劉勉 張際平

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)是指由計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建的、反映真實(shí)情境的、可體驗(yàn)交互的虛擬世界，其中涉及四個(gè)維度，分別是計(jì)算機(jī)程序、用戶（人）、現(xiàn)實(shí)世界、虛擬情境，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)的目的是用戶通過與虛擬情境交互，進(jìn)而獲得對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知。未來課堂是以全面構(gòu)建面向未來的教學(xué)主陣地“課堂”為目標(biāo)的教學(xué)科研項(xiàng)目，是一套整合軟硬件和云端服務(wù)的教學(xué)專家系統(tǒng)，著重突出了個(gè)性化學(xué)習(xí)、強(qiáng)調(diào)交互、教學(xué)資源豐富、一鍵操控、技術(shù)領(lǐng)先和生態(tài)健康等新型課堂理念。該文基于已有未來課堂研究成果以及最新科技趨勢，提出了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來課堂的構(gòu)想，構(gòu)建了基于未來課堂環(huán)境的“VaA”教學(xué)模式，探索了從理論與實(shí)踐兩方面共同提升學(xué)生綜合認(rèn)知水平的道路，設(shè)計(jì)了以中職汽車發(fā)動機(jī)課程為例的教學(xué)活動方案，并指出了采用“VaA”教學(xué)模式的優(yōu)勢。最后從空間結(jié)構(gòu)、資源建設(shè)和發(fā)展途徑三個(gè)方面對相關(guān)后續(xù)研究提出了建議。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；未來課堂；教學(xué)模式

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是最近幾年在ICT業(yè)界出現(xiàn)頻率較高的詞語，它是由許多相關(guān)學(xué)科進(jìn)行交叉、融合的產(chǎn)物，其中包括了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在諸如娛樂、建筑、測量、軍事、制造、醫(yī)療等行業(yè)得到了較為廣泛的運(yùn)用，而在教學(xué)上的運(yùn)用則處于起步階段。

在當(dāng)今的教育領(lǐng)域中，以教師傳授知識為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式已逐漸被以學(xué)生主動建構(gòu)認(rèn)知為中心的教學(xué)模式所取代。建構(gòu)主義教學(xué)模式是一個(gè)教學(xué)模式大類，其中包括利用不同教育技術(shù)實(shí)施教學(xué)的多個(gè)分支，而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)就是其中之一。實(shí)施虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)需要最新ICT技術(shù)支持教學(xué)環(huán)境，未來課堂中關(guān)于構(gòu)建泛信息技術(shù)課堂的理念正好與之契合。

二、何謂虛擬現(xiàn)實(shí)

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)概述

1963年，伊凡·薩瑟蘭在他的博士論文中第一次提出虛擬現(xiàn)實(shí)理論。到了1989年，VPL（VirtualProgramming Languages）研究公司的創(chuàng)始人雅龍·拉尼爾才將虛擬現(xiàn)實(shí)這一術(shù)語引入大眾視野。不同研究領(lǐng)域的學(xué)者各自對虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行了定義，謝爾曼和賈金斯用五個(gè)“I”為虛擬現(xiàn)實(shí)下了定義：“Intensive（集中的），Interactive（交互的），Immersive（沉浸的），Illustrative（例證的）and Intuitive（直觀的）”。皮門特爾和特謝拉定義虛擬現(xiàn)實(shí)為一種通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的沉浸式、交互式體驗(yàn)。在較近的一篇文獻(xiàn)中，狄奧尼索斯等人提出虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)生成的模擬平臺，在該平臺中的三維物體與環(huán)境看上去好像是真實(shí)直觀的，并且用戶可以與之互動。

參考上述文獻(xiàn)資料，筆者認(rèn)為所謂虛擬現(xiàn)實(shí)是指由計(jì)算機(jī)程序構(gòu)建的真實(shí)或接近真實(shí)的三維虛擬情境，用戶利用某種手段進(jìn)入虛擬情境，并與之交互，從而建構(gòu)起對于現(xiàn)實(shí)世界合理認(rèn)知。其中涉及到四個(gè)維度，分別是計(jì)算機(jī)程序、用戶（人）、現(xiàn)實(shí)世界、虛擬情境，概念圖如下頁圖1所示。根據(jù)此圖，虛擬源于現(xiàn)實(shí)，也歸于現(xiàn)實(shí)，用戶與虛擬情境互動，目的是更好的認(rèn)識現(xiàn)實(shí)世界。虛擬現(xiàn)實(shí)不僅讓參與者能夠觀看虛擬情境，更重要的是使其通過交互的方式與該情境中的事物產(chǎn)生聯(lián)系，最終建構(gòu)起對于現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知。

