基于虛擬現實的師范生教學技能實訓系統的設計與實現

摘 要：提升師范生教學技能水平是師范院校教師教育工作的核心。運用虛擬現實技術能為師范生提供沉浸式訓練環境，提高實踐教學的效果，已成為促進師范生教學能力發展的新路徑。文章立足虛擬現實技術于師范生教學技能實訓的適恰性，以體驗式學習理念為支撐，設計了基于虛擬現實的師范生教學技能實訓系統方案與實現流程，并在實踐中進行了試用檢驗。結果表明：學習者沉浸體驗良好，虛擬實訓系統能夠支持學習者自主學習，能有效促進師范生實踐性知識的獲取與實戰能力的提升。

關鍵詞：虛擬現實；師范生；教學技能；實訓系統；體驗式學習

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2024）02-0024-9

引言

教師教育具有很強的實踐性，實踐教學是培養師范生實踐能力、促進職前教師專業發展的重要載體和必要途徑，在高等師范教育中具有舉足輕重的地位[1]。2018年教育部頒布的《關于實施卓越教師培養計劃2.0的意見》中指出，要“著力提高實踐教學質量。推進師范專業教學實驗室、師范生教育教學技能實訓教室和師范生自主研訓與考核數字化平臺建設，強化師范生教學基本功和教學技能訓練與考核” [2]。師范生教學技能訓練作為實踐教學的核心內容，是師范生教學能力培養的主要抓手與著力點，關系到師范生培養質量的高低，影響著高師院校人才培養的社會認可度。但從目前的師范教育現狀來看，伴隨師范教育辦學規模的擴大，受制于保障資源不足、課程實踐性不強、訓練模式單一、部分師范生自主訓練不充分等因素，部分師范生培養中的現實問題逐漸顯現，部分師范生的培養質量與社會對其實踐性能力的現實訴求呈現出一定的矛盾性。

隨著技術瓶頸的攻克、設備成本的降低，基礎級VR產品大量涌入市場，VR時代的實踐教學迎來了新機遇[3]。以沉浸感、交互性、構想性和智能化為主要特征的VR[4]，為解決當前師范生教學技能養成所面臨的現實困境提供了技術可能。VR技術在師范教育中的應用，有助于從實踐層面推動師范生教學技能的養成，優化以傳統微格教學訓練為核心的教學模式，逐步形成以VR教學技能實訓系統為平臺、以微課程為實訓資源、以任務式項目為驅動的新型師范生教學技能發展方式。本研究立足于VR應用于師范生教學能力養成的適恰性分析，設計開發了基于VR的師范生教學技能實訓系統，并在實踐中進行了應用與效果評價，以期為新技術環境下師范生教學能力養成開拓新的路徑。

一、VR應用于師范生教學技能實訓的研究現狀

微格教學對我國教師的專業化發展發揮著重要的作用。自20 世紀 90 年代開始，微格教學被引進國內，成為我國高師院校教師教育中教學技能培訓的主要形式之一[5]。但通過對師范生微格教學的審視，可以發現微格教學實踐中存在實踐場地不足、實訓設備欠缺、技能訓練單一、評價反饋力度不夠等問題，造成師范生技能實訓自主性弱、參與度受限、發展動力不足[6-8]。在信息化環境下，如何克服傳統微格教學的局限性，提高其應用效果，成為重要的研究課題。

