虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于混合式教學(xué)研究

王凱麗 胡垂立

廣州工商學(xué)院 廣東廣州 510000

一、概述

教育信息化的發(fā)展促進(jìn)信息技術(shù)與教育更加深度的融合，傳統(tǒng)混合式教學(xué)模式是基于移動(dòng)通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境與課堂討論相結(jié)合的教學(xué)情境[1]。混合式學(xué)習(xí)不是簡(jiǎn)單地將信息技術(shù)融合在一起，而是通過融合設(shè)計(jì)讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的、自主的探究性學(xué)習(xí)。線上學(xué)習(xí)是對(duì)線下學(xué)習(xí)的提升和補(bǔ)足，線下學(xué)習(xí)是對(duì)線上學(xué)習(xí)的鞏固和完善。然而傳統(tǒng)混合式教學(xué)在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力方面存在著薄弱點(diǎn)。而隨著虛擬仿真技術(shù)的成熟，虛擬仿真技術(shù)與教育領(lǐng)域的融合也逐漸興起，與混合式教學(xué)一樣，虛擬仿真教學(xué)主要是提升傳統(tǒng)面授教學(xué)的教學(xué)效果，通過技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)身臨其境的深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，由于虛擬仿真技術(shù)能夠創(chuàng)建實(shí)踐情景，因此在實(shí)踐教學(xué)方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。

布魯姆將教學(xué)目標(biāo)分為認(rèn)知、情感和動(dòng)作技能三大領(lǐng)域。傳統(tǒng)課堂教學(xué)主要停留在對(duì)于知識(shí)的簡(jiǎn)單記憶和淺層次學(xué)習(xí)階段，對(duì)于更高維度的綜合應(yīng)用、個(gè)性化學(xué)習(xí)和實(shí)踐性操作來說，沒有引起足夠的重視。將虛擬仿真技術(shù)引入混合式教學(xué)中，通過線上在線學(xué)習(xí)平臺(tái)+線下課堂+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室三大學(xué)習(xí)平臺(tái)共同教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，支持學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行知識(shí)遷移、操作實(shí)踐和身臨其境的沉浸式、混合式的學(xué)習(xí)。

本研究通過將虛擬仿真技術(shù)引入混合式教學(xué)中，創(chuàng)建線上線下實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)理論課程和實(shí)踐課程的銜接貫通，并通過虛擬仿真教學(xué)的學(xué)習(xí)情景設(shè)計(jì)，更好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行線上線下的探究性自主學(xué)習(xí)，支持學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行知識(shí)遷移、操作實(shí)踐和身臨其境的沉浸式、創(chuàng)新性學(xué)習(xí)。

二、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于混合式教學(xué)模式意義

目前，我國(guó)的虛擬仿真技術(shù)發(fā)展迅速，在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也風(fēng)生水起。在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)“實(shí)驗(yàn)空間”上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)2000余項(xiàng)[2]。除線上虛擬仿真平臺(tái)外，各大高校也都在積極建設(shè)線下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行教學(xué)方式的創(chuàng)新和改革。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)和教學(xué)中，本質(zhì)依然是信息技術(shù)在教育中的應(yīng)用，促進(jìn)教育現(xiàn)代化和信息化的變革，提升教育質(zhì)量，輔助學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)和沉浸式學(xué)習(xí)。

