教師沉浸式學習環境的關鍵要素與發展路徑 *
——面向實踐性知識提升的多案例研究

林梓柔，朱曉悅，陳怡，閆寒冰

(1.華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062；2.南京師范大學 教育科學學院，江蘇 南京 210097；3.浙江師范大學 教師教育學院，浙江 金華 321004；4.華東師范大學 開放教育學院，上海 200062)

一、問題的提出

實踐性知識是教師專業發展的主要知識基礎[1]。職前教師教育中，微格教學、見習、實習等培養環節為師范生提供了實訓場域，但由于微格教學中內部指導機制缺失以及見習實習中外部實踐環境的制約[2]，職前教師的實踐性知識提升仍是客觀難題。此外，在職教師培訓同樣對高質量的實踐性知識學習資源存在需求，其能解決當前實訓資源與教學實踐存在情境脫離、缺乏交互反饋和難以滿足個體需求的弊端[3]。2021年被眾多媒體稱為“元宇宙元年”[4]，元宇宙追求通過多種技術構建一個新型虛實相融的社會形態。元宇宙的發展雖剛起步，但作為元宇宙核心的沉浸技術應用早已是教師教育領域的重要研究命題。Billingsley等就沉浸技術支持的8項教師教育實證研究作了系統綜述，結果表明擬真情境能夠增強教師教學體驗，提升教師教學管理能力和實踐技能[5]，證明了教師沉浸式學習情境對實踐性知識提升的有效性。伴隨著擴展現實(Extended Reality，簡稱XR)、數字孿生、智能終端、5G網絡等技術的應用與普及，構建面向教師實踐性知識提升的沉浸式學習環境，將為教師準備與實踐提供有效支持。然而，由于技術門檻高、成本昂貴、便利性低等限制，國外較多教師沉浸式學習系統僅由研究者開發與使用，在開放性、豐富性、普適性方面仍存在巨大挑戰；我國目前在該領域尚未有成熟公開的平臺或系統。基于此，有必要挖掘和分析面向教師實踐性知識提升的優質教師沉浸式學習環境案例，為我國相關研究與實踐提供借鑒。

二、相關研究基礎

(一)教師沉浸式學習環境的演變歷程

為支持教師在沉浸式學習環境中具身提升實踐性知識，研究者致力于相關資源和環境的設計與開發，但全球能夠提供大范圍服務的教師沉浸式學習環境非常稀缺。早期，研究者多選用成熟的通用型平臺二次開發服務于教師教育的學習環境。例如，直接使用Second Life作為在線虛擬合作工具為職前教師提供語言練習環境[6]，或是基于Second Life環境二次開發教學技能訓練工具，如VirtualPREX等。而后，隨著桌面虛擬現實的興起，開始出現基于教師教育需求專門開發的沉浸式學習環境。例如，2005年，美國教育部資助開發的SimSchool是主要面向教師實訓的網頁版課堂虛擬仿真系統[7]，僅需一臺個人電腦即可獲得最真實的教學體驗；再如2008年美國推出的TeachLivETM則是一款幫助教師練習教學技能的混合現實教學實訓系統[8]，后合并改名為Mursion。此外還有部分國家推出的實訓平臺，如土耳其的SimInClass；韓國的SimTEACHER；法國的Classvir等等。近年來，隨著虛擬現實、增強現實、混合現實以及其他類似擴展現實技術的成本和門檻降低，面向教師的學習資源和實訓環境正走向具身沉浸。如德國開發的Breaking Bad Behaviors能夠支持教師穿戴設備在真實教室進行交互實訓。總體而言，利用技術賦能教師沉浸式學習將是未來教師教育的創新方向。因此，挖掘國際上具有代表性的教師沉浸式學習環境案例，研究其優秀經驗，能夠為我國教師沉浸式學習環境的研究與實踐提供參考。

