基于虚拟现实技术的实训教学改革策略

翁 嘉

(浙江旅游职业学院 外语系，浙江 杭州 311231)

2020年初的新型冠状病毒肺炎疫情影响到全国各地，这也带来了虚拟现实(virtual reality，简称VR)产业的新的应用可能。VR技术在30多年前就已经开始在军事航天等高端领域得到研发应用[1]。VR技术在欧美以及日本等发达国家已经有成熟的实际应用，形成产业链，在国内也发展迅速，近年来VR技术在教育、制造、文化、健康、商贸等领域均有不同水平的实际应用，是重要的发展学科[2]。随着5G技术的商用化，有望借此解除数据传输的瓶颈，解决网速不够导致的图像渲染能力不足、延迟造成的用户眩晕感等问题。

另一方面，在高等教育中实践实训教学是具有特色并有极其重要地位的内容，但也存在一些问题。卢孔宝通过大量企业调研并结合学情与企业人才需求等因素发现实践教学的问题普遍存在于学生、教师与实训教学内容这三方面上[3]。而实训教学由于教学内容的特殊性，受到环境场地、设施设备、时间空间等因素的制约，因此如何通过教育信息化手段来改善实训课程成为值得探讨研究的问题。

1 设计策略与实践案例

VR技术具有3I特征，即沉浸性(immersion)、交互性(interaction)、构想性(imagination)[4]，如果加上智慧教学中不可或缺的智能性(intelligence)则成为4I，可以给教学带来极大的变革，也为创建教学情境提供了有力的支持。2018年4月教育部发布《教育信息化2.0行动计划》，明确提出加强高等院校虚拟仿真实训教学环境建设，以服务信息化教学需要[5]。国家正在实施创新驱动发展、“互联网+”等重大战略，需要利用VR技术将现代教育技术与传统教学优势相结合，将教师主导与学生主体相结合，并基于此进行设计实践。钟正等从体验式学习环境的角度切入提出需要依照真实性原则、易于导航原则、内容适度原则与反思性原则来进行课程设计[6]，笔者从认知负荷理论的角度结合VR的4I特性，重新对其解构分析并提出以下设计原则。

1.1 设计原则

(1)真实情境建构原则

由于VR技术最大的特长就是能提供一种身临其境的环境来模拟现实情境，所以构建的情境越贴近现实，则越能降低学习者的认知负荷，有利于提高沉浸感，便于进行学习迁移，将已有知识技能应用到新的情境中去。在实训课程中，则更加重视工作岗位中真实情境的实际应用意义，逼真的情境有利于激发学习者的学习动力。

(2)合理交互引导原则

借助自然流畅的体感交互一方面可以大大增强学习者的沉浸度与体验感；但另一方面，若没有合理的交互引导，学习者会迷失在各种场景中而不知所措，反而增加其认知负荷。

(3)自由探究构想原则

与以往的传统模式不同，在VR世界中没有固定的视角与各种限制，学习者在空间中可以进行自由探究，通过观察与自主探索可以更好地认识环境。设计时尽量充分鼓励学习者以任务驱动，去主动发现问题，解决问题。

(4)智能评价反思原则

正如现实中的人际交往一般，学习者的所作所为会得到及时反馈，交流得当会得到正面的结果，而如果不适当或者错误的言行则会带来负面的反馈，以此让学习者在相对安全的环境下尝试各种沟通策略的同时，可以反思自己应该如何正确开展社交。正如很多智能家电那样，通过人工智能、语音识别等技术，可以使与机器之间的沟通更加自然。而预设场景下的智能评分也将会是教育发展创新与评价改革的未来方向之一。

1.2 实践案例

本案例以浙江省某高校日语专业学生为对象，基于VR技术进行了高职日语教学的实训课程的开发与实践，对90名大二学生进行了为期三周的VR实训课程。另有50名学生作为对照组，采用传统教学法进行实训课程授课。

根据 “单纯利用计算机屏幕画面实现”“加入可穿戴传感器计算机屏幕画面”“加入专用传感器计算机屏幕画面”“加入专用传感器并阻断操作者视力”“实时加入真实视频画面”这五类VR技术，本案例所采用的属于其中的“加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”[7]。使用此设备真实感较强，可以有效提高学习者的沉浸感，兼顾活动性，较大程度贴近自然环境开展实训。案例所使用的软件具备良好的模块管理，包含“管理体系模块”“VR实训模块”与“测试/解答模块”。

(1)管理体系模块

教师可通过使用该平台管理系统的基础数据，管理使用平台的班级和学习者，并对VR资源库及实训内容进行日常管理和维护。根据需要可随时查阅建设资源库，资源库格式包括全景图片类、视频类、3D模型类以及全景3D混搭类模式。学习者佩戴头显后，教师可以通过管理终端，实时查看和管理学习者的当前画面和视觉关注焦点。

(2)VR实训模块

学习者为实训的主体，是整个平台的核心。基于场地以及预算的考虑，进行了同时支持10人佩戴VR头显在线体验的建设。由局域网及互联网进行控制管理，支持查看每一终端实时画面以及终端连接状态。

