3D网络学习空间下项目式学习活动的设计与开发——以校园网综合布线为例

唐晓凤

(永州职业技术学院，医学技术学院，湖南，永州 425100)

0 引言

2017年，国务院关于印发《国家教育事业发展“十三五”规划的通知》指出，要综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式[1]。中共中央办公厅、国务院办公厅印发《加快推进教育现代化实施方案(2018-2022年)》指出，要加强国家虚拟仿真实验教学项目建设[2]，目前我国已建设300个国家级虚拟仿真实验教学中心。中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》指出，通过启发式、探究式、参与式、合作式等教学方式创新人才培养方式，培养学生创新精神与实践能力[3]。在大力推进教育信息化的背景下，在线教育不断提升，同时暴露出不少问题，例如：① 在线教育资源以2D教学资源为主，无法满足学习者的需求，学习者学习热情和参与度不高；② 实训实验课程，特别是需要操作大型设备的实训实验，基本无法开展教育教学；③ 一些网络学习空间数据分析功能较弱，教育者对数据掌握不详。

针对上述问题，本文基于HTML5和WebGL技术的网络学习空间云平台，以“校园网综合布线”项目为内容搭建3D网络学习资源。开发的3D网络学习资源主要实现：① 创建基于网络学习空间云平台的3D项目式网络学习资源的学习环境，实现“以学习者为中心”和“做中学”的核心教育理念；② 运用网络学习空间云平台下的3D项目式网络学习资源，解决部分传统教学资源和已开发的在线教育资源存在的问题，提出解决“校园网综合布线”实训课程教学困境的创新教学策略。3D网络学习资源的开发和应用有助于远程实训实验课程的开展，有助于学习者体验“校园网综合布线”项目的整个过程，有助于提升学习者的学习兴趣、学习热情和学习参与度。

1 研究述评

1.1 项目式教学现状分析

项目式教学以建构主义理论为指导，以项目为主线、教师为指导、学生为主体，通过创设真实情境，学习者在教师指导下以小组合作方式完成一个完整的项目，通过探究式学习提升学习者多种能力的教学模式。项目式教学学习环境以真实情境为主、学习过程以探究学习为主、学习方式以小组协作为主、学习评价以多元评价为主，这些特征深受学习者喜爱。项目式教学已广泛应用于传统课堂和在线课堂，如蒋玉中[4]探讨了项目式教学与英语教学的融合；罗大兵等[5]将项目式教学应用于慕课在线学习平台；吕浩源[6]将项目式教学应用于雨课堂在线学习平台。

1.2 当前教学环境项目式实践教学存在的问题及解决办法

传统课堂项目式教学和普通在线课程项目式教学存在诸多问题，将虚拟仿真技术应用于在线课堂也存在诸多问题：第一，教师对虚拟仿真技术掌握不够，难以构建3D网络学习资源；第二，大多虚拟仿真实验系统都以C/S架构为主，学习者需下载App，学习过程难度大；第三，对学习者学习经历记录不详，很难实现个性化教学策略推荐；第四，大多虚拟仿真实验未激发学习者的学习热情、学习积极性不高。

基于上述问题，本研究以小型校园网综合布线为项目内容，将HTML5和WebGL技术的网络学习空间云平台为学习平台。该平台自嵌3D 可视化场景编辑引擎系统，教师无需学习过多的虚拟仿真技术，只需做好课程教学设计；该平台基于B/S结构，只需借助浏览器即可完成学习；该平台采用游戏闯关的方式实现教学，支持多个用户同时登录同一场景，每个用户可控制自己的虚拟化身；该平台前端引入xAPI(experience API)技术记录学习者学习经历，为个性推荐创设条件。

2 理论基础

2.1 建构主义学习理论

建构主义是项目式教学的重要理论依据。以“校园网综合布线”项目为内容开发的3D网络学习资源，坚持以学习为中心，通过创设情境、自主探究和小组讨论实现整个教学过程。教学过程以建构主义理论作为基础，充分发挥学习者的主观能动性。在整个项目的实施过程中，学习者自行决定拓扑结构类型、设备类型以及实施步骤，通过教师协助、自主探究和学习小组讨论解决项目实施过程中遇见的问题。项目实施的过程中，学习者需要掌握校园网综合布线的要求和步骤，熟知综合布线的实施过程，掌握综合布线的知识结构，并深刻理解知识之间的相互联系，实现知识的意义建构。

