基于虛擬現實技術的微格教學系統設計

陳淑潔, 仇星月, 葉新東

(1. 溫州大學 國資與實驗室管理處, 浙江 溫州 325035；2. 溫州大學 教師教育學院, 浙江 溫州 325035)

微格教學作為培訓、診斷工具，在師范生培訓及繼續教育領域得到普遍應用[1]。20世紀80年代中期,北京教育學院把微格教學引進國內[2]。受益于攝錄、網絡等技術的支持,微格教學獲得了長足發展。以Web2.0為代表的技術的運用,大大方便了反饋(即時+非即時)、記錄(直播+點播)和評價(自評+他評)在微格教學中的應用[3-4]。現階段,微格教學的技術屬性越來越突顯,而其教學屬性往往被研究者忽略[5-7]。微格教學的根本目標是提升教師教學水平,重回微格教學的中心問題對于微格教學的研究來說具有重要的意義。Hargie等學者曾提出:微格教學相對于課堂教學不夠成熟。如果把真實的課堂當作是游泳池的深水區,那么微格課堂的作用就是讓師范生“在戲水池里練習游泳”[8]。如何構建一個安全而又真實的“淺水區”成為微格功能重構的關鍵點。虛擬現實技術的出現和成熟為構建微格課堂提供了可能。虛擬現實技術引入微格教學有著現實需要和廣闊的應用前景。虛擬現實技術可以模擬出近似真實的教室環境,并呈現出不同的教室類型、布局和教學情境,還可以模擬出不同狀態的學生。虛擬微格教學系統可以幫助師范生發現教學中存在的問題并有針對性的進行訓練和解決,從而減少新教師入職適應時間。基于虛擬現實技術的微格訓練系統可以為師范教學技能的提升提供一個新的途徑和解決方案。

1 微格教學的概念、特點和基本流程

微格教學的概念來自于1968年斯坦福大學發表的名為“Micro-teaching”的論文。該文作者德懷特認為微格教學是一種“縮小式”的教學,其教學復雜性被簡化,培訓對象通過訓練反饋來提高自身的教學水平。后來的研究者認為微格教學的普遍形式是縮小課堂時間、任務和內容,以提供最佳的真實培訓環境。1976年,英國阿爾斯特大學的哈基在對德懷特的微格概念批判和繼承的基礎上,提出了迷你教學(mini-teaching)的概念[8]。他提出了微格教學的情境需求和對象需求,把兩者的真實程度作為微格教學系統的性能指標。

微格教學的目的是為師范生提供教學訓練的環境,而這個環境既要真實,又要符合社會技能訓練的要求。所以研究者普遍認為微格教學應具備如下特點:教學環境可控、教學情境逼近真實、過程可重復、具有及時診斷和反饋機制、微型課堂中授課對象數量可控。

傳統微格教學的基本模式通常是一個單一的、循環的過程[9](見圖1)。師范生在做了觀摩示范和教案設計等基礎準備工作后進行微格教學的實施。在完成微格教學訓練后,指導教師和參與的學生將對師范生展示的教學技能進行反饋評價,師范生也可以進行自評。經過指導和交流,師范生需要對教學中的不足進行改進[10],并在完善教案后進入下一輪訓練,直至達到滿意的效果為止。

圖1 傳統微格教學流程圖

2 基于虛擬現實技術的微格教學系統功能設計

根據微格教學的特點以及微格教學的基本流程,筆者認為：基于虛擬現實技術的微格教學系統必須包括虛擬教學場景構建、虛擬角色構建、虛擬教學情境構建和教學技能評價4個功能模塊。

(1) 虛擬教學場景構建。虛擬教學場景的構建必須具有豐富性、真實性、適用性和可變性。現實微格的教學場景是單一的和固定的,但虛擬教學場景應能夠提供更多、更豐富的選擇。虛擬現實教室不能脫離真實教室,因此虛擬教學場景必須基于真實的教學場景改造(見圖2)。真實的微格教室是沒辦法對不同專業的師范生進行個性化的環境設置,而虛擬教學場景庫中一定要創設相應數量、滿足需求的教室,如普通教室、機房、實驗室、階梯教室等滿足不同教學技能訓練的場所。由于不同的教學設計模式,教學場所的布置也要求趨向于個性化,如課桌椅擺放形式。

圖2 虛擬微格教學系統的場景

(2) 虛擬角色構建。在虛擬微格教學系統中,角色的設置非常重要。師范生作為教師角色，可以在場景中自由走動,可以在場景中控制教學設施來實施教學(如控制電腦播放課件),也可以通過語言和手勢與學生角色進行互動。學生角色是在虛擬現實中與師范生發生互動的角色,學生角色最重要的是應該擁有現實中學生的外形特征和行為特征,行為特征包括舉手、站立、轉頭、對話等行為。虛擬微格教學系統中角色的真實性對于訓練效果和師范生的感受具有重要意義。

