新形勢下基于虛擬現實技術的成人動態教學模式構建實踐

顏正恕，王 璟

(1.寧波諾丁漢大學 人文與社會科學學院，浙江 寧波 315100；2.寧波城市職業技術學院 國際學院，浙江 寧波 315100；3.浙江外國語學院 英語語言文化學院，杭州 310012)

一、引言

線上線下互動動態課堂教學模式并不是新生事物，歐美國家早在20世紀中后期就已經開始了相關的研究，到本世紀初形成了較為完整的理論和實踐案例，而我國引入并研究這種教學模式則相對較晚，一是傳統教學模式仍然是普遍應用的教學模式，二是缺乏相應的硬件設施和人才。但是，這種教學模式一經推出，在國內迅速普及，受到了教育部門和教育專家的高度重視。因此，部分教師就開始在高校進行實踐應用，改變了以線下課堂教學為核心的傳統模式，逐漸形成課前、課中和課后的教學時段，同時借助線上教學平臺使得教學形式豐富且更加有效。不斷創新的教學內容和教學手段，吸引越來越多的學習者嘗試這種新的教學模式，提升了學習體驗，也促進了課堂教學質量的提升，甚至可以實現精準教學。

線上線下動態課堂的教學應用，使得課堂主體從“教師”向“學生”進行了完全的轉變，教師開始持續關注每個學生的成長，能夠更加合理地安排理論和實踐教學的時長、實施的時間和場所。目前，較為有效的做法是在課堂教學中增加實踐操作和案例討論的分量，將部分與課程教學相關的基礎理論學習放到課前和課后進行。這樣，教師改變了以往廣播式教學的模式，給予每個學生更多的學業關注，讓學生更多地參與到教學活動中，處理好學生自主實踐和教師協助指導的關系，實施以學生為主的教學模式。

隨著教學環境和學習需求的不斷變化，越來越多的學習者要求提升學習體驗并希望在較為真實的實訓環境下開展學習和訓練。因此，我們提出使用虛擬現實技術(VR)制作逼真的教學資源來滿足需求。由于虛擬現實技術的引入，學習者將進入到虛擬環境中進行學習，在形成的虛擬社區中進行討論、訓練和評價。因此，在新形勢下，需要構建一個全新的基于虛擬現實技術的動態教學模式。這個全新的教學模式不但能滿足師生雙方教學需求，而且能促進學生學習興趣不足、教學設備投入資金不足和教學資源脫離實際等問題的解決，這也是一次教學創新。[1]

二、傳統線上線下教學實施過程中存在的問題

(一)課程要求和學生能力差異問題

以消防類課程為例，該課程在實踐環節要求學生完成復雜的指令輸入、精確的工具應用和正確的耗材使用等操作，如果一個環節出現錯誤則必須重頭開始做一遍，導致學生要花大量時間去記憶相關指令、操作方法和流程，久而久之，學生對不斷重復的各類操作產生了厭煩情緒，這就導致學習過程有時是教師強行推動的。傳統教學，課程實施常局限于實訓室、教學時間被嚴格控制、教師的教學內容也是按照進程計劃實施的。一般一堂課只配備一位教師，由于教師人數少，導致教師難以細致考慮每個學生的學習情況，學習效果打了折扣。

上述原因導致許多學生對于所學知識不能很好地理解和掌握。雖然有課前、課中和課后的教學時段的分解、線上教學平臺的支持，但仍然無法解決在課堂教學環節中出現的這些問題。通過實踐教學研究發現，學習效果完全由學生掌握知識的能力決定，如果學生基礎差、上課效果不佳，則難以實現滿意的教學效果。

(二)課堂實訓和真實實踐的問題

消防類課程的實踐教學流程較為復雜，對學生的操作技能要求較高。因此，學生要達到企業崗位要求，是需要不斷進行訓練和操作的。但是，由于實訓室資源不足，課外的教學指導資源有限，這就導致學生難以熟練掌握整個操作流程,實現訓練目標。即使學生能夠利用實訓室資源達成學習目的，但是實訓室的教學條件和真實崗位條件還是存在一定的差距。從理論上看，后期的實習環節似乎可以解決上述問題，但是，企業崗位的特殊性、校企合作的局限性和頂崗實習的真實性等都會阻礙學生獲取合格的上崗能力。

