基于认知学徒制的虚拟学习情境的设计与实践

摘 要：虚拟现实是目前新兴发展的技术学科，主要将真实的场景进行虚拟化，认知学徒制是一种在情境认知和学习理论指导下建立起来的学习方法。文章将两者进行结合，解决了后者无法构建真实场景的缺陷，通过在《C语言程序设计》中的“函数设计”知识点的讲解，提高了学生对于学习程序设计的兴趣，激发了学生学习的热情，为更好构建虚拟学习情境提出了方向。

关键词：C语言程序设计；虚拟现实；认知学徒制

作者简介：陈暄（1979-），男，安徽祁门人，浙江工业职业技术学院讲师，研究方向为课程设计改革、算法设计。

基金项目：浙江省教育科学规划课题“基于认知学徒制的虚拟学习情境的设计与实践”（编号：2016SCG245），主持人：陈暄。

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1001-7518（2016）26-0072-04

认知学徒制就是一种将传统学徒制与学校教育相互结合，引导学生完全浸润在专家实践环境中的方式；虚拟学习情境主要是依靠现代化的信息技术来构造逼真的学习情境，创造吸引学生的崭新的学习环境[1]。认知学徒制与虚拟学习情境进行结合，一方面发挥认知学徒制的优势，另一方面构建有利于教学的环境因素，来激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效率。

一、认知学徒制的虚拟情境设计的基本理论

（一）认知学徒制

认知学徒制是在情境认知和学习理论指导下建立起来的一种可以满足不同类型的课堂和师生环境的学习方法[2]，它可以有效地弥补传统课堂教学中存在的不足，包含内容、方法、序列和社会性四个部分组成。在这样的环境中，教师为学生提供实际的操作工具，学生通过对这些实际工具的应用来获得相应的知识，避免传统课堂在教学过程中的枯燥，提高学生的课堂学习效率。

（二）虚拟现实教育的概念及内涵

所谓虚拟现实教育是将虚拟技术应用到教育领域中，教师与学生通过虚拟现实技术来构造学习情境从而完成交互学习的一种观念。它与传统的学习理念具有以下的区别：

1.学习目的改变。学习的目的都是为了能够使得学生获得知识。在传统的学习中，学习者主要学习理论知识，对于实践性的知识由于某些条件的限制无法进行实践，而在基于虚拟现实的学习情境中，将实践知识的学习放置在重要的位置，引导学生通过理论学习之后，在虚拟情境中完成对实践知识的学习。

2.学习方式的改变。在传统的教学中，教师主要采用面对面的方式进行授课，大部分学生通过记忆的背景下来获得知识，这种方式无法激发学生的积极性，甚至会让学生产生只要在备考的时候多背诵就能通过考试的感觉，因此学生对于学习知识的重视程度逐渐降低。虚拟现实技术将知识由记忆型变换为生动型，通过虚拟化的场景引导学生改变对学习方式的看法，它从周围的环境出发，将学生与周围环境进行交互，在一定程度上激发学生对于知识的求知欲望。同时它还不断挖掘教学内容，将书本中的理论变换成虚拟化的实际场景，使得学生的学习行为由被动变为主动，学生在轻松愉悦的环境中学习知识，在学习的过程中与他人共同研究问题，吸取其他学生的学习经验，改进自己的学习方式。

3.学习空间的转变。在传统的教学过程中，教师通过每一节堂课来为学生传授知识，传授的地点，传授的时间相对固定，在传授中，学生可以向教师求解问题，也可以与其他的学生进行合作学习。当教师与学生不在同一个时间或者同一地点的时候，教师所教授的知识，学生就无法方便的获得，学生之间的的交流就更是无法得知。虚拟技术的采用在一定程度上解决了这些问题，依托虚拟系统提供交互方式，能够满足学生和教师在课上甚至课后的学习和交流，使得学习的空间发生了改变。