实训包含管理模式与自由模式两种，其中管理模式由教师端进行控制，主要用于指定视角的教学演示。根据文献研究的情况，只有认知负荷合理，才能提升学习绩效。在该模式下学习者可见的视角由教师端控制或由预设虚拟化身进行引导，保证课程质量，不会带来多余信息干扰，避免认知负荷过载。而自由模式下，学习者可以在自由视角开展探索学习，可自主进行内容及场景的切换，具有高度的自由度即沉浸感。学习者按照教学任务要求完成语音讲解，所完成的每一项任务的学习材料将在线提交给教师进行评阅与反馈。

(3)测试/解答模块

在该模块主要分为三种类型对学习者的学习情况进行训练与测试。

第一种为线上知识问答测试，主要考查学习者对知识点是否了解。教师可以随时发起线上互动提问的功能，以实时检测教学成果。教师通过管理终端，进行题目的编写。题型为不少于4个选项的选择题，教师可以通过发送按钮，传递到每个连线学习者的VR头显中。接收到提问的学习者，可以通过手柄或者视觉热点交互选择答案。提交后，学习者可以立刻看到自己的正确率等情况，教师管理终端也可以获得实时的信息反馈，知道学习者的具体答题情况如正确率等，以便随时掌握学习者的学习状况，及时调整教学节奏。

第二种为线上智能实训测试，主要考查学习者是否能正确掌握并运用知识点。如在《饭店日语》课程的日式餐具摆盘章节，利用VR模拟下学习者使用手柄操作日式餐具进行摆盘实训，系统会根据摆盘的正确度和完成度进行自动评分。学习者可以反复进行操作，挑战更高得分。教师可以将某位学习者的操作界面作为示范投屏到公用大屏幕上进行全屏展示，由学习者开展互学互评，再由教师进行点评指导。

第三种为混合实训测试，主要考查学习者对于知识点的实际掌握情况和应用情况。学习者根据VR系统引导，进行各类实训内容，语音将被各自的手柄录制并上传到管理端。教师可以随时调用学习者的语音进行点评讲解，以及评分反馈。随着语音识别技术的发展，该部分可升级为AI智能语音识别，可以更好地提升用户体验，增强智慧学习。

另外，系统配套的微课工具支持录制微课视频，可按照微课在实践教学中的制作思路进行设计制作[8]，可剪辑后一键导出至教学软件或另存到本地，也可以上传到分享平台。

2 效果评价

对各组学习者在实训课程前就基础水平、学习意愿、课程期望等相关问题进行了学情调查，前测结果显示实验组和对照组之间无明显差异(t=0.094、p=0.924)，说明两组学习者在实践前出于基本一致的水平。而对两组学习者参加基于实训内容考试的成绩进行了对比，发现实验组的学习者的成绩有明显提高(见表1)。

表1 考试成绩对比

另外，经过VR实训教学之后，实验组学习者参加企业面试的通过率同比增加了37.93%。在对参加面试的学习者进行了半结构式访谈后，大多数学习者对于VR实训带来的实际帮助大为肯定。

而在实训结束的两个月后，对实验组的90名学习者的调查中，进行了教学成效及满意度的后测。调查共发放问卷90份，回收有效问卷89份。问卷通过李克特五分类正向计分，5分为满分，取所有调查得分的平均值，分值越高则学习者越满意或越认可效果。调查的内容与结果(见表2)。可见，基于VR技术的实训课程起到了良好的效果，新颖的教学形式与真实的情境有助于提高学习兴趣，增强学习吸引力，增加学习动机，激励学习者学习，学习者在考试和面试的表现均有明显的进步。

另一方面，在半结构访谈问及实验组学习者对于实训课程的建议意见时，主要集中在对硬件设施的进一步升级强化的期待、希望可以开设更多的VR课程及实训时间和进一步优化教学方法等方面。

表2 VR实训教学的成效以及满意度调查(n=89)

3 结 语

基于以上提出教学设计策略，进行了基于VR的实训教学实践，发现教师通过高沉浸感高自由度的情境构建可以让学习者更加轻松有趣并且逼真有效地进行技能的实际运用，通过建立起学习者的社交属性，不与现实生产生活脱节，并且配合任务驱动的游戏化模式，在团队协作与竞争中更易于提高学习者的学习积极性与动力以及团队协作能力。因此，学生对于课程有较高的满意度和配合度。同时，VR技术有助于深化学习者对知识的理解，实现学习者对知识的有效迁移应用，进而提升实训效果，提升学生的综合能力，教学效果明显。然而，在实际运用时发现，课程准备时会受到 VR 教育应用资源短缺的影响，许多内容无法呈现。而自行拍摄录制则受到人力物力制约，数量和质量均有限。而VR建设本身的启动资金以及维护成本较高，由于硬件软件等客观条件的制约，在硬件不断推陈出新快速发展中很难保证与时俱新并一直保持领先。另外，如何将VR技术与原有的课程内容以及知识体系结合，需要任课教师有较高的信息化素养以及课程设计能力。除了教学法层面的理论研究需要完善外，也需要对场景进行合理设计，明确学习者目的，引发其开展深层交互，并避免增加学习者认知负荷而影响学习效果，这些对于师资带来了较高的挑战。因此，在5G时代下如何更好地利用VR技术开展实训教学的课程设计以及实际运用、高校教师如何借助更加方便快捷地创建VR教学资源库等问题，还有待进一步的研究探索。