基于虚拟课堂的师范生技能训练实验平台设计与开发*

李小志，陈宥辛，叶新东

（温州大学 教师教育实验教学示范中心，浙江 温州 325035）

虚拟现实（Virtual Reality）技术，简称VR，是20 世纪80 年代新崛起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等。它由计算机硬件、软件以及各种传感器等生成三维信息而构成虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界（甚至是不存在的）的事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互，[1]虚拟现实技术因此受益匪浅并得到日新月异的发展。

随着虚拟现实技术的成熟与应用的普及，该技术在国内外已用于多个领域，如心理治疗训练、高成本或高危场所训练、教育培训以及新人面试训练等场合，通过虚拟环境训练协助练习者在训练过程中发现问题并且给予及时的指导和帮助，增强练习者的技能或提高练习者的训练效率。[2]然而，目前在国内外还没有人将虚拟现实技术用于师范生培训，或用虚拟现实技术建立一个师范生能够用于班级管理能力训练、累积信心、提高课堂教学技能及增长教学经验的虚拟课堂。

一、实验平台需求分析

目前的课堂教学中所构建的课堂环境，贵在学生能够直接参与这类真实、具体的课堂环境，并获得真实的体验感受，但因为受制于教学场地、教育环境以及经费、资源等因素，很多学校的课堂环境一旦建设完成，后期的使用基本都处于固定的模式中，没有改变的空间，有些可以改变的地方无非就是采用活动的桌椅，上课的教师只能采用改变桌椅的排列方式来改变上课的形式；[3]同时由于课程专业性的限制，这类课堂环境一般只适合这类课程使用，其他课程想用这类课堂环境就需要将其他课堂所需的设备、器材以及资源等都搬进来，才能开展该教学活动。

虚拟课堂环境是通过计算机产生的一个数字化的教学、学习环境，教室内的陈设与真实的教室一模一样，并且所有的设备、桌椅和陈设都可以随课程的需要而变换，是一个能充分体现和满足教学者需要的课堂环境。相对真实课堂环境而言，虚拟课堂环境学习资源丰富、环境轻松灵活，给教师和学生提供了轻松自由、自主自导的教学和学习方式。[4]随着虚拟现实技术的发展，虚拟课堂环境的真实情境性、参与性、体验性以及沉浸感和存在感，在促进教学者的教学、帮助学生对知识的理解、发挥学生的主动性等方面将有积极影响。

在虚拟课堂环境中，教师或学生可以借助头盔，通过操控计算机、手机或其他虚拟现实设备使自己置身于该虚拟环境之中，然后与环境中的人或物以实时互动的方式进行教学或学习，感受智慧学习，体验个性化的教学和学习，并从中获得身临其境的感受。通过对虚拟课堂环境的设计和开发，引导教师和学生积极参与其中，可以让课堂教学突破时间、空间及经费等因素的限制，让师生体验到与课堂教学环境相同，甚至更优的感受。[5]虚拟课堂环境的使用现已成为高校教学改革的研究热点，正吸引越来越多的研究者和教师的关注。

二、实验平台方案设计

虚拟课堂实验平台建立的目的是以帮助师范生建立较好的教学技能为目标，主要解决两个核心问题，即虚拟课堂环境的设计和用户操作虚拟环境的实现。虚拟课堂环境的设计必须具有很高的生态效度，同时也必须结合较新的人机交互技术使师范生以相对人性化的方式与虚拟课堂中的学生、物体以及环境进行交互。[6]要达成以上目标则首先需要聚集各专业教师的丰富教学经验，以问卷、讨论以及自我报告的方式汇集各专业教师较一致认为师范生应该具备的教学知识及经验，并且根据所汇集的意见尽可能设计出对应的虚拟课堂教学情境。实验平台主要由一个主系统、四个子系统构建起集交互式仿真、情境互动、教学互动、资源管理、教学评议于一体的实验教学应用系统。主要功能描述如下：

（1）系统平台支持课堂场景包导入功能；支持自然环境系统，支持时间系统，能够表现一天内的时间和光影变化；具备教室环境和常用教具、电教设备等；支持课堂教学中的图文教学内容展示；支持用户修改图片和教学文字内容。