（二）混合實(shí)境

1994年，米爾格拉姆和岸野定義了一個(gè)“真實(shí)一虛擬連續(xù)體”模型，如圖2所示。在此模型中，混合實(shí)境（Mixed Betty）區(qū)域位于完全真實(shí)環(huán)境和完全虛擬環(huán)境之間，偏向真實(shí)環(huán)境端的混合實(shí)境稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，偏向虛擬環(huán)境端的混合實(shí)境稱為增強(qiáng)虛擬?；旌蠈?shí)境在實(shí)際中的應(yīng)用多表現(xiàn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），AR是將虛擬環(huán)境或事物實(shí)時(shí)疊加到真實(shí)環(huán)境或事物上去，允許用戶既感知虛擬的世界，也看到真實(shí)的世界。

托馬斯·霍爾茲和亞伯拉罕G坎貝爾等人對該模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了改進(jìn)型“真實(shí)一虛擬連續(xù)體”模型，如圖3所示。在該改進(jìn)模型中，托馬斯和亞伯拉罕等人將“較大物理呈現(xiàn)”與“較大虛擬呈現(xiàn)”的分割點(diǎn)定位于連續(xù)體線段的1/2處，1/2處則為“兩者均等呈現(xiàn)”，改進(jìn)型“真實(shí)—虛擬連續(xù)體”由五個(gè)區(qū)域組成，即物理區(qū)域、較大物理呈現(xiàn)區(qū)域、物理虛擬均等呈現(xiàn)區(qū)域、較大虛擬呈現(xiàn)區(qū)域和虛擬區(qū)域，其中較大物理呈現(xiàn)區(qū)域、物理虛擬均等呈現(xiàn)區(qū)域和較大虛擬呈現(xiàn)區(qū)域組成混合實(shí)境。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來課堂

（一）未來課堂研究基礎(chǔ)

華東師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所是國內(nèi)真正意義上開展未來課堂相關(guān)研究的科研機(jī)構(gòu)，并且“未來課堂”已成為教育信息化領(lǐng)域的專用名詞。在“教學(xué)之主陣地：未來課堂研究”一文中張際平教授談到未來課堂是基于“教育面向未來”和“國家中長期教育改革與發(fā)展綱要”中“把提高教育質(zhì)量作為未來教育的戰(zhàn)略重點(diǎn)”“以人為本”“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”等思想而提出的，它將在人本主義、互動、環(huán)境心理學(xué)相關(guān)的理論和信息、智能、人機(jī)交互等技術(shù)支持下，充分發(fā)揮課堂組成各要素的作用，以互動為核心，旨在提高課堂主體的主動性、能動性，創(chuàng)造和諧、自由發(fā)展的教與學(xué)的環(huán)境與活動隨后，大量學(xué)者與研究人員對未來課堂的理論建構(gòu)與實(shí)施策略開展了廣泛而深入的研究，如陳衛(wèi)東將未來課堂定義為高互動學(xué)習(xí)空間，其實(shí)現(xiàn)主要依托于多屏交互顯示設(shè)備、觸摸輸入設(shè)備、即時(shí)反饋系統(tǒng)、課堂實(shí)錄系統(tǒng)、視訊會議系統(tǒng)以及智能化環(huán)境控制平臺等相應(yīng)的硬件及軟件平臺，許亞鋒則提出了一種基于改進(jìn)的PST框架的面向體驗(yàn)學(xué)習(xí)的未來課堂設(shè)計(jì)方案。本文以CNKI學(xué)術(shù)期刊數(shù)據(jù)庫為文獻(xiàn)來源數(shù)據(jù)庫，搜索主題為“未來課堂”，期刊類別為“核心期刊+CSSCI”，時(shí)間跨度為“不限”，共檢索出59篇文章。對這59篇文章逐一詳細(xì)閱讀，剔除與“未來課堂”這一專用名詞不符的文章，如“加強(qiáng)未來的課堂管理”“聚集于現(xiàn)實(shí)和未來課堂中的教學(xué)”等，最終篩選出32篇論文，并針對研究主題，從論文數(shù)目、所占比例、代表人物、代表文章和刊發(fā)期刊五個(gè)類別對到目前為止的未來課堂研究成果進(jìn)行了梳理，如表1所示。

由已有的研究成果中可看出對未來課堂概念的界定和特性提煉占最大比例，這與未來課堂屬于教育信息化新領(lǐng)域，有必要對其進(jìn)行縝密的概念與特性定義密不可分。緊隨其后的是關(guān)鍵技術(shù)的研究，這與未來課堂始終關(guān)注最新科技在課堂中的應(yīng)用緊密相關(guān)。目前在未來課堂中所運(yùn)用的信息技術(shù)主要有泛在網(wǎng)絡(luò)、多屏顯示、智能測評等，不過，從2016年開始爆發(fā)式增長的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并未在已有未來課堂研究中詳細(xì)提及。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、創(chuàng)設(shè)心理沉浸感、實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識遷移等方面具有明顯的優(yōu)勢，有著教育技術(shù)風(fēng)向標(biāo)之稱的地平線報(bào)告在2016年高等教育版里把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)列為中期（2-3年）的技術(shù)進(jìn)展目標(biāo)。由此可見，在越來越重視以學(xué)生為主體、以交互為手段的現(xiàn)代教學(xué)理念的指導(dǎo)下，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來課堂，構(gòu)建適合兩者完善融合的教學(xué)模式是有利而必要的。

