沉浸式教學在機器人網絡技術課程中的探索與實踐

王卓，胡源，陳銘治

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海理工大學 水下機器人與智能系統研究院，上海 200093）

在信息化時代，信息技術與實驗教學日益深度融合，慕課、翻轉課堂、VR 智慧教室[1]、AR 實訓課堂[2]等新技術和新交互方式得到了廣泛應用。沉浸式教學[3]是將數字仿真資源自然地融入線下實驗教學過程，結合課堂動畫，將學習知識點生動形象地展現，能夠增強學習者的思維沉浸感與精神專注度。

然而，目前的沉浸式教學是對混合式教學的照搬，對學習者知識認知效能優化機理缺乏探討。基于此，本文將布魯姆認知目標發展理論引入機器人網絡技術課程實驗教學設計中，以虛擬現實、增強現實技術重塑虛實課程資源的融合方式，并對創建相應的教學生態提出指導意見。

1 沉浸式教學模式

布魯姆認知目標發展理論[4]是一種用于理解個體在實踐學習過程中涉及的不同認知活動水平的有用框架。它將個體的邏輯思維與認知心理活動的整個過程體系具體劃分為記憶、理解、應用、分析、評價和創造等認知層次。其中，記憶、理解和應用屬于“淺層學習”維度，分析、評估、創新屬于“深層學習”維度。傳統的沉浸式教學注重淺層學習的實踐評價，導致培養出的個體一旦面對需要進行知識遷移或者因地制宜解決實際問題時易變得手足無措。因此，教育工作者試圖將更多積極主動的學習活動巧妙地融入教學實踐，以培養個體更深層次的學習和批判性思維能力。

混合現實技術[5]（如增強現實和虛擬現實，AR和VR）很好地契合了人本主義理論，它通過數字媒體影響學習者的自我調節、自我效能、認知負荷、動機、身體感知和興趣。盡管如此，教育領域的專家對增強現實和虛擬現實在教育環境中應用的觀點、情感、態度和討論的了解仍然有限，因為現有研究主要針對特定人群展開。

綜上可知，在機器人工程專業領域，目前尚缺少將布魯姆認知目標發展理論應用于基于VR/AR 的沉浸式教學模式的相關研究。基于布魯姆認識理論提出的“二維度”框架能夠將虛實教學資源相結合的沉浸式教學模式分別展開，并針對不同的教學階段細分為6 個層次。

2 基于布魯姆認知目標發展理論的沉浸式教學設計

自2017 年起，研究團隊提出了“三實一合”的機器人工程專業混合式教學設計理念[6]，即以落實立德樹人為統領、以夯實在線課程和實驗教學為基礎、以完善實驗教學資源為導向，切實促使科研與教學相融合。 近年來，團隊開始建設基于上海理工大學融媒體矩陣的“一網暢學”智慧教學空間，目前已建成一套面向機器人測控實驗的沉浸式VR 智能學習跟蹤測評系統[7-8]。研究團隊以布魯姆認知目標發展理論的6 個認知層次為著力點，探究沉浸式教學設計模式下的個體認知規律，并以此為綱領，針對機器人網絡技術課程打造更為適宜的工業網絡技術實驗教學生態。

圖 1 展示了基于布魯姆認知目標發展理論提出的混合式教學模式。淺層學習[9]適配由網絡通信技術理論到具體網絡安全技術的知識解碼過程，深層學習[10]適配具體網絡安防解決途徑到網絡安全關鍵技術的知識編碼過程。這一模式的核心理念在于通過融入淺層學習、深層學習兩個維度促成數字仿真資源與物理實驗資源的有機融合，從而共同推動教學實踐活動在6 個認知層次之間的迭代，形成有利于學習者知識理解的積極效應。

混合式教學模式設計是出于兩方面考慮。一方面，傳統的沉浸式教學設計通常注重章節知識點在“明線”學習層面的記憶、理解和再運用，卻較少關注相關知識內容在“暗線”學習層面的分析、評價和再創造。將“明線”學習任務托管至沉浸式VR 線上課堂，可以通過托管后臺對學生學習數據進行實時挖掘整合，從而協助主講教師有針對性地開展具反向思辨性的線下實踐活動，即翻轉課堂。另一方面，針對機器人網絡技術的線下AR 實踐往往存在設備信息安全、數據編碼技術、網通條件等諸多問題，需要主講教師在問題剖析上增強引領，從而將科學問題由課堂理論真正帶入實驗實踐，形成師生互動、生生協作的實踐測評環境。