(3) 虛擬教學情境構建。教學情境是訓練師范生技能的重要載體,師范生只有經歷過各種不同的教學情境的訓練,才會成長為一名教學技能合格的教師。虛擬微格教學系統必須提供豐富的教學情境,包括不同類型的教學情境——正常的教學情境、課堂管理情境以及非正常教學情境[11]。正常的教學情境包括學生角色的正常聽課、回答問題以及教師的正常講授和提問；課堂管理情境包括真實教學情境中可能發生的學生不良課堂行為而引發的課堂管理事件,如學生不認真聽講、交頭接耳及上課睡覺等情況,需要教師進行課堂管理；非正常教學情境包括火災、地震、學生突發疾病等需要教師應急處理的事件。這些情境的設計必須具備真實性、適應性和交互性。

(4) 教學技能評價。虛擬微格教學系統就其技術特征而言,對于學習者的教學過程記錄是全方位的,這為微格教學系統的評價與反饋提供了基礎條件。虛擬微格教學系統的評價模塊分為人為評價和智能評價。人為評價的操作方式與傳統的微格教學系統的評價方式類似,根據教學行為的視頻片段記錄,可以實施自評和他評。智能評價是虛擬微格教學系統根據師范生語言和行為信息的捕捉而進行的自動評價,是將師范生的語言和行為信息與已建立常模進行比較,自動作出對師范生教學技能的評價。隨著機器學習和人工智能的發展,這種評價的可行性和精度會大幅提高,為微格教學系統的評價方式的改進提供可能。

3 基于虛擬現實技術的微格訓練系統的結構設計

3.1 流程設計

基于虛擬現實技術的微格教學流程如圖3所示,它比傳統的微格教學流程在環境設置、教學過程、過程記錄和反饋評價等方面有很大的提升。

圖3 虛擬微格教學流程

(1) 個性化的環境設置。學生通過身份認證進入虛擬微格教學系統,可以自行選擇不同類型的教室,如普通教室、化學實驗室或階梯教室等；可以對教室中的各組成要素進行個性化設置,例如課桌椅擺放等；可以

對教室中的學生進行個性化設置,如選擇數量、性別等；還可以根據自己的講課內容預先設置課上的交互問題并導入教學課件。這些個性化的環境設置可以為練習者的訓練提供不同的體驗。

(2) 真實性的教學過程。教學過程的真實性是微格教學銜接真實教學的重要指標。基于虛擬現實技術的微格教學與傳統微格教學不同的是可以提供更加真實的教學過程體驗。它可以提供較為真實的師生問題交互、課堂管理事件和課堂突發事件等情境體驗,學生在課堂中的表現可以更接近于真實課堂,更具有多樣性和不確定性。這樣可以有效地訓練師范生掌控課堂的能力,更有效地向教師角色轉變。

(3) 全方位的過程記錄。教學片段的記錄是微格教學系統的重要功能。在基于虛擬現實技術的微格教學系統中,通過利用現代信息技術可以以教師的視角記錄整堂課程的運行過程[12],可以以第三者的視角記錄整堂課程,也可以針對教師的行為進行特殊記錄。無論是師范生的個性設置、語言行為還是肢體行為,都將以不同的形式記錄下來,便于后期評價與反饋。同時,系統的評價和人工的評價也會最終被記錄,形成師范生全面的訓練檔案。

(4) 多元化的反饋評價。基于虛擬現實技術的微格訓練系統不僅為師范生提供教學過程視頻,還為師范生提供訓練過程的所有記錄文檔,包括其個人行為檔案。系統所提供的評價方式也是多元化的,除了傳統的人工評價(他評或自評),也包括智能評價。智能評價是根據師范生的語音分析和肢體行為分析獲得的,利用人工智能技術實現。多元的反饋和評價能夠讓師范生更全面地認識自己,更有利于對缺點的糾正。

3.2 架構設計

虛擬微格教學系統的架構如圖4所示,它分為基礎層、渲染層、感知算法層和平臺層。

圖4 虛擬微格教學系統架構圖

(1) 基礎層。在Windows操作系統下,用Unity3D作為渲染引擎,用OpenGL對三維圖形進行編程。這樣一種模式是因為Unity3D在VR項目制作中已經是一個比較成熟的引擎,它能很好地適配HTC VIVE設備,并且對于項目的調試十分方便。

(2) 渲染層。利用反畸變技術等視頻處理技術在視覺感官上提升真實感。所制作的項目在場景容器中呈現,在外設適配器的輔助下完成在場景中的定位,用戶的空間感會更加真實。

