黃亞平　林韋姣（浙江工業(yè)大學 教育科學與技術學院，浙江杭州 310023）

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基于體驗學習圈的火災逃生虛擬學習系統(tǒng)構建

黃亞平林韋姣
（浙江工業(yè)大學 教育科學與技術學院，浙江杭州 310023）

摘要：虛擬現(xiàn)實技術的應用與推廣為教育研究提供了新思路，虛擬學習系統(tǒng)就是其在教育領域的一個重要應用。針對當前青少年消防安全教育中存在的問題，文章在研究大衛(wèi)·庫伯體驗學習圈的基礎上，提出了以“基礎層—體驗層—歸納層—模擬層”為主體的虛擬學習系統(tǒng)設計模型，并據(jù)此開發(fā)了火災逃生虛擬學習系統(tǒng)。該系統(tǒng)能幫助青少年掌握消防知識、提升消防意識、訓練火災逃生技能，相關的實際應用結果驗證了該系統(tǒng)的有效性。關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；體驗學習圈；虛擬學習系統(tǒng)

引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術越來越受到教育界的青睞。虛擬學習系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實技術在教育界的一個重要應用，它通過模擬真實環(huán)境、提供多感知虛擬空間和數(shù)字化學習資源，較好地滿足了學習媒體情境化的需求[1]，并具有交互性、沉浸性和構想性[2]的特點。根據(jù)已有的研究成果，可知現(xiàn)在針對青少年的消防教育存在以下問題：在知識的傳授上，教師自身在消防安全方面的知識儲備不足[3]，而專家的消防講座覆蓋面小、頻率低，消防標語的宣傳平面化、形式枯燥[4]，難以產(chǎn)生實際的教育意義；在技能的培訓上，部分學校的消防教學器材匱乏，與消防部門的聯(lián)合演練流程復雜、費用高，參訓的青少年消防意識不夠、操作不當易引發(fā)危險。上述問題，嚴重影響著青少年對消防知識與技能的學習。

用虛擬現(xiàn)實技術解決上述問題具有無可比擬的優(yōu)勢：在學習方式上，該技術能夠創(chuàng)設逼真的學習情境，學習者可在其中主動探索、建構知識的意義[5]；在學習內(nèi)容上，該技術能夠靈活組織知識結構，并用直觀、立體的形式呈現(xiàn)教學內(nèi)容[6]；在學習空間上，該技術能夠建立三維學習情境，擴展學習體驗空間[7]。

但虛擬現(xiàn)實技術優(yōu)勢的發(fā)揮，需要結合適當?shù)慕逃碚搧碇笇摂M學習系統(tǒng)的設計。目前，已有將整合情境與沉浸理論[8]、混合學習與活動理論[9]、情境認知與情感化設計理論[10]與虛擬現(xiàn)實相結合的研究，也有將體驗式學習理論用于指導設計的研究[11][12][13]，但這些研究重在分析虛擬環(huán)境下體驗學習的流程，而對虛擬學習系統(tǒng)的設計模型與方法總結得不夠。基于體驗學習圈設計的學習活動能夠激發(fā)學習者的興趣，促使他們更深入地理解學習主題，進而使能力得到更高水平的發(fā)展[14]，本文將體驗學習圈理論與虛擬現(xiàn)實技術相結合，提出了以“基礎層—體驗層—歸納層—模擬層”為主體的虛擬學習系統(tǒng)設計模型。在此基礎上，本文采用3dsMax和VR-Platform軟件，開發(fā)出了火災逃生虛擬學習系統(tǒng)。

一　體驗學習圈理論

美國心理學家大衛(wèi)·庫伯[15]總結出如圖1所示的“體驗學習圈”模型，認為體驗學習是一個體驗循環(huán)的過程，每一個循環(huán)包含四個階段：①具體體驗。學習者在與外部刺激的相互作用中獲取知識，產(chǎn)生各種體驗。②反思觀察。學習者有意識地對具體體驗過程中的“知識碎片”進行回憶、反思，整合成有意義的信息。③抽象概括。學習者對觀察的內(nèi)容進行梳理，抽象出符合邏輯的概念和理論。④主動檢驗。學習者在新情境中驗證自己新形成的概念和理論?！案兄?、“領悟”及意義轉換維度，反映了學習者在體驗學習過程中獲得經(jīng)驗及學習遷移的方式[16]。

圖1　庫伯的體驗學習圈

在庫伯的理論模型中，體驗學習的過程涵蓋了學習者親歷體驗、進行反思、與他人交流、經(jīng)驗外化等活動，是學習者不斷“體驗、反思、歸納、應用”連續(xù)循環(huán)的過程[17]。其中，反思是重要環(huán)節(jié)，是對自己體驗的再認識，能夠促進學習者經(jīng)驗的重構。另外，該模型同樣重視知識與經(jīng)驗的外化，并使之在外化的過程中得到驗證與提升。