近年來，VR理論研究和技術研究都取得較大進步。在國外，VR技術率先應用于軍事、醫藥、航空等領域，但是在教師教育領域的相關研究起步較晚，而且成果較少。在國內，2005年就有研究者通過Flash技術設計開發出虛擬的多媒體課堂教學環境，嘗試構建信息化時代教師教學訓練新模式，開展虛擬實習教學訓練[9]。在教師教育方面，袁南輝[10]嘗試將虛擬現實技術應用在“教育聲電系統”的課堂教學中，應用虛擬現實技術對電聲世界進行仿真，為學生提供逼真的聲場設計與測試環境。課堂教學評價結果顯示，基于虛擬現實技術的教學改革解決了傳統教學中難以用語言和繪圖表達清楚的抽象、工程、經驗等方面知識的教學問題，但當時只能形成桌面非浸入式VR系統。伴隨技術發展，研究者開始將浸入式 VR系統用于師范生教育，并證明浸入式VR系統能發揮操作性學習的最大效益，它可使學生學用結合，將所學知識技能遷移到真實任務中，建立知識及其應用情境之間的聯系。溫州大學李小志等[11-12]在微格教學訓練過程中引入虛擬仿真技術，利用Unity3D軟件和 Steam VR 軟件，設計開發了用于師范生課堂環境管理訓練和課堂教學管理訓練的微格虛擬仿真教學平臺。國內較多的研究和實踐將VR技術的運用放在課堂等學科教學的環境下，用于師范生技能培養的VR教學系統開發較少，且沉浸效果以及智能技術仍有待提高。但從相關文獻來看，基于VR技術的師范生教學技能訓練研究已成為關注性話題，極有可能成為師范生技能提升的未來發展方向。

二、基于虛擬現實的師范生教學技能實訓系統的設計

（一）設計理念

VR技術應用于教學不是簡單地敘述知識和傳遞技能，而是讓體驗者通過情境體驗得出體會，進而完成知識意義建構和技能習得。因此，注重學習者體驗學習是該系統的設計核心。20世紀80年代，組織心理學家大衛·庫珀（David Kolb） [13]提出了著名的“體驗式學習循環模式”。庫珀提出，體驗式學習要經歷四個階段：具體體驗、觀察反思、抽象概括和主動檢驗。有學者根據學習目標的差異，把體驗式學習劃分為3種基本形態：認知體驗式學習、情感體驗式學習和行動體驗式學習。以技能習得為主要目標的體驗式學習，被視為行動體驗式學習的體現，將“體驗式學習循環模式”4環節簡化為具體體驗、結果反思和主動檢驗3個基本環節的循環過程。該系統的構建與學習者體驗密切相關。首先，在具體體驗中獲得技能知識與經驗。技能培訓環境需要提供一種真實的體驗情境，以激發學習者的學習動機。在該情境下，學習者在與外部刺激的相互作用中獲取知識，產生各種體驗。在體驗情境中，可設置文字信息、語音提示、交互元素等，增強學習者的沉浸感和參與性。其次，豐富的交互設計促進師范生進行結果反思。人機交互應當具有一定的豐富性，這有利于學習者與學習環境要素之間的交流，使學習者在互動中不斷進行反思概括，從而完成對知識意義的建構。優秀的教學示范視頻以全景形式演示教師某項教學技能操作的全過程，并通過文字或語音的方式提出問題，讓學習者回答問題、討論等，促進學習者反思。最后，模擬真實情境下的主動檢驗。系統提供學習者自主探究練習的機會，可以針對不同的技能訓練進行活動設計、任務設計、關鍵事件設計等，為學習者進行技能練習提供支持。

（二）系統功能設計

系統將實現2個模塊3個層面的技能訓練。根據實訓目標和訓練內容，VR實訓系統應主要包括自主學習和模擬訓練兩大模塊。自主學習模塊主要是學習者學習基本知識、掌握相關技能基礎，是進行訓練的前提。模擬訓練模塊是學習者進行技能練習、結果反思與交互體驗的主要場所，是知識內化、遷移、應用與創造的“主戰場”，其核心功能是使學習者能在沉浸式三維虛擬場景中直接進行教學技能訓練。系統提供基礎技能、課堂教學技能與課堂管理技能三個層面的技能訓練。基礎技能是師范生必備的基本素質，包括著裝技能、普通話技能、粉筆字技能。系統根據各項技能的訓練目的、訓練內容，模擬真實訓練場景，提供訓練所需話筒和字帖等模型。課堂教學技能是教師教學技能的核心，根據《高等師范學校學生的教師職業技能訓練大綱（試行）》中所列出的9項教學技能，該系統提供導入、演示、講解、提問、結束5項技能的訓練。在此類技能訓練中，系統提供預設教案，師范生在預覽教案后，進入虛擬場景，對某項技能進行試講訓練，系統會對學生所選擇的技能方式進行反饋。課堂管理技能是較高層次的綜合教學技能，始終伴隨著課堂教學活動的開展，也是師范生必備的教學技能。系統主要針對真實教育教學情境中學生或學生群體可能出現的事件進行預設，依據事件的高低程度分別進行訓練，以提高師范生課堂組織管理技能。

