虚拟现实课堂五段式教学设计模型

本文发表于 《数字教育》 2020年第2期（总第32期）基础教育信息化栏目，页码：54-60。转载请注明出处。

摘 要：虚拟现实技术在教育中的应用越来越广泛，部分中小学教师已把虚拟现实技术纳入课程设计中，但是课程设计并没有取得预期的效果，因此推动虚拟现实课堂的首要任务是产生一个适用的教学设计模型，在充分发挥虚拟现实技术优势的前提下设计跟组织课堂活动。文章设计了一种以建构主义学习理论和STEAM 教育模式为借助适用于虚拟现实课堂的教学设计模型，且从该建模的理论基础、基本环节、评价体系等方面具体体现了该教学设计模型的组成要素跟基本构架，然后以虚拟现实课程“解码古代建筑的黑科技”为例，具体表明了该教学设计模型的应用，以便给虚拟现实教育构建中的学生提供帮助和建议。

关键词：虚拟现实；五段式教学设计模型；情境教学；STEAM 教育

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随着虚拟现实设备的不断发展跟改良, 虚拟现实技术越来越多地应用到中小学课程教育中。虚拟现实课堂不同于传统教学，学生在课堂中除了必须使用虚拟现实头盔等设施，还必须虚拟学习资源与课程的课堂目标紧密结合。但是虚拟现实技术在实践教学中的应用还进入高级阶段，相关的研究成果不够丰富，且大多属于经验型研究，缺乏配套的理论指导和方式构建 [1] 。很多中小学教师缺乏对虚拟现实课堂的实践心得， 所以在设计虚拟现实课堂时无所适从。为了让虚拟现实技术更好地应用到教育课堂中，亟须一种教学设计模型为学生提供帮助和鼓励。

一、虚拟现实教育应用的国内外研究评述

（一）国内研究综述

国内有长期的专家强调虚拟现实技术是可以应用到教学中的，这些专家包括了中小学教师和高等院校教师。刘勉在其文章中强调可以设计虚拟现实视域下的今后课堂教学模式，其中涵盖增强现实跟虚拟现实两种科技，并借助课堂案例讲解了该体系的详细应用 [2] 。同济大学的专家强调虚拟现实技术在历史教学中的应用，以延续历史画面的方式促使师生的学习热情 [3] 。

（二）国外研究综述

国外的专家强调虚拟现实应用的范围可以扩展至戏剧和乐器教学、工程建设教学、软技能教学、世界观教学（变革性体验）；Serafin 等学者 [4] 提出虚拟现实可以为学员提供更多可以获得音乐技能的选取；Rajeswaran 等学者 [5] 提出VR 在医学训练中使用有更广阔的前景；Schild 等学者 [6] 提出可以设计多用户虚拟环境使得提高虚拟学习方法；Pena 等学者 [7] 提出可以在建筑工程领域采取虚拟现实，在确保施工人员的安全下，再现事故画面, 起至防患于未然的作用；Hickman 等学者 [8] 提出虚拟现实课堂除了可以帮助学员学习必要的理论常识和专业技能，还可以培养学员的软技能，例如领导素质、沟通能力、整合能力、跨文化学习能力和观察反应能力；Stepanova 学者 [9] 提出世界观教育，例如可以运用虚拟现实技术设计一个非常惊艳的画面，通过影响学生的认知，从而妨碍学生的思维跟行为。

由于VR 设备本身的特殊性，通常虚拟现实课堂中都采取协作学习，而协作学习则可以分为“full-collaborative”和“semi-collaborative”，研究证实，后者很有利于培养教师的社会存在感 [10] 。

上述研究成果为五段式教学设计模型的形成提供了理论基础，强调虚拟现实课堂可以培养教师的协作学习素质，增强教师的学习兴趣。

二、虚拟现实课堂五段式教学设计模型

（一）五段式教学设计模型的理论基础

利用 VR 技术，完成教学类型转化、教学方法转换、教学方法转换、教学形态转换或者教学空间的形态转换，形象生动地展现了事物的性质、规律及其事物之间的内在联系 [11] 。

首先，五段式教学设计模型以建构主义为理论支撑。建构主义有四个核心要素，即情境、协作、会话、意义阐释。建构主义强调以学为主，强调教师的主观能动性，认为教师的有意义学习是在必定的学习情境中学习者新旧知识间形成联系后出现的；同时建构主义认为，在教学学习中学生会跟周边的环境、教学媒体或者同伴发生交互，在交流互动的过程中学生可以更好地发挥主观能动性，交流的过程中也可以推动知识的构建跟升华。