圖1 基于布魯姆認知目標發展理論的沉浸式教學模式

經過一段時間的實驗教學，研究團隊發現淺層學習在理論學習[11]中的占比并非一成不變。托管系統根據知識點的測評結果會自適應增刪部分低頻錯誤率環節，這些環節以緘默狀態保存在云端，待隨堂測評時再次調用。若托管系統發現線上仿真測評結果存疑，還會通過隨送消息要求教師在線下實踐測評預留特定環節，繼續跟蹤學生個體在特定知識理解方面的行為表現。針對線上測評優異的學生個體，托管系統要求教師在線下AR 實踐中開展更具挑戰性、研究性的教研活動。

3 沉浸式教學運行環境

沉浸式教學活動環境是保證隨堂考核質量的關鍵因素之一， VR 云平臺是完全無監督的學習環境，是以學生為中心的教學活動，旨在獲得學生個體在淺層學習中的行為表現，進而指導AR 實踐空間有針對性地創建活動內容。AR 實踐空間是一種有監督的學習環境，是以學生實操進程為導向的教學活動，旨在獲得學生個體在深度學習中的思辨表現[12]，進而反饋至線上VR 云平臺的托管系統進行有針對性的調整。相對而言，學生個體在執行難度較大的實踐學習任務時，教師無監督學習比有監督學習能夠為其帶來更大的成就感和參與感，但在任務績效方面處于劣勢。近年來，研究團隊針對機器人網絡技術課程積極圍繞沉浸式教學開展翻轉課堂嘗試，發現翻轉課堂更適合安排難度和挑戰度較低且在線上VR 云平臺環境的教學任務。此外，沉浸式教學中的活動環節應控制在2～3 個，冗余的任務安排可能會過度分散學生的精神專注力，大量累積認知負荷從而導致精神疲勞。

4 沉浸式教學案例

研究團隊以機器人網絡技術課程TCP/UDP 編程技術模塊[13]為例，闡釋基于布魯姆認知目標發展理論的沉浸式教學模式設計與運用。

所選單元共設計3 個知識關鍵詞，依次是:TCP/UDP 協議定義、架構與收發原理，三者呈現依次遞進的關系。具體來看，第一階段通過知識關鍵詞引導學生在線上VR 云平臺中探索知識出處，這一過程對應淺層學習中個體對于知識的記憶與理解過程。個體在無監督學習環境中嘗試在仿真環境下拆解服務器和客戶端硬件，并在仿真環境下操作編碼引擎，生成數據通信接口，伴隨此過程，個體會借助智慧推動面板獲取來自互聯網的補充性知識，并通過Steam VR 社區[14]完成知識分享與線上互助。第二階段通過托管平臺梳理高頻錯誤并指導教師有針對性地制定AR 實踐活動，這一過程對應深層學習中個體對于知識的分析與評價過程。個體在監督學習環境中基于主講教師給定的AR項目，嘗試根據腦海中已編碼形成的知識網絡搭建模塊化CS 硬件結構環境，嘗試借助托管平臺內的深度學習工具檢查自行撰寫的C++腳本，隨后，借助代碼管理工具Subversion 請求教師給予編碼注釋校對，依據審定結果組織線下分組討論，最終完成例程的部署與實施。第三階段通過AR 項目評估導出的實施建議引導學生在線上VR 仿真環境中進一步挖掘知識出處，這一過程對應淺層學習中個體對于知識的應用過程。個體繼續在無監督學習環境中嘗試在仿真環境下拆解服務器和客戶端硬件，并在仿真環境下擴展已制作數據通信接口的功能，伴隨此過程，個體會再次借助智慧推動面板獲取來自互聯網的補充性知識，并通過Steam VR社區完成互助分享。第四階段再次通過托管平臺梳理“學生DIY”式項目產生的高頻錯誤并指導教師有針對性地制定更具挑戰性的AR 實踐活動，這一過程對應深層學習中個體對于知識的創造過程。個體在監督學習環境中基于主講教師給定的高階AR 項目，嘗試根據腦海中重新編碼形成的知識網絡調整模塊化CS 硬件結構環境，并嘗試借助托管平臺內的深度學習工具檢查再次優化撰寫的C++腳本，隨后，借助代碼管理工具Subversion 請求教師給予編碼注釋校對，依據審定結果組織線下分組實踐，最終完成對新例程的部署與實施。

5 結束語

要做好虛實實驗教學資源的有機融合，本質上是構建一套推動個體知識良性迭代的方法論。本文以布魯姆認知目標發展理論為指導設計的沉浸式教學模式對機器人網絡技術課程教學實踐具有一定的參考價值。未來可從以下幾個方面增強沉浸式教學效果：重建熱點關鍵詞與知識體系的整體關聯，繼續推進線上VR 資源與線下AR 資源的整合，倡導教師針對新工科課程要具備對數字媒體新技術的融入能力，重視沉浸式教學中對個體知識認知規律的研究。