（二）基于未來課堂環(huán)境的“VaA”教學(xué)模式

如何切實(shí)有效提升教學(xué)主陣地“課堂”的教學(xué)效果，是未來課堂研究的重點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要能夠完善的融入未來課堂，合理的教學(xué)設(shè)計(jì)必不可少。教學(xué)設(shè)計(jì)思想最有代表意義的著作是加涅于1965年出版的《學(xué)習(xí)的條件》和1974年出版的《教學(xué)設(shè)計(jì)原理》，對后世的教學(xué)設(shè)計(jì)研究具有深遠(yuǎn)的影響。教學(xué)設(shè)計(jì)模型脫胎于教學(xué)設(shè)計(jì)理論，是對教學(xué)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行精煉后得到的一套操作性較強(qiáng)的實(shí)用模型。教學(xué)設(shè)計(jì)模型雖然從設(shè)計(jì)序列和關(guān)注對象來看各有不同，但是大多數(shù)可以歸納成ADDIE模型：分析（Analyze），設(shè)計(jì)（Design），開發(fā)（Develop），實(shí)施（Implement），評價(jià)（Evaluate）。ADDIE模型又稱通用教學(xué)設(shè)計(jì)模fGeneric Instructional Design Model）筆者通過分析虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)及運(yùn)用在未來課堂教學(xué)中的可能性，結(jié)合通用模型ADDIE，構(gòu)建起如圖4所示的基于未來課堂環(huán)境的“虛擬現(xiàn)實(shí)+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR and AR，簡稱VaA）”教學(xué)設(shè)計(jì)模型。

要實(shí)施“VaA”教學(xué)模式，首先分析課程是否滿足采用“VaA”教學(xué)模式的條件，條件為既要學(xué)習(xí)理論知識，又要求實(shí)踐操作。若可行，則采用“VaA”教學(xué)模式，否則，采用其它教學(xué)模式。然后，實(shí)踐教學(xué)部分采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，架設(shè)獨(dú)立的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū)，在其中布置可供虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的體驗(yàn)設(shè)備，幫助學(xué)生強(qiáng)化實(shí)踐認(rèn)知；理論教學(xué)部分采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利用未來課堂多屏循環(huán)技術(shù)與學(xué)生端PAD聯(lián)動的優(yōu)勢，促進(jìn)學(xué)生的理論認(rèn)知建構(gòu)。最后，整合理論認(rèn)知和實(shí)踐認(rèn)知獲取程度，得出學(xué)生對于本課程的綜合認(rèn)知獲取情況。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)

皮亞杰曾說過“我的核心思想始終是相互作用”。其開創(chuàng)的發(fā)生認(rèn)識論明確強(qiáng)調(diào)認(rèn)識既不來自客體，也不來自主體，認(rèn)識是主客體之間相互作用的產(chǎn)物，主體與客體之間的相互作用是依賴于動作（活動）這一中介來實(shí)現(xiàn)的，因此，動作是既是認(rèn)識的源泉也是思維的基礎(chǔ)。莫蘭和麥金泰爾對運(yùn)動與認(rèn)知相互關(guān)系進(jìn)行深入研究后提出運(yùn)動認(rèn)知為認(rèn)知心理學(xué)提供了一個(gè)更為豐富的理論研究范式，它不僅僅是關(guān)于認(rèn)知和行為之間必然聯(lián)系的知識系統(tǒng)，而且，更強(qiáng)調(diào)在心理活動產(chǎn)生時(shí)身體知識和動覺過程的重要性。具身認(rèn)知心理學(xué)也支持類似觀點(diǎn)，西倫等人認(rèn)為具身參與引發(fā)認(rèn)知，即認(rèn)知的源泉來自于人類身體與周圍環(huán)境的相互作用。并且，具身認(rèn)知還認(rèn)為身體和環(huán)境對認(rèn)知的作用不限于因果影響，夏皮羅指出身體和世界在認(rèn)知加工中扮演了某種構(gòu)成性的的角色，而不僅僅是因果作用的角色。實(shí)踐教學(xué)特別關(guān)注學(xué)生動手操作，學(xué)生利用動作與實(shí)踐對象交互，從自身與對象的互動中建立認(rèn)知，掌握對象的性質(zhì)。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)參與者與虛擬環(huán)境的交互，參與者利用數(shù)字技術(shù)以自身的動作改變虛擬場景，完成相關(guān)任務(wù)與挑戰(zhàn)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常適合實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生在虛擬情境中與學(xué)習(xí)對象互動，獲得與現(xiàn)實(shí)世界相同或相近的實(shí)踐認(rèn)知，還可避免某些在現(xiàn)實(shí)情況下有危險(xiǎn)的操作。