其次五段式教学设计模型以STEAM 教育模式为借助。STEAM 教育模式提出将科学、技术、工程、艺术跟物理等几个方面的内容有效地结合在一起，培养教师的综合能力，要使学生学会利用相关联学科的探究和学习方法去探讨问题、解决难题 [12] 。随着素质教育的不断推广，在虚拟现实课堂中，逻辑能力跟设计能力的培养作为教学设计环节中不可或缺的部分。

虚拟现实课堂以其超强的沉浸性和交互性可以为学生提供最优的学习情境跟设计创新的学习空间，情境设计以STEAM 教育模式为指导，培养教师知识技能的同时也增加学生的软技能，情境教学和有意义学习才能最大限度地发挥虚拟现实技术的优势特点。

（二）五段式教学设计模型的基本结构

教学设计模型主要用于虚拟现实课堂的设计，所以在设计过程中主要关注的核心难题有三个：一是学生为什么要在虚拟情景中学习，二是教师要在虚拟情景中学到哪个，三是学生在虚拟情景中学会了吗。而这三个问题将在教学设计模型中详细展开，模型结构如图1 所示。

1．学生需求分析

五段式教学设计模型的起点是学生意愿分析。学习需求是学生希望超过的目标跟学生现有知识素养的一个差值。教师或课堂设计员工在知道学生学习意愿后可以按照需求的内容选取教学媒体。对于无法使用非虚拟资源解决的常识问题无须使用虚拟环境，而针对一些高危险、高消耗以及现实生活中不可及的画面则可以优先采取虚拟资源。

2．学习目标预测

第二部分是学习目标预测。教师或课堂设计员工依据学生意愿跟教学大纲对已经学习的内容进行知识细分，保证学员有意义学习的出现，通过课程取得相应的常识技能。过程与技巧目标，主要确保学生在学习利用虚拟现实技术，通过虚拟实验推动意义的构建 [13] 。学习目标的编写还依赖于学习者特征分析，正确地分析学习者可以帮助学生或课堂设计员工对教学目标进行适度调整，使得教学目标的完成度更高。

3．学习策略选择

第三部分是学习策略选择。虚拟现实课堂中教学媒体和教学资源更多的是虚拟情境中的内容，且支持教师自主学习和协同学习。在虚拟环境中“以学为主”的课堂策略非常实用，学生可以更好地发挥主观能动性， 提升学习效率。学习的路线是由学生借助问题进行设计的，学习者走那条路径体现了教学的信念跟策略 [14] 。

4．学习活动设计

第四部分是学习活动设计。学习活动是虚拟现实课堂中的核心内容，同时也有虚拟现实课堂的实践个别，学习活动设计更可表现教师或课堂设计员工的智慧。学习活动设计主要包括五个基本环节：分别为情境创设、明确问题、探究取证、总结反思和拓宽延伸。这五个环节环环相扣，推动教学有序发展，其中研究取证环节可以按照教学目标的意愿选择不同的探讨方式，这里的选取依赖学生或教学设计员工对教学目标跟学员特征等详细原因的确切判断。为了最明白地体现五个环节之间的关系，我们借助学习活动设计模型准确介绍，模型如图2 所示。

环节一：情境创设

虚拟现实具有极强的交互性，且虚拟现实场景高度仿真，可形成强烈的沉浸感。教师或课堂设计员工在设计VR 资源时需要选用跟教学目标最为贴近且无法跟学生已有知识结构形成联系的资源或知识点，同时通过虚拟现实技术建立逼真的难题情境，让学生无法推动感官沉浸、挑战沉浸和想象力沉浸 [15] ，在促使学生兴趣的同时引起教师思考。虚拟现实学习环境的设计也是促使推动学生心流的形成 [16] 。

环节二：明确问题

沉浸式虚拟情景更容易让学员很快地开启课堂。学生切身体会后对难题的感知会变得脆弱。教师在困惑引导的过程中会变得易于。学生看到问题后，教师予以适度的告诫和常识补充，引导学生进行设想，猜想问题产生的可能性因素。

环节三：根据教学目标要求选择研究方法

探究方法分为自主研究和协同探究两种方式，课堂活动十分灵活。在选取时应留意以下原因：教学目标、学生数量、问题规模、课堂时间、虚拟资源种类等。当学员数量较少时，教师可以选用自主学习，保证自主学习的强度；反之则可以选取协作学习，提高教学的学习效率。

