基于虛擬現實的PBL在高中程序設計教學中的應用*

◆楊偉

0 引言

項目式學習是一種以項目為導向，促進學生在合作中自主學習、獨立探究，提高學生的實踐和創新能力的新型學習方式。但是，項目式學習對于學習情境的要求較高，傳統的教學媒體很難滿足。虛擬現實技術能夠利用虛擬平臺構建符合項目式學習需求的相對真實的環境，學生對環境中遇到的問題進行分析，再利用虛擬平臺進行程序設計驗證，進而突破傳統教學媒體存在的缺陷，達到在做中學、在實踐中創新的學習目的。

1 項目式學習（PBL）與虛擬現實技術

項目式學習是一種動態的學習方法[1]，它的概念可以追溯到很早以前，最開始是由美國著名的教育家杜威提出來的。他提出在做中學的教學理念，強調教學應該讓學生根據自身興趣選擇教學內容并自行設計教學活動流程，在“做”中實現問題解決能力的提高[2]。美國巴克教育研究所把以課程標準為核心的項目教學（Standards-Focused PBL）定義為“一套系統的教學方法，它是對復雜、真實問題的探究過程，也是精心設計項目作品、規劃和實施項目任務的過程，在這個過程中，學生能夠掌握所需的知識和技能”[3]。項目式學習過程由從問題中發現項目需求即項目主題、制訂項目方案、小組合作實施項目以及項目評價等階段構成。

虛擬現實技術被認為是21世紀重要的發展學科以及影響人們生活的重要技術之一，是一種綜合了計算機圖形學、人機接口技術、傳感器技術以及人工智能技術等多領域成果的新技術[4]。它又可以被稱為沉浸式技術或者現實模擬技術，通過使用這種技術能夠讓用戶從聽覺、視覺、觸覺等多個方面去體驗和感受模擬的現實世界，從而達到人機交互的目的。本文運用的虛擬現實技術是指iRobotQ平臺，是由蘿卜圈網絡技術公司開發的一款3D虛擬機器人在線仿真設計平臺，通過對平臺的使用，體驗具有物理引擎的機器人仿真系統。在教學過程中，學生通過搭建汽車機器人、設計任務算法、編寫控制程序、讓汽車機器人完成指定的任務等一系列步驟，實現仿真。

2 研究的意義

項目式學習是一種注重對學生問題解決能力、小組合作能力和實踐操作能力進行培養的學習方式。在項目式學習過程中，學生以小組為單位發現項目需求、提出項目目標、設計項目解決方案、實施解決方案并進行實時調整。除此以外，學生還需要對于整個學習過程中自己的表現、小組中他人的表現以及項目完成的最終情況給予評價。通過這些過程可以發現，要實施有效的項目式學習，首先需要給學生創造有效的學習情境，讓學生能夠產生主動發現問題的想法，才能夠順利開展項目式學習的后續環節。在傳統的課堂環境下進行項目式學習存在許多不足之處，如探究活動時空受到限制、學習資源內容不夠豐富、教學管理與評價效果不佳、學習方式單一、師生間交流協作缺乏等[5]，對于項目式學習的實施存在一定的限制。

而虛擬現實技術則在一定程度上打破了這種限制，iRobotQ程序設計平臺通過使用3D虛擬現實技術對現實情境進行模擬，為項目式學習提供了有利的教學環境，為學生創造了優越的學習情境，讓學生能夠圍繞感興趣的、相對真實的項目主題進行研究。學生通過小組合作發現問題，提出項目需求，設計項目解決方案，最后在iRobotQ平臺設計汽車和程序進行實際操作，驗證項目解決方案的可行性。通過與虛擬現實技術的結合，能夠增強項目式學習的實施效果。

程序設計是高中信息技術中對于學生要求相對較高的一部分必修內容，這部分內容對于訓練學生的算法思維能力、提高學生數字化學習與創新實踐能力具有重要意義。傳統的程序設計教學以教師講授、學生練習為主要方式，不利于發揮學生的主體作用，在培養學生的學習興趣和信息化核心素養方面也有一定的局限性。而利用虛擬平臺展現不同的情境，結合項目式學習方式，讓學生在實際問題中通過小組合作的方式發現問題、解決問題，則能夠在不知不覺中培養學生自主、協作和創新的能力。

3 虛擬現實環境下項目式學習的應用模式

在虛擬現實環境中開展有關程序設計項目式學習，能夠讓學生在模擬的現實環境中通過小組合作的方式學習、探討、研究和實踐，充分發揮項目式學習的優勢，讓學生能夠在實踐中學習、在實踐中思考、在實踐中創新。教師在利用3D虛擬現實iRobotQ平臺開展教學之前需要根據由淺入深、由簡到繁的原則對高中階段的程序設計課程模塊內容進行梳理，將本課程中的關鍵知識點按知識單元進行結構匯總，形成項目學習表格；再結合平臺中已有的汽車機器人情境（如直行、左拐、右拐、定點停車以及野外行駛等）或根據教學內容，在平臺中重新創設和構建汽車機器人項目情境，為后續每一個程序設計單元的項目式學習構建完整的知識鏈。

項目式學習虛擬環境平臺介紹階段在教學開始階段，教師需要向學生介紹平臺的界面構成，3D虛擬現實iRobotQ平臺包含汽車的設計與組裝界面、程序設計界面以及汽車模擬運行界面：汽車設計與組裝界面包含各種各樣的汽車零配件，可以根據自己的喜好以及程序設計的需要設計不同的汽車造型；程序設計界面包含變量模塊、判斷模塊、循環模塊、子程序等一系列程序設計相關內容；汽車設計與組裝完成后，結合設計好的程序，進入汽車模擬運行界面，完成汽車在虛擬環境中的行駛。學生需要根據教師的講解，了解3D虛擬現實iRobotQ平臺的構成。