(一)豐富教學(xué)方式

傳統(tǒng)混合式教學(xué)模式主要是將線上網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)與線下現(xiàn)實(shí)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，組織線上線下教學(xué)活動(dòng)，整合線上線下學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)。但是傳統(tǒng)混合式教學(xué)的教學(xué)資源主要以視頻和文本學(xué)習(xí)為主，存在的問題是對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)能力的鍛煉依然不足。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以作為一種教學(xué)資源，加入混合式教學(xué)過程中，在豐富混合教學(xué)的教學(xué)資源的同時(shí)，也豐富了混合式教學(xué)的教學(xué)方式。讓學(xué)生無論是線上還是線下，都能進(jìn)行基于虛擬現(xiàn)實(shí)資源的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠進(jìn)行除了基于視頻和講義學(xué)習(xí)外的其他學(xué)習(xí)方式。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)建的逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，能夠在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高效的交互的同時(shí)，提高學(xué)生的參與感和沉浸感，讓學(xué)生在虛擬情境中進(jìn)行問題解決、實(shí)踐訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)操作等。豐富了混合式教學(xué)模式的課堂教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、互動(dòng)合作、操作實(shí)踐能力，加深對(duì)知識(shí)的理解，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。

(二)促使學(xué)生角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)創(chuàng)造者

近些年來，高等教育的新動(dòng)態(tài)向創(chuàng)新、創(chuàng)造轉(zhuǎn)變，因此各高校都在積極引導(dǎo)缺乏實(shí)踐實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的課程，將實(shí)踐教學(xué)作為考核指標(biāo)的一部分，并創(chuàng)造條件引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。線上線下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以在線上線下構(gòu)建更加適合于學(xué)生自主探究、合作學(xué)習(xí)的創(chuàng)新學(xué)習(xí)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，擴(kuò)大混合式教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中由知識(shí)的接受者向知識(shí)的創(chuàng)新者轉(zhuǎn)變，為學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行重建和創(chuàng)造創(chuàng)建條件。

(三)線上線下課堂、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)的混合式教學(xué)

混合式教學(xué)打破了學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)空的限制，使學(xué)生在線下學(xué)習(xí)的同時(shí)，也可以隨時(shí)隨地進(jìn)行線上泛在學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)線上線下雙課堂教學(xué)。而基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的混合式學(xué)習(xí)，則打破了普通教室、實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)室的空間限制，進(jìn)一步增強(qiáng)了混合式教學(xué)的教學(xué)效果。

在混合式學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在進(jìn)行線上預(yù)習(xí)時(shí)，可以通過視頻的方式觀看理論講解和實(shí)驗(yàn)操作演示，但是只通過觀看視頻講解和演示，無法讓學(xué)生進(jìn)行體會(huì)實(shí)際操作過程中可能遇到的問題，虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的線上線下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓學(xué)生在安全仿真的實(shí)驗(yàn)情境中，通過自主設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行重復(fù)學(xué)習(xí)。同時(shí)通過在虛擬仿真環(huán)境中與實(shí)驗(yàn)對(duì)象的互動(dòng)、立體直觀的觀察和操作，讓學(xué)生更直觀地理解和掌握知識(shí)與內(nèi)容。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于混合式教學(xué)中，加強(qiáng)了線上與線下學(xué)習(xí)的紐帶，使線上和線下學(xué)習(xí)中的缺點(diǎn)互相補(bǔ)足，學(xué)習(xí)效果互相加強(qiáng)。

(四)多向的互動(dòng)

傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，多數(shù)是教師提問、學(xué)生回答的單項(xiàng)互動(dòng)，常常會(huì)出現(xiàn)師生間溝通不及時(shí)、不良好的互動(dòng)現(xiàn)象。混合式教學(xué)通過線上線下的教學(xué)，一方面增加了課堂上師生互動(dòng)的機(jī)會(huì)和時(shí)間，另一方面增加了學(xué)生與互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)的方向，使課堂互動(dòng)不再局限于師生之間，學(xué)生和學(xué)生、學(xué)生和互聯(lián)網(wǎng)上的人與知識(shí)都可以充分地互動(dòng)。將虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)引入混合式學(xué)習(xí)中，除了具備傳統(tǒng)混合式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生還可以同虛擬環(huán)境中的虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，通過視覺、聽覺、觸覺等多個(gè)感官與環(huán)境的交互，讓學(xué)生獲得全面的沉浸式體驗(yàn)。