(二)教師沉浸式學習環境的系統要素

明確關鍵要素，是開展教師沉浸式學習環境案例研究的理論前提。這需要同時考慮系統的技術邏輯和學習體驗。一方面，XR技術是教師沉浸式學習環境的底層支撐，包括輸入技術、處理技術、輸出技術和泛在技術[9]，教師沉浸式學習環境的系統邏輯同樣需要考慮輸入端、處理端和輸出端。另一方面，沉浸式學習體驗是學習者在沉浸式學習環境獲得的虛擬映射。De Freitas等人提出了沉浸式學習體驗的四維框架，包括內容情境、教學法、虛擬表征、學習者特征[10]。綜上，本研究提出教師沉浸式學習環境的關鍵要素。第一要素是容納具身感知的學習場境。實訓活動需要映射于沉浸式學習環境中的某個實踐性社區，由此提供抽象知識的具象模擬和具身體驗，教師在“做的經驗”中形成教學認知[11]。第二要素是面向實踐性知識習得的教學法，這是決定沉浸式學習環境成功與否的核心。面向教學技能、課堂管理、家校溝通等實踐性知識提升而設計的實訓場景，需要恰當的理論基礎才能支持實踐性知識訓練建立在經驗、反思、抽象和實驗上[12]。第三要素是作為處理系統本身的交互決策。從桌面鍵鼠交互到動態手勢交互，沉浸式學習環境能夠實時捕捉教師數據并做出分析和決策，從而反饋系統預設或自主學習的虛擬行為，支持教師在持續沉浸的人機交互中反思與建構[13]。此外，人工智能為沉浸式學習環境增加適切性，能夠根據教師所處情境動態性創生內容，使其獲得適需的學習路徑和資源。第四要素是作為出口的輸出反饋。實踐性知識的獲得至少需要兩個條件：不僅需要“行動”的執行，而且需要“反思”的參與[14]，學習分析技術為教師多模態數據的收集、分析和反饋提供了支持，促進反思的真正發生。

三、研究設計

(一)案例選取

為了保證案例研究的代表性，本研究通過以下方式選定案例：(1)以“XR/VR/AR/MR /Simulation”&“Teacher Education/ Teacher Training/Teacher Learning”等關鍵詞組合進行文獻檢索；(2)根據檢索結果對各個案例的官方網站進行體驗初篩；(3)根據研究目的篩選符合“專為教師教育而設計、具備一定研究基礎、能獲得充足一手資料”要求的案例。最終，研究選取了SimSchool 、Murison(原TeachLivETM)、SimInClass、The Interactive Virtual Training for Teachers(簡稱IVT-T)、Breaking Bad Behaviors(簡稱3B)、VR Klassenzimmer、VR TEACHER共7個面向實踐性知識提升的教師沉浸式學習環境作為研究對象開展結構化分析。將這7個具有一定國際影響力的案例編號為A-G，基本信息介紹如下頁表1所示。

表1 教師沉浸式學習環境案例基本信息表

(二)數據收集

研究采用內容分析法進行數據收集、編碼與分析，從而提取符合教師沉浸式學習環境關鍵要素的文本條目。本研究從以下三方面收集多案例研究材料：(1)官方網站文件。主要包括與7個案例相關的官方介紹、實驗室介紹、網頁報道等。(2)相關學術論文。具有學術性質的期刊論文是最主要的文本材料。(3)多媒體素材。為了保證案例研究的真實性，研究者對每個平臺進行深度體驗，收集關鍵圖像、應用視頻等多媒體資料。本研究共收集了與7個案例相關的11份網站文件、7份多媒體素材、28篇學術論文，對此進行資料整合和指正，形成含46份案例分析材料的數據語庫。

(三)數據編碼與分析

如前所述，本研究確定了感知場境、教學法知識、交互決策、輸出反饋等四個要素。以此為一級類目，兩名研究者在深度了解編碼框架內涵后，背對背對數據語庫逐段提取表達特定意思的文字，即條目；將條目按其內涵進行逐一編碼歸類至一級類目；接著對每一類目下的條目進行歸納分類，挖掘二級維度。為保證編碼的客觀性和可靠性，另一名研究者對兩份分析編碼表進行對比和審查。最終確定案例編碼結果如表2所示：包括4個類目、13個維度、253個條目，本文僅舉例部分典型條目。