在未來課堂虛擬體驗(yàn)區(qū)域，學(xué)生通過佩戴相關(guān)的設(shè)備進(jìn)入已設(shè)計(jì)好的虛擬情境，在該情境中操控學(xué)習(xí)對象完成規(guī)定的挑戰(zhàn)任務(wù)。當(dāng)學(xué)生與虛擬情境進(jìn)行互動時(shí)，未來課堂虛擬體驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)收集設(shè)備對虛擬現(xiàn)實(shí)場景改變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。學(xué)生根據(jù)要求互動完畢后退出虛擬情境，數(shù)據(jù)收集設(shè)備也會將虛擬現(xiàn)實(shí)場景改變數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)分析軟件，經(jīng)過分析得出學(xué)生實(shí)踐認(rèn)知獲取情況，同時(shí)上傳未來課堂后臺數(shù)據(jù)庫，以備后續(xù)使用。此教學(xué)模式利用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，所以可稱為“v”教學(xué)模式。

根據(jù)學(xué)生認(rèn)知與虛擬情境之間的關(guān)系，可構(gòu)建如下算式：

令學(xué)生進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)情境前的認(rèn)知為前認(rèn)知Cv，經(jīng)過虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)后的認(rèn)知為后認(rèn)知Cv，前認(rèn)知與后認(rèn)知之間的認(rèn)知增量為△Cv，即Cv=Cv+△Cv。令與學(xué)生交互前的虛擬現(xiàn)實(shí)場景為前場景S，經(jīng)過交互后的虛擬現(xiàn)實(shí)場景為后場景S，前場景與后場景之間的場景增量為△S，即S=S+△S。認(rèn)知增量的產(chǎn)生源于主體與場景之間的相互作用，因此場景的改變可映射出主體認(rèn)知的改變，引入函數(shù)fv表示△Cv與△S的關(guān)系，即△Cv=fv（△S）。虛擬現(xiàn)實(shí)場景由若干子場景構(gòu)成，每個(gè)子場景的增量可能不相同，并且每個(gè)子場景對構(gòu)成完整場景的影響力也不相同。設(shè)子場景的數(shù)量為n，每個(gè)子場景增量為△Si，對應(yīng)的子場景影響力即權(quán)值為i，則，

學(xué)生的認(rèn)知狀態(tài)內(nèi)隱在大腦中，為不可見狀態(tài)，而虛擬場景改變量則以數(shù)字形式保存在系統(tǒng)中，為可見狀態(tài)，所以通過研究可見的虛擬場景數(shù)據(jù)進(jìn)而研究不可見的認(rèn)知狀態(tài)。

2.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)

利用信息技術(shù)促進(jìn)自主學(xué)習(xí)，一直是教育技術(shù)學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。齊莫曼提出從動機(jī)上看自主學(xué)習(xí)應(yīng)該是內(nèi)構(gòu)或自我激發(fā)的，從時(shí)間上看學(xué)習(xí)者對時(shí)間的安排是規(guī)范而有效的，學(xué)習(xí)者擁有合理的學(xué)習(xí)方法，他們對學(xué)習(xí)的結(jié)果具有一定的預(yù)見性，能夠敏銳察覺并快速適應(yīng)與學(xué)習(xí)相關(guān)的物質(zhì)及社會環(huán)境。而信息技術(shù)對支持自主學(xué)習(xí)則具備顯著的優(yōu)勢，鐘志賢認(rèn)為信息技術(shù)能夠構(gòu)建出適合不同學(xué)生的不同環(huán)境，使認(rèn)知工具與教學(xué)資源呈現(xiàn)豐富性和多樣化，及時(shí)反饋在線學(xué)習(xí)者的各種信息，并為學(xué)習(xí)者的自我評價(jià)提供持續(xù)的評價(jià)信息和情境。王珠珠則提出社會轉(zhuǎn)型過程中對教育教學(xué)多樣化和學(xué)習(xí)個(gè)性化的必然要求，與技術(shù)提供的廣泛互聯(lián)和數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合，將促進(jìn)教育模式的變化。而強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)、正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)互補(bǔ)，將成為教育改革發(fā)展的必然趨勢。如何培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力一直都是未來課堂研究的焦點(diǎn)，未來課堂環(huán)境突出的優(yōu)勢在于以多屏循環(huán)聯(lián)動的方式連續(xù)呈現(xiàn)多幅關(guān)聯(lián)畫面，這對于學(xué)生按照自己的步伐前進(jìn)，以自定速率吸收知識，引發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的行為是非常有效的。

