xí)，一直是教育技術(shù)學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。齊莫曼提出從動(dòng)機(jī)上看自主學(xué)習(xí)應(yīng)該是內(nèi)構(gòu)或自我激發(fā)的，從時(shí)間上看學(xué)習(xí)者對(duì)時(shí)間的安排是規(guī)范而有效的，學(xué)習(xí)者擁有合理的學(xué)習(xí)方法，他們對(duì)學(xué)習(xí)的結(jié)果具有一定的預(yù)見(jiàn)性，能夠敏銳察覺(jué)并快速適應(yīng)與學(xué)習(xí)相關(guān)的物質(zhì)及社會(huì)環(huán)境。而信息技術(shù)對(duì)支持自主學(xué)習(xí)則具備顯著的優(yōu)勢(shì)，鐘志賢認(rèn)為信息技術(shù)能夠構(gòu)建出適合不同學(xué)生的不同環(huán)境，使認(rèn)知工具與教學(xué)資源呈現(xiàn)豐富性和多樣化，及時(shí)反饋在線(xiàn)學(xué)習(xí)者的各種信息，并為學(xué)習(xí)者的自我評(píng)價(jià)提供持續(xù)的評(píng)價(jià)信息和情境。王珠珠則提出社會(huì)轉(zhuǎn)型過(guò)程中對(duì)教育教學(xué)多樣化和學(xué)習(xí)個(gè)性化的必然要求，與技術(shù)提供的廣泛互聯(lián)和數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合，將促進(jìn)教育模式的變化。而強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)、正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)互補(bǔ)，將成為教育改革發(fā)展的必然趨勢(shì)。如何培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力一直都是未來(lái)課堂研究的焦點(diǎn)，未來(lái)課堂環(huán)境突出的優(yōu)勢(shì)在于以多屏循環(huán)聯(lián)動(dòng)的方式連續(xù)呈現(xiàn)多幅關(guān)聯(lián)畫(huà)面，這對(duì)于學(xué)生按照自己的步伐前進(jìn)，以自定速率吸收知識(shí)，引發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的行為是非常有效的。

在此教學(xué)模式中，為了加強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，可以利用循環(huán)屏顯示方式，將具有邏輯相關(guān)性的學(xué)習(xí)對(duì)象逐一呈現(xiàn)在多個(gè)大屏上，每個(gè)對(duì)象的特定區(qū)域有其對(duì)應(yīng)的二維碼，學(xué)生在掌握了大屏提供的基礎(chǔ)知識(shí)后，為了理解更深入的知識(shí)，應(yīng)利用手中的PAD掃描二維碼，該學(xué)習(xí)對(duì)象的可縮放旋轉(zhuǎn)的三維模型就出現(xiàn)在PAD中，當(dāng)學(xué)生觸碰三維模型時(shí)，其深入而詳細(xì)的知識(shí)就會(huì)以文字旁白的方式出現(xiàn)。由于學(xué)習(xí)對(duì)象已經(jīng)保存到學(xué)生端的PAD中，學(xué)生可以根據(jù)自身的實(shí)際情況自主學(xué)習(xí)。為了確定學(xué)生理論認(rèn)知獲取情況，學(xué)生需要在PAD上通過(guò)回答題目進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)根據(jù)其作答情況得出理論認(rèn)知獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)上傳至未來(lái)課堂后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以備后續(xù)使用。此教學(xué)模式利用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，所以可稱(chēng)為“A”教學(xué)模式。

參考虛擬現(xiàn)實(shí)“V”教學(xué)模式的算式，可構(gòu)建如下增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)“A”教學(xué)模式的算式：

令學(xué)生使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)前的認(rèn)知為前認(rèn)知Ca，經(jīng)過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)后的認(rèn)知為后認(rèn)知Ca，前后認(rèn)知之間的認(rèn)知增量為△Ca，即Ca'=Ca+△Ca。令PAD上測(cè)試題目初始狀態(tài)為T(mén)，經(jīng)過(guò)學(xué)生作答后的狀態(tài)為T(mén)，T相較于T的改變量為AT，即T=T+AT。認(rèn)知內(nèi)隱在學(xué)生的大腦中，為不可見(jiàn)狀態(tài)，但通過(guò)可見(jiàn)狀態(tài)的試題改變量可映射認(rèn)知，引入函數(shù)fa表示△Ca與△T的關(guān)系，即：△Ca=fa（△T）。設(shè)子試題的數(shù)量為k，每道子試題有其自身的改變量，設(shè)為ATj，而每道試題對(duì)于整個(gè)試題有不同的影響度，即有不同的權(quán)值，設(shè)為i，則，