4.学习观念的转变。在目前大部分教学过程中，学生学习的内容都是理论性较强的内容，特别是针对《C语言程序设计》这样的类似的程序类的课程，课程的知识是非常枯燥，而且学习的模式基本上首先进行理论学习，然后再进行上机实践，这种学习方式无法提高学生综合能力的发展。针对目前的学习状况，虚拟现实技术要求学生不但通过理论知识获得技能和方法，更加强调学生将理论知识与实践的技能进行结合，引导学生必须重视技能的掌握同时也需要加强理论学习的正确价值观。这样可以培养学生的积极学习态度，促进学生在学习中感受到学习的快乐，从而形成积极向上的学习观。

二、虚拟学习情境教学设计的要素分析

虚拟学习情境是一种建立在认知学徒制教学模式的基础上的学习模式[3]，它不但符合认知学徒制的相关四个方面的内容，而且还加入了体现真实学习的虚拟活动。

（一）内容

学习的内容在虚拟学习情境称为专家知识，包括专业知识和策略知识两个部分。前者主要描述专业领域内容中的概念和事实，往往存在课本知识和课堂教学过程中；后者主要是指如何应用上述的事实去解决真实问题。在虚拟学习情境中，学生在情境的交互中通过观察等方式来获得知识，然后在此基础上通过不断的操作、思考、实践等反复步骤，从而明确学习的内容。

（二）方法

学习的方法主要是为了能够帮助学生更好的发现问题并采用正确的学习方法解决问题。在设计教学方法的时候鼓励学生通过观察，参与到具体情境中的实践内容，引导学生发现所学的真实知识和概念知识相匹配，并启发学生利用现有的各种资源解决问题。在虚拟学习情境的教学方法设计中分为三个步骤：首先通过示范和指导一个实际的C语言程序的开发，帮助学生通过观察和指导来获得一些技能；然后对这个程序进行反思，引导学生注意观察教师解决问题的思路，并结合自己解决这个程序的方法而反思自己的想法；最后是不断地鼓励学生自觉地解决问题。

（三）序列

认知学徒制主要是为了培养学习者的技能，这就要求课程授课教师需要在不同阶段改变学习技能内容，要求设计者按照一定的设计规则，了解和掌握各个阶段的技能培养目标。因此如何合理的安排活动的顺序起着重要的作用。基于认知学徒制的虚拟学习情境具备的原则有三个方面：其一是复杂性原则，主要是帮助学习者在完成学习的任务过程中运用教师提出的技能，这里的复杂性是指将任务从容易到难进行排序，逐步控制任务的复杂性。其二是多样性原则，当学习某种技能的过程中，需要引入多样化的技能任务，这样可以让学生能够更好的引导学生将掌握的技能应用到更加多样化的问题，这样可以引导学生解决不熟悉或者新的问题。其三是全局优于局部原则，学生在初学的时候，应该对当前所需要学习的内容有一个总体的印象，然后再对自己所学习的内容进行了解，这样安排的目的是为了让帮助学生树立先从宏观角度去看待问题，然后从微观的角度去解决问题，锻炼学生看待事物的能力。

（四）社会性

虚拟情境中的社会性主要是指专家对学生的鼓励使得学生产生积极学习的信念，特别是鼓励的内容对于学生的学习动机，学生的自信以及学生面对困难的决心起着非常重要的指导作用。在虚拟学习情境中，教师与学生之间，学生与学生之间的交流都依靠虚拟现实技术进行，帮助他们进行相互交流，相互讨论和共同学习。

通过构建虚拟情境的设计，将认知学徒制的四大要素与虚拟活动相结合。教师与学生，学生与学生通过虚拟化的场景来进行学习情境的互动。

三、虚拟学习情境教学设计——以《C语言程序设计》课程为例

本文中以《C语言程序设计》中的“函数设计”知识点为例，描述基于认知学徒制的虚拟学习情境的教学设计过程。

（一）授课对象分析

本文选择的是刚刚进入大一的学生。在这个阶段的学习中，学生们的思维方式还停留在高中的阶段，缺乏从整体上对一件事情的抽象性的看法。在教学的过程中如果只是依靠PPT等工具演示上课的内容，无疑限制了学生的求知欲，因为该阶段的学生对于程序设计课程具有一定的好奇性，因此，为学生提供一个能够吸引学生的虚拟学习环节显得非常重要。