（2）支持导入、管理、删除3D 角色；支持添加、修改角色动画；支持角色IK 动画技术，实现角色视线跟随等动作特效；支持多套UI 界面切换；支持2D 和3D UI 系统；UI 操作支持鼠标和手势操作。

（3）支持用户自定义虚拟课堂场景布置；支持虚拟现实动作捕捉设备；支持课堂教学素材资源扩展。

同时，系统通过模块化设计，便于后期教学内容的扩展和硬件设备的兼容支持。根据教学的要求和教师及师范生的需求，设计出具体架构如图1 所示。

三、实验平台开发流程

虚拟课堂项目开发从需求分析开始到最后平台使用，经历了多个环节，用到的主要是Unity3D 软件和Steam VR 软件。项目开发的基本流程如图2 所示。[7]

1.需求分析

在确定项目启动后，首先是对项目进行需求分析，根据虚拟课堂的场地规格，结合教学的实际需要和各专业教师课堂中的真实教学视频以及交互式虚拟现实系统，通过问卷、讨论以及自我报告的方式汇集各专业教师和学生的需求，并根据所汇集的意见尽可能设计出对应的虚拟课堂教学情境，分析课堂内的展示内容和摆放位置。

图1 虚拟课堂教学软件环境的设计架构

图2 虚拟课堂开发流程

2.素材的收集与整理

完成需求分析后，选择一个标准通用的实体教室，收集教室的大小尺寸以及讲台、黑板的大小尺寸，教室内应有的对象等各种图片，同时将各学科上课需要用到的器材、设备等分别拍照并进行筛选和分类。另外，还需要对虚拟课堂中的铃声、旁白以及其他视频进行收集和编辑。

3.虚拟课堂的空间设计和三维建模

虚拟课堂的空间环境一定是一个有真实感的生态教室，其空间大小、布局、光线和色彩等都非常重要，都会影响使用者的感知体验。根据前面的分析和收集的素材，参照实体教室的结构和学科特点，设计虚拟课堂的空间布局，并在Unity3D 软件中将虚拟课堂的空间模型制作出来。虚拟课堂中各要素要风格统一、交互性强，能吸引使用者的注意力。

4.图片视频资源的处理

使用者的教学课件在导入虚拟课堂中后，都以图片的形式展示。另外，虚拟课堂中的器材和设备大部分也以图片的形式呈现，因此图片像素的处理是至关重要的。特别是对实体拍摄得到的图片需要用专业的软件进行加工处理，一般需要进行裁剪和调色，对于有特殊要求的图片还要进行特殊处理，以增强虚拟课堂环境中的效果。

5.引擎中场景的制作

在Unity3D 软件中制作教室的墙体、桌椅、学生、黑板等各种模型，设置好它们的材质和属性等，并将它们分别进行保存。接着在软件中建立虚拟课堂，导入这些模型，再在场景中放置灯光，设置后期效果，最后进行反复调整直至达到满意的视觉效果。[8]

6.提示语的制作

请专业配音人员录制场景中需要的旁白，然后按内容分割成不同的片段进行保存。在虚拟课堂的适当位置和适当时间触发动作，当使用者进入某区域（如禁止入内区域）或课程进行到某时段（如课间时段）时，自动播放相应的提示语。也可以在操作界面上制作语音控制的按钮。

7.视频的嵌入和控制

在教学中经常会使用到视频资源，虚拟课堂环境中也一样需要，因此，首先应在虚拟课堂的某个位置设置一个播放区域，调整好区域的大小与视频的大小一致，接着对该视频设置视频触发器，可通过在操作界面上设置按钮进行播放控制，当使用者点击按钮时，可在设置的区域内播放视频。

8.语音关键字的制作和处理

使用者进入虚拟课堂后，所有的教学或学习活动都是按照真实的课堂教学来进行的，因此与虚拟学生之间有各种真实的语音交互。要让虚拟学生听懂使用者的命令，使用前先在系统上预存一些上课必要的语音关键字或语音关键句，并将这些语音保存到系统中，当使用者的讲课中涉及这些语音关键字时，语音识别系统自动转换为虚拟学生能听懂的命令，虚拟学生就会根据语音做出相应的动作。

