基于体验学习圈的火灾逃生虚拟学习系统构建

黄亚平　林韦姣（浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江杭州 310023）



基于体验学习圈的火灾逃生虚拟学习系统构建

黄亚平林韦姣
（浙江工业大学 教育科学与技术学院，浙江杭州 310023）

摘要：虚拟现实技术的应用与推广为教育研究提供了新思路，虚拟学习系统就是其在教育领域的一个重要应用。针对当前青少年消防安全教育中存在的问题，文章在研究大卫·库伯体验学习圈的基础上，提出了以“基础层—体验层—归纳层—模拟层”为主体的虚拟学习系统设计模型，并据此开发了火灾逃生虚拟学习系统。该系统能帮助青少年掌握消防知识、提升消防意识、训练火灾逃生技能，相关的实际应用结果验证了该系统的有效性。关键词：虚拟现实；体验学习圈；虚拟学习系统

引言

随着科学技术的不断发展，虚拟现实技术越来越受到教育界的青睐。虚拟学习系统是虚拟现实技术在教育界的一个重要应用，它通过模拟真实环境、提供多感知虚拟空间和数字化学习资源，较好地满足了学习媒体情境化的需求[1]，并具有交互性、沉浸性和构想性[2]的特点。根据已有的研究成果，可知现在针对青少年的消防教育存在以下问题：在知识的传授上，教师自身在消防安全方面的知识储备不足[3]，而专家的消防讲座覆盖面小、频率低，消防标语的宣传平面化、形式枯燥[4]，难以产生实际的教育意义；在技能的培训上，部分学校的消防教学器材匮乏，与消防部门的联合演练流程复杂、费用高，参训的青少年消防意识不够、操作不当易引发危险。上述问题，严重影响着青少年对消防知识与技能的学习。

用虚拟现实技术解决上述问题具有无可比拟的优势：在学习方式上，该技术能够创设逼真的学习情境，学习者可在其中主动探索、建构知识的意义[5]；在学习内容上，该技术能够灵活组织知识结构，并用直观、立体的形式呈现教学内容[6]；在学习空间上，该技术能够建立三维学习情境，扩展学习体验空间[7]。

但虚拟现实技术优势的发挥，需要结合适当的教育理论来指导虚拟学习系统的设计。目前，已有将整合情境与沉浸理论[8]、混合学习与活动理论[9]、情境认知与情感化设计理论[10]与虚拟现实相结合的研究，也有将体验式学习理论用于指导设计的研究[11][12][13]，但这些研究重在分析虚拟环境下体验学习的流程，而对虚拟学习系统的设计模型与方法总结得不够。基于体验学习圈设计的学习活动能够激发学习者的兴趣，促使他们更深入地理解学习主题，进而使能力得到更高水平的发展[14]，本文将体验学习圈理论与虚拟现实技术相结合，提出了以“基础层—体验层—归纳层—模拟层”为主体的虚拟学习系统设计模型。在此基础上，本文采用3dsMax和VR-Platform软件，开发出了火灾逃生虚拟学习系统。

一　体验学习圈理论

美国心理学家大卫·库伯[15]总结出如图1所示的“体验学习圈”模型，认为体验学习是一个体验循环的过程，每一个循环包含四个阶段：①具体体验。学习者在与外部刺激的相互作用中获取知识，产生各种体验。②反思观察。学习者有意识地对具体体验过程中的“知识碎片”进行回忆、反思，整合成有意义的信息。③抽象概括。学习者对观察的内容进行梳理，抽象出符合逻辑的概念和理论。④主动检验。学习者在新情境中验证自己新形成的概念和理论。“感知”、“领悟”及意义转换维度，反映了学习者在体验学习过程中获得经验及学习迁移的方式[16]。

图1　库伯的体验学习圈

在库伯的理论模型中，体验学习的过程涵盖了学习者亲历体验、进行反思、与他人交流、经验外化等活动，是学习者不断“体验、反思、归纳、应用”连续循环的过程[17]。其中，反思是重要环节，是对自己体验的再认识，能够促进学习者经验的重构。另外，该模型同样重视知识与经验的外化，并使之在外化的过程中得到验证与提升。

研究体验学习圈理论对虚拟学习系统设计的启示是：①相互关联的直接经验与间接经验是学习者的有效资源。虚拟环境要模拟知识发生的情境，调动学习者的眼、耳等多种感官及情感的参与，获取直接经验；对于嗅觉、触觉等感觉刺激的缺失，则可通过间接经验进行弥补。在虚拟环境建立起直接经验与间接经验的联系，能帮助学习者有效开展学习。②反思是促进学习的有效途径。学习需要深层的反思观察，进而抽象出有意义的知识结构。因此，应在虚拟学习系统中设置相应的问题情境，引导学习者进行反思、分析；还可以设置学习辅助小工具，如设置“学习笔记”协助学习者随时概括总结，或设置“在线交流”诱发学习者进行自我分析、突破认知局限以重构知识。③有效学习需经历体验学习的四个阶段，通过连续循环促使学习效果螺旋上升。虚拟学习系统需要针对具体体验、反思观察、抽象概括、主动检验，设置相应的学习内容、学习任务或学习辅助工具，以充分调动学习者的情绪、知觉、思维及行为的参与；同时设置相应的反馈与评价，以帮助学习者对已有的经验形成综合认知，促进循环体验的发生。

