虛擬仿真技術應用于混合式教學研究

王凱麗 胡垂立

廣州工商學院 廣東廣州 510000

一、概述

教育信息化的發展促進信息技術與教育更加深度的融合，傳統混合式教學模式是基于移動通信設備、網絡學習環境與課堂討論相結合的教學情境[1]。混合式學習不是簡單地將信息技術融合在一起，而是通過融合設計讓學生實現個性化的、自主的探究性學習。線上學習是對線下學習的提升和補足，線下學習是對線上學習的鞏固和完善。然而傳統混合式教學在實踐實驗教學能力方面存在著薄弱點。而隨著虛擬仿真技術的成熟，虛擬仿真技術與教育領域的融合也逐漸興起，與混合式教學一樣，虛擬仿真教學主要是提升傳統面授教學的教學效果，通過技術的融合實現身臨其境的深度學習，提升學生的學習體驗，由于虛擬仿真技術能夠創建實踐情景，因此在實踐教學方面具有突出的優勢。

布魯姆將教學目標分為認知、情感和動作技能三大領域。傳統課堂教學主要停留在對于知識的簡單記憶和淺層次學習階段，對于更高維度的綜合應用、個性化學習和實踐性操作來說，沒有引起足夠的重視。將虛擬仿真技術引入混合式教學中，通過線上在線學習平臺+線下課堂+虛擬仿真實驗室三大學習平臺共同教學，能夠實現學生個性化學習、深度學習，支持學生在學習過程中進行知識遷移、操作實踐和身臨其境的沉浸式、混合式的學習。

本研究通過將虛擬仿真技術引入混合式教學中，創建線上線下實踐教學平臺，實現理論課程和實踐課程的銜接貫通，并通過虛擬仿真教學的學習情景設計，更好地引導學生進行線上線下的探究性自主學習，支持學生在學習過程中進行知識遷移、操作實踐和身臨其境的沉浸式、創新性學習。

二、虛擬仿真技術應用于混合式教學模式意義

目前，我國的虛擬仿真技術發展迅速，在教學領域的應用也風生水起。在國家虛擬仿真實驗共享平臺“實驗空間”上的虛擬仿真實驗項目已經達2000余項[2]。除線上虛擬仿真平臺外，各大高校也都在積極建設線下的虛擬仿真實驗室，進行教學方式的創新和改革。將虛擬仿真技術應用于實驗和教學中，本質依然是信息技術在教育中的應用，促進教育現代化和信息化的變革，提升教育質量，輔助學生進行探究性學習和沉浸式學習。

(一)豐富教學方式

傳統混合式教學模式主要是將線上網絡學習環境的優勢與線下現實環境的優勢相結合，組織線上線下教學活動，整合線上線下學習資源，實現學生個性化學習和探究性學習。但是傳統混合式教學的教學資源主要以視頻和文本學習為主，存在的問題是對于學生的實驗實訓能力的鍛煉依然不足。虛擬仿真實驗平臺可以作為一種教學資源，加入混合式教學過程中，在豐富混合教學的教學資源的同時，也豐富了混合式教學的教學方式。讓學生無論是線上還是線下，都能進行基于虛擬現實資源的實踐實驗學習，讓學生能夠進行除了基于視頻和講義學習外的其他學習方式。通過虛擬仿真實驗平臺創建的逼真的實驗場景，能夠在實現動態高效的交互的同時，提高學生的參與感和沉浸感，讓學生在虛擬情境中進行問題解決、實踐訓練和實驗操作等。豐富了混合式教學模式的課堂教學方式，激發學生學習積極性、互動合作、操作實踐能力，加深對知識的理解，促進學生進行創造性學習。

(二)促使學生角色轉變為知識創造者

近些年來，高等教育的新動態向創新、創造轉變，因此各高校都在積極引導缺乏實踐實驗環節的課程，將實踐教學作為考核指標的一部分，并創造條件引導學生進行設計和創新。線上線下的虛擬仿真實驗平臺可以在線上線下構建更加適合于學生自主探究、合作學習的創新學習環境和實驗環境，擴大混合式教學模式的優勢，讓學生在學習過程中由知識的接受者向知識的創新者轉變，為學生對知識進行重建和創造創建條件。