表2 教師沉浸式學習平臺案例編碼結果

四、研究發現

編碼結果為教師沉浸式學習環境的各關鍵要素分析提供了充分證據。本研究從感知場境、教學法知識、交互決策和輸出反饋四個方面，深入討論和提煉各案例在沉浸式學習設計與應用上的做法、策略和經驗。

(一)感知場境涵蓋各類技術應用，沉浸體驗差距突出

感知場境是教師沉浸式學習的入口，包含支撐沉浸式學習所配備的場所設備、所輸入的數據流和所感知到的虛擬畫面。首先，從時間看，7個案例的場所設備體現了“WEB端→適于專用環境的電腦端→通用電腦端→移動端→具身穿戴端“的技術進程，系統的適用性和沉浸感越來越強。SimInClass具有最強的系統適用性，它選擇虛擬現實的思路，可以在任何地方使用手機、電腦或VR眼鏡作為學習設備 ；3B平臺則是采用增強現實的邏輯，教師需在真實教室中佩戴Kinect體感攝像機和HMD頭戴顯示器進行交互體驗，具有更高的沉浸感。其次，不同的場所設備決定了其數據收集的方式和類型。7個案例的數據收集類型不同，但總體而言，教師產生的數據包括點擊流、文本、語音、手勢、動作、情緒、腦電、眼動等等，多模態數據直接影響沉浸式學習交互的豐富程度和擬真水平。最后，教師依托沉浸式設備感知到的虛擬畫面保真度參差不齊。早在2005年創立的SimSchool仍是保真度很低的2D畫面，而后的沉浸式學習環境皆能支持高保真的3D擬真環境，但因其使用的設備差異而獲得不同的沉浸程度。如3B平臺，它能支持高水平的視覺和聽覺沉浸，教師能夠感覺畫面是真實有趣的，如同真實教學場域，能夠快速進入情境并進行認知參與。

(二)教學法知識應用特色各異，且影響場景與流程設計

教學法知識是實現沉浸式學習的關鍵，包含作為理論支持的專家知識、支撐具身體驗的實訓場景和提供學習引導的流程導航。7個案例涉及教學設計、課堂管理、家校溝通等教師實踐性知識，其中課堂管理最受關注，但遵循的專家知識和所設計的場景流程各具特色。首先，專家知識是具有大量學習科學和心理學理論基礎的，包括最近發展區、建構主義學習理論、多元智能理論、差異化教學等指向教育取向的基本理論；還有立足于教學技能提升的加涅九大教學事件、TPACK理論；指向課堂管理訓練的情緒ABC理論、Borich不良行為分類法；支撐虛擬學生人格特征建模的心理學Ocean模型等。值得一提的是，2021年創立的VR TEACHER是以滿足疫情需求的教師培訓能力模型為理論支撐而設計的，關注疫情后的教師能力(如同理心、適應力、自我效能感等)發展需求。其次，以專家知識為基礎設計不同任務類型的實訓場景。Mursion在實訓前會向教師提供情境概況，包括背景知識、目標體驗、教師目標以及學生情況等；各案例在實訓中可以選擇游戲化關卡挑戰難度不斷增加的場景、不同學生特征建構而成的場景，或是按照探索、計時、競賽模式解決問題的場景。IVT-T在實訓后提供相應的回放、反思、反饋。最后，教師作為學習者在實訓過程中能夠獲得多樣化的流程導航服務。從自主程度來看，可以總結為“由真人（教練/同伴）扮演者控制→人工智能和人類智能混合驅動→完全自主”的發展過程。真人參與賦予了實訓體驗更高流暢度和真實性，并且支持定制化的教師實訓服務，但耗費更多人力資源；而自主流程則是實現沉浸式學習智能化的必然途徑，也是當前的發展難題。即便是近三年創立的VR Klassenzimmer也仍選擇真人演繹的方式提供實訓體驗，因為完全自主的效果和成本仍未能達到一個理想的平衡狀態。

