虚拟现实课堂五段式教学设计模型

姬志敏?文福安?谷文忠

摘 要：虚拟现实技术在教育中的应用越来越广泛，部分中小学教师已把虚拟现实技术纳入课程设计中，但是课程设计并没有取得预期的效果，因此实现虚拟现实课堂的首要任务是形成一个适用的教学设计模型，在充分发挥虚拟现实技术优势的前提下设计和组织教学活动。文章设计了一种以建构主义学习理论和STEAM教育理念为依托适用于虚拟现实课堂的教学设计模型，且从该模型的理论基础、基本环节、评价机制等方面详细阐述了该教学设计模型的构成要素和基本结构，然后以虚拟现实课程“解码古代建筑的黑科技”为例，具体说明了该教学设计模型的应用，以便给虚拟现实教育探索中的教师提供帮助和建议。

关键词：虚拟现实;五段式教学设计模型;情境教学;STEAM教育

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2020）02-0054-07

收稿日期：2019-11-20

作者简介：姬志敏（1996— ），女，河南鹤壁人，硕士研究生，研究方向为教育软件工程;文福安（1962— ），男，山西新绛人，北京邮电大学网络教学系统研究中心主任，教授，硕士生导师，研究方向为虚拟仿真实验教学应用，教育信息化和虚拟现实教育应用;谷文忠（1982— ），男，山西新绛人，工程师，研究方向为教育技术学、虚拟现实技术应用。

随着虚拟现实设备的不断发展和改良，虚拟现实技术越来越多地应用到中小学课程教育中。虚拟现实课堂不同于传统课堂，学生在课堂中不仅需要使用虚拟现实头盔等设备，还需要虚拟学习资源与课程的教学目标紧密结合。但是虚拟现实技术在实践教学中的应用还处于初级阶段，相关的研究成果不够丰富，且大多属于经验型研究，缺乏配套的理论指导和模式建构[1]。很多中小学教师缺乏对虚拟现实课堂的实践经验，所以在设计虚拟现实课堂时无所适从。为了使虚拟现实技术更好地应用到教育课堂中，亟须一种教学设计模型为教师提供帮助和引导。

一、虚拟现实教育应用的国内外研究综述

（一）国内研究综述

国内有大量的学者提出虚拟现实技术是可以应用到课堂中的，这些学者涵盖了中小学教师和高等院校教师。刘勉在其文章中指出可以设计虚拟现实视域下的未来课堂教学模式，其中涉及增强现实和虚拟现实两种技术，并通过课堂案例讲解了该模式的具体应用[2]。同济大学的学者提出虚拟现实技术在历史教学中的应用，以再现历史场景的形式激发学生的学习热情[3]。

（二）国外研究综述

国外的学者提出虚拟现实应用的范围可以扩充到音乐和乐器教学、工程建设教学、软技能教学、世界观教学（变革性体验）;Serafin等学者[4]提出虚拟现实可以为学生提供更多可以获得音乐技能的选择; Rajeswaran等学者[5]提出VR在医学训练中使用有很广阔的前景;Schild等学者[6]提出可以设计多用户虚拟环境从而增强虚拟学习方式;Pena等学者[7]提出可以在建筑工程领域采用虚拟现实，在保证施工人员的安全下，再现事故场景，起到防患于未然的作用;Hickman等学者[8]提出虚拟现实课堂除了可以帮助学生学习必要的理论知识和专业技能，还可以培养学生的软技能，例如领导能力、沟通能力、整合能力、跨文化学习能力和观察反应能力;Stepanova学者[9]提出世界观教育，例如可以采用虚拟现实技术设计一个非常震撼的场景，通过影响学生的感知，从而影响学生的认知和行为。

由于VR设备本身的特殊性，通常虚拟现实课堂中都采用协作学习，而协作学习则可以分为“full-collaborative”和“semi-collaborative”，研究表明，后者更有利于培养学生的社会存在感[10]。

上述研究成果为五段式教学设计模型的产生提供了理论基础，强调虚拟现实课堂可以培养学生的协作学习能力，增强学生的学习兴趣。

二、虚拟现实课堂五段式教学设计模型

（一）五段式教学设计模型的理论基础

利用 VR 技术，完成教学类型转换、教学手段转换、教学方法转换、教学形态转换以及教学空间的形态转换，形象生动地展示了事物的性质、规律以及事物之间的内在联系[11]。

首先，五段式教学设计模型以建构主义为理论支撑。建构主义有四个核心要素，即情境、协作、会话、意义建构。建构主义强调以学为主，强调学生的主观能动性，认为学生的有意义学习是在一定的学习情境中学习者新旧知识间产生联系后发生的;同时建构主义认为，在课堂学习中学生会和周围的环境、教学媒體以及同伴发生交互，在交流互动的过程中学生可以更好地发挥主观能动性，交流的过程中也可以促进知识的建构和升华。

