虚拟现实教学设计原则国际比较分析

王岳 陈翀 陈晨

摘   要：当前，虚拟现实技术在语言、医学、STEM等学科中的教学应用越来越广泛，但虚拟现实教学设计研究尚处于起步阶段。为提升虚拟现实教学效果，为学习者提供更好的学习体验，文章从教学模式、教学策略、学习环境、教学评价与反馈、教学支持5个维度，对美国、英国、芬兰和澳大利亚4国知名专家或机构提出的6项虚拟现实教学设计原则进行比较分析。基于分析结果，最终得出利用虚拟现实开展探究性学习、适应性学习和协作式学习，增加学习者与虚拟现实交互等13条虚拟现实教学设计原则，以期为国内虚拟现实教学实践提供参考。

关键词：虚拟现实;教学设计原则;内容分析

中图分类号：G40-057 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）11-0001-05

一、引言

随着虚拟现实成本不断降低、易用性不断提高，虚拟现实在教育中的应用愈加广泛，如何利用虚拟现实进行教学受到越来越多人的关注。美国高等教育信息化协会（EDUCASUE）2016年至2019年連续发布的4版《地平线报告》均将虚拟现实列为未来促进高等教育发展的重要技术。虚拟现实（Virtual Reality，VR）是指以计算机技术为基础，结合其他科学技术为用户创建视、听、触等多感官刺激虚拟环境的技术，用户借助头盔式显示器、数据手套等工具与环境进行交互，获得沉浸式体验。[1]VR可以创建个性化智慧学习环境，[2]以新的可视化形式呈现知识内容，[3]为学习者提供现实生活中无法获取的“有目的的直接体验”，利用捕捉到的关键学习行为对学习者进行评价与反馈。[4]

当前，VR在语言教学、医学教学和STEM教学等方面的应用十分广泛，如Dalton等人利用VR帮助学习者学习语义表达，[5]西班牙加泰罗尼亚理工大学利用VR技术帮助护理专业学生学习人体结构知识，[6]Markowitz等人利用VR教授 “气候变化”课程。[7]

然而，由于国内外VR教学设计原则的相关研究比较匮乏，教育研究者进行VR教学设计时主要借鉴VR游戏设计师的经验，更加注重提升学习者参与度，对学习结果的关注不足。[8]为了推进VR教学应用、提高VR教学质量，本研究利用内容分析法对美国、英国、芬兰和澳大利亚4个国家的6项VR教学设计原则进行分析，探讨各原则关注点，梳理原则的共性和差异，最终总结VR教学设计原则，以期为我国VR教学应用提供参考。

二、研究方法与过程

1.样本选择

当前，VR学习研究主要为技术研究，如芬兰奥卢大学Steven对VR教学技术进行了详细的阐释;[9]但是与VR教学设计相关的研究较少，如Paula等人基于两门本科课程VR教学应用经验提出了VR教学应用建议。[10]为构建系统的VR教学设计原则，本研究以“虚拟现实”、“虚拟学习环境”、“沉浸式学习”、“Virtual Reality”、“virtual reality environment”、“immersive learning”等为主题词，包含“教学设计”、“设计原则”、“设计指导”、“instructional design”、“design principles”、“design guidelines”等对中国知网、百度学术、谷歌学术、ERIC等数据库进行搜索，并以原则构建依据（包括基于学习理论、学习者体验研究或教学实践经验）为标准对文献进行筛选，最终选择了美国、英国、芬兰和澳大利亚4个国家知名专家或机构提出的6个VR教学设计原则作为分析对象。

研究样本为美国纽约大学医学院Zweifach VR教学设计原则[11]、美国亚利桑那州立大学Mina VR教学设计原则[8]、Educause VR教学设计原则[12]、英国开放大学Okada VR教学设计原则[13]、芬兰于韦斯屈莱大学教育学院VR教学设计原则[14]和澳大利亚教育与培训部VR教学设计原则[15]，具体如表1所示。

2.内容分析框架

现有原则划分维度不同，如表2所示。Zweifach、Educause、 Okada、于韦斯屈莱大学教育学院、澳大利亚教育与培训部均从教师角度提出了设计应用原则，Zweifach、Okada和于韦斯屈莱大学教育学院从学习者角度提出了相关原则。此外，还有2个原则从技术人员的角度提出了相关建议。

