王岳 陳翀 陳晨

摘 ? 要：當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在語(yǔ)言、醫(yī)學(xué)、STEM等學(xué)科中的教學(xué)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)研究尚處于起步階段。為提升虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)效果，為學(xué)習(xí)者提供更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，文章從教學(xué)模式、教學(xué)策略、學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)評(píng)價(jià)與反饋、教學(xué)支持5個(gè)維度，對(duì)美國(guó)、英國(guó)、芬蘭和澳大利亞4國(guó)知名專家或機(jī)構(gòu)提出的6項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行比較分析。基于分析結(jié)果，最終得出利用虛擬現(xiàn)實(shí)開展探究性學(xué)習(xí)、適應(yīng)性學(xué)習(xí)和協(xié)作式學(xué)習(xí)，增加學(xué)習(xí)者與虛擬現(xiàn)實(shí)交互等13條虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)原則，以期為國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);教學(xué)設(shè)計(jì)原則;內(nèi)容分析

中圖分類號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2020）11-0001-05

一、引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)成本不斷降低、易用性不斷提高，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用愈加廣泛，如何利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行教學(xué)受到越來(lái)越多人的關(guān)注。美國(guó)高等教育信息化協(xié)會(huì)（EDUCASUE）2016年至2019年連續(xù)發(fā)布的4版《地平線報(bào)告》均將虛擬現(xiàn)實(shí)列為未來(lái)促進(jìn)高等教育發(fā)展的重要技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他科學(xué)技術(shù)為用戶創(chuàng)建視、聽、觸等多感官刺激虛擬環(huán)境的技術(shù)，用戶借助頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套等工具與環(huán)境進(jìn)行交互，獲得沉浸式體驗(yàn)。[1]VR可以創(chuàng)建個(gè)性化智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，[2]以新的可視化形式呈現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容，[3]為學(xué)習(xí)者提供現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法獲取的“有目的的直接體驗(yàn)”，利用捕捉到的關(guān)鍵學(xué)習(xí)行為對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行評(píng)價(jià)與反饋。[4]

當(dāng)前，VR在語(yǔ)言教學(xué)、醫(yī)學(xué)教學(xué)和STEM教學(xué)等方面的應(yīng)用十分廣泛，如Dalton等人利用VR幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)語(yǔ)義表達(dá)，[5]西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)利用VR技術(shù)幫助護(hù)理專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)人體結(jié)構(gòu)知識(shí)，[6]Markowitz等人利用VR教授 “氣候變化”課程。[7]

然而，由于國(guó)內(nèi)外VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則的相關(guān)研究比較匱乏，教育研究者進(jìn)行VR教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)主要借鑒VR游戲設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，更加注重提升學(xué)習(xí)者參與度，對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果的關(guān)注不足。[8]為了推進(jìn)VR教學(xué)應(yīng)用、提高VR教學(xué)質(zhì)量，本研究利用內(nèi)容分析法對(duì)美國(guó)、英國(guó)、芬蘭和澳大利亞4個(gè)國(guó)家的6項(xiàng)VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析，探討各原則關(guān)注點(diǎn)，梳理原則的共性和差異，最終總結(jié)VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則，以期為我國(guó)VR教學(xué)應(yīng)用提供參考。

二、研究方法與過(guò)程

1.樣本選擇

當(dāng)前，VR學(xué)習(xí)研究主要為技術(shù)研究，如芬蘭奧盧大學(xué)Steven對(duì)VR教學(xué)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡釋;[9]但是與VR教學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)的研究較少，如Paula等人基于兩門本科課程VR教學(xué)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)提出了VR教學(xué)應(yīng)用建議。[10]為構(gòu)建系統(tǒng)的VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則，本研究以“虛擬現(xiàn)實(shí)”、“虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境”、“沉浸式學(xué)習(xí)”、“Virtual Reality”、“virtual reality environment”、“immersive learning”等為主題詞，包含“教學(xué)設(shè)計(jì)”、“設(shè)計(jì)原則”、“設(shè)計(jì)指導(dǎo)”、“instructional design”、“design principles”、“design guidelines”等對(duì)中國(guó)知網(wǎng)、百度學(xué)術(shù)、谷歌學(xué)術(shù)、ERIC等數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行搜索，并以原則構(gòu)建依據(jù)（包括基于學(xué)習(xí)理論、學(xué)習(xí)者體驗(yàn)研究或教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)）為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，最終選擇了美國(guó)、英國(guó)、芬蘭和澳大利亞4個(gè)國(guó)家知名專家或機(jī)構(gòu)提出的6個(gè)VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則作為分析對(duì)象。