9.沉浸式虚拟课堂的运动控制

沉浸式虚拟课堂系统中使用者的操控方式与其他的虚拟系统不同，使用者是从头盔显示器中观察虚拟环境并通过手柄或注视点进行交互控制。我校的虚拟课堂系统使用的是HTC vive 中的Steam VR 组件进行测试，当使用者戴上头盔后，红外跟踪定位器会捕捉到人的活动区域，激光定位器会捕获到头部的运动和方向，头盔中会显示出对应变化的景象。[9]当使用者按下手柄上圆盘键时，图像中会出现一条抛物线，松开按键后，使用者会瞬间移动到抛物线末端所在的位置，使用者通过这种“乾坤大挪移”的方式在虚拟课堂中运动。

10.优化和打包发布

完成所有的开发设计后，删除不需要的内容，对各项参数进行检查和优化，最后将项目输出为exe 可执行文件。

四、实验平台实施方法

基于虚拟课堂的师范生技能训练实验平台，其场景所包括的教室、人物、教具等都是在Unity 3D 软件中开发完成的，整个训练系统包括备课模块、上课模块和下课模块。在上课模块中，为充分还原真实的课堂情境，还在其中设置了学生提问、学生聊天、学生之间起争执、学生看或玩手机、学生睡觉等事件。[10]实验平台系统在使用过程中的流程大致可以分为以下几个过程。首先是师范生设置自己的课程信息、姓名以及授课时间，如图3所示。完成信息的设置后，将教学所需要的资料如PPT等课件导入到实验平台中，随着讲课内容的增加，虚拟学生提问的概率也相应增加，因此师范生需要根据自己的学科内容，在上课前将学生的提问提前设置好，然后设置好问题的关键字，当虚拟学生的问题涉及设置的关键字后，就会调出相应的问题，如图4 所示。

图3 课程信息设置界面

图4 问题及答案设置界面

完成上述基本信息设置后，师范生才真正进入训练环节。先进入的是备课模块，在备课模块师范生需要完成对课件的各项操作设置。在虚拟课堂中备课时，需要将讲课用到的课件等文件如PPT、PDF、图片或相关课件等载入到课堂中。课堂训练中设置一个类似“沙盘模式”的环境，即没有学生或事件发生的环境。让师范生能够先“提前预演”以及检查自身课件、PPT 或教材等。该设置为一个“打勾选项”，一旦勾起沙盘模式，则系统仅载入选定的教室场景、背景、指定教室的相关器材（如空课桌、椅子等）、PPT 以及相关课件。其目的是达成“师范生能利用自身空闲时间进行教师技能的练习与培养”，同时针对这方面可添加各种不同的“自我评价”量表，让师范生可以通过自我评价的方式，学习当教师时应该注意哪些事项。

载入PPT 或教材完毕后，需要让师范生对自己的课件或PPT 进行“材料确认”的动作。此时，需要师范生过目一下自己的材料，同时选出自己课件中至少两页含有重点信息的PPT 或课件页。过目并且指定完“含有重要内容的课件页”后，才能使用该系统。

接下来就可以进入上课模块。师范生设定并载入所有相关材料（如PPT 等）后点击界面上的开始键，进入虚拟课堂场景。首先进入的是上课前模块，师范生在此环境下经历以下几个过程：

先是铃声响起。接着根据师范生的前期设定，判断师范生进入场景时的初始位置（如教室门口以及讲台）。如果体感交互设备捕捉到师范生已站在讲台前或头盔定位初始位置设定为“讲台”，那么全体学生起立，播放群体“老师好”声音。根据学生说完“老师好”后，教师一般会简单回一句“同学们好”，因此约1～2 秒后就让虚拟学生陆续坐下，并设定让所有虚拟学生在5 秒内陆续坐下。此时，让所有学生根据不同速度，逐一从桌子抽屉或书包中取出课本、文具等，摆到自己桌子上。

