基于移动学习的三维虚拟实验教学模式研究

2021-07-06路春燕胡艳

赤峰学院学报·自然科学版 2021年2期

路春燕胡艳

摘要：实验教学是教育教学改革进程中的重要环节。传统教学模式存在师生互动不足、教学效果和效率欠佳等问题。该文针对传统实验教学的不足，结合虚拟现实、无线网络等技术，提出基于移动学习的三维虚拟实验教学模式，在该模式下，学习者进行学习活动将不再受时间、地点、地点、设备、环境、教学方式以及师生关系等多方面的约束;此外，在移动学习环境下进行虚拟实验教学，学生是教学的主体而非客体，教学效果和效率明显提高。对该模式进行实证研究，结果表明：与传统教学模式相比，基于移动学习的三维虚拟实验教学模式具有一定先进性，是对传统教学模式的有益补充，且对教育创新、教育改革等方面具有积极推动作用。文后就该模式发展存在的问题进行了论述。

关键词：后疫情时代;移动学习;虚拟实验;教学模式

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2021）02-0114-05

1 引言

以计算机为主要载体高新技术的迅猛发展与高度普及，引发了教育行业的变革，移动学习、泛在学习以及慕课等创新性学习模式相继出现，对教育教学改革的进程起到了积极地推动作用[1-3]。实验教学作为教育教学的重要部分亦受到高新技术发展的重要影响。

移动学习借助于平板电脑、智能手机等可移动电子设备进行教育教学与学习活动，其最大特点为学习者可不受时间、地点以及环境等限制开展学习活动[4-7]。目前，移动学习从理论研究到实际应用深入推进，应用前景越发广阔，已成为高校信息化建设的重点与学习模式发展的主体方向[8]。

虚拟现实技术利用计算机技术等高新技术合成出可与用户进行感官感觉交互反馈的虚拟世界，该世界具有高度的仿真性与实时性。在教育培训领域，虚拟现实技术在教育科研、仿真校园、虚拟实验、安全培训、交互式娱教平台等方面应用广泛且发展快速，促进了教学模式的变革和教育理念的创新[9，10]。

目前，在国内众多高等院校中，其实验教学模式仍多为传统实验教学模式，该模式完全依赖于物理设备和实验环境，对时间的要求也较为严格，在不同程度上影响师生互动以及教学效果。相比而言，移动学习和虚拟现实技术的应用突破了此限制，有利于提高实验教学的效率与效果。

2 传统实验教学模式

传统实验教学模式下开展教学活动的制约因素包括多个方面（见表1）。在客观条件上，约束因素主要表现为以下几点：时间约束在指定的上课时间;地点约束在指定的实验场所;实验工具约束为电脑、试管等硬件设备或材料;实验环境约束为适应课程要求的建筑、设备以及其他满足温湿度等局部环境条件或满足密封性等特殊实验要求搭建的物理实体。就教学模式本身而言，约束因素主要体现在教学方式与师生关系两方面。教学方式采取教师讲解，学生模仿的验证性实验形式，实验内容由教学大纲约束;师生关系则是一对多、施与授的主客关系。

由于传统实验教学模式对教学活动的开展具有多方面的限制，因而产生以下主要问题[11-13]：

2.1 因材施教难以实现

在知识层次、学习能力、知识基础等方面，不同学生具有较大差别。因此，同样的实验内容，相同专业的不同学生其接受力差异性明显。传统的实验教学模式忽略了此差异，完全按照大纲要求和进度安排完成教学内容，因而难以实现因材施教，使得整体教学效果欠佳。

2.2 师生互动不足

传统实验教学模式下，由于教学时间、地点以及实验环境和设备等方面的限制，教师仅可采取集中授课的形式开展教学活动。一个教师往往需同时面对几十乃至上百个学生进行授课，因此难以对每个学生有足够的关注。由此导致了师生互动过少，教师不易发现教学过程中的问题和不足，而学生由于问题得不到适当地反馈容易心理上出现厌学怠学状态，从而形成双向恶性循环，不利于教学活动的开展。

2.3 忽视学生综合利用知识解决问题能力的培养

传统的实验教学模式中，教学方法单一。教师在课堂上对实验内容进行讲解和演示，学生对实验内容进行简单地模仿，验证实验结果的正确性。而学生主动能动性和自主创新能力没有得到启发与培养。此教学模式易于使得学生出现“高分低能”现象，难以满足社会对人才的需求。