(三)線上線下課堂、實驗、實訓的混合式教學

混合式教學打破了學生學習時空的限制，使學生在線下學習的同時，也可以隨時隨地進行線上泛在學習，實現線上線下雙課堂教學。而基于虛擬仿真實驗平臺的混合式學習，則打破了普通教室、實驗室和實訓室的空間限制，進一步增強了混合式教學的教學效果。

在混合式學習過程中，學生在進行線上預習時，可以通過視頻的方式觀看理論講解和實驗操作演示，但是只通過觀看視頻講解和演示，無法讓學生進行體會實際操作過程中可能遇到的問題，虛擬仿真技術構建的線上線下實驗平臺，可以讓學生在安全仿真的實驗情境中，通過自主設定實驗條件進行重復學習。同時通過在虛擬仿真環境中與實驗對象的互動、立體直觀的觀察和操作，讓學生更直觀地理解和掌握知識與內容。將虛擬仿真實驗平臺應用于混合式教學中，加強了線上與線下學習的紐帶，使線上和線下學習中的缺點互相補足，學習效果互相加強。

(四)多向的互動

傳統課堂教學中，多數是教師提問、學生回答的單項互動，常常會出現師生間溝通不及時、不良好的互動現象。混合式教學通過線上線下的教學，一方面增加了課堂上師生互動的機會和時間，另一方面增加了學生與互聯網互動的方向，使課堂互動不再局限于師生之間，學生和學生、學生和互聯網上的人與知識都可以充分地互動。將虛擬仿真試驗系統引入混合式學習中，除了具備傳統混合式教學的優勢，學生還可以同虛擬環境中的虛擬對象進行交互，通過視覺、聽覺、觸覺等多個感官與環境的交互，讓學生獲得全面的沉浸式體驗。

三、虛擬仿真技術應用于混合式教學的實踐策略

混合式教學系統是一個復雜的教學系統，能夠影響教學成果的子系統有教學內容、教學設計、課堂組織、教學資源、師生交互、教師、學生、教學環境等，只有不斷地完善混合式教學系統的功能，才能不斷地提升混合式教學系統的教學效果，因此將虛擬仿真技術應用于混合式教學中，由于混合式教學系統的復雜性，如果想要充分發揮它的優勢，也需要關注一些其他方面的因素。

(一)虛擬學習情景設計

虛擬教學主要通過創設實踐實驗情景來實現，教師要充分地調動學生學習的積極性，提升教學質量，需要進行虛擬教學策略設計。

1.探究性教學設計

虛擬現實技術支持下，要考慮為學生創建一個具有更好的體驗的探究性情景，讓學生圍繞一個具有探究性的主題進行探究學習，通過設計懸念、分支等充分挖掘學生的好奇心和探究欲。通過設計探究性挑戰和問題，提升學生的學習興趣和動力。

2.VR情景設計

虛擬現實技術支持下的學習是在故事情境或實驗情境中進行，實驗情景設計要結合真實實驗情景，將實驗過程中可能面臨的問題完全展示出來，故事情景設計要符合人的客觀認知規律，故事情節要承載知識，將知識還原到真實情景中供學生探索認知。

3.激勵機制設計

基于虛擬現實的教學設計要不斷地提供激勵手段讓學生更加沉浸于虛擬空間，建立學生的學習信心，認可自己的學習能力，通過不斷激勵激發學生繼續探究學習的需求和繼續提升能力的欲望，在進行虛擬情景設計時要考慮在學生取得一定的成績時適當地給予學生激勵。

4.交互過程設計

基于虛擬現實的混合式教學設計中要考慮人與人之間、環境與人之間的協同交互關系，設計能夠對學生學習情況進行即時反饋的機制，讓學生通過與虛擬環境和虛擬人物的交互過程中進行自主探究性學習。