2.2 多元智能理论

多元智能理论从学习者个体多元智能出发，推崇因材施教，发展个性化教学。因学习者认知水平千差万别、学习能力参差不齐、个性化需求各种各样，使得多元智能广泛应用于传统课堂教学和部分在线课堂教学中。

在设计和开发以“校园网综合布线”项目为内容的3D网络学习资源的过程中，从多元智能理论出发，将分层教学理念和个性化教学理念深入到项目实施过程中。在学习者学习项目的过程中，实现课程目标分层、课程内容分层和课程评价机制分层。学习者在分层教学环境下，更能发展学习者的个性，挖掘学习者的学习潜能，增强学习者参与学习的热情。

3 基于项目式的3D网络学习资源开发

3.1 校园网综合布线整体设计

综合布线系统是一种基于计算机技术、通信技术和建筑工程技术的模块化的开放式布线系统，主要在建筑物或建筑群内部之间进行网络传输。综合布线系统能使建筑物或建筑群内的网络设备等连接至外部网络，并实现语言、数据以及图像等的连接和传输。基于项目式的3D网络学习资源开发以“学习者”为中心，开展自主学习、探究学习和小组协作学习；以“校园网综合布线系统”为教育内容，实现校园网的规划、设计和实现的整个过程；以“理实融合、开拓思维和创新应用”为教育目标，提升学习者知识素养、能力素养和综合职业能力；以“游戏闯关”为教学方式，实现教学的系统性、层次性和趣味性。

3.1.1 校园网综合布线需求分析

以“某小学校园网综合布线”为项目，对某小学校园网进行综合布线合计。经学校实际考查，该学校现有建筑楼群包括2栋4层的教学楼和1栋4层的综合楼，教学楼1和综合楼之间相距180 m，教学楼2和综合楼之间相距240 m，2栋教学楼之间相差90 m。教学楼1和教学楼2每层有4间教室和1间办公室，因此每栋教学楼需要20个信息点、1间管理间，2栋教学楼总共需布线40个信息点和2间管理间。综合楼为4层建筑，需布线49个信息点、2间管理间，其中第一层和第二层共用1间管理间，第三层和第四层共用1间管理间，层间管理间通过网络设备互联实现共用。通过需求分析，整个校园需要信息点89个，管理间4间。

学校需实现的网络功能包括：① 学校各信息点可实现资源共享、网络通信；② 教学楼1、教学楼2和综合楼各栋楼之间实现广播隔离；③ 内外网主机都可访问学校网站；④ 校园网络主机可实现上网，师生上网实行源地址分流。

3.1.2 校园网综合布线系统的组成

“某小学校园网综合布线”采用星型拓扑结构，此结构控制简单、配置灵活、维护方便。其布线系统由工作区子系统、水平子系统、垂直子系统、管理子系统、设备间子系统和建筑群子系统组成。

3.1.3 校园网综合布线设计方案

基于实用性、开放性、安全性、可靠性、可维护性和可扩充性等设计原则，采用“核心层—汇聚层—接入层”层次化的设计结构对校园网进行综合布线设计。其中，核心层设置在综合楼4楼的网络中心网络设备机房，汇聚层设置在教学楼1、教学楼2和综合楼中，接入层设置在各弱电间综合布线配线机柜处。

3.2 校园网综合布线3D网络学习资源开发

校园网综合布线3D网络学习资源设计基于网络学习空间云平台，该平台由学校的项目团队自主开发，平台基于MOOC设计理念，包括门户、个人中心、教师中心、机构中心、系统管理中心以及其他系统。该平台内置建模工具，也可从外部导入模型和自主开发；采用虚拟现实的虚拟化身技术，实现多人实时在线；提供文本、语音、点对点视频3种交流方式。根据校园网综合布线项目式教学的实际需要，以项目式学习理念为主线，以平台在线3D教学场景编辑与发布系统为操作平台，构建校园网综合布线3D虚拟实验。3D虚拟实验学习资源开发过程：第一步，根据校园网综合布线实验要求，借助网络学习空间云平台中的3D场景编辑系统编写3D虚拟实验脚本；第二步，从3D场景编辑与发布系统空白模板中创建场景；第三步，从3D在线模型库中选择模型搭建3D虚拟实验并进行发布。3D虚拟实验学习资源搭建完成后，学习者即可在在线课程目录中进行访问和实验。其实验场景如图1所示。

