具身视角下的师范生课堂管理虚拟实训系统设计

李凌月　彭晓丽

关键词：具身认知；虚拟实训；师范生；微格教学；课堂管理

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）36-0106-04

微格教学是师范生锻炼教学技能、诊断教学能力普遍运用且行之有效的工具。目前基于数字微格系统的微格教学课堂已在高校中广泛应用，但现有微格教学仍存在教学模式单一、教学场景有限等不足，Hargie等学者提出[1]：微格教学相对于课堂教学不够成熟。如果把真实的课堂当作是游泳池的深水区， 那么微格课堂的作用就是让师范生“在浅水区里练习游泳”。虚拟现实可以逼真地模拟现实世界的环境和事物，当人们借助相关设备进入到虚拟环境中，立即会产生“亲临其境”的体验，参与者可亲自操作与虚拟环境或是虚拟对象进行交互[2]。目前已有研究者尝试将虚拟现实（VR）技术应用于微格教学技能训练[3]，但尚存在教学场景和训练模式单一等问题，尤其是师范生的课堂管理能力未得到充分重视。针对这一问题，本研究从具身认知的视角出发，设计开发了虚拟微格课堂管理实训系统，该系统支持师范生體验多样化的教学情境，并支持师范生通过多种方式来应对课堂教学中可能遇到的各类事件，突出学习过程的情境化及体验性，能够较好体现具身认知的基本理念，有利于师范生将虚拟环境中习得的课堂教学与管理技能向未来真实教学情境中迁移。

1 课堂管理能力实训系统设计需求分析

从具身认知的视角审视教育教学：“亲身体验”是获取知识必不可少的环节；情境会对学生的认知过程产生影响从而对教学效果产生影响。学生在学习过程中是否能产生具身体验从而获得更好的学习效果，教学情境的生动性与逼真性都起到决定性作用，情境越生动、越贴近生活的真实场景就越能引发学生的具身体验[4]。

Emmer将课堂管理定义为一系列教师的行为和活动[5]，致力于培养学生在课堂活动中的参与、合作意识，引导学生积极学习，建立良好的课堂秩序，有效处理学生的问题行为，营造良好的课堂氛围。传统微格教学将关注点更多集中于培养师范生的教学技能，对于课堂管理能力较少关注。在教师课堂管理能力评价指标体系中，课堂环境管理能力强调教师对于物理环境和心理环境的管理即营造良好的师生及同学关系，在规定时间完成教学任务。课堂问题行为管理能力具体是指教师处理课堂冲突和问题行为的能力[6]。这两个维度的管理能力在传统微格教学活动中较难模拟，师范生在训练过程中也难以产生具身体验。

综上，虚拟实训系统应当最大限度还原真实课堂教学，从而帮助师范生在模拟授课的过程中获取接近亲身体验的认知和技能。虚拟微格系统作为支持具身认知发生的工具，应当支持师范生的身体与学习内容进行交互，尽量保证其多种感觉通道被调动；支持师范生利用其身体与学习环境进行交互，支持多种教学情境的体验，努力还原真实课堂和现实生活的情境及活动。

2 基于虚拟现实的实训系统架构和关键技术

虚拟实验室开发主要通过利用Unity 3D开发引擎，结合3D Studio Max（3ds Max）制作的仿真模型搭建虚拟实验环境，使用C# 语言在Microsoft Visual Stu⁃dio（简称VS）软件上实现交互，主要涉及以下相关技术[7]：

2.1 三维建模技术

虚拟现实强调沉浸感、真实感，模型的质量直接影响虚拟实验的质量。本研究通过3ds Max 软件对虚拟实验室及虚拟实验器材进行创建、修改、贴图、调整、渲染，并将其以fbx格式导出，模型与Unity 3D具有较好的兼容性。利用3ds Max还原讲授型和小组讨论型课堂情境，满足微格实训具身学习对多种教学情境的需求。在不同的教学情境中，师范生需要及时转变角色，如在讲授型课堂中扮演讲授人和主导者的角色，而在小组讨论型课堂中，则主要充当活动组织者和引导者的角色。虚拟实训系统的多样化教学情境在一定程度上克服了传统微格教学场景单一的问题，有利于具身认知体验的生成。