中，通過(guò)研究可見(jiàn)的試題數(shù)據(jù)進(jìn)而研究不可見(jiàn)的認(rèn)知狀態(tài)。

3.評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合認(rèn)知

實(shí)施策略層面，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式可促進(jìn)學(xué)生對(duì)該課程實(shí)踐和理論兩方面的認(rèn)知，而到底是遵循先理論后實(shí)踐還是提倡先實(shí)踐后理論，并無(wú)嚴(yán)格的規(guī)定，兩種實(shí)施策略都可在“VaA”教學(xué)模式中實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)知結(jié)構(gòu)層面，經(jīng)過(guò)“VaA”教學(xué)模式學(xué)習(xí)的學(xué)生綜合認(rèn)知由理論認(rèn)知與實(shí)踐認(rèn)知兩者結(jié)合得到，不同課程對(duì)應(yīng)的理論認(rèn)知與實(shí)踐認(rèn)知在教學(xué)評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重應(yīng)體現(xiàn)出差異性。在側(cè)重于技能習(xí)得課程中，由“V”教學(xué)模式得到的實(shí)踐認(rèn)知應(yīng)占較大比例；反過(guò)來(lái)在偏重于理論建構(gòu)的課程中，由“A”教學(xué)模式得到的理論認(rèn)知?jiǎng)t應(yīng)占較大比例。對(duì)“V”與“A”教學(xué)模式各自所獲取的認(rèn)知按照權(quán)重進(jìn)行組合，得到的結(jié)果就是該學(xué)生本門(mén)課程所獲取的綜合認(rèn)知。

令學(xué)生通過(guò)“VaA”教學(xué)模式學(xué)習(xí)該課程后的綜合認(rèn)知為Cc'，綜合認(rèn)知由“V”教學(xué)模式產(chǎn)生的認(rèn)知Cv，“A”教學(xué)模式產(chǎn)生的認(rèn)知Ca'，以及各自的權(quán)值v、a組合而成，即：Cc=（1）Cv'+aCa'。將式（4）和式（8）的代人可得：

對(duì)綜合認(rèn)知進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)，便能得出學(xué)生在“VaA”教學(xué)模式中綜合學(xué)習(xí)效果。

4.教學(xué)設(shè)計(jì)案例——以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修課程為例

未來(lái)課堂中的“VaA”教學(xué)模式包括較多的直觀感知和動(dòng)手實(shí)作，適合運(yùn)用到理論與實(shí)踐并重或更重視實(shí)踐的課程，如職業(yè)教育課程。相較于普通教育，職業(yè)教育更加注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)作能力，是一種以就業(yè)為導(dǎo)向的教育類(lèi)型。因此，職業(yè)教育課程的教學(xué)設(shè)計(jì)必須重視理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生能夠盡快將理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際技能。但目前我國(guó)的職業(yè)教育現(xiàn)狀是由于受到經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地和安全因素等方面的制約，學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)相對(duì)較少，許多專(zhuān)業(yè)還是以理論學(xué)習(xí)為主，輔之以實(shí)踐操作。而采用“VaA”教學(xué)模式的未來(lái)課堂突出特點(diǎn)就是注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，能夠在一定程度上解決職業(yè)教育課程中理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作非均衡發(fā)展的困境。

職業(yè)教育課程設(shè)計(jì)中更多的采用情境教學(xué)法，建構(gòu)主義認(rèn)為，知識(shí)存在于情境性的、具體的、可感知的真實(shí)活動(dòng)中，它只能通過(guò)在實(shí)際情境中的真實(shí)活動(dòng)才能被理解，而不是脫離真實(shí)情境的一套獨(dú)立符號(hào)系統(tǒng)，所以學(xué)習(xí)應(yīng)該與情境化的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合。不可否認(rèn)，職業(yè)學(xué)校的學(xué)生理論基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，但他們對(duì)于能夠動(dòng)手操作的實(shí)作課程興趣較濃厚，而使用情境教學(xué)法更加符合職校生的個(gè)性特點(diǎn)與發(fā)展規(guī)律，更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)可歸為情境教學(xué)法，因此，職業(yè)教育對(duì)于采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)提高教學(xué)活動(dòng)的績(jī)效應(yīng)該具有剛性需求。

