基于ARCS模型設計的VR實訓課程教學效果分析

摘 "要" 以基站運行與維護實訓課程為例，基于ARCS模型進行教學設計，關注學生學習感受的四個方面：注意、關聯、信心、滿足感。同時結合情境認知理論和建構主義理論，通過VR實訓課程教學，激發學生學習的興趣和動機，分析實訓課程教學設計，增強課程教學效果。

關鍵詞" ARCS模型；基站運行與維護；VR技術；VR實訓課程；教學設計

中圖分類號：G642.44 """文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）13-00-05

0" 引言

ARCS模型是由佛羅里達大學凱勒教授提出的一種教學設計模型，其目的是通過教學設計喚醒學生的學習興趣和動力。在ARCS模型中，在進行教學設計的時候，通過關注學生學習感受的四個方面提升學生學習的興趣和動機，這四個方面分別是注意（Attention）、關聯（Relevance）、信心（Confidence）、滿足感（Satisfaction）。

1）注意指的是教學設計要能夠吸引和維持學生的注意力，可以通過使用新奇的事件來吸引或者維持學生的注意力。比如，為了加深學生的體驗效果，把關于樹葉分類這樣一節課從教室移到學校的小樹林中進行，讓學生親身體驗的同時，也把教學環境從課堂搬到大自然，通過提問或讓學生發現問題，激發學生對信息探究的興趣。

2）關聯指的是教學活動要與學生的背景知識、個人需求和生活經驗相聯系，在教學中結合學生已有知識體系，通過使用清晰的語言、示例、概念、價值觀等，明確教學目標和學習內容，幫助學生整合新的學習知識，使學生獨立確立學習目標，通過使用各種策略把教學活動與學生的各種學習需求匹配起來。

3）信心指的是教學活動要能增強學生學習的信心，維持學生對成功的渴望。期望成功，讓學生清楚地了解學習要求和評估標準，并了解家庭和社會對他們的期望。挑戰情境，設置多個成績維度，讓學生確定學習目標和成績標準，以便每個學生都能體驗成功并增強自信心^[1-2]。歸因方式，提供信息反饋并告訴學生學習成功的原因是他們具有相關技能，結合努力學習必然會取得良好的成績，即自己具備相關的能力而且付出努力就一定有好的結果。增強學生自信心的策略，比如給學生舉一個恰當的例子進行鼓勵，讓學生去探索、去追求，進行有針對性的反饋等。

4）滿足指的是為了讓學生感受學習的價值和快樂，讓他們在學習中獲得滿足感。給學生創造一些機會，使他們可以利用新獲得的知識或技能在真實或模擬的情境下練習或解決某些問題，以激發學生的內部學習動機。積極的表揚和激勵措施可以保持學生的學習動機及良好的學習行為，必須依據相關標準對學生的學習進行評估，必須公平公正地進行，讓學生體會到所學有所用，同時有限度地進行一些獎勵等。

VR是Virtual Reality（虛擬現實）的縮寫，通過虛擬三維空間打造沉浸式時空體驗，在教學中可以提供身臨其境的體驗，契合教育學的情境認知理論，能夠有效增強教學效果^[3-6]。探討VR實訓課程教學效果除了關注上述ARCS模型中提到的注意、關聯、信心、滿足感四個方面之外，同時結合情境認知理論和建構主義理論等教育規律，加以分析和評價^[7-8]。本文以基站運行與維護實訓課程為例，對基于ARCS模型設計的VR實訓課程教學效果進行分析，以更好地推廣VR教學模式。

1" VR實訓課程教學設計

實訓課程教學一般是以情境認知理論和建構主義理論為主要理論依據，遵循以學生為中心、動手動腦的教育理念，通過一定的教學活動設計完成實訓課程的教學?；具\行與維護實訓課程，其中涉及基站的安裝實驗，操作現場需要爬上50米高的鐵塔，同時涉及用電安全、真實設備昂貴，很難讓學生到工程現場實際操作。因此，應用VR技術模擬基站安裝過程，突破時空限制，讓學生感受真實效果，既保證安全，又加深了學生對基站安裝操作的認知和理解。