2.4 教学效果不够理想

在传统的实验教学模式中，实验硬件设备状况在很大程度上决定了教学效果的好坏。对于教学硬件较差的学校，往往因为缺少某种昂贵的实验設备和适宜的实验场地等问题，而无法对学生进行直接性教学，由此易于造成学生对知识理解掌握方面的诸多问题。此外，在实验教学内容上，知识表示过于抽象。具体教学过程多为教师通过课件等多媒体手段进行知识讲解，再利用PPT、Flash等演示实验过程或结果。文字、二维动画等形式的信息表达能力远低于三维可视化方式对信息的表达能力，仅应用二维信息表达形式降低学生对学习知识的兴趣。

2.5 限制因素过多，降低学生学习的自由度和主动性

由于限制因素过多，学生学习的自由度亦受到影响。高等教育不同于初级教育，其自由时间相对较多。当学生时间充足可进行实验学习时，往往由于不在上课时间，或者实验室被占用等因素无法进行学习活动。而集中授课阶段，学生也可能出现由于身体不适、其他同学干扰等因素不能高效学习，使得学生学习的积极性降低。

2.6 课外训练过少

传统实验教学模式中，学生学习主要集中在教室和实验室，而课外训练较少。课外训练是课堂教学的延伸，充分利用课外时间进行预习和复习有利于巩固学习效果，且易于在学习过程中发现问题，并有针对性地解决问题。在坐车、排队等情形下，利用碎片时间进行预习、复习、提交作业等学习活动，可提高时间利用率，加强课外训练。

3 基于移动学习环境的三维虚拟实验教学模式

3.1 学习模型和体系结构

在基于移动学习环境的三维虚拟实验教学模式中，传统实验教学模式的制约因素对教学活动开展的限制强度变弱，如表2所示。教学时间由指定的时间变为任意空闲的时间碎片;教学地点由固定实验室变为任意地点;教学环境由物理设备搭建的符合实验要求的环境变为通过软件手段模拟的不受封闭性环境条件影响的虚拟环境。由此，时间、地点与环境制约因素对实验教学开展的制约力降为0。

教学设备由昂贵的硬件实验设备变为仅需一台移动智能终端;教学方式由课堂教学变为学生自由选择学习方式进行自主学习;师生关系由一对多的施与授关系变为多对多的学习交流关系，这三个制约因素对实验教学模式的制约力仍然有，但已变得极弱。

在移动学习环境下，三维虚拟实验教学模式可将客观环境通过软件手段模拟转化为三维虚拟环境，学生通过转化后的虚拟环境开展实验、进行学习活动。学习活动可在任意空闲时间和地点进行。同时，学生与教师间可通过该三维虚拟环境进行多对多的学习交流。该实验教学模式的学习模型图如图1所示。

由图1可知，在三维虚拟实验教学模式下，学生不仅是教学的客体，同时也是掌握教学节奏和主动权的主体。相比而言，教师则丧失部分的主体地位，对学生的学习起辅助和指导作用，而不直接参与教学活动的规划、管理和实施。该模式的体系结构如图2所示。

在三维虚拟实验教学模式下，学生的主体地位体现在选择和控制两个方面。可选择项有学习时间、地点和内容，可控制项有学习进度、目标和学时。教师丧失部分主体地位后，其辅助作用体现在解答问题、指导学习方向、批改作业等方面，与学生交流内容既可以是技术前沿也可以是学术观点。

在这种情况下，教学模式的客体不再是学生，而是虚拟环境。不论是学生还是老师，都必须通过虚拟环境进行学习活动。虚拟环境的主要作用是对实验的环境、过程和结果进行模拟。

3.2 问题分析

移动学习的研究已成为近年来教育领域的研究热点，如教育部的“移动教育”项目、“移动教育理论与实践”试点项目、北京大学移动教育实验室、中央民族大学的“移动数字校园”等[14，15]。但基于移动学习的三维虚拟实验教学方面的研究却相对较少，平台建设更是如此。

有数据表明，移动设备互联网流量已超过互联网总流量的20%，且仍持续增长，传统桌面设备的互联网流量所占百分比则在持续下降[16]。对移动设备的普及率，本文研究人员选择了福建农林大学本科二年级的部分学生进行移动设备的普及率调查，结果显示：95.08%的学生持有移动设备，且在持有移动设备的学生中，91.38%拥有2种以上移动设备。由此可知，开展基于移动学习的三维虚拟实验教学相关研究已具备条件。