完成上述过程后，师范生就进入到正式的上课环节了。此模块由师范生开启“课件”（如PPT、PDF、电子版的教科书）作为标记。启动后，使虚拟环境内的元素（如环境、学生等）进入上课模式。为了避免虚拟课堂场景机械化或固化、尽量真实还原课堂场景，虚拟课堂结合RNG（Random Number Generator）以及Pseudorandom（伪随机）的概念来尽可能逼近真实教室中千变万化的事件。如在虚拟课堂中可像真实课堂里一样使用PPT 激光笔操作课件，使用时用手柄控制器碰触桌上的激光笔，按下控制器侧边抓取键拿起激光笔；拿起后按住返回键（圆盘方向键上方的按键）可激活红外激光；圆盘上、下键可控制PPT 上下翻页。下面将在RNG 以及Pseudorandom 的系统框架之下，描述、介绍，并且具体提供对应5 种不同情况的虚拟课堂随机发生事件。使用激光笔控制课件如图5 所示。

图5 使用激光笔控制课件

1.学生提问事件

首先确保上课模块已进行5 分钟或10 分钟以上。确保师范生已进入课堂主题并讲解足够的内容向学生提问，否则一开始讲课虚拟学生就开始提问非常奇怪且不自然。接着根据师范生前期设定或载入PPT，依据所设置或选出含有该“课程的重点”的PPT 页码额外做判断。例如某PPT 师范生前期自我评价问卷中，报告“PPT第8 页、17 页……”为重点。则当训练中，师范生翻到第8 页或第17 页时，适当提高学生提问的概率。选择学生回答问题如图6 所示。

图6 选择学生回答问题

如果设定为含有重点内容的PPT 页中提问事件是对的，则开始执行设计脚本。当某一名虚拟学生举起手，此时如果师范生用手指向该学生的大概方向，那么学生可以提问以下几类比较“万用”的问题，如“老师，刚刚说的我没听懂能不能再解释一次”或者“老师，我没听懂，能不能再举个例子”。

如果设定为含有重点内容的PPT 页中提问事件是错的，则下一页PPT 中，适当提高学生提问的概率，并执行设计脚本。当某一名虚拟学生举起手，此时如果师范生用手指向该学生的大概方向，那么学生可以提问以下几类比较“万用”的问题，如“老师，上一页的内容我没听懂能不能再解释一次”或者“上一页我没听懂，能不能麻烦老师再举个例子”。

2.学生聊天事件

为了确保学生聊天的真实性，必须强行设定一个“学生聊天有效范围”。虚拟学生只能与邻近的虚拟学生进行聊天。根据程序初始设定的“管理难度”决定虚拟学生聊天事件的频繁度。随机选择场景中的一名虚拟学生，如果确认有邻近的虚拟学生，对该虚拟学生进行一个判定，判定该学生是否将参与“聊天”行为，聊天的行为设定为，学生将转头面向其他聊天的学生。若有多名学生参与聊天，则求出若干学生之间的“中心点”，让所有学生都注视着中心点进行窃窃私语的举动与行为，并且每过几分钟对这些认真上课的学生进行判定。若聊天过于喧哗时，则该学生会劝在身边聊天的学生“安静一点”。这行为可以通过言语“安静一点”，也可以通过适当的手势（食指放在嘴巴前）加“嘘”表示。

如果虚拟学生出现聊天行为，此时如果师范生用手“指向这几位聊天中的虚拟学生”，并且如果头部定位器显示师范生正往这些聊天的虚拟学生的大概方向“注视”，则触发师范生制止聊天事件，并让聊天学生慢慢地安静下来，在经过几秒后转头，头朝向黑板，继续上课。

3.学生之间起争执事件

上述聊天事件中，当某一位学生试图劝另一名同学停止聊天，结果引发争执事件，争执发生的瞬间，原先参与聊天的虚拟学生则停止窃窃私语的行为，不再讲话、参与或执行聊天行为，并且目光全转向两位起争执的学生。以两位起争执的虚拟学生为中心，三个座位范围内的学生将受影响，并且转头看争执中的两位学生。这些学生选择继续专注上课或是转头关注争执的学生，由系统对三个座位范围内的每一名学生进行一次判定，决定争执事件是否影响该学生。