(三)考核方式多和系統化問題

考核方式按照發生地可以分為線上考核和線下考核。考核成績一般由平時成績和考試成績組成，平時成績包含了課前、課后的線上作業、測試和討論方面的評價。教師可以依據線上學習平臺提供的學員學習過程統計數據更好地評價學生知識和技能方面的學習情況。但是，學生在整個學習過程中的數據多樣性和個性化導致數據收集和分析比較困難，數據更新較慢，難以精確分析和評價教師教學成果和學生完整的學習情況，這就類似盲人摸象，知其一不知其二，無法科學地進行教學評價。[2]

三、“VR+動態課堂”教學模式設計

教師首先在獲取真實崗位的工作內容后確定典型的工作任務，然后設計完整的教學內容和流程以支持工作任務目標。在充分考慮不同職業崗位的復雜性和特殊性的基礎上設計和開發VR教學系統。

VR系統擁有完整的理論和實踐教學的模塊，從而使學生在進入實物操作環節前熟悉設備操控方法、流程和參數設置，明顯降低因學生誤操作而帶來的設備和工具的損壞幾率。除了上述功能外，VR系統還內置了安全訓練模塊，讓學生對觸電、吸入有毒氣體、引起火災和短路等事故有更加深入的了解，提升學生進入實操環節后對安全事故的預判和處理能力。最后，教師將VR系統與整個教學環節進行無縫對接，實現教學目標。

“VR+動態課堂”教學過程可分為七個階段：課程準備→課前導入→分析項目→基于VR系統的模擬操作→實踐操作→總結評價→課程拓展。具體的階段內容的安排與設計如圖1所示。

(一)課前準備

依靠浙江省高等學校在線開放課程共享平臺、中國大學MOOC等聲譽良好的學習平臺來存放和規劃課程的線上教學資源。教師利用這些平臺完成課前的學習計劃設置、資源分類上傳、評價方式設計和論壇維護等工作，學生通過學習平臺獲取課前學習任務，教師引導學生開展線上自主學習和討論，線上平臺的反饋數據將作為教師選擇不同的線下教學方法和流程的依據。當然，技術論壇、微信和騰訊等移動APP都能支持課前學習的開展，幫助學生了解課程內容、熟悉課程體系、掌握理論知識、知曉實操流程和學習評價等方面的內容。

通過上述課前活動，教師能根據學生個性特點和實踐條件更有效地開展教學。不僅如此，教師能夠更加合理地安排VR系統的使用時機、訓練次數、學習次序，并能為特定學生定制訓練套餐，實現對學生的個性化指導。

(二)課程導入

線下的課程動態教學活動一般在專業的實訓室或者實踐基地實施。首先，教師對線上的學生自主設計方案進行點評，主要點評設計方案的正確性、合理性和有效性。然后，教師通過展示和分析課程相關的系統案例，讓學生了解優秀案例的具體做法。同時，學生在案例學習過程中完成對系統設計知識的復習和更新。最后，教師布置新的課堂學習任務，這些任務應該要與教師已經講解過的案例有一定的關聯性,并帶有拓展性，但在場景設計、難易程度設置和實施流程方面要有所不同。

在實施過程中，為了培養學生的團隊合作意識，通過基于任務的教學法讓學生進行分組討論，以學生為主體，由教師主導開展答疑反饋、系統展示和任務實施總結等教學活動。教師幫助學生解決重點、難點問題。最后，教師進行最終點評并讓學生將方案上傳到相應的在線平臺，便于后期進行修正和進一步指導。

(三)VR模擬

Burdea和Coiffet使用三個“I”來定義虛擬現實技術(VR)的基本特征：沉浸性、交互性、想象性。[3—5]綜合不同研究者的觀點，“沉浸性”特征使得虛擬現實環境能體現逼真性和多種刺激表征的特性，“交互性”是在虛擬環境中開展自然交互和人際互動，從而增強教學效果。當學生基本完成實施方案和操作流程的設計和確認后，要開展實踐操作。傳統的做法便是開始在實驗室進行操作。通過多年實踐，傳統的實踐教學存在著上課教師數量不足，教師指導不到位，學生對操作流程和設備材料不熟悉導致實驗設備損壞、耗材浪費，以及其他安全事故等問題。

考慮到上述的原因，我們利用與職業崗位無縫對接的、逼真的浸入式場景和良好交互性體驗的VR模擬系統開展實操模擬訓練，從而解決了上述傳統實踐教學的問題，提升了教學有效性。