實訓課程的具體教學設計可以通過仿真軟件、演示視頻和虛擬現實體驗操作使學生掌握實訓操作的基本技能。其中的仿真軟件可以由真實的基站運維軟件改造用于教學的仿真教學軟件，其操作界面和工程現場的真實軟件完全一致。仿真軟件可用于理解室外宏基站的站點業務覆蓋，比如城區、郊區、公路、高鐵等多種場景，利用射頻拉遠技術擴展覆蓋范圍，效率高、成本低，比如地鐵覆蓋、特殊場景盲區覆蓋等。使用仿真軟件可以進行基站參數配置，包括設置基站和EPC的IP，配置傳輸資源，練習網絡規劃，進行信令跟蹤和分析。通過仿真軟件進行教學，學生可以將軟件安裝在自己的電腦上，隨時隨地進行練習，達到掌握基站配置維護技能的目的，也不會損壞真實設備；演示視頻通過前期準備，創設情境化教學環境，在真實情境下制作教學視頻，通過演示視頻提高學生的認知水平，通過教學演示視頻，使學生了解具體場景和現場工作情況，對于現場的場景體驗形成初步的感性認知；開展VR教學設計，通過VR技術體驗工程現場的安裝操作過程，通過虛擬現實增強教學空間維度的實踐經驗，開展實訓課程基站運行與維護的教學實踐。

1.1" 理論分析

VR技術是繼多媒體和計算機之后一種新的教學輔助技術，可以將一個學生帶入虛擬的三維空間，創造出一種完全本地化的感覺。最根本的是制造一種時空轉移的效果，用戶感覺像是進入另一時空，帶來更多的沉浸式體驗。VR的“時空轉換”和“沉浸”與教育學領域的“情景構建”理論相吻合，虛擬現實技術是一個不斷更新的過程，在教育領域，可以是一種以有趣的方式呈現抽象科學知識的教育技術^[9-10]，VR技術具有如下幾個特性。

1）趣味性。借助VR技術形成真實的沉浸感、趣味的操作體驗、豐富的構想性，攜帶方便，低成本，易于推廣，可以更好地吸引學生，提高學生的注意力，激發學生的想象力和創新能力。

2）科學性。將VR技術與學習知識相結合，以VR的形式取代抽象的言語教學，情境認知與個人生活經驗進行體驗匹配，使學習充滿樂趣，符合科學理論對體驗式學習的設計和未來的學習趨勢。

3）實用性。呈現形式通過VR場景實現，免去了大量實物，規避了安全風險，學生可以自信地重復操作，學習效果好。同時制作成本低、應用價值高，產品做好后可以重復使用，節約場地和費用，具有良好的經濟效益，便于推廣宣傳。

1.2" 技術分析

VR技術是一種交叉學科技術，主要通過圖像呈現技術和感知技術實現人與虛擬環境的交流互動，主要包括仿真環境、感知人體動作的傳感器設備，互動性和自主性是VR技術的主要特點。目前，VR技術已經進入大眾普及階段，隨著5G移動圖像技術的實現，5G+VR技術突破了技術發展瓶頸，未來將得到更廣泛的應用。

常見的VR軟件包括Unity、VRP、Quest3D等，其中，Unity 3D是一款成熟的跨平臺應用程序開發引擎。VR技術用到的硬件設備大體上分為知覺捕捉設備和知覺反饋設備，硬件設備包括手套、頭盔、頭部跟蹤器、動作捕捉器等。此外還有定位器和VR眼鏡?，F在的VR眼鏡制作非常簡單，可以通過簡單的鏡框和鏡片完成組裝，通過手機就可以很好地實現簡單虛擬現場情景的演示效果。目前比較專業的VR眼鏡品牌有很多，常見的品牌主要有HTC Vive、Facebook Oculus Rift、Sony PlayStation VR、Samsung Gear VR、Google Cardboard等。

