虛擬現實技術課程混合式教學模式研究

摘要：傳統虛擬現實技術課程存在教學資源不足、教學設計脫離產業需求、教學跟蹤困難等問題。本研究提出為虛擬現實技術課程引入混合式教學模式，從學習者分析、樹立課程學習目標、設計課程內容、確定教學方法和策略等方面構建教學設計，從教學資源準備、教學工具選擇、課程計劃實施、學習者進度管理以及教學策略調整等方面實施教學，以“常規教學任務+現場實踐演示”等方法評估學習者學習成果和能力，通過案例實踐解決上述問題。

關鍵詞：虛擬現實技術；混合式教學；翻轉課堂

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0142-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR） ，強調在虛擬空間對真實世界的模擬與體驗，是推動元宇宙發展愿景的核心技術之一。自2016年“虛擬現實元年”以來，眾多高校開設了虛擬現實技術課程，旨在培養具備扎實知識、技能、素養的虛擬現實技術專業人才。傳統的虛擬現實技術課程，在實際教學中存在教學資源不足、教學設計脫離產業需求、教學跟蹤困難等問題，影響課程教學效果。因此，本研究基于上述背景，提出一種面向虛擬現實技術課程的混合式教學模式，以期對類似問題提供解決方案。

1 現狀分析

混合式教學，是將線上線下結合的一種新型教學模式，可有效聯結面對面教室授課與在線平臺遠程授課，尤其在新冠疫情期間為教學活動的順利開展提供了重要支持。何克抗認為，混合式教學是一種可預見的教育變革趨勢，是傳統學習與網絡在線學習的結合，對混合式教學的核心特征進行了總結[1]。Govaerts認為，在大教室中將社交媒體整合進課堂教學可以增強教學資源的豐富性[2]。Yang認為，將線上學習、小組討論、實踐實驗工作、自我激勵等多模塊構成翻轉混合式學習，可以提高學習者的參與度，有助于提升學習者邏輯思維以及分析和創造性思維[3]。Rasheed認為，通過在混合式教學的在線組成部分中添加基于同伴學習的自我調節策略框架，可激勵學習者充分參與小組討論與合作，減少無效學習[4]。Alonso提出，在教學中部署遠程學習系統，采用溫和的建構主義策略，可以較好地開展混合式教學并進行有效的跟蹤管理[5]。由此可見，混合式教學在增加教學資源豐富性、提高學習者參與的積極性、促進教學設計的合理性以及改善教學跟蹤管理的有效性等方面可以起到一定的積極作用。

虛擬現實技術課程，是一門技術性較強的專業課程，與當下前沿的元宇宙建設需求關聯密切。由于教材、微課等配套教學資源的建設存在一定滯后性，同時新技術的迭代升級速度較快，在實際教學過程中易產生教學資源缺乏的現象。虛擬現實技術課程，也是一門基于項目開發性質的應用型課程，教學產出需要滿足XR（Extended Reality， 擴展現實）產業的實際需求，因此對于教學設計提出較高的要求。由于相關師資的培育需要時間周期，任課教師對技術細節以及產業需求的不熟悉容易造成對教學的不自信，在實驗項目設計時無法兼顧項目開發的完整性與實用性，讀念幻燈片等現象并不鮮見，影響課程教學效果。此外，由于虛擬現實技術課程的知識點之間邏輯聯系緊密，一旦某個章節知識點脫節，將會影響整個學期的學習進展，因此對于課程教學記錄的跟蹤也提出了較高的要求[6]。上述現象意味著教師需要在課程教學設計、教學實施、教學評價等方面持續進行改革，提升教學質量。

2 課程教學設計

本研究以浙江樹人學院虛擬現實技術課程作為案例，從課程的學習者分析、樹立課程學習目標、設計課程內容、確定教學方法和策略等角度闡述課程設計思路，從教學設計著手提升項目設計的完整性與實用性，加強與產業需求的對接。

2.1 學習者分析

虛擬現實技術課程的前置課程需求為C#程序設計語言、3D建模技術，需要學習者掌握C#基礎編程語法和小型程序編寫能力，以及3ds Max、Maya等主流建模軟件的使用方法。3D建模技術可以支持XR項目的資源設計與管理，C#可以支持XR項目的交互功能開發，上述前置課程需求分別對接虛擬現實技術課程的設計與開發環節，可滿足學習者的基本起點水平要求。針對有前置課程學習基礎的學習者，課程設計可以安排進階的難度曲線，利于分層教學與個性化學習開展。針對缺乏前置課程學習經驗或者對前置課程內容遺忘較快的學習者，課程設計可以在前期安排基礎內容開展復習，設計平緩增長的難度曲線，以此滿足最大比例學習者的需求。同時，課程結合學習通平臺，設計足量的教學資源以匹配難度曲線，滿足不同層次學習者的需求。