(二)混合式教學與虛擬仿真技術的深度融合

將虛擬仿真技術應用于混合式教學過程中，其完整的教學過程依然可以分為課前、課中、課后三個部分，如圖1所示，學生在課前基于虛擬現實技術進行課前預習，通過傳統的視頻和講義了解實驗原理和注意事項等，還可以通過線上虛擬仿真平臺了解實驗相關的操作過程，并提交在線預習報告，可以在預習報告中提出自己在實驗過程中出現的問題、實驗步驟等。在課中，通過線下課堂充分吸收理論知識和重難點知識，并根據預習報告進行線下學習和實驗，對于有危險的或難實現的實驗依然可以在線下虛擬實驗室進行。課后學生對課前預習內容和課中學習內容進行總結和鞏固，并對實驗結果和過程進行討論和分析，也可以在線下虛擬課堂進行實驗回顧和鞏固。

基于虛擬仿真技術的混合式教學，尤其是實驗教學，能夠充分地支持學生進行自主探究性學習，發揮教師作為指導者的角色。在整個教學過程中，視頻教學與虛擬仿真教學相結合，線上虛擬仿真實驗與線下實驗相結合，形成線上與線下深度融合的混合式教學。

圖1 基于虛擬仿真技術的混合式教學

(三)虛擬仿真技術應用于混合式教學的優勢

1.學習動機提升學習效率

技術的目的不是僅僅讓學生在技術中學習，而是通過技術來進行思考和創新。將現代技術應用于教育領域，不論從內部動機還是外部動機都可以激發學生的學習積極性。從內部動機來看，混合式學習和基于虛擬現實的混合式學習，相較于傳統課堂，都能夠讓學生在心理層面更加傾向于愉悅和愿意嘗試的；從外部動機來看，則能夠使學生更加感知到受到的激勵和互動。因此，虛擬仿真技術和混合式學習在教育領域的應用、在提高學習動機方面效果顯著。

2.虛擬情景設計提升學習體驗

學生在虛擬環境中探索時的臨場感和沉浸感，是提升學習體驗的重要因素。建構主義認為，學習總是與一定的社會文化背景即“情境”相聯系的。[3]學生的學習過程是在實際情景，通過認知情景去同化新知識，或者通過改造認知結構去順應新知識。因此，學習過程應該與情景實踐結合起來，將更有助于學生獲得更加積極的學習結果，在虛擬環境中的學習也更加注重教師的引導作用，讓學生能夠更加專注于自主探究性的學習過程。一方面，相對于傳統學習，混合式學習可以分別基于線上線下進行教學設計，教學任務情景設計更加豐富；另一方面，基于虛擬現實技術的混合式學習能夠構建更加真實的實驗實訓場景，讓學生在更加真實的情景交互中進行探究和實踐。

3.形成新型混合式實驗課堂

傳統實驗教學實驗過程主要發生在線下實驗室中，然而這種實驗教學方式已經無法滿足現代學生的學習需求和教學需求，將虛擬仿真技術應用于混合式教學中，可以進行線上線下一體化的實驗教學，滿足學生探究性實驗學習的需求，既能讓學生在線上獨立地進行實驗操作和學習，又能在線下通過教師的指導進行線下實驗，能夠很好地實現混合式教學和傳統線下實驗教學無法實現的教學目標，從而促進線上線下實驗教學能夠更加深入地進行。

基于虛擬現實技術的混合式教學，不僅能發揮混合式教學的優勢，還能彌補線上線下教學實踐鍛煉不夠充分的缺點。對教師而言，在混合式教學的基礎上，教師通過教學設計能夠更加充分地調動學生學習的動機，充分發揮作為教學引導者的作用，靈活采用線上線下以及虛擬現實教學方式。對于學生而言，有更多的學習和實踐方式、更好的學習情景體驗，能根據自己的情況進行個性化和探究性學習，無論是教師還是學生都能獲得更好的學習體驗。

結語

新工科背景下重視學生創新能力和實踐能力，這對創新性教學和實踐教學提出了很高的要求，混合式教學和虛擬仿真教學是當前提升教學質量新興手段，混合式教學可以提供豐富的線上線下學習資源，保證學生無論線上線下都能進行自主探究學習，虛擬仿真技術為學生提供了線上線下實踐情景，保證了學生線上線下都能進行實踐探究和實驗操作，兩者的結合能夠為學生提供全方位的理論學習和實踐操作平臺，實現優勢互補，提高學生的創新能力和實踐應用能力。