在具體實施上，將參與模擬訓練的學生兩兩分成一組。首先由教師進行演示指導，學生分組輪換使用軟件并進行協同學習。VR模擬系統中的學習任務以游戲通關的方式呈現，當學生進入到模擬場景中后，按照系統提示開展訓練，訓練的每個環節都由系統進行自動評分，完成評分后系統會顯示學生在前次操作中產生的所有錯誤并允許學生進行重復訓練，直到完全合格為止。開發的VR系統不但包含了定制的實踐訓練內容，還內置了相關的理論知識并能形成測試模塊供學生進行自學和自測，為開展過程性評價和終結性評價提供服務。

基于VR系統開展的動態教學模式實際上包含了項目教學法、任務引領式教學法、啟發式教學法、探究教學法、協作學習和自主學習等目前流行的教學方法，系統功能可以根據學習者的學習情況和需求進行定制。[6]后期，通過布置5G網絡系統，可以實現跨區域、跨網絡的VR虛擬場景學習，實現虛擬課堂中的多人遠程協作學習。

最后，教師根據系統給出的評價結論來決定學生是否具備了進入真實環境進行實操的資格。如果學生沒有完成相應的模擬訓練，可以重復訓練，也可以在課后預約同意后進入實驗室開展自主的基于VR系統的模擬操作，直到合格為止。

(四)實戰演練及評價

在完成模擬訓練后，學生就可以在真實環境中進行實操訓練。實操環節分成兩類，一類是在實訓室進行訓練操作，第二類是到校企合作實踐基地開展真實場景現場訓練。因為實操訓練的過程監控一直是實操環節的較難解決的問題，所以在動態教學過程中需要通過VR系統全程錄制學生的操作過程來實現對學生的學習過程監控。在監控下，教師巡視課堂指導學生進行正確操作。課后學生通過錄制的視頻查漏補缺，從而解決學生在訓練過程中的難點問題。

近期比較流行的實踐教學方法是現場教學，這里的現場一般指企業，即將課堂放在企業的實際工作環境下，根據具體的教學任務、教學資源、學生的實際情況、企業現場的具體條件和要求來定制教學流程和方法，從而豐富學生的實戰經驗。通過借助企業教師的力量幫助學生將所學應用到現場工作中，提升了學生的解決實際問題的能力。但是，我們通過調研發現，如果要實施現場教學就要具備一定的支撐條件，比如科學的培養方案和課程標準、合格的師資、充足的經費、完善的實施方案、嚴謹的組織流程和全面的考評體系等，大多數不具備這些條件的學校是難以實施有效的現場教學的。因此，通過VR模擬系統來進行實際崗位的操作場景的構建才是比較現實的方式。[7]

最后，構建課程中的項目的評價體系，比如本課程的AHP評價體系。結合遠程專家、自評和互評、專家批改等方式來綜合評價學生的知識和實踐能力，從整體上提升學生的實踐能力。

四、“VR+動態課堂”教學模式實踐案例研究

(一)案例介紹

以“軌道交通車站FAS系統”課程的“火災探測報警微系統構建項目”為例進行實證研究，并形成相應有效的基于虛擬現實技術的動態教學模式和方法。本項目屬于“軌道交通車站FAS系統”里面的第二個項目“火災自動報警系統設計安裝調試”教學單元中的項目實施模塊“火災報警微系統構建”。