以中職學(xué)校汽修專(zhuān)業(yè)核心課程“汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修（高教版）”為例，在該課程中，學(xué)生不僅要掌握汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)組成部件的理論知識(shí)，更要獲得動(dòng)手拆卸、裝配、維修發(fā)動(dòng)機(jī)的初步技能。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是讓學(xué)生先以統(tǒng)一進(jìn)度學(xué)習(xí)書(shū)本上汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成部件的理論知識(shí)，再到實(shí)際的汽修車(chē)間去動(dòng)手實(shí)作，這樣的教學(xué)模式忽視了學(xué)生差異化的知識(shí)消化速度，而且教學(xué)設(shè)備成本開(kāi)銷(xiāo)較高，還可能帶來(lái)安全方面的問(wèn)題。若采用“VaA”教學(xué)模式，既按照學(xué)生本身的特點(diǎn)實(shí)施自主學(xué)習(xí)，又以模擬操作的方式降低了教學(xué)成本，更避免了可能產(chǎn)生的安全問(wèn)題。該課程實(shí)際的教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

從圖5可知，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)配合循環(huán)屏技術(shù)使學(xué)生自主學(xué)習(xí)氣缸、活塞、連桿、曲軸和飛輪五大汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的理論知識(shí)，通過(guò)試題測(cè)試得出其在“A”教學(xué)模式下所獲取的認(rèn)知數(shù)據(jù)；利用虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū)使學(xué)生能夠身臨其境的在虛擬車(chē)間實(shí)踐發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配與維修，通過(guò)數(shù)據(jù)收集分析設(shè)備得出其在“V”教學(xué)模式下獲取的認(rèn)知數(shù)據(jù)。然后利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)兩方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（由于本課程側(cè)重于使學(xué)生獲得真正動(dòng)手裝配維修發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際技能，所以“v”教學(xué)模式應(yīng)該特別受到重視，即“v”在綜合認(rèn)知中對(duì)應(yīng)的權(quán)值應(yīng)該更重），同時(shí)與未來(lái)課堂后臺(tái)的教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互（保存或提取），得出學(xué)生對(duì)本次汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修課程的綜合認(rèn)知獲取隋況。從實(shí)施策略上看無(wú)論是先學(xué)后做還是先做后學(xué)，均可利用此教學(xué)模式來(lái)達(dá)成目標(biāo)。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)類(lèi)別如表2所示。

5.“VaA”教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)

未來(lái)課堂是一個(gè)不斷進(jìn)化的事物，每一階段的狀態(tài)都應(yīng)與當(dāng)前的教學(xué)發(fā)展相匹配，即始終處于反復(fù)迭代、螺旋上升的進(jìn)程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)同各行業(yè)的整合正快速增長(zhǎng)，在教學(xué)中的應(yīng)用也開(kāi)始涌現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠使學(xué)生直觀感受并操控學(xué)習(xí)對(duì)象，從而獲取具身認(rèn)知，已被學(xué)術(shù)界所認(rèn)同。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂環(huán)境中，構(gòu)建新型的“VaA”教學(xué)模式，勢(shì)必對(duì)未來(lái)課堂從物理層面到心理層面均會(huì)產(chǎn)生影響，而這種影響是具有一定進(jìn)步價(jià)值的。表3從空間架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、適用課程、教學(xué)模式、呈現(xiàn)效果、操控方式、評(píng)價(jià)對(duì)象和認(rèn)知獲取八個(gè)維度對(duì)采用“VaA”教學(xué)模式的未來(lái)課堂與未采用“VaA”教學(xué)模式的未來(lái)課堂進(jìn)行對(duì)比。