1.自主學習模塊功能設計

在“自主學習模塊”，系統設置虛擬教師的三維模型，對學習者學習進行引導，并通過動畫、氣泡、提示語等多種方式，與學習者產生交互，增強其學習的真實感。虛擬教師不僅能為學習者展示某項技能的學習目標和知識點，而且通過多種交互方式使學習者了解學習進程、明確學習目的、進入學習狀態。經過該模塊的學習訓練，師范生能夠明確學習教學技能的目的和意義，形成一定的教學技能知識表征系統，從而能夠指導此后的教學技能訓練。

“自主學習模塊”包括“知識學習”“案例觀摩”“習題檢測”3個子模塊。①“知識學習”子模塊。該模塊提供關于技能的文本、微視頻、課件等學習資源，資源的內容主要是各項教學技能的功能、構成要素、行為要求及實施策略等，這是知識學習的重點。學習者利用VR手柄可進行播放、暫停、切換等功能操作，選擇個別化學習課程，實現學習。②“案例觀摩”子模塊。該模塊不僅提供豐富的真實技能案例資源供師范生觀摩學習，而且在呈現方式上，突破了傳統二維空間的學習方式，實現了在三維場景中VR全景觀看。該模塊對案例視頻加以處理，添加交互設計，在示范視頻關鍵“時間節點”進行批注式點評、注解或設置一些互動問題，讓學習者了解每個技能的操作原理，引發思考，以便遷移應用。示范案例既包括優秀的成功案例，也包括有缺憾的案例；既有設計者專門錄制的，也有業已存在的資源案例。對于成功的案例，學習者在觀摩評析過程中可以提煉經驗；對于有缺憾的案例，學習者可以通過觀前分析問題、觀中思考分析、觀后評價，達到學習效果。充分發揮案例教學的作用，既能激發學習者思考，又能引導學習者對知識原理進行反思，從而促進學習者對技能的高維度轉化。③“習題檢測”子模塊。該模塊不僅提供強大的試題庫資源，讓學生及時進行學習效果評價，還能及時提供評價反饋。機器評價能對學習者的作答情況進行自動評分并提供錯題解析。系統為每個師范生創建了電子檔案袋，學習者在“習題檢測”模塊的成績將自動記錄在內。學習者可以進行多次測試，得出在該技能下所獲取的認知數據。

2.模擬訓練模塊功能設計

該模塊包含“智能評價”“虛擬交互”“結果反饋”3個子模塊。本系統將師范生教學技能分為3個方面（基礎技能、課堂教學技能和課堂管理技能），系統為3個方面的技能訓練提供不同的支持。①“智能評價”子模塊。該模塊主要針對基礎技能訓練。學習者進入技能訓練情境，情境中提供與該技能相關的器材，如教師可搭配衣服、話筒（具備收音功能）、可臨摹字帖、粉筆、黑板擦等。隨后，通過系統語音或桌面顯示器提示，學習者可選擇訓練任務。師范生選擇對應教學任務后，可按照系統提示完成任務，整個過程會被記錄。系統提供實時診斷和反饋，及時糾正學習者的錯誤，給學習者提示正確的操作。整個任務操作完成后，系統會給出相應的評判。②“虛擬交互”子模塊。該模塊主要針對課堂教學技能訓練。學習者進入以智慧教室為模型的虛擬課堂場景，通過與講桌上的筆記本屏幕交互，獲得訓練任務和訓練內容。訓練內容來自供訓練使用的優秀教案數據庫，每份教案都可以供師范生完成從導入到結束5項技能的訓練。在實際操練中，學習者需要在規定時間內熟悉教案內容。系統根據預設的案例環境，建立信息框和相應的按鈕，為每個功能按鈕加載腳本命令。師范生通過觸發按鈕進入訓練情境，結束訓練后，系統執行虛擬學生腳本命令進行反饋與指導。數據庫留有擴展接口，在后續的教學中，可以添加新的教案以及相關的反饋意見，供學習者練習使用。③“結果反饋”子模塊。該模塊主要針對課堂管理技能訓練。系統通過設置不同的管理事件，使管理訓練難度級別從低到高，比如“說話”與“爭執”分別代表兩個級別的常見教學管理事件。系統會事先設計好課堂發生的活動事件，當事件觸發后，系統通過交互腳本產生信息提示。學習者依據自身判斷完成相應操作，系統與標準診斷數據庫中的操作進行匹配，給出相應反饋。在整個過程中，系統通過交互腳本記錄下學習者的操作軌跡，提示正確的操作信息，提高學習者的操作水平。