表1 與前期項目的關系

表2 與后序項目的關系

(二)項目目標

1.總體目標

(1)掌握火災自動報警系統組成、工作原理；

(2)能夠繪制火災自動報警系統設計圖；

(3)能夠完成火災探測器選用與布點。

通過該項目的學習和訓練，使學生對VR技術有一個較全面的認識和理解，并能有效利用VR技術來進行學習和訓練。

2.知識目標

(1)深刻理解消防控制器和煙感探測器的工作原理；

(2)熟練掌握消防控制器和煙感探測器的結構及參數；

(3)能夠理解火災探測報警微系統的構建流程、步驟及具體表現形式；

(4)能熟練掌握聯動裝置的具體原理。

3.能力目標

(1)能正確選擇煙感探測器；

(2)能正確設置消防控制器；

(3)能正確構建微型火災探測報警系統。

4.素質目標

(1)培養學生防患于未然的意識；

(2)培養學生嚴謹的火災系統設計素養，保護人民財產安全的意識(思政目標)。

(三)研究對象

本研究選取寧波某高職80名機電專業大學二年級學生為研究對象。其中實驗組40人，對照組40人。研究通過成績對比和訪談的方式開展。

(四)項目教學流程的具體設計

本項目采用基于VR技術的動態教學模式。課前，教師使用VR系統、線上課程資源、論壇和微信QQ群來開展課前學習討論。課中，教師使用VR系統讓學生掌握消防控制器的設置和煙感的正確操作方法。最后，教師讓合格的學生使用真實的實訓設備和耗材進行實操。通過這種教學模式，解決了學生帶著疑問進行訓練的問題，降低了操作過程的安全風險，提升了學生的學習興趣和教學質量。具體的教學流程如圖2所示。

教師通過課前準備、課中實施、課后拓展有機結合，使課堂向前、向后延伸擴展，促使學生加大學習的時間和精力投入，培養自主學習習慣。運用信息技術，開發相應的VR模擬系統、錄制操作視頻、運用學習APP軟件、整合企業教育資源，從而激發學生學習興趣，幫助學生理解核心知識，掌握關鍵能力。通過加強師生互動，增強學習效果。教師遵循“教、學、做、評”合一的原則，運用“做中學”“學中做”“做中固”“做中評”等教學策略，實現“教”與“學”的有機結合，通過AHP評價模型評價實訓教學的效果。

為了充分體現任務引領、實踐導向的教學思想，我們將本項目的教學活動分解成三個任務組織教學，以VR系統模擬操作和實訓室實踐操作為任務實施的載體，結合具體的專業理論知識、準確的操作流程和精確的參數設置，使學生在項目實施過程中加深對專業知識和技能的理解和應用，培養學生的職業素養，滿足學生職業生涯發展的需要，降低實驗實訓的安全風險。

本項目設計了基于火災報警VR模擬系統進行消防控制器的連接、設置和模擬火災報警測試的浸入式訓練。

首先，教師使用8分鐘進行演示指導，如圖3所示；學生2人一組相互指導及訓練，此過程需要25分鐘，如圖4所示；最后對學生開展模擬考核，從而決定學生是否可以進入真實環境下的實操訓練環節，此過程需要12分鐘，如圖5所示。在課程的最后幾周內，教師再一次對學生進行課程知識和實踐能力的測試以及問卷調查，從而了解使用VR模擬系統進行教學的效果及學生反饋。

(五)研究結果分析

通過對兩個班級的學生完成項目的效率數據、學生訪談的反饋數據、實訓操作的結果數據和企業的考評數據比較研究發現，傳統教學的教學效率不高，對傳統教學感到不太滿意的學生有一半以上，在實操教學結束后不少學生無法獨立開展實操，在校外專家監督下的獨立操作結果尤為糟糕。我們發現，在傳統教學模式下的學生在課前幾乎沒有動力去做課前預習，對教師布置的課前任務較為敷衍。另一個班級采用基于VR技術的動態化教學模式，學生在線時間明顯增加，論壇活躍度有了較大的提升，從討論的內容來看，不少學生能進行獨立思考，這就為線下課中指導和討論打下一定的基礎。

學生利用VR軟件開展了多次模擬學習，直到完全了解相關知識和操作流程后，才能進入到真實環境下的實操環節。因此，這些學生嘗試開展實物操作的意愿大大加強，且獨立操作成功率有了極大提升，提高了教學效率和時效性。

對比兩個班的企業專家考評結果，傳統教學模式下學生實踐考核成績平均為61.25分，且需要下一次課來提升操作能力。而運用了“VR+動態課堂”教學模式的學生，實踐操作能力，特別是能獨立開展實踐的學生人數顯著提升，實踐考核成績平均分達到了89.25分。對比兩班的平均成績，學生的實操能力差距較為明顯。

五、“VR+動態課堂”案例教學模式效果分析

在課程結束后，本研究也對80名機電專業的學生進行了課程滿意度問卷調查，采用三點量表，調查結果選擇分別為“很滿意”“一般”“沒有作用”，調查問題根據不同的學習原則進行了分類，調查結果如表3所示。所有學生都愿意參與調查，并允許教師使用調查數據。學生根據個人的“軌道交通車站FAS系統”課程學習經驗來選擇相應的答案，同時也比對了學生的學習成績、反思報告和課程實施過程的訪談記錄，使得各種證據進行相互印證，從而得到有價值的真實數據。