空間架構(gòu)方面，“VaA”未來(lái)課堂相較于非“VaA”未來(lái)課堂增設(shè)了體驗(yàn)區(qū)，使vR體驗(yàn)式學(xué)習(xí)在空間上得以實(shí)現(xiàn)；關(guān)鍵技術(shù)方面，非“VaA”未來(lái)課堂中多屏顯示、泛在網(wǎng)絡(luò)、智能感知等成熟技術(shù)可以繼續(xù)保留，增加VR和AR技術(shù)，以達(dá)到“VaA”教學(xué)模式的需要；適用課程方面，非“VaA”未來(lái)課堂由于主要采用多屏聯(lián)動(dòng)的教學(xué)方式，適用于理論教學(xué)課程，而加入VR技術(shù)的“VaA”未來(lái)課堂，在繼續(xù)保持多屏聯(lián)動(dòng)教學(xué)方式外，還加入了虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)式教學(xué)，既可適用于理論型課程，也可適用于實(shí)訓(xùn)型課程；教學(xué)模式方面，非“VaA”未來(lái)課堂中教師先對(duì)知識(shí)進(jìn)行多屏聯(lián)動(dòng)講解，再推送資源到學(xué)生PAD端，而“VaA”未來(lái)課堂則是學(xué)生利用PAD端二維碼掃描功能自主獲取并學(xué)習(xí)多屏上的AR資源內(nèi)容，或進(jìn)入VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬空間中進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)；教學(xué)對(duì)象呈現(xiàn)方面，非“VaA”未來(lái)課堂僅在學(xué)生PAD端屏幕上呈現(xiàn)對(duì)象模型，而“VaA”未來(lái)課堂則加入了VR虛擬環(huán)境下的立體呈現(xiàn)效果，使學(xué)習(xí)對(duì)象更具真實(shí)感；操控方面，非“VaA”未來(lái)課堂由于只使用PAD端，所以?xún)H在PAD觸摸屏上使用手指的滑動(dòng)與點(diǎn)擊對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行操控，這與真實(shí)操控物體有很大的差距，而“VaA”未來(lái)課堂由于加入了VR技術(shù)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)沉浸式操控，使學(xué)生產(chǎn)生同操控真實(shí)物體相同或相近的感覺(jué)；評(píng)價(jià)對(duì)象方面，非“VaA”未來(lái)課堂主要是對(duì)學(xué)生學(xué)科理論知識(shí)掌握程度進(jìn)行診斷評(píng)價(jià)，而“VaA”未來(lái)課堂不僅對(duì)理論知識(shí)掌握程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，還利用VR的數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)技能掌握程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，使教師全面的了解學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)訓(xùn)技能綜合的掌握程度；認(rèn)知獲取方面，非“VaA”未來(lái)課堂采用PAD端學(xué)習(xí)知識(shí)，此類(lèi)知識(shí)產(chǎn)生離身認(rèn)知，而“vaA”未來(lái)課堂既可以使用PAD獲取離身認(rèn)知，也能夠利用VR技術(shù)獲取具身認(rèn)知。

從以上八個(gè)維度的對(duì)比可以看出，采用“VaA”教學(xué)模式的未來(lái)課堂進(jìn)行了多方面的改進(jìn)，以期切實(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)力。

四、總結(jié)與展望

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂，是對(duì)未來(lái)課堂從理論到實(shí)踐的一次提升，從未來(lái)課堂的技術(shù)環(huán)境上來(lái)說(shuō)引入了業(yè)界前沿的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使未來(lái)課堂的技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠與時(shí)俱進(jìn)；從未來(lái)課堂的教學(xué)模式上來(lái)看，加入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“VaA”教學(xué)模式使學(xué)生在課堂中參與到以前根本無(wú)法體驗(yàn)的教學(xué)情境中，獲得與真實(shí)情境中相差無(wú)幾的學(xué)習(xí)結(jié)果，從而豐富了未來(lái)課堂的教學(xué)模式研究。結(jié)合未來(lái)課堂的發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更完善融入未來(lái)課堂提出以下建議：

（一）空間結(jié)構(gòu)方面——未來(lái)課堂中虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)空間的優(yōu)化

未來(lái)課堂中關(guān)于學(xué)習(xí)空間的研究主要針對(duì)在傳統(tǒng)的教室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)建更人性化更有效的新型學(xué)習(xí)空間，因此，未來(lái)課堂的空間面積通常來(lái)說(shuō)是有限的。由于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)區(qū)域是一個(gè)獨(dú)立的空間，那么怎樣在有限的空間內(nèi)劃分并構(gòu)建出獨(dú)立虛擬現(xiàn)實(shí)區(qū)域，是一個(gè)必須重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。在實(shí)際布置中，應(yīng)根據(jù)空間結(jié)構(gòu)和參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量來(lái)靈活調(diào)整虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)區(qū)域，調(diào)整的對(duì)象主要是區(qū)域面積和區(qū)域數(shù)量。如果虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū)布置在較大的室內(nèi)，同時(shí)參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量較多，比如學(xué)生活動(dòng)中心，教學(xué)展示廳等，則可增加區(qū)域的面積和數(shù)量，使更多的學(xué)生體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)；如果布置在普通的教室內(nèi)，參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量較少，則應(yīng)減少區(qū)域的面積和數(shù)量，使教室空間不至于過(guò)度擁擠。