为构建科学、系统的VR教学设计原则，本研究以教学设计要素为基础构建分析框架。教学设计包含教学目标分析、学习者分析、教学模式与策略的选择与设计、学习环境设计和教学评价。[17]王雪等人基于教学设计基本要素对VR教学应用文献进行了定量分析，并基于分析结果提出了相关建议。[18]周榕等人从学段、学科、教学时长、教学方法、教学场所、虚拟现实技术类型6个角度分析了相关文献，基于研究结果提出了VR教学建议。[19]Jock从VR应用学科、教学方法、教学效果、认知负荷和教学安全5个维度，系统地梳理了VR教学应用文献。因此，本研究选择从教学模式、教学策略、学习环境、教学评价与反馈以及开展VR教学所需支持5个维度构建现有原则分析框架，如表3所示。

3.分析编码过程

根据构建的内容分析框架，本研究在仔细阅读和理解现有原则的基础上对现有原则进行了编码。在编码的过程中，三位研究者基于自己的理解，分别按照分析框架对现有原则进行编码;编码结束后，三位研究者对编码结果进行比较，保留相同的编码结果，并对不同的部分进行分析、再调整，最后确认所有编码内容，完成整个编码工作。

三、研究结果

1.教学模式

（1）利用VR促进学习者主动参与，开展探究性学习。Zweifach、Mina、Educause和芬兰于韦斯屈莱大学教育学院均建议学习者在虚拟学习环境中进行探究，主动学习。教师应鼓励学习者在沉浸式学习环境中进行探究，并给予学习者充足的学习时间，以便学习者与内容交互，如寻找信息、自主操作等，从而提升学习者的学习动机，促进学习者知识建构。

（2）利用VR协助学习者进行个性化学习、适应性学习。Zweifach、Mina、Okada原则认为学习者可以利用VR自定步调、个性化、适应性学习。教师选择处于学习者“最近发展区”的教学内容，并对内容进行难度分级分段教学;添加动态学习分支，基于学习者在学习过程中的自主决策，为其提供相适应的学习资源。

（3）利用VR提供协作式学习体验。VR在教学中的应用为开展协作式学习提供了便利。Mina、Okada、澳大利亚教育与培训部建议教师应利用VR引导学习者在虚拟空间进行协作，增加同伴虚拟交互、社会交互、认知交互;在学习结束后，鼓励学习者分享学习结果和感受，讨论学习过程中遇到的问题，帮助学习者建构知识，提升协作学习能力。

2.教学策略

（1）基于教学目标、教学内容和学习者特征确保VR为最适教学媒体。Zweifach、Mina、Educause、Okada、于韦斯屈莱大学教育学院均建议基于教学目标、教学内容和学习者特征确定VR为最适教学媒体，利用VR满足学习者需求，帮助学习者完成学习目标。教师可以利用VR培养学习者的空间能力，提高内在动机和参与度，提供真实情境以帮助学习者完成知识迁移。[21]

（2）帮助学习者回忆先修知识，链接虚拟体验与现实体验。Okada和于韦斯屈莱大学教育学院建议学习者应当在课前了解学习的主题，通过VR呈现的内容回忆先修知识，将虚拟体验与现实经历联系起来，从而有意义地构建知识，主动完成知识迁移。

（3）内嵌引导功能，降低外在认知负荷。VR视觉引导可以减少无关环境干扰，提高学习者搜索速度，降低外在认知负荷。[22]Mina、Educause、Okada和澳大利亚教育与培训部建议在VR中设置路径、路标、闪烁物体等提示，添加开始、向前、向后、返回、退出等操作选项按钮，提供VR导航地图，内嵌关键行为标准或认知地图。

（4）增加学习者与VR交互，激发学习兴趣。为提高学习动机，帮助学习者掌握技能，Mina、 Okada、于韦斯屈莱大学教育学院和澳大利亚教育与培训部建议学习者在VR环境中充分运用肢体与VR内容进行交互，如放大或缩小虚拟物体、标记信息，利用VR练习、试验、创造。特别注意，学习者的动作应该与正在学习的内容一致，[23]如学习者学习旋转装置的方向和速度时，其旋转手势应与屏幕上的虚拟装置方向和速度相同。[24]