(三)交互決策保障基礎實訓需求，然智能化交互匱乏

交互決策是沉浸式學習內部系統的邏輯實現，包含教師如何實現交互、虛擬化身如何模擬反饋，以及基于什么邏輯決策兩者的交互。交互決策的方式是教師沉浸式學習環境實現現實與虛擬互反饋的基礎。首先，實訓教師作為學習者可用兩種不同方式對擬真情境中的場景和問題進行觸發和交互，一是中介交互。例如利用鼠標在擬真情境畫面進行元素點擊，或是從桌面選項菜單中進行選項點擊，或是利用VR手柄進行更為靈活的操作控制。二是具身交互。例如通過口頭互動講授教學內容、與學生進行眼神交流、利用手勢和學生互動。其次，虛擬學生以化身的形式在擬真情境中進行“基于專家知識控制的”模擬反饋。一種是真人專家按照腳本演繹學生反饋，如VR Klassenzimmer，另一種則將學生行為進行動態模擬，形成虛擬化身行為庫進行規則化反饋。決策虛擬行為有三種方式：人工控制的方式，如Mursion、3B；基于場景的方式，如IVT-T；基于學生模型的方式，如SimSchool、SimInClass。以IVT-T為例，其決策邏輯是由教育專家將其細化為決策樹。這種方式需要隨著系統累積海量數據進行算法優化，進而不斷增強決策的準確性并縮短反應時間，增強實訓教師的沉浸體驗。

(四)輸出反饋延展沉浸式實訓過程，但實時伴隨性滯后

輸出反饋是指教師置身沉浸式學習環境所獲得的即時輸出和過程反饋。即時輸出包括擬真情境和虛擬化身的實時變化，過程反饋包括實訓全程提供的反饋結果和建議反思。在即時輸出方面，擬真情境的變化包括教室排列、學生行為、聽覺要素、視角切換等。例如包含傳統型、合作型、U形和圓形等不同座位的教室；特征各異的虛擬學生；課堂環境音、鈴聲、學校公告音、附近警笛聲、風聲等聽覺刺激；第一人稱視角、360度全方位觀察等不同視角。虛擬化身的屬性包括人口學特征(性別、年齡等)和個性特征(發型、體型、穿著等)。例如3B平臺利用人工智能技術建模輸出24個角色，每個角色各具特色，并由算法控制和分配。在過程反饋方面，實訓過程中的音效提示、語言反饋是由真人教練提供的，尚未實現智能化的伴隨式反饋。在實訓結束后，各個案例會從訓練項目績效、學習和情緒狀態、專注度等方面提供可視化的總結性評估報告，同時部分平臺從研究和優化角度出發，就認知負荷、體驗感、滿意度、易用性等方面向實訓教師發放問卷。基于反饋結果，多數案例會通過真人教練或指導教師提供進一步的建議和反思支持，以便再次實驗。如Mursion支持實訓教師向同行伙伴尋求建議，同時可以向真人教練就訓練情境進行討論[15]。IVT-T會提供反思問題列表，引導實訓教師反思失敗原因、策略有效性以及改進計劃。

五、研究啟示

沉浸式學習環境是教師教育走向“實踐場域”的技術創新途徑。本研究系統分析各個案例在感知場境、教學法知識、交互決策和輸出反饋等方面的典型做法和優秀經驗，依此提出了闡明關鍵要素和實現邏輯的教師沉浸式學習環境系統框架，如圖1所示。從系統框架的角度審視上述案例，可見國際上的教師沉浸式學習環境仍在發展階段，在沉浸感、交互性和智能化方面仍存在較大不足。同時，由于我國相關領域的實踐探索尚未起步，本文將結合多案例研究結果提出以下五大發展路徑。