二　基于体验学习圈的虚拟学习系统设计模型

学习者在虚拟系统中的体验与该系统的构建方式密切相关。本文将体验学习圈理论与虚拟现实技术相结合，提出了以“基础层—体验层—归纳层—模拟层”为主体的虚拟学习系统设计模型，对应“情境体验—观察反思—内容概括—模拟演练”四个学习环节，如图2所示。

1基础层

该层是整个系统的组织架构，包括界面设计、导航设计与交互设计——为帮助学习者完成学习目标，界面设计应选择容易被理解和使用的元素；导航设计要体现出界面元素与其所含内容间的关联、当前界面与整体结构的关系，并向学习者提供在界面间跳转的途径；交互设计则需便于学习者与虚拟情境、资源信息进行操作交互及信息交互，并最终实现概念交互。

图2　基于体验学习圈的虚拟学习系统设计模型

2体验层

该层是学习者开始进入虚拟体验的平台，包括教学设计和情境设计。其中，教学设计是虚拟学习系统教育价值高低的关键所在，需要根据学习者的特点及对学习内容的分析，对资源形式、呈现方式等元素做出合理安排；情境设计则需在贴近学习者实际生活的“真实情境”中呈现知识，使学习者产生角色上的认同感，进而沉浸到虚拟环境中进行学习活动。

3归纳层

该层是促进反思与概括的工具，包括问题设计和辅助工具设计，维持体验学习的专注性与连贯性。问题设计既要基于学习者已有的知识与经验，又要超越他们当前的基础，从而引发对已有经验的反思和重组。而辅助工具设计如在线交流、在线笔记等，通过学习经验的探讨交流、可视化地呈现各知识点之间的联系，能帮助学习者强化记忆、加强理解，进而完善知识结构。

4模拟层

该层为学习者创造了应用新知识、新技能解决实际问题的机会，包括活动设计和反馈评价设计。活动设计应引导学习者参与到实际问题的场景中，在完成学习任务的过程中检验新获得的知识与技能。反馈评价设计则要突破对概念性知识进行复述的传统评价，根据学习者的实际操作给予实时的反馈与评价，注重学习者所能达到的发展高度，帮助学习者形成对自己的综合性认识，以调整体验学习的进程。

三　火灾逃生虚拟学习系统的设计与实现

为提高青少年的安全防范意识及火灾自救能力，本研究结合上文提出的基于体验学习圈的虚拟学习系统设计模型，开发了火灾逃生虚拟学习系统。

1教学设计

本文依据《全民消防安全宣传教育纲要》的要求，参考《火灾防范与自救》[18]、《消防安全知识》[19]的相关学习内容，进行了学习活动设计，如表1所示。其中，“场景漫游”与“课堂互动”是学习者进行虚拟体验的环节，包括直接经验与间接经验；“反思、应用”通过工具与场景促进学习者反思概括，将所学知识应用于模拟场景，巩固学习效果。

表1　学习活动设计

2模块设计与实现

基于虚拟学习系统设计模型与体验环节设计，火灾逃生虚拟学习系统主要分为“场景漫游”、“虚拟教室”、“逃生训练”三大模块，对应体验层、归纳层、模拟层。

（1）场景漫游

以现实小区的布局与建筑风格为蓝本构建漫游场景，场景中嵌入常见易燃物标识和对应灭火、扑救办法等的解说，其漫游效果如图3所示。在主界面上设置导航图，可快速定位和切换位置，增强体验的流畅感；相对于传统教学而言，逼真的情境让用户产生的体验也更为深刻。

图3　场景漫游效果图

图4　虚拟教室效果图

（2）虚拟教室

在教室中创建教师与学生的角色，消除学习的孤独感，使体验更加真实，其虚拟教室效果如图4所示。学生可以单击黑板上相关的知识点，触发对应课件、视频的播放，并能控制其进度，还能调用学习笔记记录学习的内容及过程，便于同步进行归纳概括。

（3）逃生训练

模拟火灾场景，学习者可在训练逃生技能的同时训练心理素质，逃生训练界面如图5所示。学习者通过控制三维虚拟人物选择逃生路径，系统则给出相应的提示反馈，逃离火灾现场后系统还会根据学习者在整个逃生过程的操作显示其剩余生命值，并对学习效果进行综合评价。

图5　逃生训练界面

（4）帮助中心

主要包括系统的操作说明和知识导图，以帮助学习者更好地了解火灾逃生虚拟学习系统的功能与操作，便于学习者对该系统包含的消防安全知识结构形成整体认识。

火灾逃生虚拟学习系统开发完成后，开发人员对该系统进行了试用与评价。大部分学习者认为该系统的知识性与情境性比较强，知识结构相对完整，学习资源类型多样，模拟仿真的学习情境能产生深刻的情感体验，虚拟逃生训练有助于提升消防技能、形成正确的消防观念——这对解决当前青少年消防安全教育中存在的问题具有一定的积极意义。

四　结束语

本文通过文献研究、设计模式提炼，提出了基于体验学习圈的虚拟学习系统设计模式，在此基础上开发了火灾逃生虚拟学习系统并进行了初步应用。实践表明：火灾逃生虚拟学习系统具有一定的实用性，对学生掌握消防知识、提升消防意识、训练火灾逃生技能具有一定的促进作用。后续研究将不断提高该系统的交互性与沉浸感，让学习者产生更强的身临其境之感，进一步提升火灾逃生训练的成效。

参考文献

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编辑：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

作者简介：黄亚平，副主任，副教授，硕士，研究方向为虚拟现实教育应用、网络教育应用，邮箱为hyp@zjut.edu.cn。

【中图分类号】G40-057

【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2016）03—0121—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.03.018