在此教學(xué)模式中，為了加強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，可以利用循環(huán)屏顯示方式，將具有邏輯相關(guān)性的學(xué)習(xí)對象逐一呈現(xiàn)在多個(gè)大屏上，每個(gè)對象的特定區(qū)域有其對應(yīng)的二維碼，學(xué)生在掌握了大屏提供的基礎(chǔ)知識后，為了理解更深入的知識，應(yīng)利用手中的PAD掃描二維碼，該學(xué)習(xí)對象的可縮放旋轉(zhuǎn)的三維模型就出現(xiàn)在PAD中，當(dāng)學(xué)生觸碰三維模型時(shí)，其深入而詳細(xì)的知識就會以文字旁白的方式出現(xiàn)。由于學(xué)習(xí)對象已經(jīng)保存到學(xué)生端的PAD中，學(xué)生可以根據(jù)自身的實(shí)際情況自主學(xué)習(xí)。為了確定學(xué)生理論認(rèn)知獲取情況，學(xué)生需要在PAD上通過回答題目進(jìn)行測試，系統(tǒng)根據(jù)其作答情況得出理論認(rèn)知獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)上傳至未來課堂后臺數(shù)據(jù)庫，以備后續(xù)使用。此教學(xué)模式利用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，所以可稱為“A”教學(xué)模式。

參考虛擬現(xiàn)實(shí)“V”教學(xué)模式的算式，可構(gòu)建如下增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)“A”教學(xué)模式的算式：

令學(xué)生使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)前的認(rèn)知為前認(rèn)知Ca，經(jīng)過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)后的認(rèn)知為后認(rèn)知Ca，前后認(rèn)知之間的認(rèn)知增量為△Ca，即Ca'=Ca+△Ca。令PAD上測試題目初始狀態(tài)為T，經(jīng)過學(xué)生作答后的狀態(tài)為T，T相較于T的改變量為AT，即T=T+AT。認(rèn)知內(nèi)隱在學(xué)生的大腦中，為不可見狀態(tài)，但通過可見狀態(tài)的試題改變量可映射認(rèn)知，引入函數(shù)fa表示△Ca與△T的關(guān)系，即：△Ca=fa（△T）。設(shè)子試題的數(shù)量為k，每道子試題有其自身的改變量，設(shè)為ATj，而每道試題對于整個(gè)試題有不同的影響度，即有不同的權(quán)值，設(shè)為i，則，

中，通過研究可見的試題數(shù)據(jù)進(jìn)而研究不可見的認(rèn)知狀態(tài)。

3.評價(jià)學(xué)生的綜合認(rèn)知

實(shí)施策略層面，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式可促進(jìn)學(xué)生對該課程實(shí)踐和理論兩方面的認(rèn)知，而到底是遵循先理論后實(shí)踐還是提倡先實(shí)踐后理論，并無嚴(yán)格的規(guī)定，兩種實(shí)施策略都可在“VaA”教學(xué)模式中實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)知結(jié)構(gòu)層面，經(jīng)過“VaA”教學(xué)模式學(xué)習(xí)的學(xué)生綜合認(rèn)知由理論認(rèn)知與實(shí)踐認(rèn)知兩者結(jié)合得到，不同課程對應(yīng)的理論認(rèn)知與實(shí)踐認(rèn)知在教學(xué)評價(jià)中所占的權(quán)重應(yīng)體現(xiàn)出差異性。在側(cè)重于技能習(xí)得課程中，由“V”教學(xué)模式得到的實(shí)踐認(rèn)知應(yīng)占較大比例；反過來在偏重于理論建構(gòu)的課程中，由“A”教學(xué)模式得到的理論認(rèn)知?jiǎng)t應(yīng)占較大比例。對“V”與“A”教學(xué)模式各自所獲取的認(rèn)知按照權(quán)重進(jìn)行組合，得到的結(jié)果就是該學(xué)生本門課程所獲取的綜合認(rèn)知。

令學(xué)生通過“VaA”教學(xué)模式學(xué)習(xí)該課程后的綜合認(rèn)知為Cc'，綜合認(rèn)知由“V”教學(xué)模式產(chǎn)生的認(rèn)知Cv，“A”教學(xué)模式產(chǎn)生的認(rèn)知Ca'，以及各自的權(quán)值v、a組合而成，即：Cc=（1）Cv'+aCa'。將式（4）和式（8）的代人可得：