其次五段式教学设计模型以STEAM教育理念为依托。STEAM教育理念强调将科学、技术、工程、艺术和数学等几个方面的内容有效地结合在一起，培养学生的综合素质，要让学生学会运用相关联学科的研究和学习方法去分析问题、解决问题[12]。随着素质教育的不断推广，在虚拟现实课堂中，逻辑能力和设计能力的培养成为教学设计环节中不可或缺的部分。

虚拟现实课堂以其强大的沉浸性和交互性可以为学生提供最优的学习情境和设计创新的学习空间，情境设计以STEAM教育理念为指导，培养学生知识技能的同时也提高学生的软技能，情境教学和有意义学习能够最大限度地发挥虚拟现实技术的优势特征。

（二）五段式教学设计模型的基本结构

教学设计模型主要用于虚拟现实课堂的设计，所以在设计过程中主要关注的核心问题有三个：一是学生为什么要在虚拟场景中学习，二是学生要在虚拟场景中学到什么，三是学生在虚拟场景中学会了吗。而这三个问题将在教学设计模型中具体展开，模型结构如图1所示。

1.学生需求分析

五段式教学设计模型的起点是学生需求分析。学习需求是学生期望达到的目标和学生现有知识能力的一个差值。教师或教学设计人员在了解学生学习需求后可以根据需求的内容选择教学媒体。对于能够使用非虚拟资源解决的知识问题无须使用虚拟环境，而对于一些高危险、高消耗或者现实生活中不可及的场景则可以优先采用虚拟资源。

2.学习目标分析

第二部分是学习目标分析。教师或教学设计人员按照学生需求和教学大纲对将要学习的内容进行知识细分，保证学生有意义学习的发生，通过课程获得相应的知识技能。过程与方法目标，主要保证学生在学习借助虚拟现实技术，通过虚拟实验实现意义的建构[13]。学习目标的编写还依赖于学习者特征分析，正确地分析学习者可以帮助教师或教学设计人员对教学目标进行适当调整，使得教学目标的完成度更高。

3.学习策略选择

第三部分是学习策略选择。虚拟现实课堂中教学媒体和教学资源更多的是虚拟情境中的内容，且支持学生自主学习和协作学习。在虚拟环境中“以学为主”的教学策略更加实用，学生可以更好地发挥主观能动性，提升学习效率。学习的路线是由教师通过问题进行设计的，学习者走哪条路径体现了教学的意志和策略[14]。

4.学习活动设计

第四部分是学习活动设计。学习活动是虚拟现实课堂中的核心内容，同时也是虚拟现实课堂的实践部分，学习活动设计最能体现教师或教学设计人员的智慧。学习活动设计主要包含五个基本环节：分别为情境创设、明确问题、探究取证、总结反思和拓展延伸。这五个环节环环相扣，推动课堂有序发展，其中探究取证环节可以根据教学目标的需求选择不同的探究方式，这里的选择依赖教师或教学设计人员对教学目标和学生特征等具体因素的具体判断。为了更清楚地表现五个环节之间的关系，我们通过学习活动设计模型具体介绍，模型如图2所示。

环节一：情境创设

虚拟现实具有极强的交互性，且虚拟现实场景高度仿真，可产生强烈的沉浸感。教师或教学设计人员在设计VR资源时应该选择和教学目标最为贴近且能够和学生已有知识结构产生联系的资源或知识点，同时借助虚拟现实技术创建逼真的问题情境，让学生能够实现感官沉浸、挑战沉浸和想象力沉浸[15]，在激发学生兴趣的同时引发学生思考。虚拟现实学习环境的设计也有利于促进学生心流的产生[16]。

环节二：明确问题

沉浸式虚拟情境更容易让学生迅速地进入课堂。学生切身体会后对问题的认知会更加敏感。教师在问题引导的过程中会更加容易。学生发现问题后，教师给予适当的提醒和知识补充，引导學生进行假设，猜想问题形成的可能性因素。

环节三：根据教学目标要求选择探究方式

探究方式分为自主探究和协作探究两种形式，课堂活动非常灵活。在选择时要注意以下因素：教学目标、学生人数、问题规模、课堂时间、虚拟资源类型等。当学生人数较少时，教师可以选择自主学习，保证自主学习的效率;反之则可以选择协作学习，提高课堂的学习效率。