图1 3D虚拟实验学习场景图

3.3 基于“校园网综合布线”项目式3D网络学习资源的应用

3.3.1 基于“校园网综合布线”项目式3D网络学习资源的教学策略

基于网络学习空间云平台，开发了以“校园网综合布线”为内容的3D网络学习资源，创设情境、探究学习、小组讨论、汇报成果和综合评价为该项目教学策略。该策略实施过程包括5个阶段：① 制定项目任务阶段，教师通过设计开发“校园网综合布线”项目式3D网络学习资源，为学习者创设学习情境，提出多元化项目任务要求；② 项目任务实现阶段，学习者依据项目任务要求，通过自主探究的方式完成项目任务，通过角色扮演、游戏闯关体验项目实施整个过程；③ 项目分析阶段，学习者通过小组讨论的方式发现项目实施过程中存在的问题并解决问题，通过解决自身学习中存在的问题，深化项目认识，实现小组协作学习、互动学习；④ 项目总结阶段，学习者通过自主分析，整合项目成果，实现对校园网综合布线项目知识的理解、提升和迁移；⑤ 项目评价阶段，教师通过对学习者项目实施过程的综合评价，查找教学策略中存在的问题，查漏补缺，提升教学策略，为实现个性化教学创设条件。

3.3.2 基于“校园网综合布线”项目式3D网络学习资源的教学过程

“校园网络综合布线”项目式3D网络学习资源的教学过程包括设计教学环节、确定教学内容、选择教学方法等。教学环节分为课前、课中和课后，如图2所示。

在课前教学环节，教师创建“校园网综合布线”3D网络学习资源，制定多元化项目实施任务清单。学习者的主要任务为：第一，实现校园网综合布线理论基础知识预习；第二，完成校园网综合布线理论知识游戏大闯关。通过思维导图法制定多元化项目实施任务清单、通过逐层闯关考核实现理论游戏大闯关。在课前学习环节中主要培养学习者自学能力以及发现问题的能力等。

在课中教学环节，教师通过创设情境、引发思考、协助解决问题和归纳总结来指导和协助学习者开展项目学习。学习者通过虚拟仿真、角色扮演、自主探究、游戏闯关方式体验项目实施的整个过程。基于“校园网综合布线”项目式3D网络学习资源大闯关内容如下。

闯关一：“校园网综合布线”项目需求分析，包括校园网的设备需求以及技术需求，根据学校信息点的数量确定所需设备的数量，并结合设备需求来确定技术需求。在需求分析阶段，采用分组学习法，通过分组实现需求分析方案的制定、分析、评价和定稿过程。闯关二：搭建校园网拓扑结构，包括校园网拓扑结构类型选择、网络连接设备选择以及主机选择等，并选择传输介质进行连接。闯关三：设置IP地址，包括校园网中所需要设置IP的主机和服务器的规划、标识和设置，并对整个校园进行VLAN划分，实现各楼栋之间广播隔离。闯关四：配置网络设备，主要对校园网中所使用的交换机、路由器等设备进行配置。闯关五：网络连通性测试，主要对校园网中主机、服务器以及设备进行连通性测试等。

在课中学习环节主要培养学习者自主探究能力、动手实践能力、解决问题能力和创新应用能力等。

在课后教学环节，教师对学习者的整个项目学习过程进行综合的、多元化的、多维度的评价。借助该平台LRS学习经历记录存储系统数据进行学习分析，为实现个性化教学资源推荐创设条件。学习者的主要任务包括：第一，“校园网综合布线”闯关自练习；第二，书写项目实验报告；第三，归纳总结，实现知识提升和迁移。在课后教学环节中主要培养学习者总结反思能力、知识拓展能力和综合职业能力。

4 总结

本研究以3D网络学习资源为核心研究内容，从学习者角度出发，基于建构主义和多元智能理论，采用虚拟仿真技术，运用网络学习空间云平台3D场景编辑与发布系统，设计和开发了基于“校园网综合布线”项目式3D网络学习资源。学习者通过虚拟仿真、角色扮演、自主探究、游戏闯关方式体验项目实施整个过程，有助于提升学习者的学习热情和学习兴趣，有助于实现探究式、体验式和沉浸式教学，有助于提升学习者自主探究能力、知识拓展能力以及创新应用能力。

图2 基于“校园网综合布线”项目式3D网络学习资源的教学过程