如果虚拟学生出现争执行为，此时如果师范生用手“指向这两位争执中的虚拟学生”并且如果头部定位器显示师范生正朝这两位争执中的虚拟学生的大概方向“注视”，则触发师范生制止争执事件，并让争执中的学生慢慢地安静下来，针对这两名聊天的学生，在经过几秒后转头，头朝向黑板，继续上课。

4.学生看或玩手机事件

若判定某学生发生看/玩手机事件，则如上述首先赋予每一位转头看/玩手机的学生一个决定该学生在若干毫秒后进行低头以及拿出手机的动作。如果虚拟学生出现看/玩手机行为，此时如果师范生用手“指向这看/玩手机中的虚拟学生”并且如果头部定位器显示师范生正朝看/玩手机的虚拟学生的大概方向“注视”，则触发师范生制止看/玩手机事件，在经过几秒后转头，头朝向黑板，继续上课。

5.学生睡觉事件

若判定某学生发生睡觉事件，则如上述首先赋予每一位睡觉的学生一个决定该学生在若干毫秒后进行低头、闭眼、趴在桌上的行为。如果虚拟学生出现睡觉行为，此时如果师范生用手“指向睡觉中的虚拟学生”并且如果头部定位器显示师范生正朝睡着的虚拟学生的大概方向“注视”，则触发师范生制止睡觉事件，在经过几秒后，让睡觉的学生身边的随机一名同学，进行拍背或轻推的行为叫醒睡觉中的学生，让其继续上课。

最后是训练中的下课模块，此模块由师范生开始上课为起始时间，并根据“管理难易度”变量，决定学生何时进入“准备下课的行为模式”。正常难度下，学生将设定为，虚拟课堂结束的前3 分钟，让所有在虚拟教室中的学生进入“下课模式”状态。即学生开始收桌上的课本、文具等。此时先把所有学生分成以下三类——提前很多准备下课的学生、提前下课的学生以及铃声响后才准备下课的学生。

提前很多准备下课的学生：这类学生将在下课模式启动的那一刻，执行下课相关的行为，例如收课本、文具、书包、手机等。

提前下课的学生：这类学生将在下课模式启动后，在下课时间提前1～2 分钟，才开始出现下课相关的行为。

铃声响后才准备下课的学生：准时到点的那一刻才出现准备下课相关的行为。

这三类学生的比例，由管理难易度变量决定。例如：正常难易度下，则有1 成学生提前很多准备下课，有7成学生提前下课，有2 成学生铃声响后下课。

铃声响后，让所有学生同时起立，说一声“老师再见”。在所有学生收好课本、文具等后陆续走出教室门，接着系统画面中出现“课堂结束”四个字，并进入结束/填写教学设计质量自我评价表环节。

五、结语

随着虚拟现实设备性能的提升、技术的进步和教师对虚拟现实技术认识的提高，虚拟现实技术在教育领域必将迎来一个发展期。[11]以协助在校生建立较好的教师教育知识为目标，虚拟课堂系统需要解决两个核心问题，即虚拟课堂环境的设计以及用户可操作虚拟环境的实现。[12]虚拟课堂环境的设计必须具有很高的生态效度，同时，新的人机交互技术应与使用者相结合，让使用者与虚拟学生、物体和环境以更加自然、人性的方式进行交互。[13]

以虚拟课堂研究为代表的虚拟学习环境设计已经进入实践研究阶段，虚拟课堂的架构也逐步清晰起来，由此带来的教学新模式已逐步凸显，改进和完善的空间依然很多。[14]虚拟学习环境的研究者已经开始构建一个类似真实的用于虚拟教学的技术环境。本文通过对虚拟课堂环境的需求分析及开发流程的梳理，确定了虚拟课堂环境的设计思路。希望为虚拟课堂的环境设计提供一个实际参考，为以后虚拟课堂进入真正的教学研究提供帮助。