楊 健， 楊 剛， 葉新東

(溫州大學(xué) 教師教育學(xué)院，浙江 溫州 325035)

0 引 言

隨著3D立體影像、3D電視、3D電影、3D可穿戴設(shè)備等新技術(shù)的興起，越來越多的學(xué)校開始利用虛擬技術(shù)工具輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜的科學(xué)主題[1]。國內(nèi)已有多所高校開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，如清華大學(xué)的建筑與土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、北京師范大學(xué)的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室和廈門大學(xué)的醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室等，這些實(shí)驗(yàn)室依托虛擬世界、虛擬化身、基于動力學(xué)的虛擬系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者營造了全新的“沉浸式”教育體驗(yàn)，為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟了新的道路[2-3]。

在師范類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，師范生技能訓(xùn)練一直是教學(xué)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)上的教學(xué)技能訓(xùn)練主要采用微格教學(xué)方式，微格教學(xué)是一種在縮小、精簡化的教學(xué)環(huán)境中培訓(xùn)師范生教學(xué)技能的方法[4-5]。通常學(xué)生在微格實(shí)驗(yàn)室中輪流扮演教師角色，一次扮演時間為10～15 min，并由攝像機(jī)記錄整個過程，教師通過觀看錄像開展教學(xué)分析并提出修改意見，學(xué)生對教案進(jìn)行修改后，再次進(jìn)行新一輪角色扮演。然而，受限于微格實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)境的限制，在微格教學(xué)中，學(xué)生很難經(jīng)歷復(fù)雜、特定的教學(xué)情境，同時，這種訓(xùn)練模式耗時長、操作復(fù)雜，不易開展大規(guī)模訓(xùn)練[6-7]。本文所要探討的是將VR技術(shù)應(yīng)用于師范生技能訓(xùn)練中，并分析虛擬環(huán)境下微格訓(xùn)練有效性。

1 文獻(xiàn)回顧

近年來，一些研究探究了3D虛擬世界對教學(xué)活動支持的有效性[8]，發(fā)現(xiàn)虛擬環(huán)境下的教學(xué)活動能有效提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[9]。與2D的在線學(xué)習(xí)環(huán)境比較，3D虛擬世界的視覺功能使學(xué)習(xí)者能“更好地識別虛擬角色的語音信息，更好地集中和組織信息，并與環(huán)境產(chǎn)生更強(qiáng)的聯(lián)系感”[10]。Metcalf等[11]發(fā)現(xiàn)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境產(chǎn)生的生動性和沉浸性，能促使學(xué)習(xí)者更加專注與環(huán)境的互動，并提高學(xué)習(xí)者的任務(wù)績效。相關(guān)研究成果越來越表明身臨其境的虛擬環(huán)境有利于學(xué)習(xí)者積極參與有意義的學(xué)習(xí)。鑒于此，本研究將VR技術(shù)應(yīng)用于微格教學(xué)中，通過建立虛擬微格教學(xué)平臺，拓展師范生教學(xué)技能訓(xùn)練方式，解決因“學(xué)生多、教師少”造成的師范技能不易開展大規(guī)模訓(xùn)練，缺乏個性化訓(xùn)練等問題。

2 虛擬微格教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)

虛擬微格教學(xué)平臺是一款采用第一人稱視角的360°虛擬課堂教學(xué)技能訓(xùn)練系統(tǒng)。學(xué)習(xí)者通過頭戴式顯示器觀看360°全景課堂畫面，利用手持控制器可以與虛擬角色進(jìn)行互動，平臺能模擬教學(xué)過程，采用單線程的任務(wù)引導(dǎo)，學(xué)習(xí)者可以按照任務(wù)步驟完成授課過程。虛擬微格教學(xué)平臺能為學(xué)習(xí)者提供個性化、可控性和即時性指導(dǎo)的教學(xué)技能訓(xùn)練環(huán)境。個性化是指學(xué)習(xí)者可以依據(jù)授課內(nèi)容設(shè)置教室布局、學(xué)生年齡、性別等，還可以預(yù)先設(shè)置課堂上的交互問題，滿足學(xué)習(xí)者個性化學(xué)習(xí)的需求[12]；可控性是指學(xué)習(xí)者可以自主控制虛擬課堂進(jìn)度，通過手持控制器可以反復(fù)觸發(fā)特定教學(xué)事件，實(shí)現(xiàn)在可控環(huán)境中的反復(fù)練習(xí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果；即時性指導(dǎo)是指虛擬微格教學(xué)平臺會依據(jù)所觸發(fā)的教學(xué)事件為學(xué)習(xí)者提供指示性信息和腳手架，幫助學(xué)習(xí)者處置不同的教學(xué)任務(wù)，順利完成授課過程。