环节四：自主探究/ 协作探究

自主研究的过程为探讨问题要素、虚拟环境研究、传统课堂资源学习、归纳分析跟形成个人成果。其中所有环节的进行依赖于学习者自己、教师或课堂设计员工将虚拟资源跟传统教学资源提前设计完成，学习者以这种资源为根据开始自己的探讨过程，虚拟资源支持学生的假定、推理、设计、验证、分析、数据处理等过程，教师可以为其提供课堂指导，最终学生产生个人成果，完成研究过程。

协作研究的过程为探讨问题要素、小组成员分工、虚拟环境研究、传统课堂资源学习、沟通交流、归纳分析、形成小组成果。其中所有环节依赖于团队一同完成，分析问题后小组成员应进行细化分工，防止发生分配不公、学习效果差等现象。学生以虚拟资源为主，传统资源为辅。学习完成后进行外部讨论，将学习结果预测汇总产生最终小组成果。协作学习应该大家分享交流、取长补短、互相借鉴。教师在师生研究过程中需要引导学生分享观点、提出疑问、解决难题，并且做好设备跟课堂之间转化的打算工作，不能让设备影响课堂秩序，两者要相辅相成。

环节五：总结反思

课堂从问题开始，以难题解决结束。学生无论通过那种方式解答疑问，都需要经过严格的探讨跟不断的修改反思。教师可以组织师生对学习成果进行汇报交流，并将学习内容进行探讨总结，引导学生对研究过程中出现的难题和形成的困惑进行探讨跟反思，培养教师良好的学习习惯，注重学生认知习惯的养成，帮助学员完成高阶学习目标。

环节六：拓展延伸

知识拓展，尤其对中小学生来说十分重要。实践是检验真理的唯一标准。教师应组织师生对知识进行拓宽和应用，将知识横向和纵向拓展，帮助学生很深层次地看到问题，从而缓解问题。

上述几个环节再现了学习活动设计的基本内容。教师或课堂设计员工在使用虚拟现实课堂时可以根据上述内容对课程的活动进行设计跟选择，以推动科技和教育内容的无缝对接，使科技更好地服务于教育。

5．学习评价设计

五段式教学设计模型的第五部分是学习评价设计。虚拟现实课堂看似不可控，但是通过适当的评判工具， 可以将灵活的虚拟环境跟虚拟活动量化。教学设计员工在设计评价环节时应选用一种适用于虚拟现实的评判工具，具体的评价方法如图3 所示。

首先在探讨学习者的常识结构时可以使用思维导图。思维导图可以展现出学习者对于某一知识的关联性认知，在课程结束后可以借助绘制思维导图的方法测量学生的学习效果。教师可以迅速了解师生的知识状况 [17] 。为了变得显著地展现出学习变量，采用前测+ 后测的方法。首先使学生绘制一个初始思维导图。待课程结束后，让学员在原有思维导图的基础上进行补充绘制，通过知识增量可以判定出学生的学习状况。

学习者的学习动机受评判反馈、技术可用性、交互性、沉浸感、构想性等多重原因的妨碍。评价反馈和技术可用性是制约学习动机的根本原因。沉浸感和构想性直接影响学习动机 [18] 。为了有效判断学生使用虚拟现实课堂对其学习动机的妨碍，以美国教授凯勒 [19] 提出的ARCS 动机激励模型为考量标准，将原有内容跟教学知识、课堂活动紧密结合，在不颠覆原有结构的基础上产生一份学习动机测试量表。具体指标内容如表1。

通过上表中关注的难题对学员的学习过程进行评判，可以知道学生在教学学习中的动因变化。

最后为了更好地评价个人在协作学习中的学习效果，采用量表的方式对学生进行评判。该量表由浙江大学课程与学习科学系刘徽老师团队 [20] 提出，用于评判协作学习过程中学生的合作状况。其中包含3 个一级指标和28 个二级指标，为了很符合虚拟现实课堂环境，将该量表进行适度调整，去除“自己做”这个一级指标，调整后产生的量表共计两个一级指标，14 个二级指标，该量表在使用过程中引入1—5 分制，分数越高表示学生在协作学习过程中发生的该行为越强烈，若量表中的行为学生已发生则可以用0 填充，具体评价内容如表2 所示。

通过上述几种评价方法，可以从学习动机、协作学习效果并且学生的常识剩余量来判定学生的学习效果，同时也可以按照学生的学习动机变化状况进一步探讨虚拟现实课堂相较于传统教学是否可以提高教师的学习兴趣。为了验证教学设计步骤的适用性，下面通过详细的实例对该体系的应用展开描述。