圖1 教師沉浸式學習環境系統框架

(一)發展虛實融合的教育元宇宙，增強教師具身實踐的沉浸感

目前XR技術在教育領域的應用仍比較局限，但隨著教育元宇宙概念的興起帶來的實踐關注與技術革新，未來融合現實與虛擬、超越于現實的元宇宙將從技術設備、擬真情境和虛擬化身等方面為提升教師學習環境的沉浸感賦能。首先是感知設備的升級減負。當前桌面設備沉浸感不足，穿戴設備昂貴繁重。只有當XR技術、5G網絡、云計算、可穿戴技術、視覺計算等系列技術充分成熟并良好融合，才能實現便攜式設備的大范圍普及。其次是擬真情境的沉浸保真度提升。不管是基于虛擬現實的沉浸交互，亦是基于增強現實的仿真疊加，或是兩者交叉的混合現實，教育元宇宙能提供教師實踐訓練的全場景優化。最后是虛擬化身的個性化增強。教育元宇宙中，教師和學生的虛擬表征從二維數字畫像走向三維數字孿生體，能夠實時感知、模擬和診斷師生狀態 ，以虛擬化身的形式在沉浸式學習環境中進行體驗和認知。

(二)加強教師教與學的理論研究，提升擬真實訓內容的設計質量

教師沉浸式學習環境的設計需要以科學的教育教學理論為指引，跳出技術本位的困囿。盡管大量元分析研究總體證明了XR技術在增強用戶學習體驗，促進知識理解和技能提升方面有正向影響，但仍有部分研究發現其在實際應用中存在認知超載現象、注意力隧道效應、學習群體差異性等問題[16]，而造成這些問題的根本原因在于學習理論在沉浸式學習應用中鮮少被考慮[17]，這在本文的案例研究發現中也得以印證。教師沉浸式學習環境設計與應用的教與學理論主要包括兩方面：一方面是教師作為學習者進行沉浸式交互的學習理論。常見的經典理論包括具身認知理論、分布式認知理論、體驗學習理論、情境學習理論、心流理論等。這些理論為沉浸式學習提供了以下指導：一是在交互設計上，只有當學習者的認知、身體與環境進行有效互動時才能進行學習，因此需要利用XR技術實現多維互動，將晦澀難嚼的知識點轉換為具象可交互的形式，形成有效認知。二是場景設計上，應當給學生提供一個可體驗的場景，基于此結合主觀認識對客觀知識進行轉化與再創，從而達成一個迭代進步的過程[18]。三是內容設計上，需要注重學習任務的挑戰水平要與學習者技能水平相符，這為智能技術適應性推薦提供理論基礎。另一方面是教師實訓內容設計所需遵循的教學法知識，不同的實踐性知識所適用的理論不一樣，同一實踐性知識也有多種理論視角。例如，以課堂管理為例，3B使用“不良行為分類法”進行課堂管理難度的設計；而IVT-T則用“情緒ABC理論”來設計虛擬學生模型以產生不同應付難度的課堂管理場景。同時，隨著COVID-19對教育教學產生了阻滯影響，教師實訓如何應對疫情后的危機和挑戰也成為重要內容，傳統教師培訓正在沉浸式方面探索數字化轉型之路。設計者應以教師沉浸式學習目標、群體、內容等為依據開展教學法知識的研究與創新，這是沉浸式學習質量的本質保證。