环节四：自主探究/协作探究

自主探究的过程为分析问题要素、虚拟环境探究、传统教学资源学习、归纳分析和形成个人成果。其中所有环节的进行依赖于学习者自己、教师或教学设计人员将虚拟资源和传统教学资源提前设计完成，学习者以这些资源为依据开始自己的探究过程，虚拟资源支持学生的假设、推理、设计、验证、分析、数据处理等过程，教师可以为其提供教学指导，最终学生形成个人成果，完成探究过程。

协作探究的过程为分析问题要素、小组成员分工、虚拟环境探究、传统教学资源学习、沟通交流、归纳分析、形成小组成果。其中所有环节依赖于团队共同完成，分析问题后小组成员要进行明确分工，防止出现分配不公、学习效果差等现象。学生以虚拟资源为主，传统资源为辅。学习完成后进行内部讨论，将学习结果分析汇总形成最后小组成果。协作学习需要大家分享交流、取长补短、互相借鉴。教师在学生探究过程中应该鼓励学生分享观点、提出问题、解决问题，并且做好设备和课堂之间转换的准备工作，不能让设备影响课堂秩序，两者应相辅相成。

环节五：总结反思

课堂从问题开始，以问题解决结束。学生无论通过哪种形式解答问题，都必须经过严格的探究和不断的修改反思。教师可以组织学生对学习成果进行汇报交流，并将学习内容进行分析总结，引导学生对探究过程中发生的问题和产生的疑惑进行分析和反思，培养学生良好的学习习惯，注重学生思维习惯的养成，帮助学生完成高阶学习目标。

环节六：拓展延伸

知识拓展，尤其对中小学生来说非常重要。实践是检验真理的唯一标准。教师要组织学生对知识进行拓展和应用，将知识横向和纵向拓展，帮助学生更深层次地发现问题，从而解决问题。

上述几个环节再现了学习活动设计的基本内容。教师或教学设计人员在使用虚拟现实课堂时可以按照上述内容对课程的活动进行设计和选择，以实现技术和教育内容的无缝对接，使技术更好地服务于教育。

5.学习评价设计

五段式教学设计模型的第五部分是学习评价设计。虚拟现实课堂看似不可控，但是借助适当的评价工具，可以将灵活的虚拟环境和虚拟活动量化。教学设计人员在设计评价环节时要选择一种适用于虚拟现实的评价工具，具体的评价方式如图3所示。

首先在分析学习者的知识结构时可以使用思维导图。思维导图可以呈现出学习者对于某一知识的关联性认知，在课程结束后可以通过绘制思维导图的方式测量学生的学习效果。教师可以及时了解学生的知识状态[17]。为了更加明显地呈现出学习变量，采用前测+后测的方式。首先让学生绘制一个初始思维导图。待课程结束后，让学生在原有思维导图的基础上进行补充绘制，通过知识增量可以评判出学生的学习情况。

学习者的学习动机受评价反馈、技术可用性、交互性、沉浸感、构想性等多重因素的影响。评价反馈和技术可用性是影响学习动机的根本因素。沉浸感和构想性直接影响学习动机[18]。为了有效判断学生使用虚拟现实课堂对其学习动机的影响，以国外学者凯勒[19]提出的ARCS动机激励模型为评判标准，将原有内容和课堂知识、课堂活动紧密结合，在不改变原有结构的基础上形成一份学习动机测试量表。具体指标内容如表1。

通过上表中关注的问题对学生的学习过程进行评价，可以了解学生在课堂学习中的动机变化。

最后为了更好地评价个人在协作学习中的学习效果，采用量表的形式对学生进行评价。该量表由浙江大学课程与学习科学系刘徽老师团队[20]提出，用于评价协作学习过程中学生的合作情况。其中包括3个一级指标和28个二级指标，为了更符合虚拟现实课堂环境，将该量表进行适当调整，去除“自己做”这个一级指标，调整后形成的量表共计两个一级指标，14个二级指标，该量表在使用过程中采用1—5分制，分数越高表示学生在协作学习过程中出现的该行为越强烈，若量表中的行为学生未出现则可以用0填充，具体评价内容如表2所示。

通过上述几种评价方式，可以从学习动机、协作学习效果以及学生的知识剩余量来判断学生的学习效果，同时也可以根据学生的学习动机变化情况进一步分析虚拟现实课堂相较于传统课堂是否可以提升学生的学习兴趣。为了验证教学设计流程的适用性，下面通过具体的案例对该模式的应用展开叙述。

三、五段式教学设计模型应用案例

结合北京市教委组织的北京市开放实践活动，积极探索虚拟现实在实践教学中的应用，课题組选定多所实验学校，根据五段式教学设计模型共计制作了20多节虚拟现实课程，并已形成一系列完善可推广的教学设计方案，选取“解码古代建筑的黑科技”作为应用案例。