常用的VR技術硬件設備整理總結如表1所示。

交互方式：VR的交互方式被認為是未來交互的主要技術方式。它的交互作用比普通平面圖形交互的形式更廣泛，交互方式也更加豐富。VR技術的交互方式主要有九種：眼球追蹤、動作捕捉、肌電模擬、觸覺反饋、語音、方向追蹤、真實場地、手勢追蹤、傳感器。

技術方案確定：通過VR技術再現基站安裝實訓情景，通過虛擬方式展示實驗階段、實驗效果和關鍵技術點。從實訓設備的準備與選擇到實訓操作的每一個步驟、操作技能點、生產安全常識等，都可以設計到該系統中，同時要考慮系統設計的趣味性、科學性和功能性。通過執行虛擬場景設定的實訓任務，潛移默化地提升學生基站安裝調試的基本知識和技能。

基于上述技術，綜合考慮成本因素，確定采用VR技術實現基站安裝調試，包括使用Unity軟件進行程序開發，使用HTC Vive眼鏡展示虛擬實訓。設計流程為：使用MAX制作模型并導入Unity，通過Unity菜單設置基本視圖、比例和結構，設計相機代碼，創建場景，設計UI，build。

1.3" 實訓操作

基站安裝實訓過程通過LTE基站工程VR實訓系統完成，如圖1所示。書本上看不見的知識，通過VR技術實現學生和操作情境直接進行自然交互。學生戴上VR眼鏡，可以再現時空場景和平時肉眼難以觀察到的物體多維顯示，通過操作手柄可以完成基站安裝的體驗過程。VR技術的“身臨其境”和“情景構建”理論不謀而合，對于學生掌握基站安裝技術和技能起到很好的促進作用。同時，VR場景對學生來說具有特殊的吸引力，可以提高學生的學習興趣。

2" VR實訓課程教學效果評價分析

教學效果分析的目的在于通過課堂教學，探討教學模式與傳統課堂教學模式在教學效果上的差異，據此驗證該模式的有效性。從教學實驗效果的總體滿意度、注意、關聯、信心、滿足感等方面進行分析，并細化聚焦為兩個實際問題：1）該教學模式的認可度情況；2）該教學模式是否能夠改善學生的注意、關聯、信心、滿足感。

威廉·維爾斯曼在《教育研究方法導論》中指出，實驗研究是實證研究的重要方法，教學實驗要進行隨機處理，增強實驗對象的抽樣分布隨機性。在實驗對象選定之后，注意避免兩種消極效應。

1）霍桑效應（Hawthorne Effect）?；羯Ｐ侵改切┮庾R到自己正在被別人觀察的個人具有改變自己行為的傾向。實驗班學生一旦得知自己參與教學實驗，就會察覺來自教師的關注，會在心理和行為上出現差異，在一定程度上影響實驗效度。對此，解決辦法就是對實驗情況不予提前公布，使學生在常態下參加教學實驗。

2）皮格馬利翁效應（Pygmalion Effect）。皮格馬利翁效應指人們基于對某種情境的知覺而形成的期望或預言，會使該情境產生適應這一期望或預言的效應。在課堂教學中，教師的信念會影響其對學生的期望，而學生通過感受到的教師期望，變得更加順應，從而使教師的期望變成學生的現實表現。

在本研究中，為避免該效應，教師避免對運用VR教學模式表現出極大的推崇和渲染，以此降低不利影響。

在此次實驗研究中，數據收集通過問卷調查和訪談的形式。在實驗教學活動結束后，向所有學生進行學習效果的問卷調查，然后對問卷結果進行數據匯總，用來驗證參與實驗學生對該教學模式的整體滿意度。在課程教學結束后，通過采訪教師和學生，對教學前后進行比較，比如：教師對學生參與教學的主動性、學生的自我認知能力等進行評價，對學生的學習興趣、理解程度等進行調研，受訪師生普遍認為這樣的課程教學設計生動、易于理解，有助于知識和技能的消化吸收與掌握，都給予積極評價。為了進一步獲得更詳細的評價和反饋，在課程結束后進行問卷調研，分析實驗班和對比班的學習影響。這個分析主要從注意、關聯、信心、滿足感的角度展開，通過對測試數據的收集和整理，對學生的學習效果進行分析和總結。