三、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于混合式教學(xué)的實(shí)踐策略

混合式教學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的教學(xué)系統(tǒng)，能夠影響教學(xué)成果的子系統(tǒng)有教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂組織、教學(xué)資源、師生交互、教師、學(xué)生、教學(xué)環(huán)境等，只有不斷地完善混合式教學(xué)系統(tǒng)的功能，才能不斷地提升混合式教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)效果，因此將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于混合式教學(xué)中，由于混合式教學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果想要充分發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，也需要關(guān)注一些其他方面的因素。

(一)虛擬學(xué)習(xí)情景設(shè)計(jì)

虛擬教學(xué)主要通過創(chuàng)設(shè)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)情景來實(shí)現(xiàn)，教師要充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升教學(xué)質(zhì)量，需要進(jìn)行虛擬教學(xué)策略設(shè)計(jì)。

1.探究性教學(xué)設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下，要考慮為學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)具有更好的體驗(yàn)的探究性情景，讓學(xué)生圍繞一個(gè)具有探究性的主題進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，通過設(shè)計(jì)懸念、分支等充分挖掘?qū)W生的好奇心和探究欲。通過設(shè)計(jì)探究性挑戰(zhàn)和問題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

2.VR情景設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的學(xué)習(xí)是在故事情境或?qū)嶒?yàn)情境中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)情景設(shè)計(jì)要結(jié)合真實(shí)實(shí)驗(yàn)情景，將實(shí)驗(yàn)過程中可能面臨的問題完全展示出來，故事情景設(shè)計(jì)要符合人的客觀認(rèn)知規(guī)律，故事情節(jié)要承載知識(shí)，將知識(shí)還原到真實(shí)情景中供學(xué)生探索認(rèn)知。

3.激勵(lì)機(jī)制設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)要不斷地提供激勵(lì)手段讓學(xué)生更加沉浸于虛擬空間，建立學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，認(rèn)可自己的學(xué)習(xí)能力，通過不斷激勵(lì)激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究學(xué)習(xí)的需求和繼續(xù)提升能力的欲望，在進(jìn)行虛擬情景設(shè)計(jì)時(shí)要考慮在學(xué)生取得一定的成績(jī)時(shí)適當(dāng)?shù)亟o予學(xué)生激勵(lì)。

4.交互過程設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)中要考慮人與人之間、環(huán)境與人之間的協(xié)同交互關(guān)系，設(shè)計(jì)能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行即時(shí)反饋的機(jī)制，讓學(xué)生通過與虛擬環(huán)境和虛擬人物的交互過程中進(jìn)行自主探究性學(xué)習(xí)。

(二)混合式教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)的深度融合

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于混合式教學(xué)過程中，其完整的教學(xué)過程依然可以分為課前、課中、課后三個(gè)部分，如圖1所示，學(xué)生在課前基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，通過傳統(tǒng)的視頻和講義了解實(shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)等，還可以通過線上虛擬仿真平臺(tái)了解實(shí)驗(yàn)相關(guān)的操作過程，并提交在線預(yù)習(xí)報(bào)告，可以在預(yù)習(xí)報(bào)告中提出自己在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題、實(shí)驗(yàn)步驟等。在課中，通過線下課堂充分吸收理論知識(shí)和重難點(diǎn)知識(shí)，并根據(jù)預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行線下學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，對(duì)于有危險(xiǎn)的或難實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)依然可以在線下虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。課后學(xué)生對(duì)課前預(yù)習(xí)內(nèi)容和課中學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和鞏固，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和過程進(jìn)行討論和分析，也可以在線下虛擬課堂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)回顧和鞏固。

基于虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)，尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠充分地支持學(xué)生進(jìn)行自主探究性學(xué)習(xí)，發(fā)揮教師作為指導(dǎo)者的角色。在整個(gè)教學(xué)過程中，視頻教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合，線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，形成線上與線下深度融合的混合式教學(xué)。

圖1 基于虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)

(三)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于混合式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