對綜合認(rèn)知進(jìn)行總結(jié)性評價(jià)，便能得出學(xué)生在“VaA”教學(xué)模式中綜合學(xué)習(xí)效果。

4.教學(xué)設(shè)計(jì)案例——以汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維修課程為例

未來課堂中的“VaA”教學(xué)模式包括較多的直觀感知和動手實(shí)作，適合運(yùn)用到理論與實(shí)踐并重或更重視實(shí)踐的課程，如職業(yè)教育課程。相較于普通教育，職業(yè)教育更加注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)作能力，是一種以就業(yè)為導(dǎo)向的教育類型。因此，職業(yè)教育課程的教學(xué)設(shè)計(jì)必須重視理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生能夠盡快將理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際技能。但目前我國的職業(yè)教育現(xiàn)狀是由于受到經(jīng)費(fèi)、場地和安全因素等方面的制約，學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會相對較少，許多專業(yè)還是以理論學(xué)習(xí)為主，輔之以實(shí)踐操作。而采用“VaA”教學(xué)模式的未來課堂突出特點(diǎn)就是注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，能夠在一定程度上解決職業(yè)教育課程中理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作非均衡發(fā)展的困境。

職業(yè)教育課程設(shè)計(jì)中更多的采用情境教學(xué)法，建構(gòu)主義認(rèn)為，知識存在于情境性的、具體的、可感知的真實(shí)活動中，它只能通過在實(shí)際情境中的真實(shí)活動才能被理解，而不是脫離真實(shí)情境的一套獨(dú)立符號系統(tǒng)，所以學(xué)習(xí)應(yīng)該與情境化的社會實(shí)踐活動相結(jié)合。不可否認(rèn)，職業(yè)學(xué)校的學(xué)生理論基礎(chǔ)相對薄弱，但他們對于能夠動手操作的實(shí)作課程興趣較濃厚，而使用情境教學(xué)法更加符合職校生的個(gè)性特點(diǎn)與發(fā)展規(guī)律，更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)可歸為情境教學(xué)法，因此，職業(yè)教育對于采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來提高教學(xué)活動的績效應(yīng)該具有剛性需求。

以中職學(xué)校汽修專業(yè)核心課程“汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維修（高教版）”為例，在該課程中，學(xué)生不僅要掌握汽車發(fā)動機(jī)組成部件的理論知識，更要獲得動手拆卸、裝配、維修發(fā)動機(jī)的初步技能。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是讓學(xué)生先以統(tǒng)一進(jìn)度學(xué)習(xí)書本上汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)成部件的理論知識，再到實(shí)際的汽修車間去動手實(shí)作，這樣的教學(xué)模式忽視了學(xué)生差異化的知識消化速度，而且教學(xué)設(shè)備成本開銷較高，還可能帶來安全方面的問題。若采用“VaA”教學(xué)模式，既按照學(xué)生本身的特點(diǎn)實(shí)施自主學(xué)習(xí)，又以模擬操作的方式降低了教學(xué)成本，更避免了可能產(chǎn)生的安全問題。該課程實(shí)際的教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

從圖5可知，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)配合循環(huán)屏技術(shù)使學(xué)生自主學(xué)習(xí)氣缸、活塞、連桿、曲軸和飛輪五大汽車發(fā)動機(jī)部件的理論知識，通過試題測試得出其在“A”教學(xué)模式下所獲取的認(rèn)知數(shù)據(jù)；利用虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū)使學(xué)生能夠身臨其境的在虛擬車間實(shí)踐發(fā)動機(jī)的裝配與維修，通過數(shù)據(jù)收集分析設(shè)備得出其在“V”教學(xué)模式下獲取的認(rèn)知數(shù)據(jù)。然后利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對兩方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（由于本課程側(cè)重于使學(xué)生獲得真正動手裝配維修發(fā)動機(jī)的實(shí)際技能，所以“v”教學(xué)模式應(yīng)該特別受到重視，即“v”在綜合認(rèn)知中對應(yīng)的權(quán)值應(yīng)該更重），同時(shí)與未來課堂后臺的教學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互（保存或提?。贸鰧W(xué)生對本次汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維修課程的綜合認(rèn)知獲取隋況。從實(shí)施策略上看無論是先學(xué)后做還是先做后學(xué)，均可利用此教學(xué)模式來達(dá)成目標(biāo)。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)類別如表2所示。