（二）学习目标分析

“函数设计”教学目的是为了让学生认识函数并使用函数。大致包括三个方面的学习：认识、了解函数的组成部分，对函数的结构和应用进行学习；帮助学生认识到函数在平时的很多诸如生活中的电子产品的开发中使用；掌握虚拟学习情境的应用方法，运用网络引擎去搜寻相关的知识。

（三）学习过程分析

1.准备过程。教师向学生讲解有关虚拟情境的设计的构建思想以及目的，然后向学生讲述如何进入情境学习的方法，紧接着向学生提出清晰的学习目标，同时解决学生在学习过程中遇到的各种问题和解决方法。

2.提出问题。在使用虚拟情境学习系统中，系统向学生展示本次学习的目的，其次在具体实践案例中提出大致的问题：第一，函数的组成有几部分组成？分别是什么？第二，如何使用该函数，并打算解决什么问题？第三，设计几个函数完成各自的功能。

3.专家指导。在虚拟学习情境中，教师是学习的组织者，对学生的学习给予帮助和指导，提醒学生在学习任务的时候容易遇到不解的地方以及容易忽视的问题，以便能够更好的帮助学生获得知识。通过虚拟情境学习的在线功能，可以帮助学生与教师进行交流，同时方便学生与学生之间进行交流。

4.自主学习。学生在教师的指导下，通过虚拟学习系统进行相关的学习，并在系统的指导下进行相关函数知识的掌握，在系统提供的案例中，学生主要完成：通过观看视频教学后完成对函数的调用和使用；通过互联网来搜索有关函数的课程的后续的学习，了解函数更多的使用情况。

5.完成作业。在前几个阶段完成后，学生需要完成几个函数的作业，学生可以依靠互联网对需要解答的函数内容所涉及的知识点进行搜索，然后完成作业，但是这里需要特别说明的是，由于作业的内容可以在互联网上能够寻找到答案，因此学生在完成作业的同时需要准备PPT，代码解释清单等东西，并通过虚拟学习系统将作业上传给教师，让教师进行评价。

6.阶段反馈。在进行完一个阶段的学习之后，需要进行阶段性总结，教师引导学生对学习问题（比如函数的学习）进行思考，针对出现的不足进行及时的纠正，同时对问题之外的知识点进行延伸和分析，帮助学生能够思考问题，培养学生的学习独立性。

（四）评价认知学徒制虚拟学习情境

1.内容方面实现的评价。以“函数设计”的虚拟情境为例，为了能够体现学生对于知识点学习，首先应该帮助学生明确学习的目标，其次，关注学习内容的描述是否能够让学生容易理解。在虚拟学习情境的系统中，学生通过系统中的注释了解到函数结构的相关知识，在熟悉基本结构之后；学生依靠虚拟操作使用难度逐渐增大的函数进行学习，从中丰富自己的知识。

2.学习方法方面的评价。教师向学生提供学习视频，进行相关的示范讲解；教师与学生依靠虚拟情境系统中的在线交流解决学生提出的问题并进行相应的指导；教师引导学生进行相关内容的搜索，方便学生采用正确的方式学习；教师要求学生完成几个关于函数的作业，来促进学生的清晰表达能力；学生和教师的相互思考，学生需要对学习的内容进行思考，以及对操作的过程进行思考，并把这些思考写入到反馈中；同时教师需要在教学的过程中针对自己的引导方法，引导模式进行思考，并在与学生的在线交流中反馈自己的思考，并通过日志的方式展示在虚拟情境系统中。