研究樣本為美國(guó)紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院Zweifach VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則[11]、美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)Mina VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則[8]、Educause VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則[12]、英國(guó)開放大學(xué)Okada VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則[13]、芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則[14]和澳大利亞教育與培訓(xùn)部VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則[15]，具體如表1所示。

2.內(nèi)容分析框架

現(xiàn)有原則劃分維度不同，如表2所示。Zweifach、Educause、 Okada、于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院、澳大利亞教育與培訓(xùn)部均從教師角度提出了設(shè)計(jì)應(yīng)用原則，Zweifach、Okada和于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院從學(xué)習(xí)者角度提出了相關(guān)原則。此外，還有2個(gè)原則從技術(shù)人員的角度提出了相關(guān)建議。

為構(gòu)建科學(xué)、系統(tǒng)的VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則，本研究以教學(xué)設(shè)計(jì)要素為基礎(chǔ)構(gòu)建分析框架。教學(xué)設(shè)計(jì)包含教學(xué)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)者分析、教學(xué)模式與策略的選擇與設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)和教學(xué)評(píng)價(jià)。[17]王雪等人基于教學(xué)設(shè)計(jì)基本要素對(duì)VR教學(xué)應(yīng)用文獻(xiàn)進(jìn)行了定量分析，并基于分析結(jié)果提出了相關(guān)建議。[18]周榕等人從學(xué)段、學(xué)科、教學(xué)時(shí)長(zhǎng)、教學(xué)方法、教學(xué)場(chǎng)所、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)類型6個(gè)角度分析了相關(guān)文獻(xiàn)，基于研究結(jié)果提出了VR教學(xué)建議。[19]Jock從VR應(yīng)用學(xué)科、教學(xué)方法、教學(xué)效果、認(rèn)知負(fù)荷和教學(xué)安全5個(gè)維度，系統(tǒng)地梳理了VR教學(xué)應(yīng)用文獻(xiàn)。因此，本研究選擇從教學(xué)模式、教學(xué)策略、學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)評(píng)價(jià)與反饋以及開展VR教學(xué)所需支持5個(gè)維度構(gòu)建現(xiàn)有原則分析框架，如表3所示。

3.分析編碼過(guò)程

根據(jù)構(gòu)建的內(nèi)容分析框架，本研究在仔細(xì)閱讀和理解現(xiàn)有原則的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有原則進(jìn)行了編碼。在編碼的過(guò)程中，三位研究者基于自己的理解，分別按照分析框架對(duì)現(xiàn)有原則進(jìn)行編碼;編碼結(jié)束后，三位研究者對(duì)編碼結(jié)果進(jìn)行比較，保留相同的編碼結(jié)果，并對(duì)不同的部分進(jìn)行分析、再調(diào)整，最后確認(rèn)所有編碼內(nèi)容，完成整個(gè)編碼工作。

三、研究結(jié)果

1.教學(xué)模式

（1）利用VR促進(jìn)學(xué)習(xí)者主動(dòng)參與，開展探究性學(xué)習(xí)。Zweifach、Mina、Educause和芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院均建議學(xué)習(xí)者在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行探究，主動(dòng)學(xué)習(xí)。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者在沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行探究，并給予學(xué)習(xí)者充足的學(xué)習(xí)時(shí)間，以便學(xué)習(xí)者與內(nèi)容交互，如尋找信息、自主操作等，從而提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者知識(shí)建構(gòu)。

（2）利用VR協(xié)助學(xué)習(xí)者進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)、適應(yīng)性學(xué)習(xí)。Zweifach、Mina、Okada原則認(rèn)為學(xué)習(xí)者可以利用VR自定步調(diào)、個(gè)性化、適應(yīng)性學(xué)習(xí)。教師選擇處于學(xué)習(xí)者“最近發(fā)展區(qū)”的教學(xué)內(nèi)容，并對(duì)內(nèi)容進(jìn)行難度分級(jí)分段教學(xué);添加動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)分支，基于學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的自主決策，為其提供相適應(yīng)的學(xué)習(xí)資源。

（3）利用VR提供協(xié)作式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。VR在教學(xué)中的應(yīng)用為開展協(xié)作式學(xué)習(xí)提供了便利。Mina、Okada、澳大利亞教育與培訓(xùn)部建議教師應(yīng)利用VR引導(dǎo)學(xué)習(xí)者在虛擬空間進(jìn)行協(xié)作，增加同伴虛擬交互、社會(huì)交互、認(rèn)知交互;在學(xué)習(xí)結(jié)束后，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者分享學(xué)習(xí)結(jié)果和感受，討論學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問題，幫助學(xué)習(xí)者建構(gòu)知識(shí)，提升協(xié)作學(xué)習(xí)能力。