(三)利用智能技術優化交互決策系統，提供教師智能適性的學習體驗

當前的教師沉浸式學習環境的交互決策大部分仍是依托容納大量預設腳本的數據庫，即使是基于虛擬化身進行自主反饋的系統在智能化方面仍是相當匱乏的。智能技術能在以下兩方面助力沉浸式學習環境更加個性、適需。一方面是交互決策系統的智能反饋。當數據庫中基于教學法知識所產生的數據流越來越多，可以利用算法賦予系統中虛擬化身模型一定的“自主性”，提升交互決策的真實性，實訓教師能像置身于真實課堂一樣接受各種未知挑戰。另一方面是實訓資源的自適應推薦。當前沉浸式學習環境的學習流程基本由真人控制或是系統預設流程，可觸發和選擇的實訓路徑和資源多樣性低。通過自適應推薦算法，可以結合實訓教師的數字孿生體數據進行需求和偏好識別并推薦。同時，依托智能技術構建沉浸式學習環境的同時，需要警惕算法偏見和信息繭房。當“喂養”的數據足夠龐大，教師沉浸式學習環境基于“黑匣子”反饋的擬真情境資源和虛擬化身行為不具有可解釋性和可控性[19]，若與事關立德樹人的教育規律相違，將對教師專業發展產生重大影響。

(四)融通多模態教師數據，實現伴隨式評價與認證

在輸出反饋上，由于教師沉浸式學習環境的發展仍不夠深入，極少平臺能嵌入全過程數據采集并實現伴隨式評價。大部分研究對教師沉浸式學習效果的評價是運用自我報告、現場觀察、問卷調查等方法檢驗教師實訓后的實踐性知識提升表現。運用大數據與學習分析，能夠在評價與認證方面更加全面精準。一方面，多源多維多模態數據為伴隨式評價提供證據。沉浸式環境是通過刺激教師的聽覺、視覺、觸覺、動覺等感官而為其帶來新體驗，其應用效果也應從具身認知的視角去挖掘和獲取使用者的聲音、行為、生理和心理數據，并輔以傳統量表調查，主客觀結合了解擬真情境和內容是如何作用于教師學習并產生效果的，推斷教師“學到了什么”“當前在哪個階段”“未學到什么”“遇到什么困難”，這些評價結果可以指導教師教育者如何有效干預和預警[20]。這不但是沉浸式學習環境應用效果評價的重要指標，更對未來的學習環境設計與應用研究具有指導意義。另一方面，區塊鏈技術為教師沉浸式學習評價體系提供去中心化學習認證。未來隨著教育元宇宙的建立，在虛擬融合和邊界消弭的空間中，大量的用戶創生內容(UGC)、現實實體對應的數字畫像[21]、集體創作作品等增加了學習成果認證和產權保護的復雜性和混淆性，需要借助區塊鏈技術邏輯和框架去建立完善的教師沉浸式學習環境運行機制。

(五)創新應用模式與策略，保障教師虛擬實訓效果

研究表明，單純的技術考慮不會實現有效學習，而必須運用合適的實訓策略，并顧及與傳統現場實踐的優勢互補[22]。本研究提及的案例具備一定研究基礎，其應用效果在教師教育實踐中得到驗證，如遷移教學技能、提升教學效能感、增強人際關系和情感能力等。總體而言，可以基于以下兩種教學模式開展虛擬實訓，一是作為自主學習資源。沉浸式學習環境為教師創設了沉浸性、交互性和適應性的情境，支持學習者開展自主探索式學習。例如，Chen為來自不同學科的10位職前教師提供課堂問題行為的自主挑戰，包括虛擬學生課堂睡覺、打擾他人和使用電話等，職前教師根據系統引導和現場指引獨立完成實訓[23]。二是作為合作學習資源。Dieker等人運用TeachLivETM進行小組合作，5個參與者“扮演”同一個職前教師角色，按照“課前課例研磨→差異化合作教學→角色扮演實訓→小組輪流替代→小組總結談話”的流程開展模擬實訓[24]。當前研究主要關注職前教師，對在職教師使用沉浸式資源開展學習和培訓的研究和實踐較少。研究者需對面向各類教師群體的沉浸式學習應用模式和策略進行更豐富的探索。教師教育者應以實訓目的為指導，將實訓教師特征、學習環境特征、實訓任務類型等作為依據，開展虛擬實訓模式探索和教學設計創新。