2.1 平臺構(gòu)架

該平臺包括主要中控模塊、顯示模塊和交互感應(yīng)模塊。中控模塊由視頻信號源控制器和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，主要負(fù)責(zé)視頻信號、控制信號的處理；顯示模塊包括數(shù)字圖像校正融合機(jī)(含圖像控制)、投影機(jī)、投影幕等，主要用于營造沉浸式觀感畫面；交互感應(yīng)模塊由光學(xué)跟蹤器、控制手柄及相關(guān)輔助配件等組成，主要用于身體動作跟蹤和指令的采集,如圖1所示。

2.2 功能布局

虛擬微格教學(xué)平臺的核心功能是訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的教

圖1 虛擬微格教學(xué)平臺架構(gòu)圖

學(xué)技能，包括導(dǎo)入技能、提問技能、說明技能、變化技能、板書技能、課堂失范行為管理技能等。平臺既可以訓(xùn)練學(xué)習(xí)者單項(xiàng)教學(xué)技能，也可以訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的綜合教學(xué)技能。依據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容的不同，虛擬微格教學(xué)平臺主要劃分為兩個功能區(qū)域，分別是練習(xí)區(qū)和演示區(qū)，如圖2所示。

圖2 虛擬微格訓(xùn)練平臺功能布局

在練習(xí)區(qū)中，學(xué)習(xí)者主要進(jìn)行單項(xiàng)技能訓(xùn)練，系統(tǒng)將為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建特定課堂場景和教學(xué)事件。單個訓(xùn)練項(xiàng)目時間長度大約為10 min，每個項(xiàng)目包含若干教學(xué)事件，教學(xué)事件圍繞一項(xiàng)特定的技能訓(xùn)練來設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)者觸發(fā)對應(yīng)教學(xué)事件后，可以按照系統(tǒng)提示完成任務(wù)，整個過程會被自動記錄，教師和學(xué)生可以在訓(xùn)練后對記錄視頻進(jìn)行回放，用于評價學(xué)習(xí)者的表現(xiàn)。

在演示區(qū)中，學(xué)習(xí)者主要進(jìn)行綜合教學(xué)技能訓(xùn)練，系統(tǒng)將為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建完整的課堂教學(xué)事件。訓(xùn)練項(xiàng)目時間長度大約為30 min，項(xiàng)目模擬一節(jié)課的教學(xué)過程，包括多個教學(xué)技能的綜合應(yīng)用。學(xué)習(xí)者需要處置虛擬課堂中的預(yù)設(shè)事件，合理安排授課環(huán)節(jié)，才能順利完成整個授課過程。教師和學(xué)生可以通過大屏幕觀摩虛擬課堂教學(xué)的整個過程，并評價學(xué)習(xí)者的表現(xiàn)。

3 平臺應(yīng)用效果分析

為研究虛擬微格教學(xué)平臺的應(yīng)用效果，研究者用隨機(jī)分配方式將同一專業(yè)的大學(xué)本科學(xué)生分為兩個班級，分別為實(shí)驗(yàn)組和對照組，兩個班級學(xué)生的性別、年齡、學(xué)術(shù)背景均在統(tǒng)計(jì)意義上相同。研究周期為12周，前10周進(jìn)行“微格教學(xué)”課程學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)組實(shí)施虛擬微格教學(xué)，對照組則實(shí)施傳統(tǒng)微格教學(xué)。11～12周所有學(xué)生被隨機(jī)分配到10所不同實(shí)習(xí)學(xué)校，進(jìn)行課堂教學(xué)實(shí)習(xí)。最后，通過分析學(xué)習(xí)者自我效能感、學(xué)習(xí)態(tài)度和課堂教學(xué)表現(xiàn)，探究虛擬微格教學(xué)和傳統(tǒng)微格教學(xué)的效果是否存在差異。

3.1 參與者

研究樣本包括66名小學(xué)教育專業(yè)三年級本科生。通過隨機(jī)分組方式分配到實(shí)驗(yàn)組和對照組，實(shí)驗(yàn)組采用虛擬微格教學(xué),對照組的教學(xué)采用傳統(tǒng)微格教學(xué)。由同一位教師擔(dān)任實(shí)驗(yàn)組和對照組的任課教師，課程學(xué)時數(shù)相同，教學(xué)內(nèi)容相同。

3.2 數(shù)據(jù)收集

(1) 自我效能測試：采用Wang等[13]開發(fā)的“學(xué)習(xí)自我效能量表”。該量表包括7個項(xiàng)目，使用“非常不認(rèn)同”到“非常認(rèn)同”5點(diǎn)評分，得分越高表明學(xué)習(xí)者對課程學(xué)習(xí)的自我效能感越高。