5.“VaA”教學(xué)模式的優(yōu)勢

未來課堂是一個(gè)不斷進(jìn)化的事物，每一階段的狀態(tài)都應(yīng)與當(dāng)前的教學(xué)發(fā)展相匹配，即始終處于反復(fù)迭代、螺旋上升的進(jìn)程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)同各行業(yè)的整合正快速增長，在教學(xué)中的應(yīng)用也開始涌現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠使學(xué)生直觀感受并操控學(xué)習(xí)對象，從而獲取具身認(rèn)知，已被學(xué)術(shù)界所認(rèn)同。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來課堂環(huán)境中，構(gòu)建新型的“VaA”教學(xué)模式，勢必對未來課堂從物理層面到心理層面均會產(chǎn)生影響，而這種影響是具有一定進(jìn)步價(jià)值的。表3從空間架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、適用課程、教學(xué)模式、呈現(xiàn)效果、操控方式、評價(jià)對象和認(rèn)知獲取八個(gè)維度對采用“VaA”教學(xué)模式的未來課堂與未采用“VaA”教學(xué)模式的未來課堂進(jìn)行對比。

空間架構(gòu)方面，“VaA”未來課堂相較于非“VaA”未來課堂增設(shè)了體驗(yàn)區(qū)，使vR體驗(yàn)式學(xué)習(xí)在空間上得以實(shí)現(xiàn)；關(guān)鍵技術(shù)方面，非“VaA”未來課堂中多屏顯示、泛在網(wǎng)絡(luò)、智能感知等成熟技術(shù)可以繼續(xù)保留，增加VR和AR技術(shù)，以達(dá)到“VaA”教學(xué)模式的需要；適用課程方面，非“VaA”未來課堂由于主要采用多屏聯(lián)動的教學(xué)方式，適用于理論教學(xué)課程，而加入VR技術(shù)的“VaA”未來課堂，在繼續(xù)保持多屏聯(lián)動教學(xué)方式外，還加入了虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)式教學(xué)，既可適用于理論型課程，也可適用于實(shí)訓(xùn)型課程；教學(xué)模式方面，非“VaA”未來課堂中教師先對知識進(jìn)行多屏聯(lián)動講解，再推送資源到學(xué)生PAD端，而“VaA”未來課堂則是學(xué)生利用PAD端二維碼掃描功能自主獲取并學(xué)習(xí)多屏上的AR資源內(nèi)容，或進(jìn)入VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬空間中進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)；教學(xué)對象呈現(xiàn)方面，非“VaA”未來課堂僅在學(xué)生PAD端屏幕上呈現(xiàn)對象模型，而“VaA”未來課堂則加入了VR虛擬環(huán)境下的立體呈現(xiàn)效果，使學(xué)習(xí)對象更具真實(shí)感；操控方面，非“VaA”未來課堂由于只使用PAD端，所以僅在PAD觸摸屏上使用手指的滑動與點(diǎn)擊對學(xué)習(xí)對象進(jìn)行操控，這與真實(shí)操控物體有很大的差距，而“VaA”未來課堂由于加入了VR技術(shù)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)沉浸式操控，使學(xué)生產(chǎn)生同操控真實(shí)物體相同或相近的感覺；評價(jià)對象方面，非“VaA”未來課堂主要是對學(xué)生學(xué)科理論知識掌握程度進(jìn)行診斷評價(jià)，而“VaA”未來課堂不僅對理論知識掌握程度進(jìn)行評價(jià)，還利用VR的數(shù)據(jù)分析對學(xué)生的實(shí)訓(xùn)技能掌握程度進(jìn)行評價(jià)，使教師全面的了解學(xué)生理論知識與實(shí)訓(xùn)技能綜合的掌握程度；認(rèn)知獲取方面，非“VaA”未來課堂采用PAD端學(xué)習(xí)知識，此類知識產(chǎn)生離身認(rèn)知，而“vaA”未來課堂既可以使用PAD獲取離身認(rèn)知，也能夠利用VR技術(shù)獲取具身認(rèn)知。

從以上八個(gè)維度的對比可以看出，采用“VaA”教學(xué)模式的未來課堂進(jìn)行了多方面的改進(jìn)，以期切實(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)力。

四、總結(jié)與展望

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來課堂，是對未來課堂從理論到實(shí)踐的一次提升，從未來課堂的技術(shù)環(huán)境上來說引入了業(yè)界前沿的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使未來課堂的技術(shù)優(yōu)勢能夠與時(shí)俱進(jìn)；從未來課堂的教學(xué)模式上來看，加入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“VaA”教學(xué)模式使學(xué)生在課堂中參與到以前根本無法體驗(yàn)的教學(xué)情境中，獲得與真實(shí)情境中相差無幾的學(xué)習(xí)結(jié)果，從而豐富了未來課堂的教學(xué)模式研究。結(jié)合未來課堂的發(fā)展態(tài)勢，對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更完善融入未來課堂提出以下建議：

（一）空間結(jié)構(gòu)方面——未來課堂中虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)空間的優(yōu)化