目前，移动智能终端主流操作系统为安卓和苹果操作系统，均具有较强的数据处理能力。此外，其信息存储空间也越来越大，同时支持使用存储卡等外接设备进行存储空间扩容。目前，存储卡的容量可达到32G乃至更高，使得虚拟实验环境条件得到满足。

综上所述，基于移动学习的虚拟实验教学模式的研究条件已成熟，但在其研究过程中仍存在一定的问题。虚拟现实场景中，所有虚拟对象被分解为点、线、面三种数据元素，并以三维坐标的形式存储于计算机中。由此，使得需要存储的数据量大。虚拟场景的真实度越高，虚拟对象涉及的细节就越多，其点、线、面的数量就越多，相应的数据量就越大。

但是，移动智能终端传送数据依靠无线网络、wifi、移动通信网络等低带宽网络环境。传输的数据量过大，会造成系统崩溃、网络阻塞等问题。另一方面，移动学习对信息反馈的实时性和交互性要求较高，若传输速度达不到要求，会降低用户体验效果，导致系统无法满足可用性和健壮性的要求。

因此，基于移动学习环境进行虚拟实验教学，解决数据量大与虚拟学习环境数据存储能力低和网络带宽低之间的矛盾是其首要任务和根本目标。

解决措施主要包括以下几个方面：

3.2.1 减少数据量

为减少数据量，可采用多种优化技术或策略。例如，细节层次（LOD）技术可将场景按一定的规则划分为不同的细节层次，对于当前需要获取焦点的虚拟场景，调用高细节层次的场景模型，否则调用低细节层次的场景模型;全景图技术可把实景照片数字化拼接，生成虚拟场景，既能保证高真实度，又可大幅降低数据量;此外，可根据需要将虚拟场景分解成多个子场景，系统运行时只调用相关子场景即可，此策略同样可有效降低数据量。

3.2.2 控制传输数据

在帶宽无法有效扩大的情况下，可对传输的数据进行控制，从而达到提高传输速度的目的。例如，系统运行时并不需要将所有虚拟场景通过网络传输，而将一些调用率较高的场景文件存储在移动智能终端本地。此外，移动智能终端可根据接收到的核心数据决定调用哪些虚拟场景以及虚拟场景需要做哪种变换，由此有效提高数据传输的速度。核心数据包含了场景文件名、场景对象控制信息等，这些数据可根据需要从本地调取或者从服务器获取。

3.2.3 有效组织信息

信息可表示为文字、图片、动画、视频等多种形式，构建三维虚拟场景的根本目的在于提高信息表达的效果和效率。三维虚拟场景构建完成，其包含的二维信息仍具有其原有价值。多种不同的信息表达形式相结合，其表达效果和效率均可得到提升。同时，由于二维信息具有数据量低的特点，因此适当利用此类信息可加速系统运行，减少系统资源的占用等。

某三维实验教学平台运行界面如图3所示。由图3可知，实验教学平台以三维虚拟场景的形式进行展示，并且在该场景中使用包括文字、图片、按钮等二维信息集成的控制面板，用以进行当前场景信息或安全培训步骤的展示与提示。在面板上，既可以显示提示信息、知识内容，也可以运行题库供用户练习;在不使用时，可将其隐藏至后台运行。此外，所有信息被嵌入至网页中，相互之间不产生干扰。综合利用多种信息表达形式，其效果明显优于仅使用一种或几种信息表达形式。

3.3 与传统教学模式对比分析

为明确与量化传统教学模式与移动学习教学模式下进行实验教学的优缺点，本研究以福建农林大学计算机与信息学院（以下简称农大计算机学院）实验课程教学为研究对象，通过调研与问卷调查分析发现：相比传统教学模式，移动学习教学模式在多个方面具有优势。主要包括以下几个方面：

3.3.1 实验建设投入成本低

传统实验需要根据实验课程的要求建设实验室，其成本投入包括实验室场地成本、实验仪器采购成本、实验环境维持成本以及实验设备维护成本等。农大计算机学院某校区计算机教学实验室，在不考虑场地、水电、物业等费用的前提下，在设备方面每间实验室需投入约54万，强弱电布线方面需投入约16万，共计投入70万左右。对于其它需使用贵重仪器的实验室，其成本更高。由于硬件设备在长期进行大量实验的过程中，磨损、损坏等现象常有出现，因此若考虑维护成本，实验室投入成本则更高。而在移动学习环境中，实验室场地无需投入，硬件设备的投入则分摊至每位学习者。同时，虚拟场景中实验环境维持、设备维护等亦无需投入。