（二）資源建設(shè)方面——設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)服務(wù)于教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源

每種教育技術(shù)都有其對(duì)應(yīng)的教學(xué)資源，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出真正適合的教學(xué)資源一直是教育技術(shù)所關(guān)注的重點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身已經(jīng)逐漸走向成熟期，但到目前為止絕大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品都面向于非教育領(lǐng)域，使用頻率較高或質(zhì)量相對(duì)優(yōu)秀的產(chǎn)品主要集中在娛樂(lè)領(lǐng)域，如SONY公司針對(duì)PS4游戲機(jī)推出的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備PlayStationVR在全球熱賣(mài)，為其量身定作的VR游戲也層出不窮。從虛擬現(xiàn)實(shí)在娛樂(lè)等領(lǐng)域運(yùn)用廣泛來(lái)看，開(kāi)發(fā)出適用于教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源從技術(shù)層面是成熟的。但為何真正在教學(xué)上成功運(yùn)用的虛擬現(xiàn)實(shí)資源卻少之又少呢？很大的一個(gè)障礙就在于技術(shù)與教學(xué)的脫節(jié)。擁有虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)的軟件工程師們雖然精通算法、代碼等，但大多數(shù)對(duì)于教學(xué)的理論與實(shí)踐則是門(mén)外漢；而鉆研教學(xué)的教師、學(xué)者們大多數(shù)也對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)望而生嘆。技術(shù)與教學(xué)之間存在巨大的鴻溝，造成虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)遲遲不能較完善的運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐上。填補(bǔ)技術(shù)與教學(xué)之間的鴻溝，現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)可以采取技術(shù)工程師與教師學(xué)者組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，圍繞同一個(gè)教學(xué)目標(biāo)，發(fā)揮各自的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，共同完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)資源的建設(shè)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在高等院校教育技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程，培養(yǎng)既具備技術(shù)能力，又熟悉教育教學(xué)的高質(zhì)量相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)者才是解決這一問(wèn)題的根本途徑。

（三）發(fā)展路徑方面——在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中引入人工智能

人工智能（AI）是以人類(lèi)智能活動(dòng)規(guī)律為研究出發(fā)點(diǎn)，從而創(chuàng)造出具備人類(lèi)某種智能行為的人工系統(tǒng)。人工智能的研究領(lǐng)域很廣泛，包括專(zhuān)家系統(tǒng)、問(wèn)題求解、自動(dòng)定理證明、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、機(jī)器人以及人工生命等諸多相關(guān)領(lǐng)域。互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，得益于廣泛存在的感知器、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、電子商務(wù)的發(fā)展以及社交平臺(tái)的全面開(kāi)花，使人工智能涌現(xiàn)出新的發(fā)展方向，如基于大數(shù)據(jù)的人工智能、互聯(lián)網(wǎng)群體智能、跨媒體智能、人機(jī)混合增強(qiáng)智能和自主智能系統(tǒng)等。在未來(lái)課堂中融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，肯定會(huì)產(chǎn)生大量的學(xué)習(xí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)量眾多類(lèi)型復(fù)雜的各類(lèi)數(shù)據(jù)，引入大數(shù)據(jù)環(huán)境下的人工智能技術(shù)，可以非常有效的提高處理速度和識(shí)別精度，如果采用聚類(lèi)等人工智能算法，還可能揭示出隱藏在數(shù)據(jù)后面的未曾被注意到過(guò)的某些教學(xué)特性。而且，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)本身可以運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法如BP算法、深度學(xué)習(xí)算法等，使其具備一定程度的學(xué)習(xí)能力，從而不斷提升系統(tǒng)性能。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂教學(xué)是未來(lái)課堂發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)加強(qiáng)學(xué)生的理論認(rèn)知和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力都能夠起到積極的提升作用。而對(duì)于空間結(jié)構(gòu)尚需優(yōu)化、資源建設(shè)尚待完善以及如何更有效的引入人工智能等問(wèn)題將在后續(xù)研究解決。