研究體驗學習圈理論對虛擬學習系統(tǒng)設計的啟示是：①相互關聯(lián)的直接經(jīng)驗與間接經(jīng)驗是學習者的有效資源。虛擬環(huán)境要模擬知識發(fā)生的情境，調(diào)動學習者的眼、耳等多種感官及情感的參與，獲取直接經(jīng)驗；對于嗅覺、觸覺等感覺刺激的缺失，則可通過間接經(jīng)驗進行彌補。在虛擬環(huán)境建立起直接經(jīng)驗與間接經(jīng)驗的聯(lián)系，能幫助學習者有效開展學習。②反思是促進學習的有效途徑。學習需要深層的反思觀察，進而抽象出有意義的知識結構。因此，應在虛擬學習系統(tǒng)中設置相應的問題情境，引導學習者進行反思、分析；還可以設置學習輔助小工具，如設置“學習筆記”協(xié)助學習者隨時概括總結，或設置“在線交流”誘發(fā)學習者進行自我分析、突破認知局限以重構知識。③有效學習需經(jīng)歷體驗學習的四個階段，通過連續(xù)循環(huán)促使學習效果螺旋上升。虛擬學習系統(tǒng)需要針對具體體驗、反思觀察、抽象概括、主動檢驗，設置相應的學習內(nèi)容、學習任務或?qū)W習輔助工具，以充分調(diào)動學習者的情緒、知覺、思維及行為的參與；同時設置相應的反饋與評價，以幫助學習者對已有的經(jīng)驗形成綜合認知，促進循環(huán)體驗的發(fā)生。

二　基于體驗學習圈的虛擬學習系統(tǒng)設計模型

學習者在虛擬系統(tǒng)中的體驗與該系統(tǒng)的構建方式密切相關。本文將體驗學習圈理論與虛擬現(xiàn)實技術相結合，提出了以“基礎層—體驗層—歸納層—模擬層”為主體的虛擬學習系統(tǒng)設計模型，對應“情境體驗—觀察反思—內(nèi)容概括—模擬演練”四個學習環(huán)節(jié)，如圖2所示。

1基礎層

該層是整個系統(tǒng)的組織架構，包括界面設計、導航設計與交互設計——為幫助學習者完成學習目標，界面設計應選擇容易被理解和使用的元素；導航設計要體現(xiàn)出界面元素與其所含內(nèi)容間的關聯(lián)、當前界面與整體結構的關系，并向?qū)W習者提供在界面間跳轉的途徑；交互設計則需便于學習者與虛擬情境、資源信息進行操作交互及信息交互，并最終實現(xiàn)概念交互。

圖2　基于體驗學習圈的虛擬學習系統(tǒng)設計模型

2體驗層

該層是學習者開始進入虛擬體驗的平臺，包括教學設計和情境設計。其中，教學設計是虛擬學習系統(tǒng)教育價值高低的關鍵所在，需要根據(jù)學習者的特點及對學習內(nèi)容的分析，對資源形式、呈現(xiàn)方式等元素做出合理安排；情境設計則需在貼近學習者實際生活的“真實情境”中呈現(xiàn)知識，使學習者產(chǎn)生角色上的認同感，進而沉浸到虛擬環(huán)境中進行學習活動。

3歸納層

該層是促進反思與概括的工具，包括問題設計和輔助工具設計，維持體驗學習的專注性與連貫性。問題設計既要基于學習者已有的知識與經(jīng)驗，又要超越他們當前的基礎，從而引發(fā)對已有經(jīng)驗的反思和重組。而輔助工具設計如在線交流、在線筆記等，通過學習經(jīng)驗的探討交流、可視化地呈現(xiàn)各知識點之間的聯(lián)系，能幫助學習者強化記憶、加強理解，進而完善知識結構。

4模擬層

該層為學習者創(chuàng)造了應用新知識、新技能解決實際問題的機會，包括活動設計和反饋評價設計?；顒釉O計應引導學習者參與到實際問題的場景中，在完成學習任務的過程中檢驗新獲得的知識與技能。反饋評價設計則要突破對概念性知識進行復述的傳統(tǒng)評價，根據(jù)學習者的實際操作給予實時的反饋與評價，注重學習者所能達到的發(fā)展高度，幫助學習者形成對自己的綜合性認識，以調(diào)整體驗學習的進程。