通過調研結果和后期訪談反饋，大多數學生對使用VR 虛擬系統軟件并結合動態課堂的學習模式表示非常滿意。甚至，部分同學表達了強烈的線下使用VR設備進行課程復習和提高操作熟練度的要求，他們可以在極為逼真的虛擬環境中排除外界干擾獲得高度虛擬的臨場體驗。在虛擬環境中，不少性格內向、主動性不強的學生也能全身心地參與到虛擬學習和實操中去。場景中的虛擬教師會不厭其煩地解釋相關理論知識，直到學習者明白為止，并且學生利用課余時間進行學習，大大提升了時間利用率，更好地調整了自己的學習計劃。

表3 課程教學效果調查量表

從表3的數據來看，84.21%的學生強烈認為“VR+動態課堂”教學模式與FAS系統知識的學習有關，這表明它在記憶和理解相關技術概念方面更加生動和有效。80%以上學生同意“VR+動態課堂”教學模式讓他們更好地理解課程學習的目的和概念。“VR+動態課堂”教學模式還增強了學生分析和解決問題的能力。有相當比例的學生認為“VR+動態課堂”教學模式可以幫助他們處理和整合課程的關鍵信息，利用這些關鍵信息學生可以自主解決每個任務的關鍵點，并在VR系統的虛擬場景中完成。

VR系統融入了李小平等提出的教學啟發性體驗設計，通過各種反思性的實踐，讓學生從不同的角度去分析不定性問題，讓90%以上的學生提升了解決具體問題的能力。[8]在操作能力方面的提升更是明顯，幾乎所有的學生都認為這種模式對了解操作流程、熟練完成操作有重大作用。

最后，學生們還認識到，使用“VR+動態課堂”教學模式強化了他們的批判性思維。在實施過程中，教師采用以學生為中心的“VR+動態課堂”教學模式，[9]可以從容地進行教學重設計和學習干預，充分地調動學生的主動性、創造性和學習積極性。

總體結果表明，使用“VR+動態課堂”教學模式能夠有效彌補傳統教學模式的不足，有效促進知識學習，培養批判性思維，培養多種技能。

六、總結與思考

我們將虛擬現實技術(VR)和動態課堂教學模式進行有機的結合，通過課前、課中和課后教學應用獲得了可喜的成果，除了能改進新形勢下傳統的混合式教學中存在的問題，還能有效地提升教學質量并獲得企業專家的認可。

新的教學模式也能很好地服務個性化教學，讓大部分學生自覺地融入到教學活動中。在虛擬環境中，學生的學習不受場所、時間、教學方法和設備的限制，學生可以完全根據自己的學習習慣和節奏來制定學習計劃并實施。這就打破了教師包辦一切、學生聽之任之的傳統模式，讓學習的主動權回歸到學生個體，使學生在教師的幫助下探索一條最適合自己的學習路徑。

在VR教學系統中，師生共同來設計教學場景、引入與實際崗位一致的工作任務、指定匹配的虛擬導師，幫助學生完成學習任務形成職業技能。目前的技術可以很好地解決長時間佩戴VR沉浸式設備的不適感，從而將完整的知識和實踐內容完全融入到虛擬教學場景中，學習者在長時間的使用過程中自然形成了個性化的學習特征。通過虛擬場景中的有效評價體系，讓學生很容易發現自己的不足，及時完善自己的知識結構，糾正實操錯誤。

借助不同層級的網絡教學平臺，使得VR場景軟件可以更加方便地進行推廣，有助于構建虛擬學習社區。在社區中學習者可以進行遠程交流、協作學習、遠程互評和自評，從而符合“協作、自主、探究”三位一體的現代教育教學模式建立原則，達到培養學生的好奇心、想象能力和創新能力的目的。[10]在課堂應用過程中，學生參與度明顯提升，樂于發表自己的想法，學生在課程結束后的學習質量有明顯提升。

總之，“VR+動態課堂”的模式是對現有教學模式的一種創新，這種教學模式會隨著信息技術的發展、網速的提升、VR設備的普及和虛擬現實系統的開發成本的降低得到全面的發展，未來可以進行更深入的相關理論和實證研究，為信息技術在成人教育中的高質量應用提供有效的理論和實踐支持。