創設項目情境階段在這一階段，教師按照已經構建好的教學單元進度和教學目標創建相應的項目情境，激發學生學習的興趣和好奇心，引起學生思考在相應項目情境中汽車機器人的任務該如何實現。學生在此階段的主要任務則是根據教師創設的情境，初步明確要解決的項目需求是什么。

項目分析與設計階段在這一階段，教師給予學生充分的時間進行討論，先由學生按照想法和興趣一致的原則形成初步的小組，然后按照“組內同質，組間異質”的原則進行最終分組。每個小組推選一名組長，根據給定的項目問題情境進行討論分析，提出小組的問題假設。根據問題假設，分為兩個部分完成項目解決方案設計：

第一個部分即汽車設計以及需要用到的傳感器的安裝與設計；

第二個部分即問題解決程序設計，學生可以通過流程圖、自然語言或者偽代碼的方式進行方案研討。

教師在這一階段需要時刻注意學生的項目進展，在學生遇到問題時需要及時給予指導和幫助。

項目實施階段本階段學生依據上一階段設計的項目解決方案進行具體實施，將小組的項目解決方案通過在3D虛擬平臺中進行實踐，完成汽車的組裝以及程序代碼的編寫，并在相應的情境下進行驗證；如果遇到問題，需要對項目解決方案進行相應調整與修改。

項目展示階段教師根據高中信息技術程序設計模塊教學計劃，結合每個項目的教學目標，設定項目展示時間與展示方式。學生每組派一名代表展示自己小組設計的汽車和程序在3D虛擬平臺上運行的最終結果，并對小組的項目設計思想和方案進行講解。

項目評價階段教學模式的最終評價標準大部分取決于學生最終的學習效果，因此通過三個不同方面對學生進行評價：組內進行自我評價，組間進行小組評價，教師進行整體評價。

1）小組成員對自己在項目學習過程中的表現進行自我評價，包括項目參與度、項目分工任務完成度以及自我學習效果評價，即在學習過程中進行形成性評價，學習結束時進行總結性評價[6]。

2）每一個小組派一名代表對其他小組的項目作品進行評價，指出其優點和缺點，根據教師給的評價標準進行合理評價。

3）每一組學生在將項目最終完成的作品提交后，教師根據本單元的教學目標進行整體評價，評價內容包括每一小組項目完成情況、優秀項目成果的展示、項目作品針對性評價；同時從項目開展的整個過程分析本單元學習存在的問題，為學生后續學習提供借鑒。

在3D虛擬現實情境中開展程序設計課程的項目式學習，教師不再是傳統的講授者，而是轉變為學習引導者和幫助者；學生也不再被動地接受知識，而是以小組的方式實現合作與探究，積極主動進行學習，成為學習的主導者。整個學習流程如圖1所示。

圖1 學習流程圖

4 基于3D虛擬現實技術的項目式學習在程序教學教學中應用的優勢

提高學習興趣，激發學習動力現階段高中生由于升學壓力大，學習環境相對封閉，學習情境相對單一，在學習過程中獲取知識的方式以被動接受為主，在一定程度上會降低學習興趣。通過運用3D虛擬現實技術，讓學生在虛擬環境中通過各個感知器官的綜合體驗完成知識的獲取，會大大提高學習動力，激發學習興趣，從而提高學生的學習效率。通過運用在做中學的方式，讓知識變得更加容易理解和掌握。

設計項目方案時目標更清晰、感受更直觀傳統的項目式學習，教師通過簡單的教學語言和簡單的教學媒體進行情境創設，需要學生自行進行理解和想象。由于每一個學生都是單獨的個體，這就會造成項目需求和項目目標理解出現偏差。而教師通過運用3D虛擬現實平臺展示項目情境，學生接收的項目不僅有語言的描述，還有相對真實的環境，這就使得學生對于每一個項目的學習有更加直觀的感受，目標也隨之清晰。

增強實施項目沉浸感沉浸感指逼真的感覺，即用戶借助特殊的輸入/輸出設備，與虛擬世界進行自然的交互，虛擬現實技術為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，用戶如同親身經歷一般[6]。通過運用3D虛擬現實平臺，學生進行身臨其境式的實踐與操作，并且平臺對于學生的每一步操作都能夠給予實時反饋，學生能夠直接觀察到實踐過程中以及程序最終的運行效果，大大提高對于學習情境的真實體驗感，增強項目實施沉浸感。

項目評價更具有針對性3D虛擬現實技術使得項目成果的評價更加高效，一方面，每一個小組在項目設計過程中就能夠實時評價與調整自己的項目方案，從而形成更加完美的項目成果；另一方面，其他學生和教師能夠通過小組演示直接看到項目的最終運行效果，存在哪些優點和缺點一目了然，評價時更具有針對性，為后續的學習指明了方向。

5 結語

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出，以信息化引領教育理念和教育模式的創新，充分發揮教育信息化在教育改革和發展中的支撐與引領作用[7]。虛擬現實技術作為21世紀的新興技術，為在高中階段進行程序設計的項目式學習提供了有利的開展條件，能夠讓學生有更加真實的學習體驗，提高學生小組合作的能力，提升學生自主探究、創新實踐的能力，提高學生的信息化核心素養，發展學生的綜合素質，符合新課改對人才的培養要求。