三　火災逃生虛擬學習系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

為提高青少年的安全防范意識及火災自救能力，本研究結合上文提出的基于體驗學習圈的虛擬學習系統(tǒng)設計模型，開發(fā)了火災逃生虛擬學習系統(tǒng)。

1教學設計

本文依據(jù)《全民消防安全宣傳教育綱要》的要求，參考《火災防范與自救》[18]、《消防安全知識》[19]的相關學習內(nèi)容，進行了學習活動設計，如表1所示。其中，“場景漫游”與“課堂互動”是學習者進行虛擬體驗的環(huán)節(jié)，包括直接經(jīng)驗與間接經(jīng)驗；“反思、應用”通過工具與場景促進學習者反思概括，將所學知識應用于模擬場景，鞏固學習效果。

表1　學習活動設計

2模塊設計與實現(xiàn)

基于虛擬學習系統(tǒng)設計模型與體驗環(huán)節(jié)設計，火災逃生虛擬學習系統(tǒng)主要分為“場景漫游”、“虛擬教室”、“逃生訓練”三大模塊，對應體驗層、歸納層、模擬層。

（1）場景漫游

以現(xiàn)實小區(qū)的布局與建筑風格為藍本構建漫游場景，場景中嵌入常見易燃物標識和對應滅火、撲救辦法等的解說，其漫游效果如圖3所示。在主界面上設置導航圖，可快速定位和切換位置，增強體驗的流暢感；相對于傳統(tǒng)教學而言，逼真的情境讓用戶產(chǎn)生的體驗也更為深刻。

圖3　場景漫游效果圖

圖4　虛擬教室效果圖

（2）虛擬教室

在教室中創(chuàng)建教師與學生的角色，消除學習的孤獨感，使體驗更加真實，其虛擬教室效果如圖4所示。學生可以單擊黑板上相關的知識點，觸發(fā)對應課件、視頻的播放，并能控制其進度，還能調(diào)用學習筆記記錄學習的內(nèi)容及過程，便于同步進行歸納概括。

（3）逃生訓練

模擬火災場景，學習者可在訓練逃生技能的同時訓練心理素質(zhì)，逃生訓練界面如圖5所示。學習者通過控制三維虛擬人物選擇逃生路徑，系統(tǒng)則給出相應的提示反饋，逃離火災現(xiàn)場后系統(tǒng)還會根據(jù)學習者在整個逃生過程的操作顯示其剩余生命值，并對學習效果進行綜合評價。

圖5　逃生訓練界面

（4）幫助中心

主要包括系統(tǒng)的操作說明和知識導圖，以幫助學習者更好地了解火災逃生虛擬學習系統(tǒng)的功能與操作，便于學習者對該系統(tǒng)包含的消防安全知識結構形成整體認識。

火災逃生虛擬學習系統(tǒng)開發(fā)完成后，開發(fā)人員對該系統(tǒng)進行了試用與評價。大部分學習者認為該系統(tǒng)的知識性與情境性比較強，知識結構相對完整，學習資源類型多樣，模擬仿真的學習情境能產(chǎn)生深刻的情感體驗，虛擬逃生訓練有助于提升消防技能、形成正確的消防觀念——這對解決當前青少年消防安全教育中存在的問題具有一定的積極意義。

四　結束語

本文通過文獻研究、設計模式提煉，提出了基于體驗學習圈的虛擬學習系統(tǒng)設計模式，在此基礎上開發(fā)了火災逃生虛擬學習系統(tǒng)并進行了初步應用。實踐表明：火災逃生虛擬學習系統(tǒng)具有一定的實用性，對學生掌握消防知識、提升消防意識、訓練火災逃生技能具有一定的促進作用。后續(xù)研究將不斷提高該系統(tǒng)的交互性與沉浸感，讓學習者產(chǎn)生更強的身臨其境之感，進一步提升火災逃生訓練的成效。

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編輯：小米

The Structure of the Fire Escape Virtual Learning System based on Experiential Learning Cycle

HUANG Ya-pingLIN Wei-jiao
(School of Educational Science and Technology,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,Zhejiang,China 310023)

Abstract:The application and promotion of VR (virtual reality) technology has shed new lights on educational research.One of the significant applications of VR in education was virtual learning system.Based on the study of David Kolb’s theory of experiential learning cycle,this paper proposed virtual learning system design mode with base layer,experience layer,induction layer and simulation layer as the main part.Furthermore,authors designed and put forward the fire escape virtual learning system,aiming at solving the problem existing in the fire safety education of the adolescent.Finally,the application results verified the effectiveness of this system,which can not only help teenagers acquire fire control knowledge,but also enhance their awareness on fire control and increase their self-help abilities when the fire broke out.

Keywords:VR; experiential learning cycle; virtual learning system

收稿日期：2015年7月30日

作者簡介：黃亞平，副主任，副教授，碩士，研究方向為虛擬現(xiàn)實教育應用、網(wǎng)絡教育應用，郵箱為hyp@zjut.edu.cn。

【中圖分類號】G40-057

【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2016）03—0121—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.03.018