三、基于虛擬現實的師范生教學技能實訓系統的實現與應用

（一）基于VR的師范生教學技能實訓系統實現

基于VR的師范生教學技能實訓系統的實現主要分為三個階段（如圖1所示）：①前期資料收集整理階段：主要是將VR實訓系統中涉及的場景模型及交互信息進行整理，并收集與系統制作相關的圖紙、效果圖等，為系統的開發做好準備。②三維建模及場景搭建階段：利用第一階段收集到的素材進行場景建模，在3Ds Max軟件中形成相關格式的文件，并導入Unity3D引擎中進行場景搭建。③交互功能實現與發布階段：利用Unity3D引擎及C語言實現系統的人機交互功能，導出可執行性文件，完成整個系統的流程。

1.系統需求分析

系統需求分析主要是對系統的非功能性需求和功能性需求進行詳細分析。其中，非功能性需求分析包括開發系統的需求分析、系統可行性分析、系統性能分析，功能性需求分析包括場景建模、制作UI、模擬練習、場景漫游等。學科教學專家、一線教師、開發人員協商后，確定系統功能。

2.素材的采集與整理

本系統以現實教室為原型進行再設計，運用3D軟件建模，搭建出符合師范生教學技能實訓的虛擬智慧教室環境。例如，課堂教學技能訓練模塊場景構建過程中的桌椅、講臺、黑板、人物等三維模型，均以真實測量的教室模型尺寸、形狀等參數為基礎，并在VR場景下做了調整，讓學習者在場景切換中實現全新的視覺與交互體驗，以保持其學習興趣。其次，根據需求分析，獲取微視頻、試題、課件、實訓教材等學習資源。對這些資源進行篩選和剪輯，并撰寫和修訂解說詞文稿，討論商定學習資源的呈現方式、擺放位置等。最后，對虛擬場景中的鈴聲、解說詞進行加工制作，滿足場景需求。

3.虛擬場景設計與三維建模

通過AutoCAD軟件制圖測量結合3Ds Max三維建模軟件構建真實的1∶1場景模型，最大限度地還原教學技能訓練實景。在設計過程中，考慮到體驗者的身高、情緒、習慣等生理影響因素，對尺寸、模型、環境都進行了調整。使用Unity3D強大的真實物理模擬系統與燈光系統模擬出真實光源效果，增強互動性與沉浸性。基于3Ds Max軟件構建平臺，將3D模型進行面數整理、UVW展開、材質貼圖繪制等處理方式，保證整體系統的視覺真實感與流暢度。為保留模型原始狀態并傳遞到Unity3D中，在導出中設置統一數據單位，保持 Unity3D場景中模型的協調性。在保證畫面完整度的基礎上，通過Unity3D游戲引擎把不必要的面數、材質、法線貼圖等模型參數進行整理合并，最大限度地減少數據量、優化人物細節、提高運行速度，保證在配置較低的端口運行，減輕GPU運行負擔，保證系統的流暢性。