2.2 樹立課程學習目標

虛擬現實技術課程學習目標，需要學習者能夠描繪對虛擬現實技術在新基建的正確價值認知，能夠表述虛擬現實技術的各項基本概念，能夠列舉虛擬現實技術所服務的各類數字化應用場景，能夠獨立配置虛擬現實的開發環境，能掌握至少一項虛擬現實工程項目的模型資源管理、仿真場景中的常見交互腳本編寫技巧，能夠正確發布包括Windows、Android、Web主流平臺在內的虛擬現實應用程序。上述課程學習目標，基于情感、知識、技能維度為學習者樹立了學習方向，確定了新工科人才培育的路徑，既為學習者自主學習設定了依據，也便于教師對課程的量化考核，能較好地適配于混合式教學環境，符合產業需求。

2.3 設計課程內容

虛擬現實技術課程內容設計遵循了項目式學習（Project Based Learning） 原則，以完成一項標準XR項目為目標，設計對應的學習內容。如圖1所示，課程內容的設計邏輯是基于項目工程開發的流程時間線：首先，學習者通過網絡引擎、數據庫檢索虛擬現實技術的概念、分類、常用工具、應用領域以及在各類數字化應用場景的典型案例。該項內容主要對應XR項目的立項階段，內容以XR項目的可行性分析為主，要求學習者通過各類途徑主動調研XR項目在技術、工程、經濟等方面是否合理可行。其次，學習者對Unity引擎的Android SDK、Java SDK環境進行配置，構建Android移動端的調試與發布環境。該項內容主要對應XR項目的配置階段，內容以XR項目從正常構建到發布的流程規律為主，首要滿足Android移動端的環境穩定性。再次，學習者對3D模型資源、剛體動畫、骨骼動畫等對象進行管理，填充虛擬現實項目工程的設計層面資源。學習者基于C#語言對工程對象的常規交互動作進行編程，包含對象的旋轉、縮放、拖拽、查找、導航以及音視頻控制等，滿足用戶常規操控功能要求。另外，學習者在前述基礎之上，分別采用Vuforia與Cardboard技術開發增強現實（Augmented Reality，簡稱AR） 、虛擬現實功能。該項內容主要對應XR項目的設計與開發階段，分別將資源應用到場景界面設計、常規交互設計以及XR功能開發，將學習者的創作構思予以實現。最后，學習者將各個模塊功能予以完善，并進行整合，最終發布為一項綜合性的XR成果[7]。該項內容對應XR的檢驗階段，內容主要包含對項目風險的分析、項目質量的監督、項目成果的驗收等，考驗學習者對項目的總結能力。上述內容設計，符合XR項目開發的過程管理規律，利于項目組的工作任務分配，能較好地對接各類創新創業、科技競賽實踐活動，體現出較強的實用性與完整性。

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圖1 課程內容結構

2.4 確定教學方法和策略

虛擬現實技術課程所采用的教學方法，主要為翻轉課堂教學法、項目教學法、體驗式教學法。其中，翻轉課堂基于學習通平臺，教師課前提前發布若干預習任務，引導學習者自學基本概念與背景知識，課中以理論和實踐結合的案例引導學習者了解項目技術流程，課后發布作業驅動學習者理解技術細節與問題解決辦法。項目教學法，以學期為時間跨度分解技術環節并整合為一項綜合性XR項目，學習者在課程的學習階段可以建構較為完整的XR項目經驗與知識，同時也便于教師對教學進程的模塊化管理。體驗式教學法，將虛擬現實頭盔、混合現實眼鏡等硬件設備提供給學習者調試課程作業，學習者可以檢驗XR項目的成果，一方面相較仿真調試更易發現可能存在的問題，利于現場的快速調試修改，另一方面也可加深學習者的臨境感體驗，培養創作自信。

教學策略方面，主要采用了先行組織者策略、行為練習策略、自我管理策略。其中，先行組織者策略的實施步驟是，教師在學習通平臺預備元宇宙等案例材料并設計實踐任務，在任務開展中不斷呈現案例，通過學習通的問卷詞頻引導學習者對概念進行總結，并在任務實踐中予以強化。行為練習策略的實施步驟是，教師結合課程內容結構，設計程序化的任務目標，以學習通的時間限制功能驅動學習者在任務點自學以及獨立練習掌握新技能。自我管理策略的主要實施步驟是，教師對虛擬現實技術在數字化應用場景中的案例進行分析，配合學習者的綜合項目設計任務，引導學習者在應對社會需求、培養正確價值觀等方面形成完善的自我決斷、自我指導計劃，改善不良的隨機行為。