(2) 學(xué)習(xí)態(tài)度測試：學(xué)習(xí)態(tài)度量表是基于Hwang[14]的測量方法制定的。量表由8個項(xiàng)目組成，量表的克朗巴哈系數(shù)為0.79，該量表在國外多個研究中被采用，具有良好的信效度。

(3) 課堂教學(xué)成績測試：學(xué)生在完成10周的微格教學(xué)訓(xùn)練后，需要參加為期2周的教學(xué)實(shí)習(xí)，66名學(xué)生被分配到10所小學(xué)實(shí)習(xí)，由實(shí)習(xí)學(xué)校老師對學(xué)生的課堂教學(xué)表現(xiàn)進(jìn)行綜合評分。

3.3 數(shù)據(jù)分析

在第1周開始時和第10周結(jié)束時，分別對實(shí)驗(yàn)組和對照組的學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)自我效能感和學(xué)習(xí)態(tài)度測量。在分析獲得數(shù)據(jù)過程中，由于參與者數(shù)量未到達(dá)參數(shù)檢驗(yàn)的要求，所以使用了非參數(shù)檢驗(yàn)[15-16]。在第12周的課堂教學(xué)實(shí)習(xí)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)了每位學(xué)生的課堂教學(xué)成績,使用Mann Whitney U方法檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生課堂教學(xué)成績是否存在差異。

(1) 實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生自我效能分析。使用Mann WhitneyU檢驗(yàn)，結(jié)果顯示采用虛擬微格教學(xué)平臺訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生和采用傳統(tǒng)微格訓(xùn)練的對照組學(xué)生的自我效能感前測得分沒有顯著差異(U=474.00;P>0.05)，這一結(jié)果表明，在微格教學(xué)訓(xùn)練之前，兩組學(xué)生對“微格教學(xué)”課程學(xué)習(xí)的自我效能感沒有顯著差異。使用Wilcoxon符號秩檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生的自我效能感前后測得分之間是否存在顯著差異，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的自我效能感前后測試得分存在顯著差異(Z=-4.360;P<0.05)，對照組學(xué)生的自我效能感前后測試得分之間不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性(Z=-1.135;P>0.05),如表1所示。

可見，參加虛擬微格訓(xùn)練的學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的自我效能感得到提升，而參加傳統(tǒng)微格訓(xùn)練的學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的自我效能感無顯著變化。

表1 自我效能感前后測結(jié)果

(2) 實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度分析。通過Wilcoxon符號秩檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)組和對照組的學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度前后測得分是否存在顯著差異。根據(jù)SPSS生成的結(jié)果如表2所示，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度前后測得分存在顯著差異(Z=-3.160;P<0.05),對照組學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度前后測得分差異不顯著(Z=0.919;P>0.05)，根據(jù)評分排列，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在后測測試評分的秩值優(yōu)于前測的秩值。結(jié)果表明參加虛擬微格訓(xùn)練對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度有積極的影響，而參加傳統(tǒng)微格訓(xùn)練的學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度無明顯變化。

表2 學(xué)習(xí)態(tài)度前后測結(jié)果

(3) 實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生課堂教學(xué)成績分析。使用Mann Whitney U檢驗(yàn)法對實(shí)驗(yàn)組和對照組學(xué)生的課堂教學(xué)成績之間是否存在顯著統(tǒng)計(jì)差異進(jìn)行了分析。由表3可見，不同訓(xùn)練模式對學(xué)生教學(xué)成績有序值影響存在顯著差異(U=294;P<0.05)。參加虛擬微格訓(xùn)練學(xué)生的教學(xué)成績有序值(秩均值=41.09)高于傳統(tǒng)微格訓(xùn)練學(xué)生的教學(xué)成績有序值(秩均值=25.91)。結(jié)果表明參加虛擬微格訓(xùn)練學(xué)生的課堂教學(xué)表現(xiàn)要優(yōu)于參加傳統(tǒng)微格訓(xùn)練的學(xué)生。

表3 實(shí)驗(yàn)組和對照組實(shí)習(xí)成績結(jié)果

4 結(jié) 語

虛擬微格教學(xué)平臺在“微格教學(xué)”課程中的應(yīng)用，

對學(xué)生自我效能感和學(xué)習(xí)態(tài)度產(chǎn)生了積極的影響，在課堂教學(xué)中參與虛擬微格教學(xué)平臺訓(xùn)練的學(xué)生較傳統(tǒng)微格訓(xùn)練的學(xué)生表現(xiàn)得更好，說明虛擬微格教學(xué)平臺在教學(xué)上的應(yīng)用是有效的，該平臺具有良好的發(fā)展前景和一定的推廣價值。