4.引擎中場景的制作

Unity3D游戲引擎內置了使用較為廣泛的物理引擎，使用該物理引擎，用戶可以高效并真實地體驗粉筆字書寫、普通話測試、突發事件處理等教學技能訓練。本系統使用手柄震動、聲音提醒、顏色變化、場景紅閃等多個交互設計來影響用戶情感呼應及教學技能訓練，進而提升用戶的教學技能訓練效果。比如，在粉筆字訓練場景設計上，場景中的粉筆、黑板、黑板擦等3D模型都設定了不同力度的反饋，高度還原了真實環境中粉筆字書寫的直觀感受，便于參訓者根據書寫規范進行練習。當手柄碰到粉筆時會有動感反饋，粉筆自身提亮并進行觸碰提示，使用者即可拿起粉筆在黑板上書寫。黑板擦具有擦除功能，便于筆畫修改。

5.音頻的制作與嵌入

本系統需要系統提示語、虛擬角色配音、場景聲音等音頻素材，為此，請專業配音人員錄制所需音頻，按內容分割成不同片段加以保存。依據學習者的訓練環節需求添加相應音頻，當學習者進入該環節，播放語音解說，引導學習者進行學習與訓練。根據學習者預設觸發行為，提前設計虛擬教師或虛擬學生的語言與行為。根據訓練需要，在關鍵位置添加場景聲音，增強情境體驗。

6.視頻的嵌入和控制

本系統具有豐富的學習資源庫，視頻資源是資源庫中的重要類型。將視頻觸發器嵌入場景中特定的位置，并以明顯的Video圖標進行提示，當學習者點擊該圖標時，會彈出獨立的窗口播放視頻。學習者可以通過手柄進行視頻的切換和播放控制。

7.用戶界面的設計與實現

VR師范生教學技能實訓系統中的界面分為兩部分：一部分作為整個實訓系統的UI視覺界面，用于用戶進行功能選擇；另一部分作為系統中的主要交互區域，模擬真實環境中的練習，學生進入系統即可展開相應訓練。當師范生進入系統后，在系統語音提示下，與黑板交互選擇訓練身份，選擇“我是學生”進入自主學習模塊，選擇“我是教師”則進入模擬練習模塊。訓練身份的選擇，可讓師范生有角色扮演感，增強實訓效果。在技能選擇界面，系統提供目錄式導航，讓學生既能把握技能訓練整體，又能迅速選擇自己要訓練的技能。系統中的UI還起到提示作用。當學習者觸發事件時，系統會在關鍵位置出現提示框，告知體驗者做出相應的行為。

8.沉浸式VR的運動交互

結合虛擬現實的頭盔顯示器、手柄控制器及虛擬現實動捕手套，通過手柄及動捕手套與系統各模塊產生交互，實現教學技能訓練的交互體驗。學習者可在虛擬場景內沉浸走動，并與周圍的物件、資源產生觸碰，激發行為與學習的發生。實訓系統突破了空間、時間、互動等現實問題，大大提高學習者學習興趣。

9.優化和打包發布

Unity3D 是一個跨平臺的游戲引擎，開發出的系統是虛擬實訓系統，選擇將開發好的虛擬實訓系統發布到 PC 端，點擊運行即可。

（二）基于VR的師范生教學技能實訓系統試用與成效

1.基于VR的師范生教學技能實訓系統試用

為了驗證基于VR的師范生教學技能實訓系統的訓練效果，本研究采用實驗設計的方式，隨機選擇某省屬師范大學教育技術學專業大二師范生30人（男生12人，女生18人）作為試用對象進行效果分析。選擇“粉筆字技能”作為本次測試訓練內容。實驗開展過程中，每位參與同學的VR體驗時長約為20分鐘，參訓者都經歷了兩個階段的體驗。第一階段為自主學習模塊體驗，師范生進行粉筆字技能的理論學習與案例觀摩，并完成題測與案例觀摩反思。第二階段為師范生模擬練習模塊體驗，師范生沉浸于虛擬課堂環境中，進行粉筆字技能實操訓練。