3 課程教學實施

虛擬現實技術課程的教學實施主要包含教學資源準備、教學工具選擇、課程計劃實施、學習者進度管理以及教學策略調整等環節，以此解決教學資源不足、教學記錄難以跟蹤等問題。

在教學資源準備環節，任課教師不斷總結積累教學經驗，借助學校所提供的軟硬件資源，將案例制作微課視頻進行分享。該微課視頻一般按知識要點與實例操作兩部分組成，知識要點主要針對課程內容不同章節的XR重點難點知識進行組織，按演示幻燈片形式進行設計，實例操作主要采用Unity引擎進行錄屏剪輯，將重點難點知識結合案例演示予以體現。此外，課程組與企業開展產學合作協同育人項目，借助企業所提供的數字化應用開發軟件資源構建學習環境，在實踐教學中分發給學生進行操作驗證與探索性任務實踐，以此解決教學資源不足的問題。在教學工具選擇環節，任課教師借助學校所建設的智慧教室、光纖校園網絡以及學習通平臺，可較好地滿足線上線下混合式教學條件。其中，學習通平臺滿足線上環境要求，通過“章節”提供課件自學資源與驅動學習任務點，通過“作業”提供課后實踐，通過“班級活動”滿足個性化學習、討論式學習等學習活動。智慧教室滿足線下環境要求，借助全數字設備智慧投屏與多源信道滿足多平臺數據的靈活切換與快速展示，借助智慧白板開展知識表述、總結與建構，提升現場教學互動效率。光纖校園網絡保證互聯網+教學的穩定性，實現智能手機、平板電腦、個人電腦等多種學習設備的同步學習。

在課程計劃實施環節，主要依據圖1所示課程教學內容結構，將課程章節劃分為7個教學單元，按照項目式學習原則循序推進，以教學資源滿足學習環境構建，設計在線討論、案例分析等教學活動引導學習者參與學習，并借助學習通的“作業”鞏固所學。在學習者進度管理方面，主要基于學習者參與積極性、參與完成度、回答正確率等進度數據進行考查，任課教師借助學習通的教學活動數據分析學習者的積極性，借助“作業”“在線測試”的數據分析學習者的參與完成度與回答正確率，獲知學習者的學習狀態，并及時加以干預，解決學習進度跟蹤困難的問題。在教學策略調整環節，任課教師基于學習者學習進度與學習狀態，以最優化原則及時調整教學策略，保證整體學習進度的有效推進，如加入小組交叉策略激發學習者異質組合優勢，提升有效學習。

4 課程教學評價

虛擬現實技術課程的操作要求較高，任課教師設計“常規教學任務+現場實踐演示”的方法評估學習者學習成果和能力。其中，常規教學任務主要是基于學習通開展翻轉課堂教學，通過大量的案例教程、在線測試、在線討論等活動驅動學習者自主學習，教師則作為教學引導角色開展分析、解釋、答疑、總結等工作。現場實踐演示主要是配合課程作業，要求學習者主動將虛擬現實作業成果發布在Android手機，在實驗課現場演示效果，以此來培養學習者的自我問題解決能力以及創作自信。上述評估內容作為課程的過程性評價，占據課程總成績比例的50% [8]。此外，任課教師圍繞課程的核心技術特征，結合社會經濟需求設置諸如“文旅元宇宙”等實用性較強的主題作為期末作業要求，引導學習者在調研與創作過程中提升個人專業技能、弘揚愛國精神。

5 結論

本研究探討了一種虛擬現實技術課程的混合式教學模式，依托案例從教學設計、教學實施、教學評價等方面全面闡述了線上線下結合的混合式教學思路，以產業需求為依據，遵循項目工程管理規律，提升課程的實用性、完整性及專業性；以翻轉課堂為理念，為學習者提供充分的教學資源，設計符合學習規律的教學方法，開展有效的學習者進度管理，有效解決了教學資源不足、教學設計脫離產業需求、教學跟蹤困難等問題。虛擬現實技術正在快速迭代發展，需要課程組不斷與時俱進，優化混合式教學模式，培育虛擬現實技術專業人才，為元宇宙等數字化產業建設服務。

參考文獻：

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[3] YANG S F，NEWMAN R.Rotational blended learning in computer system engineering courses[J].IEEE Transactions on Education，2019，62（4）：264-269.

[4] RASHEED R A，KAMSIN A，ABDULLAH N A.An approach for scaffolding students peer-learning self-regulation strategy in the online component of blended learning[J].IEEE Access，2021，9：30721-30738.

[5] ALONSO F，MANRIQUE D，MARTINEZ L，et al.How blended learning reduces underachievement in higher education：an experience in teaching computer sciences[J].IEEE Transactions on Education，2011，54（3）：471-478.

[6] 徐瑾.新工科背景下“三維一體多元融合” 的虛擬現實技術課程教學改革與實踐[J].軟件，2021，42（6）：6-8，34.

[7] 李海東，吳昊.基于全過程的混合式教學質量評價體系研究——以國家級線上線下混合式一流課程為例[J].中國大學教學，2021（5）：65-71，91.

[8] 張倩，馬秀鵬.后疫情時期高校混合式教學模式的構建與建議[J].江蘇高教，2021（2）：93-97.

【通聯編輯：王 力】