该课程面向七、八年级学生，本次实验对象选择的是北京市景山中学七年级学生，该课程的设计过程严格按照五段式教学设计模型展开，着重阐述该课程教学活动设计部分。

中国古代建筑具有悠久的历史传统和光辉的成就，为了更好地帮助学生认知古建筑中的每个组件，并且能给学生带来身临其境的感觉，故选择虚拟现实技术呈现课程内容。

首先需要完成的环节是情境创设和明确问题。借助虚拟现实完成问题情境的创设后，学生进入场景体验，虚拟场景可以模拟地震效果，学生通过体验并观察地震后保和殿的结构变化从中发现问题。教师根据教学目标和学生的人数先组织学生自主学习，随后组织学生协作探究。

其次是自主探究环节的设计。教师为保证每个学生的学习效率，采取自主探究的形式，让学生尽可能发挥自己的想象力和逻辑能力。学生假设，推理并进行验证，最终得出探究结果，具体内容如图4所示。

学生形成成果后，教师引导学生对成果进行分享和交流，将想法和思路一致的学生重新分组，将不一致的观点和想法进行凝练升华后形成更加清晰的问题，引导学生再次探究。学生在新的探究过程中可以设计出自己认为能够抗震的组件，并与保和殿中原有的组件进行对比分析，可以搭建保和殿，了解古代建筑的搭建顺序，了解古建筑之美，详细内容如图5所示。

学生小组汇报成果并分享交流。教师对最终的问题和结果进行总结和反思，并通过“鲁班锁”等生活案例进行知识拓展。完成后该课程的学习活动设计结束。

评价方式从五段式教学设计模型中选择了两种：第一种评价方式是知识建构思维导图，第二种评价方式是协作学习绩效量表，课程结束后回收观察数据，着重分析学生在协作学习中的学习效果。

对于学生个人在合作学习中的表现情况，选择其中一个小组数据进行分析（分值1-5，分值越高表示状态越强烈，0表示没有该行为）具体数据见表3。

学生参与协作学习的记录显示，小组内的各个成员在合作的过程中表现得非常友好，在小组内其他成员完成任务时基本没有出现“批评”的行为。大多数会表现出赞同和欣赏的态度，组内学习氛围良好;而在大家一起协同完成任务的时候，大家非常有礼貌，轮流表达自己的意见和看法，学习秩序很好。基本没有学生游离于团体之外，表中最后一位学生在协作过程中状态不好，经询问后表示身体不舒服，但仍然积极参与讨论。

综合上述数据，文章发现本次虚拟现实课堂的学习效果良好，学生对虚拟现实情境表现出高度的学习兴趣，在体验过程中表现得非常积极，同时在小组协作的过程中，组内成员可以较为高效地发挥自己的作用，积极参与讨论，互相交流观点。学生的学习效果进一步证明五段式教学设计模型适用于虚拟现实课堂，对虚拟现实技术应用感兴趣的教师可以使用该教学设计模型设计并组织自己的课堂。

四、总结

虚拟现实课堂已成为现在教育发展的一个趋势。五段式教学设计模型有效地提高了虚拟现实课堂的设计效率，避免了设计过程中出现的资源和目标分离的不良现象，并且有效解除了设备和课程学习之间的连接障碍，使得技术和学习相辅相成。

目前五段式教学设计模型已应用于北京市部分中小学课程的设计中。通过调查和访谈任课教师，发现该模型在应用过程中方便简洁，可实施性强，帮助任课教师节约了很多设计课程的时间。此外该模式提供评价工具，可以直接回收学生的学习数据，帮助教师多元化评价学生学习效果。但是该模型仍有不足之处，模型还需要经历更多测试。目前的试点主要是中小学，高校尚未开始实验，为了使模型更加优化，使用效率更高，下一步将抽样选择部分高校进行测试，测试结果将在后续研究中加以体现。

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（责任编辑 孙震华）

Abstract： The application of virtual reality in education is becoming more and more widespread. Some teachers of primary and secondary schools have already put virtual reality technology into curriculum design，but the curriculum design has not gained expected result.So，the most important task of realizing virtual reality class is to form an applicable teaching design model，and to design and organize teaching activity under the premise of fully exploiting the advantages of virtual reality technology.This article has designed a teaching design model applicable to virtual reality class based on constructivist learning theory and STEAM educational ideas，elaborated the constitute elements and fundamental structure of this teaching design model in detail from the following aspects，namely，the theoretical basis，basic links，and assessment mechanism of this model，and then illustrated specifically the application of this teaching design model，taking the virtual reality curriculum“Decoding the Black Tech of Ancient Architecture”，hoping to provide help and suggestion to the teachers in the exploration of virtual reality education.

Key words： virtual reality;five-segment teaching design model;situational teaching;STEAM education