實驗結束后，請試測師范生填寫教學技能實訓系統調查問卷，并對他們進行質性訪談。問卷內容基于技術接受度模型，借鑒IPQ 沉浸感問卷[14]、系統應用態度問卷[15]、教學材料動機問卷及虛擬仿真實驗問卷[16-17]，分別測量師范生的沉浸感、實訓態度、實訓動機與實訓意圖4個維度（如表1所示）。問卷共包括45道題，每題采用5級李克特制評分。訪談采用半結構式，訪談內容圍繞兩個問題：一是試測者對于實訓系統的總體感受；二是試測者提出的改進意見。

2.試用結果分析

本實驗共發放問卷30份，回收有效問卷30份，所有的量化數據轉化為IBM SPSS 25.0 統計格式的文件進行數據分析。從回收的數據看，該問卷的Cronbach’s α信度系數為0.84，表明問卷信度較高。從基本信息看，多數師范生體驗過同類的VR設備（66.7%），但所有師范生都缺乏基于VR開展教學技能實訓的經驗。利用斯皮爾曼相關性系數對沉浸感、實訓態度、實訓動機和實訓意圖作相關分析（見表2）。由表2數據可知，實訓意圖與沉浸感（r=0.617，plt;0.01）、實訓態度（r=0.602，plt;0.001）和實訓動機（r=0.723，plt;0.001）存在顯著相關關系，實訓動機與沉浸感（r=0.524，plt;0.01）和實訓態度（r=0.426，plt;0.01）顯著性相關，但實訓態度與沉浸感并不呈現顯著性相關（r=0.306，pgt;0.05）。為進一步探討師范生教學技能實訓系統的實訓效果，利用多元回歸分析檢驗了沉浸感、實訓態度各二級指標分別對實訓動機和意圖的具體影響（見表3）。將沉浸感的二級指標（臨場感、交互感、參與度、真實感）和實訓態度的二級指標（感知易用性、感知有用性、情感體驗）分別與實訓動機和實訓意圖進行多元回歸分析，由統計分析結果可知，沉浸感的各二級指標對實訓動機正向影響顯著；而在實訓態度中，感知易用性和情感體驗對實訓動機存在顯著性正向影響，但感知有用性影響不顯著，下一步在系統的優化和完善中需重點關注。對于實訓意圖，沉浸感和實訓態度各二級指標均表現出正向促進，說明試測師范生在體驗實訓系統過程中對該實訓系統持肯定態度，并且表示出應用該系統進行教學技能提高的行為意向。

訪談結果顯示，師范生認同實訓系統所創設的虛擬環境，表示在實訓過程中獲得了良好的實踐體驗，愿意基于實訓系統發展自身能力。對于系統的優化和完善，師范生以真實課堂環境下的實踐體驗為依據，提出了相關建議：一是粉筆的精確度還需提高，二是聽覺上的反饋內容還需豐富。結合實訓系統評價問卷和訪談的數據分析結果可知，基于VR的師范生教學技能實訓系統充分展現出了VR融入的技術優勢，具備師范生開展自主學習的支撐條件，能夠有效地促進師范生實踐性知識的獲取與實戰能力的提高。

四、結語

基于虛擬現實技術，利用Unity3D引擎、3Ds Max軟件、C語言等多種開發技術設計的師范生教學技能實訓系統，實現了用戶在三維虛擬環境中的知識學習和虛擬操練等功能。該實訓系統的開發不是要完全摒棄傳統的師范生教學技能訓練方式，而是希望能從新的技術視角出發創新訓練方式，以解決目前師范生教學技能訓練中的難題，促進技術更好地賦能教師專業成長。該系統后續將在兩個方向進行改進：系統當前實現了單人單機情況下的開發使用，后續將進一步增強網絡版的研發；系統需進一步提高交互靈敏度，增加多元人機交互功能，增強用戶體驗感。利用虛擬現實技術進行師范生教學技能實訓是一種提高實訓質量的有效方法，但如何與傳統實訓方式進一步結合，提高虛擬現實技術改進教學的有效性，有待持續研究與實踐。

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