未來課堂中關(guān)于學(xué)習(xí)空間的研究主要針對在傳統(tǒng)的教室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)建更人性化更有效的新型學(xué)習(xí)空間，因此，未來課堂的空間面積通常來說是有限的。由于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)區(qū)域是一個(gè)獨(dú)立的空間，那么怎樣在有限的空間內(nèi)劃分并構(gòu)建出獨(dú)立虛擬現(xiàn)實(shí)區(qū)域，是一個(gè)必須重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。在實(shí)際布置中，應(yīng)根據(jù)空間結(jié)構(gòu)和參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量來靈活調(diào)整虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)區(qū)域，調(diào)整的對象主要是區(qū)域面積和區(qū)域數(shù)量。如果虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū)布置在較大的室內(nèi)，同時(shí)參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量較多，比如學(xué)生活動中心，教學(xué)展示廳等，則可增加區(qū)域的面積和數(shù)量，使更多的學(xué)生體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)；如果布置在普通的教室內(nèi)，參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量較少，則應(yīng)減少區(qū)域的面積和數(shù)量，使教室空間不至于過度擁擠。

（二）資源建設(shè)方面——設(shè)計(jì)開發(fā)服務(wù)于教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源

每種教育技術(shù)都有其對應(yīng)的教學(xué)資源，設(shè)計(jì)并開發(fā)出真正適合的教學(xué)資源一直是教育技術(shù)所關(guān)注的重點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身已經(jīng)逐漸走向成熟期，但到目前為止絕大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品都面向于非教育領(lǐng)域，使用頻率較高或質(zhì)量相對優(yōu)秀的產(chǎn)品主要集中在娛樂領(lǐng)域，如SONY公司針對PS4游戲機(jī)推出的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備PlayStationVR在全球熱賣，為其量身定作的VR游戲也層出不窮。從虛擬現(xiàn)實(shí)在娛樂等領(lǐng)域運(yùn)用廣泛來看，開發(fā)出適用于教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源從技術(shù)層面是成熟的。但為何真正在教學(xué)上成功運(yùn)用的虛擬現(xiàn)實(shí)資源卻少之又少呢？很大的一個(gè)障礙就在于技術(shù)與教學(xué)的脫節(jié)。擁有虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)的軟件工程師們雖然精通算法、代碼等，但大多數(shù)對于教學(xué)的理論與實(shí)踐則是門外漢；而鉆研教學(xué)的教師、學(xué)者們大多數(shù)也對虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)望而生嘆。技術(shù)與教學(xué)之間存在巨大的鴻溝，造成虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)遲遲不能較完善的運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐上。填補(bǔ)技術(shù)與教學(xué)之間的鴻溝，現(xiàn)階段來說可以采取技術(shù)工程師與教師學(xué)者組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，圍繞同一個(gè)教學(xué)目標(biāo)，發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢，共同完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)資源的建設(shè)。長遠(yuǎn)來看，在高等院校教育技術(shù)專業(yè)開設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程，培養(yǎng)既具備技術(shù)能力，又熟悉教育教學(xué)的高質(zhì)量相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)者才是解決這一問題的根本途徑。

（三）發(fā)展路徑方面——在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中引入人工智能

人工智能（AI）是以人類智能活動規(guī)律為研究出發(fā)點(diǎn)，從而創(chuàng)造出具備人類某種智能行為的人工系統(tǒng)。人工智能的研究領(lǐng)域很廣泛，包括專家系統(tǒng)、問題求解、自動定理證明、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別、機(jī)器人以及人工生命等諸多相關(guān)領(lǐng)域?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代，得益于廣泛存在的感知器、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、電子商務(wù)的發(fā)展以及社交平臺的全面開花，使人工智能涌現(xiàn)出新的發(fā)展方向，如基于大數(shù)據(jù)的人工智能、互聯(lián)網(wǎng)群體智能、跨媒體智能、人機(jī)混合增強(qiáng)智能和自主智能系統(tǒng)等。在未來課堂中融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，肯定會產(chǎn)生大量的學(xué)習(xí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對于數(shù)量眾多類型復(fù)雜的各類數(shù)據(jù)，引入大數(shù)據(jù)環(huán)境下的人工智能技術(shù)，可以非常有效的提高處理速度和識別精度，如果采用聚類等人工智能算法，還可能揭示出隱藏在數(shù)據(jù)后面的未曾被注意到過的某些教學(xué)特性。而且，對于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)本身可以運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法如BP算法、深度學(xué)習(xí)算法等，使其具備一定程度的學(xué)習(xí)能力，從而不斷提升系統(tǒng)性能。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來課堂教學(xué)是未來課堂發(fā)展的必然趨勢，對加強(qiáng)學(xué)生的理論認(rèn)知和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力都能夠起到積極的提升作用。而對于空間結(jié)構(gòu)尚需優(yōu)化、資源建設(shè)尚待完善以及如何更有效的引入人工智能等問題將在后續(xù)研究解決。