(3) 感知算法層。用戶可以自定義事件,系統也可以在事件庫中隨機選擇事件發生,讓用戶進行處理。可以根據虛擬人與不同用戶所發生過的交互,通過數據記錄、數據分析、機器學習等算法讓虛擬人習得相關經驗,自主選擇事件的發生,并且可以記錄下不同用戶的普遍問題進行重點訓練,以提升用戶的教學技能。利用交互標準組件和系統組件感知用戶與虛擬人的語音和姿勢,形成基本交互信息。

(4) 平臺層。在HTC VIVE套裝以及SteamVR插件的共同運作下,用戶可以進行一般交互。在完成訓練系統的相關軟件配裝后,用戶視角的各項應用可以正常使用。用戶可以上傳PPT等文檔用于進行模擬教學；在識別用戶身份后,系統開始記錄用戶的一言一行,并且可以將這一過程進行大屏轉接,供專家和觀眾觀摩,用戶通過語音交互與虛擬人完成基本的對話以及動作,在進行模擬上課結束后生成個人檔案。

4 基于虛擬技術的微格教學系統的應用案例

作為基于虛擬技術的微格訓練系統的應用案例,選取一堂小學校本課程“scratch可視化編程”作為設計應用的載體,選擇機房作為教學環境,授課對象為16個學生(虛擬人，下同)。受訓者為教育技術學專業的大學四年級的師范生。

4.1 虛擬環境下的微格訓練流程

根據虛擬微格訓練系統的基本訓練流程,師范生先進行總體教案設計,通過身份認證進入個性設置過程,進行課堂環境設置、教學對象設置,隨后要完成以下的訓練過程。

(1) 課前準備。進入信息技術課程的虛擬微格教學場景,首先會聽到學生在課前的喧嘩聲,10 s后,上課鈴聲響起,全體學生安靜下來。當師范生說“起立”后,學生紛紛起立問候,待師范生說完“請坐”后,全體學生坐下,進入聽課狀態,學生在課堂中的隨機行為被開啟,微格教學正式開始。

(2) 課上講解。進入課程講解階段后,師范生可以利用手柄對PPT進行翻頁和講解,學生的屏幕會廣播PPT內容。師范生在講授過程中可以向學生提問,不同的學生會根據預設的答案舉手回答；師范生也可用手柄選擇回答學生的問題,從而完成基本的師生交互。課堂中也會發生隨機事件,比如學生注意力不集中等問題。這些隨機事件會隨著師范生訓練次數的增加,出現的概率也會增加。師范生通過處理這些隨機事件提升課堂管理能力。

(3) 學生操作。當師范生順利完成講授并分配完任務后,可使用控制手柄開啟學生的電腦使用權限,讓學生操作練習。在信息技術課堂中,系統會開啟學生 在課堂“玩游戲”這種不當行為。師范生需要通過語言糾正學生的錯誤行為。師范生在此階段可以在教室中走動,巡查學生練習的情況。

(4) 結束課程。師范生對課程內容進行總結,然后結束課程教學,學生恢復喧嘩狀態。

4.2 訓練過程的關鍵問題

(1) 課堂環境。在基于虛擬技術的微格教學系統中,場景模型高度還原了真實課堂環境,并支持個性化設置場景,如圖5所示。虛擬現實環境中的機房還原了真實機房的環境,包括多媒體設備，教室配備投影屏幕、黑板、小蜜蜂等設備,教師機與學生機上裝有電子教室控制軟件。在這個虛擬機房中主要對教室模型與學生模型進行建模。教室模型中有桌椅、電腦等設備,這些模型是在普通的建模軟件中開發,如3ds MAX、Maya等,最終將模型導出成Unity可兼容的模型。

(2) 關鍵事件。這里的關鍵事件角色主要是教師和學生,所有的事件都發生在教師和學生身上。教師的事件包括在場景中自由走動、進行課堂教學、控制課件播放、向學生提問、使用手柄查看教學進度、開啟學生電腦使用權限等。學生的事件包括舉手、站立、對話等正常教學行為和交頭接耳、不認真聽講、上課睡覺和玩游戲等非正常課堂行為。這些非正常的課堂行為成為教師進行課堂管理的重點。

5 結語

基于虛擬現實技術的微格教學系統是根據微格教學的基本流程設計開發的,目的是構建一個具有真實感的虛擬教學訓練環境。由于時間和技術的限制,這個虛擬系統還處于初級階段,場景的真實與細致程度還有待提高；虛擬人的動作相對簡單,智能化不足。但是隨著虛擬現實技術進一步發展,場景的顯示效果會更加逼真,虛擬人的性能會進一步提升,師范生的訓練體驗也會進一步改善。本研究作為虛擬現實技術在微格教學系統的開發中的初次運用,可作為后續更完善的系統開發的基礎。

圖5 虛擬環境下信息技術課程的微格教學

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