3.3.2 实验效率高、效果好

传统实验教学工具对实验的描述多具有抽象性。例如数字电路、建筑设计等课程，需讲解的内容多以抽象程度较高的概念、理论以及二维平面图进行展示，不易于学生的理解与掌握。相比之下，通过虚拟实验教学的方式，可通过三维虚拟场景对所教授内容进行立体展示，更符合学生的认知规律，从而提高教学效率与效果。

3.3.3 促进师生交流

传统实验教学，主要以教师演示、学生模仿的形式进行。由于课时等的限制，教师演示后，若学生在模仿过程中遇到疑惑或困难，往往无法得到教师的及时反馈。课后，师生间的交互较少。采用基于移动学习的虚拟实验教学模式，可有效地改善这种情况。每个持有移动智能终端的教学对象，均可随时随地进行交流。

问卷调查显示，受访学生中仅有15.00%认为与教师互动对学生没有帮助，但完全不与教师进行互动的学生高达46.67%，表明学生有意愿与教师通过互动提高学习效率，但却缺少有效的互动渠道。而另外53.33%的与教师存在互动行为的学生中，通过移动设备进行互动的人数占总人数的81.25%，表明通过移动设备与教师进行互动是师生交流的主要途径。

3.3.4 有效利用时间碎片

传统实验教学，受到时间、地点等的严格限制。问卷调查显示，仅有13.79%的学生在课堂之外会进行主动学习，与教师间的互动行为，主要发生在课堂讨论或自习时间。对碎片时间利用率低。

相比之下，在基于移动学习的虚拟实验教学模式下，学习者可在坐车、排队等碎片时间内自主进行学习，也可利用碎片时间与教师互动，对提高时间利用率及学习效率具有促进作用。

3.3.5 突出学生的主体地位，加强个体能力培养

问卷调查显示，在基于移动学习的虚拟实验教学模式下，93.44%的学生有主动学习的行为，而在传统实验教学模式下仅有13.79%的学生有主动学习的行为。分析其原因，传统实验教学以教师为主体，学生只能被动接受。在基于移动学习的虚拟实验教学模式下，学生成为主体，教师成为辅助学习的半主体。学生可自己选择学习时间、地点、科目、内容、进度等，并且在独立自主的学习过程中，易于提高个人的素质与能力以及学习效率。

3.3.6 学生主动性增强

传统教学模式中，由于限制过多，学生学习的主动性整体较低，且易于出现“师生互动过少—学生自暴自弃—学生不主动学习”的恶性循环。即使对于优秀学生而言，学习的动力多出于压力，而非兴趣。问卷调查显示，在传统教学模式下，仅有37.7%的学生会在课堂讨论或自习时间与教师互动。

新的教学模式下，由于三维虚拟实验的引入，学生能够直观地了解知识、学习知识，且可更好地进行师生交流，学习主动性明显增强。调查表明，在基于移动学习的虚拟实验教学模式下，受访学生中仅有14.75%认为课堂教学的学习效率高于主动学习的效率。

从以上几点可以看出，移动学习虚拟实验教学模式，相比传统教学模式具有多种优势，并且对于传统教学模式中常见的问题，均有不同程度的缓解或改善。

4 结束语

与传统的教学模式相比，移动学习虚拟实验教学模式具有一定的先进性，且有利于教学质量的提高。同时，在移动学习虚拟实验教学模式下，成本投入大大降低，极大地利于其未来应用、开发和推广。但需指出的是：尽管移动学习虚拟实验教学模式具有较大优势，但在具体教学过程中该模式仍需传统教学模式加以辅助。主要原因在于，由于移动智能终端由学生自备，设备的充分性难以保证;在移动学习虚拟实验教學模式下，学习的主体为学生，教师对教学活动的控制和干涉存在一定程度的困难。

从未来发展方向看，三维“立体课堂”的出现是必然趋势。与远程教学相结合，三维慕课系统等新的教学形式将相继出现，对教育发展和改革将起到积极的推动作用。今后，多种技术结合的教学模式是值得深入研究的重点。

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