3.VR学习环境

（1）利用VR为学习者提供沉浸式的智慧学习空间。重新设计学习空間是未来影响高等教育变革的短期趋势，[25]当前很多高校正在探索利用VR模拟真实的工作和社会环境，帮助学习者掌握技能。[26]VR可以为学习者提供沉浸式的学习体验，增加学习者的临场感;VR情境仿真度越高，越能引发个体的身体体验。[27]Mina、Educause、Okada原则认为在VR沉浸式智慧学习空间的构建中，应减少VR中文本信息，利用图形图像、动画、视频等以360度的视角呈现教学内容，并为学习者提供真实的环境声音，提高VR仿真度。

（2）测试VR内容，控制VR教学时长。由于VR伴有晕屏[28]、记忆混淆[29]等副作用，Mina、于韦斯屈莱大学教育学院、澳大利亚教育与培训部建议教师在使用VR教学前应测试VR的内容、任务、动作等，并控制VR教学时间，建立VR学习退出机制，有效降低VR对学习者的负面影响。VR教学适用于12岁以上的学习者，有研究建议学习者在3小时内使用VR的时间不应超过15分钟。[30]

4.教学评价与反馈

（1）利用VR进行形成性评价和总结性评价。VR提供了新的学习者评价方式，使传统的书面考试转向沉浸式的情境评估。Zweifach、Mina、Okada和澳大利亚教育与培训部均建议利用VR对学习者的学习过程与结果进行评价。教师可以将评价标准内置于VR中，通过记录学习者与VR交互过程，捕捉学习者的关键行为，对学习者进行客观、全面的评价;通过观察学习者的操作过程、姿势以及学习者学习过程分享，教师可以判断学习者是否掌握技能。

（2）为学习者提供反馈，优化学习效果。Mina和于韦斯屈莱大学教育学院建议在VR练习过程中为学习者提供真实的、无风险的反馈，帮助学习者分析错误、巩固知识，促进学习者自我反思。学习者在参与VR操作类学习活动时，应利用获得的行为反馈反复练习，更好地掌握知识与技能，并将所学技能有效迁移到真实任务中。

5.教学支持

（1）提升教师VR素养，帮助教师开展VR教学。为鼓励、帮助教师开展VR教学，Zweifach、Educause和澳大利亚教育与培训部建议为教师提供教学支持。学校应与优质的商业伙伴合作，建立资源库，为教师提供优质教学资源，满足教学需求。教师应掌握VR教学知识与技能，更好地利用VR教学，为学习者提供支持;教师还应与教学设计师、VR技术人员等合作，参与各VR教学应用阶段，包括教学目标的确定、系统设计、开发和评价。此外，教师间应共享VR教学经验、教学资源、教学工具等，并结合学习者的过程性反馈和结果性反馈，不断优化教学过程，实现最佳教学效果。

（2）为学习者提供VR支持。为帮助学习者学习，Mina、Educause、Okada、于韦斯屈莱大学教育学院和澳大利亚教育与培训部建议开设VR通识课程或培训，并为学习者提供技术支持。学校应为学习者提供相关的网络、设备等，提供安全的、易用的VR学习空间。教师在授课前明确VR的教学目的和学习任务，告知学习者使用方法，进行VR使用安全培训，减少学习者的任务理解时间，识别并帮助解决学习者在学习过程中遇到的技术问题。此外，教师应开设VR通识课程，帮助学习者学习VR知识，提升学习者VR素养。

四、总结与讨论

经验学习理论、发现学习理论、建构主义和情境学习理论等为VR教育应用提供了理论依据，为VR教学应用开辟了广阔的空间。[31]VR教学设计的质量直接影响教学效果。

本研究分析發现，现有原则对教学反馈所持的观点不同。Zweifach认为学习者与VR内容交互时，应为学习者提供实时的反馈;而Mina认为给学习者提供的反馈不一定是实时反馈。教学反馈是VR教学设计的重要部分，当学习程序性知识时，应为学习者提供正误反馈，当学习陈述性知识时，应为学习者提供解释反馈。[32]学习者与虚拟环境进行交互获得的实时反馈和教师通过观察学习行为和过程提供的非实时反馈，均可以提高学习者的学习效果。因此，本研究建议基于教学目标和教学内容为学习者提供相适应的反馈，使教学效果最优化。

通过比较美国、英国、芬兰和澳大利亚4个国家的6个VR教学设计原则，本研究最终归纳了3条教学模式原则、4条教学策略原则、2条学习环境原则、2条教学评价与反馈原则以及2条教学支持原则，旨在为国内教师开展VR教学提供参考，为学习者提供更好的学习体验，以期优化现有的VR教学效果。

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（编辑：王天鹏）