2.2 立体显示技术

本研究采用的是HTC Vive 头盔显示器（Head-Mounted Display，简称HMD），参与者通过头盔显示器感知虚拟教室当中的环境及角色，观察虚拟角色的表现。

2.3 人机交互技术

虚拟现实在人机交互方面借助的设备一般包括3D 体感摄像机、数据手套和手柄等。本研究是采用HTC Vive 手柄控制器，参与者通过手柄拾取教学工具，通过教具发射射线操控教学课件的播放，教师也可通过手柄实现在虚拟教室当中的位移。通过采集并识别学习者的身体行为，来获得其学习需求与状态信息，在交互的过程中，参与者利用虚拟角色的行为作为反馈，即行为和动作可以交互式地创造虚拟场景，满足具身认知对于身体与学习内容进行交互的需求[8]。系统构建的流程如图1所示：

3实训系统实施流程

3.1 课前准备

虚拟微格实训系统需在一间较为空旷的教室运行，保证师范生在无法观察周围环境的情况下也有足够的安全感。将设备与主机相接，并配置好头戴式显示器、传感定位器、手柄；通过SteamVR 配置虚拟空间，完成其与虚拟头盔、手柄以及感应器的连接[9]。设备成功连接后，打开实训系统软件，根据提示进入虚拟教室环境。

3.2 教学设计

该系统支持师范生体验不同年级教学对象和多种教学场景，所以师范生可以尝试采用不同教学方式进行教学设计。师范生将上课所需课件导入系统，根据课程内容选择对应年级的教学对象，输入提问内容及预设学生回答，再根据教学内容设定教学时长。

3.3 实训内容

参训师范生通过点击pad显示屏中的开始上课按钮，触发上课功能。利用操控手柄可以拾取虚拟环境中的激光笔，播放教学课件，开始授课。在模拟的过程中，虚拟学生角色会随机表现出问题行为，师范生需去制止或是劝导这些学生。虚拟学生的行为将会根据参与者的决策做出相应的改变，如果师范生采用了无效的方式，虚拟学生的不良行为将一直持续下去，并且有可能会扰乱课堂教学，直到师范生作出正确的反应。参考Niemeyer在其研究中罗列出常见的教学管理事件[10]，该虚拟实训系统设计了6 种随机事件：