2.教學(xué)策略

（1）基于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)者特征確保VR為最適教學(xué)媒體。Zweifach、Mina、Educause、Okada、于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院均建議基于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)者特征確定VR為最適教學(xué)媒體，利用VR滿足學(xué)習(xí)者需求，幫助學(xué)習(xí)者完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。教師可以利用VR培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的空間能力，提高內(nèi)在動(dòng)機(jī)和參與度，提供真實(shí)情境以幫助學(xué)習(xí)者完成知識(shí)遷移。[21]

（2）幫助學(xué)習(xí)者回憶先修知識(shí)，鏈接虛擬體驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。Okada和于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院建議學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)在課前了解學(xué)習(xí)的主題，通過(guò)VR呈現(xiàn)的內(nèi)容回憶先修知識(shí)，將虛擬體驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)經(jīng)歷聯(lián)系起來(lái)，從而有意義地構(gòu)建知識(shí)，主動(dòng)完成知識(shí)遷移。

（3）內(nèi)嵌引導(dǎo)功能，降低外在認(rèn)知負(fù)荷。VR視覺引導(dǎo)可以減少無(wú)關(guān)環(huán)境干擾，提高學(xué)習(xí)者搜索速度，降低外在認(rèn)知負(fù)荷。[22]Mina、Educause、Okada和澳大利亞教育與培訓(xùn)部建議在VR中設(shè)置路徑、路標(biāo)、閃爍物體等提示，添加開始、向前、向后、返回、退出等操作選項(xiàng)按鈕，提供VR導(dǎo)航地圖，內(nèi)嵌關(guān)鍵行為標(biāo)準(zhǔn)或認(rèn)知地圖。

（4）增加學(xué)習(xí)者與VR交互，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。為提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，幫助學(xué)習(xí)者掌握技能，Mina、 Okada、于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院和澳大利亞教育與培訓(xùn)部建議學(xué)習(xí)者在VR環(huán)境中充分運(yùn)用肢體與VR內(nèi)容進(jìn)行交互，如放大或縮小虛擬物體、標(biāo)記信息，利用VR練習(xí)、試驗(yàn)、創(chuàng)造。特別注意，學(xué)習(xí)者的動(dòng)作應(yīng)該與正在學(xué)習(xí)的內(nèi)容一致，[23]如學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)旋轉(zhuǎn)裝置的方向和速度時(shí)，其旋轉(zhuǎn)手勢(shì)應(yīng)與屏幕上的虛擬裝置方向和速度相同。[24]

3.VR學(xué)習(xí)環(huán)境

（1）利用VR為學(xué)習(xí)者提供沉浸式的智慧學(xué)習(xí)空間。重新設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)空間是未來(lái)影響高等教育變革的短期趨勢(shì)，[25]當(dāng)前很多高校正在探索利用VR模擬真實(shí)的工作和社會(huì)環(huán)境，幫助學(xué)習(xí)者掌握技能。[26]VR可以為學(xué)習(xí)者提供沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，增加學(xué)習(xí)者的臨場(chǎng)感;VR情境仿真度越高，越能引發(fā)個(gè)體的身體體驗(yàn)。[27]Mina、Educause、Okada原則認(rèn)為在VR沉浸式智慧學(xué)習(xí)空間的構(gòu)建中，應(yīng)減少VR中文本信息，利用圖形圖像、動(dòng)畫、視頻等以360度的視角呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，并為學(xué)習(xí)者提供真實(shí)的環(huán)境聲音，提高VR仿真度。

（2）測(cè)試VR內(nèi)容，控制VR教學(xué)時(shí)長(zhǎng)。由于VR伴有暈屏[28]、記憶混淆[29]等副作用，Mina、于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院、澳大利亞教育與培訓(xùn)部建議教師在使用VR教學(xué)前應(yīng)測(cè)試VR的內(nèi)容、任務(wù)、動(dòng)作等，并控制VR教學(xué)時(shí)間，建立VR學(xué)習(xí)退出機(jī)制，有效降低VR對(duì)學(xué)習(xí)者的負(fù)面影響。VR教學(xué)適用于12歲以上的學(xué)習(xí)者，有研究建議學(xué)習(xí)者在3小時(shí)內(nèi)使用VR的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)15分鐘。[30]

4.教學(xué)評(píng)價(jià)與反饋

（1）利用VR進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)。VR提供了新的學(xué)習(xí)者評(píng)價(jià)方式，使傳統(tǒng)的書面考試轉(zhuǎn)向沉浸式的情境評(píng)估。Zweifach、Mina、Okada和澳大利亞教育與培訓(xùn)部均建議利用VR對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師可以將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置于VR中，通過(guò)記錄學(xué)習(xí)者與VR交互過(guò)程，捕捉學(xué)習(xí)者的關(guān)鍵行為，對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行客觀、全面的評(píng)價(jià);通過(guò)觀察學(xué)習(xí)者的操作過(guò)程、姿勢(shì)以及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程分享，教師可以判斷學(xué)習(xí)者是否掌握技能。