3.序列方面实现的评价。当学生通过虚拟情境熟悉函数的各个部分组成的时候，系统会相应的弹出相关的解释说明，对函数的各个部分进行描述，然后通过演示函数在某个系统中的过程，体现了学习序列的不断增加的复杂性原则。在“函数设计”的学习中，需要依靠视频，网络和在线交流平台进行完成，这说明学生在完成学习活动的多样性。在学习“函数设计”的过程中，首先明确了“函数”具有的作用，帮助学生明白“函数”学习的目的，然后有步骤的学习有关函数的使用的功能以及在相关程序中的使用情况，这样体现了先宏观看待问题再微观解决问题的方法。

4.社会性方面实现的评价主要是通过系统的交流平台，可以帮助学生与教师进行交流，并对学生的学习过程进行鼓励，而学生也可以通过平台之间的交流，共同的学习，共同的鼓励。

5.虚拟活动方面实现的评价是在进行“函数设计”学习的过程中，从函数的入门学习到函数应用在程序中都使用了虚拟化的表现手法，这种表现方法有别于传统的采用PPT能静态讲解的方法，激发了学生学习的兴趣。

（五）学生反馈调查

为了考察学生对于该种学习方式的兴趣。本文还对计算机专业的三个专业三个班级共126名学生进行调查，从整体印象、实用性、难易性、学习效果几个方面进行调查。

1.整体印象。在内容为“您是否对虚拟的学习情境感兴趣吗？”调查中，选择非常感兴趣有48人，一般兴趣为68人，没有兴趣的有10人，因此感兴趣一共有116人，占总人数比例的92.06%；在内容为“您是否接受通过这种虚拟手段教学方式？”中，选择非常愿意接受的为32人，一般接受的为78人，不愿意接受的为16人，因此愿意接受的为90人，占总人数比例的87.3%。这说明学生对于这种虚拟情境教学方式整体印象不错，乐于接受。

2.实用性。在内容为“虚拟的环境中的函数构造与真实的系统中的函数构造相近吗？”调查中，选择非常相近的有43人，比较相近的有63人，不相近的有20人，其中相近的人数有109人，占送人数比例的86.5%；在内容为“类似这样的函数就存在你身边的很多系统里面？”调查中，选择是的有114人，选择否的有12人，因此，选择是的人占总人数的比例的90.47%，这说明虚拟对象具有很好的实用性。

3.难易性。在内容为“在函数讲解和应用的过程中，你觉得困难吗？”的调查中，其中选择非常容易理解有46人，比较容易理解的为56人，非常难理解的有24人.因此，容易理解为92人，占送人数比例的80.95%。这说明学生对于通过虚拟情境学习的可以降低理解的难度持肯定的态度。

4.学习效果在内容为“通过该系统的使用，你是否会主动学习？”的调查中，选择肯定的为104人，选择否定的为22人，选择主动学习的占总人数比例的82.53%；在内容为“该系统是否能够改进您的学习方式？”调查中，选择肯定的为106人，选择否定为20人，选择能够改进学习方式占总人数比例的84.12%。这说明学习的效果是让学生满意的。

通过以上反馈调查，表明了学生采用此方法的学习具有一定的效果，因此该学习方法可以引导学生树立学习观念，促进学生的学习兴趣。

通过针对《C语言程序设计》课程的应用，将认知学徒制和虚拟现实技术进行了结合，取得了一定的效果，但还存在很多的不足需要进一步研究。例如高职的课程随着专业不同课程内容不同，如何能够针对每一门课程应用虚拟情境系统是下一步研究的方向，目前基于图形图像的很多技术都在日新月异，如何改善虚拟情境系统是下一步不断完善的过程。

参考文献：

[1]肖飞.基于虚拟情境的教学资源在高职软件技术专业课程中的实践研究[J].通讯世界，2015（16）：207-208.

[2]陈家刚.认知学徒制研究[D].华东师范大学，2009.

[3]白书强.基于认知学徒制的虚拟学习情境的设计与开发[D].山东师范大学，2011.

责任编辑 时红兵