1.學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)提升學(xué)習(xí)效率

技術(shù)的目的不是僅僅讓學(xué)生在技術(shù)中學(xué)習(xí)，而是通過技術(shù)來進(jìn)行思考和創(chuàng)新。將現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，不論從內(nèi)部動(dòng)機(jī)還是外部動(dòng)機(jī)都可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。從內(nèi)部動(dòng)機(jī)來看，混合式學(xué)習(xí)和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的混合式學(xué)習(xí)，相較于傳統(tǒng)課堂，都能夠讓學(xué)生在心理層面更加傾向于愉悅和愿意嘗試的；從外部動(dòng)機(jī)來看，則能夠使學(xué)生更加感知到受到的激勵(lì)和互動(dòng)。因此，虛擬仿真技術(shù)和混合式學(xué)習(xí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用、在提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面效果顯著。

2.虛擬情景設(shè)計(jì)提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)

學(xué)生在虛擬環(huán)境中探索時(shí)的臨場(chǎng)感和沉浸感，是提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)的重要因素。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)總是與一定的社會(huì)文化背景即“情境”相聯(lián)系的。[3]學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是在實(shí)際情景，通過認(rèn)知情景去同化新知識(shí)，或者通過改造認(rèn)知結(jié)構(gòu)去順應(yīng)新知識(shí)。因此，學(xué)習(xí)過程應(yīng)該與情景實(shí)踐結(jié)合起來，將更有助于學(xué)生獲得更加積極的學(xué)習(xí)結(jié)果，在虛擬環(huán)境中的學(xué)習(xí)也更加注重教師的引導(dǎo)作用，讓學(xué)生能夠更加專注于自主探究性的學(xué)習(xí)過程。一方面，相對(duì)于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)，混合式學(xué)習(xí)可以分別基于線上線下進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，教學(xué)任務(wù)情景設(shè)計(jì)更加豐富；另一方面，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的混合式學(xué)習(xí)能夠構(gòu)建更加真實(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，讓學(xué)生在更加真實(shí)的情景交互中進(jìn)行探究和實(shí)踐。

3.形成新型混合式實(shí)驗(yàn)課堂

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程主要發(fā)生在線下實(shí)驗(yàn)室中，然而這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和教學(xué)需求，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于混合式教學(xué)中，可以進(jìn)行線上線下一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，滿足學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的需求，既能讓學(xué)生在線上獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和學(xué)習(xí)，又能在線下通過教師的指導(dǎo)進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)和傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)，從而促進(jìn)線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠更加深入地進(jìn)行。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的混合式教學(xué)，不僅能發(fā)揮混合式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，還能彌補(bǔ)線上線下教學(xué)實(shí)踐鍛煉不夠充分的缺點(diǎn)。對(duì)教師而言，在混合式教學(xué)的基礎(chǔ)上，教師通過教學(xué)設(shè)計(jì)能夠更加充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，充分發(fā)揮作為教學(xué)引導(dǎo)者的作用，靈活采用線上線下以及虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)方式。對(duì)于學(xué)生而言，有更多的學(xué)習(xí)和實(shí)踐方式、更好的學(xué)習(xí)情景體驗(yàn)，能根據(jù)自己的情況進(jìn)行個(gè)性化和探究性學(xué)習(xí)，無論是教師還是學(xué)生都能獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

結(jié)語

新工科背景下重視學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，這對(duì)創(chuàng)新性教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)提出了很高的要求，混合式教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)是當(dāng)前提升教學(xué)質(zhì)量新興手段，混合式教學(xué)可以提供豐富的線上線下學(xué)習(xí)資源，保證學(xué)生無論線上線下都能進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供了線上線下實(shí)踐情景，保證了學(xué)生線上線下都能進(jìn)行實(shí)踐探究和實(shí)驗(yàn)操作，兩者的結(jié)合能夠?yàn)閷W(xué)生提供全方位的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。