（2）為學(xué)習(xí)者提供反饋，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。Mina和于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院建議在VR練習(xí)過(guò)程中為學(xué)習(xí)者提供真實(shí)的、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的反饋，幫助學(xué)習(xí)者分析錯(cuò)誤、鞏固知識(shí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者自我反思。學(xué)習(xí)者在參與VR操作類學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)利用獲得的行為反饋反復(fù)練習(xí)，更好地掌握知識(shí)與技能，并將所學(xué)技能有效遷移到真實(shí)任務(wù)中。

5.教學(xué)支持

（1）提升教師VR素養(yǎng)，幫助教師開展VR教學(xué)。為鼓勵(lì)、幫助教師開展VR教學(xué)，Zweifach、Educause和澳大利亞教育與培訓(xùn)部建議為教師提供教學(xué)支持。學(xué)校應(yīng)與優(yōu)質(zhì)的商業(yè)伙伴合作，建立資源庫(kù)，為教師提供優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，滿足教學(xué)需求。教師應(yīng)掌握VR教學(xué)知識(shí)與技能，更好地利用VR教學(xué)，為學(xué)習(xí)者提供支持;教師還應(yīng)與教學(xué)設(shè)計(jì)師、VR技術(shù)人員等合作，參與各VR教學(xué)應(yīng)用階段，包括教學(xué)目標(biāo)的確定、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)和評(píng)價(jià)。此外，教師間應(yīng)共享VR教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、教學(xué)資源、教學(xué)工具等，并結(jié)合學(xué)習(xí)者的過(guò)程性反饋和結(jié)果性反饋，不斷優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效果。

（2）為學(xué)習(xí)者提供VR支持。為幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，Mina、Educause、Okada、于韋斯屈萊大學(xué)教育學(xué)院和澳大利亞教育與培訓(xùn)部建議開設(shè)VR通識(shí)課程或培訓(xùn)，并為學(xué)習(xí)者提供技術(shù)支持。學(xué)校應(yīng)為學(xué)習(xí)者提供相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備等，提供安全的、易用的VR學(xué)習(xí)空間。教師在授課前明確VR的教學(xué)目的和學(xué)習(xí)任務(wù)，告知學(xué)習(xí)者使用方法，進(jìn)行VR使用安全培訓(xùn)，減少學(xué)習(xí)者的任務(wù)理解時(shí)間，識(shí)別并幫助解決學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的技術(shù)問題。此外，教師應(yīng)開設(shè)VR通識(shí)課程，幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)VR知識(shí)，提升學(xué)習(xí)者VR素養(yǎng)。

四、總結(jié)與討論

經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)理論、發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論、建構(gòu)主義和情境學(xué)習(xí)理論等為VR教育應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為VR教學(xué)應(yīng)用開辟了廣闊的空間。[31]VR教學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響教學(xué)效果。

本研究分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有原則對(duì)教學(xué)反饋所持的觀點(diǎn)不同。Zweifach認(rèn)為學(xué)習(xí)者與VR內(nèi)容交互時(shí)，應(yīng)為學(xué)習(xí)者提供實(shí)時(shí)的反饋;而Mina認(rèn)為給學(xué)習(xí)者提供的反饋不一定是實(shí)時(shí)反饋。教學(xué)反饋是VR教學(xué)設(shè)計(jì)的重要部分，當(dāng)學(xué)習(xí)程序性知識(shí)時(shí)，應(yīng)為學(xué)習(xí)者提供正誤反饋，當(dāng)學(xué)習(xí)陳述性知識(shí)時(shí)，應(yīng)為學(xué)習(xí)者提供解釋反饋。[32]學(xué)習(xí)者與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互獲得的實(shí)時(shí)反饋和教師通過(guò)觀察學(xué)習(xí)行為和過(guò)程提供的非實(shí)時(shí)反饋，均可以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。因此，本研究建議基于教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容為學(xué)習(xí)者提供相適應(yīng)的反饋，使教學(xué)效果最優(yōu)化。

通過(guò)比較美國(guó)、英國(guó)、芬蘭和澳大利亞4個(gè)國(guó)家的6個(gè)VR教學(xué)設(shè)計(jì)原則，本研究最終歸納了3條教學(xué)模式原則、4條教學(xué)策略原則、2條學(xué)習(xí)環(huán)境原則、2條教學(xué)評(píng)價(jià)與反饋原則以及2條教學(xué)支持原則，旨在為國(guó)內(nèi)教師開展VR教學(xué)提供參考，為學(xué)習(xí)者提供更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，以期優(yōu)化現(xiàn)有的VR教學(xué)效果。

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（編輯：王天鵬）