3" 教學效果評價

為了進一步驗證基站安裝VR實訓的教學效果，采用教學實驗和問卷調查的方式進行，分別在本科組和教師組進行VR教學實驗。這里根據上述教學過程的分析和相關教學理論基礎，結合教學實驗設計和實施，完成調查問卷設計。將調查問卷發放給進行教學實驗的本科生的一個班級學生30名及專業教師10名，被調查者獨立完成調查問卷，問卷主要包含總體感受、學習興趣（注意力）、情境效果（關聯）、增強自信（自信）、學習效果（滿足感）共五個方面的內容。問卷分成本科生、教師兩個組別，判定分值為1、2、3、4、5分，分別代表差、較差、一般、較好、好五個級別，然后計算每個小組的平均分值。

回收教師的有效調研問卷10份，進行指標歸類和數據分析，分值統計結果按平均分統計（滿分5分），總體感受=4.5分，情境效果=4.4分，學習興趣=4.6分，增強自信=4.2分，學習效果=4.57分，教師組對VR實驗的認可度比較高。

回收本科生的有效調研問卷30份，進行指標歸類和數據分析，分值統計結果按平均分統計（滿分5分），總體感受=4.4分，情境效果=4.5分，學習興趣=4.5分，增強自信=4.4分，學習效果=4.73分，本科學生對虛擬實驗的認可度高。

總的來說，每個被調查者的想法基本是相同的，對于每一項指標的打分基本在4分以上，由此可見，這種實驗方法可以接受，并且可以增強學習效果。最后，師生都表示希望將這種學習方式推廣到更多學科。

根據以上兩組被調查人員的調查結果，通過導入數據，可以得到相關評價指標散點圖，如圖2所示。

大部分的調查問卷中，總體感受、學習效果、情境效果這幾個方面的指標打分較高，尤其是學習效果和情境效果兩項指標反映了VR技術的明顯優勢。同時，也看到由于大家對VR實訓系統了解不深，對于通過VR實訓課程完成的學習并沒有足夠的信心，因此，在增強自信指標上各組的打分不是很高，大家對現場實物的操作仍然缺乏信心。后面結合現場實踐，教學效果會逐步體現出來，師生會對VR實訓課程的教學效果更加信任?？傮w上看，被調查者對于VR實訓課程在四個指標即學習興趣（注意力）、情境效果（關聯）、增強自信（自信）、學習效果（滿足感）的打分都在4～5分之間，都給予了充分肯定。

4" 結束語

總之，對教育領域來說，VR技術改變了人們的學習方式，雖然目前VR技術看起來還不夠完善，比如使用時間過長，學生會產生眩暈，但相信隨著技術的改進這樣的問題可以很快得到解決。VR技術未來終將讓師生與虛擬智能實驗室之間更加自然地交互，在教學領域發揮獨特的作用，成為人們課堂學習的利器，改變人與科技之間的關系。同時，教學形式的多樣性和隨機性也使得學生用于學習的時間得到增加。教師對學生的單獨輔導和集體答疑可以加深學生對知識的理解、消化和吸收。在教學過程中，知識的傳授是一個內化知識的過程，學習效果是學生有收獲感的前提，學生在整個學習過程中是否認識到自己是學習的主人與學生對教學模式的滿意度密切相關。因此，在實施VR教學模式時，除了為學生提供一個界面友好、功能豐富、互動方便、素材豐富的教育平臺外，教師要真正樹立以學生為中心的教學理念，適應教學進度要求，滿足學生的學習需求，注重學生的學習體驗，創新運用教學方法，組織積極有效的教學活動，在實踐教學中組織、實施和推廣VR教學模式。

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