1）嘲笑同学事件：在上课开始一段时间后会触发该行为，一名同学会举手并起立告诉参与者没有听懂上课所讲内容，周围同学会发出笑声。

2）学生睡觉事件：在进行至课程预设时间一半时可能会触发该事件，课堂中会有一名学生表现出闭眼、低头最后趴桌子等一系列动作。

3）学生聊天事件：学生会和周围同学窃窃私语，参与者能够明显感觉到虚拟教学环境会由安静逐渐变得嘈杂。

4）学生走神事件：系统中当学生不表现问题行为时，目光会一直追随教师。但如果触发走神事件，教室内会有一名学生眼神不再追随参与者，而是望向窗外。

5）提前下课事件：在临近课程预设时间时会触发该行为，此时教室会有部分学生收拾桌面物品并伴随窃窃私语，参与者也能明显感受到虚拟教学环境由安静逐渐变得嘈杂。

6）消极参与事件：此行為只在小组讨论型教室当中会触发，当教师要求小组讨论时，有部分学生不参与讨论。参与者需上前劝导，使其加入小组讨论当中。

师范生需要在进行虚拟实训之前合理规划教学流程，控制好教学节奏和时长。当遇到虚拟学生呈现问题事件时，师范生可以通过头部定位器朝向问题行为学生并持续“凝视”，也可以通过操控手柄实现位移以及敲桌板进行提示，但这种处理方式只能让虚拟学生的问题行为短时间停止，其后有可能再次出现；此时，需要师范生通过语音发出明确的制止指令，当系统通过语音识别引擎识别出“认真听讲”“安静”等关键词时，虚拟学生的问题行为最终得到制止。此外，师范生在模拟授课时不能只重视控制课堂纪律，和谐的课堂心理环境也是需要考虑的重点。因此，师范生在虚拟课堂中能否合理劝导并安抚学生也将作为其教学技能评价的依据之一。

3.4 评价实训结果

实训过程支持全程录音录像，师范生依据虚拟学生的表现，结合教学视频和系统自动生成的报告单初步判断自身是否能够有效管理课堂纪律，了解自己的课堂管理能力的发展情况。指导教师和其他师范生也可以共同观看教学录像进行点评，给予针对性的评价或建议，让参与虚拟实训的师范生明确后续改进和提升的方向。

4 实训系统应用效果分析

4.1 用户体验调查分析

为了检验虚拟微格实训系统的应用效果，在某师范大学教育技术学专业的微格课程中，邀请了26位师范生使用该系统辅助其微格实训学习活动。在试用四周后发放调查问卷，该问卷采取5级评分制，共有11个问题，涵盖了用户对于实训系统的易用性、真实性和教学管理事件的态度，如表1所示。经过统计，该问卷的信度为0.889，表明该问卷较为可靠。

根据图3可知，在系统易用性方面，使用者反馈该系统的流畅性较好，简单易操作，但也有半数师范生对于该系统的交互方式处于中立态度，进一步了解可能的原因是，大多师范生初次接触VR技术，对于虚拟环境下的交互方式不太适应。Larson的调查研究显示，用户在刚开始接触虚拟实训系统时感到紧张是在所难免的[11]。

针对系统环境和角色真实性的调查情况可知，超过半数的师范生认为该系统在很大程度上还原了接近真实课堂的教学场景，其中的虚拟学生角色的形象动作均比较贴近现实。尤其是师范生在该系统中可以体验多种教学场景，他们认为这对其教学技能的训练很有帮助，有助于微格课程理论知识的应用和迁移。

关于教学管理事件的态度，大多数参与者认为系统当中的课堂管理事件是真实的，超过半数的学习者喜欢该系统的事件管理功能，并认为随机触发的课堂管理事件对于自己熟悉未来真实课堂很有帮助。

4.2 师范生教学技能水平分析

微格任课教师依据教学能力维度量表[12]，为参与虚拟实训的师范生的教学能力水平进行打分。其中“组织技能”和“结束技能”均涉及教学管理方面的能力，针对这两个维度进行分析可知：

师范生在使用实训系统之前的组织技能和结束技能平均得分分别为6.08和4，在使用实训系统之后两者的平均得分为8.36和7.24，配对样本检验结果显示前后测呈现出非常显著的差异（p=0.000＜0.05），如表2所示。由此表明，使用虚拟微格实训系统能够有效提升师范生的组织技能和结束技能。在训练过程中，当虚拟学生角色出现走神等行为后，师范生除了制止不良行为之外通常会调整教学策略，尽可能吸引学生的注意力以促其参与到虚拟课堂教学活动中。当临近下课时系统会有铃声提示并触发“提前下课”事件，师范生在处理该事件时学会了及时调整教学节奏，从而确保了微格教学活动的完整性。

5 结束语

本文以具身认知理论为基础，针对传统微格教学的局限和已有虚拟实训系统的不足，针对师范生的课堂管理能力设计了虚拟微格实训系统。该实训系统能够调动师范生多通道感知和参与的积极性，支持自然状态下的多模态交互。该系统可还原真实课堂的多样化教学情境，有助于激发师范生具身认知体验的生成以及教学技能的应用、迁移和提升。