虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)是最近幾年在ICT業(yè)界出現(xiàn)頻率較高的詞語(yǔ),它是由許多相關(guān)學(xué)科進(jìn)行交叉、融合的產(chǎn)物,其中包括了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支 [1] 。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在諸如娛樂(lè)、建筑、測(cè)量、軍事、制造、醫(yī)療等行業(yè)得到了較為廣泛的運(yùn)用,而在教學(xué)上的運(yùn)用則處于起步階段。
在當(dāng)今的教育領(lǐng)域中,以教師傳授知識(shí)為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式已逐漸被以學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)認(rèn)知為中心的教學(xué)模式所取代。建構(gòu)主義教學(xué)模式是一個(gè)教學(xué)模式大類,其中包括利用不同教育技術(shù)實(shí)施教學(xué)的多個(gè)分支,而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)就是其中之一。實(shí)施虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)需要最新ICT技術(shù)支持教學(xué)環(huán)境,未來(lái)課堂 [2] 中關(guān)于構(gòu)建泛信息技術(shù)課堂的理念正好與之契合。
二、何謂虛擬現(xiàn)實(shí)
(一)虛擬現(xiàn)實(shí)概述
1963年,伊凡·薩瑟蘭在他的博士論文中第一次提出虛擬現(xiàn)實(shí)理論 [3] 。到了1989年,VPL(Virtual Programming Languages)研究公司的創(chuàng)始人雅龍·拉尼爾才將虛擬現(xiàn)實(shí)這一術(shù)語(yǔ)引入大眾視野 [4] 。不同研究領(lǐng)域的學(xué)者各自對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行了定義,謝爾曼和賈金斯用五個(gè)“I”為虛擬現(xiàn)實(shí)下了定義:“Intensive(集中的),Interactive(交互的),Immersive(沉浸的),Illustrative(例證的)and Intuitive(直觀的)” [5] 。皮門特爾和特謝拉定義虛擬現(xiàn)實(shí)為一種通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的沉浸式、交互式體驗(yàn) [6] 。在較近的一篇文獻(xiàn)中,狄?jiàn)W尼索斯等人提出虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)生成的模擬平臺(tái),在該平臺(tái)中的三維物體與環(huán)境看上去好像是真實(shí)直觀的,并且用戶可以與之互動(dòng) [7] 。
參考上述文獻(xiàn)資料,筆者認(rèn)為所謂虛擬現(xiàn)實(shí)是指由計(jì)算機(jī)程序構(gòu)建的真實(shí)或接近真實(shí)的三維虛擬情境,用戶利用某種手段進(jìn)入虛擬情境,并與之交互,從而建構(gòu)起對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界合理認(rèn)知。其中涉及到四個(gè)維度,分別是計(jì)算機(jī)程序、用戶(人)、現(xiàn)實(shí)世界、虛擬情境,概念圖如下頁(yè)圖1所示。根據(jù)此圖,
虛擬源于現(xiàn)實(shí),也歸于現(xiàn)實(shí),用戶與虛擬情境互動(dòng),目的是更好的認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界。虛擬現(xiàn)實(shí)不僅讓參與者能夠觀看虛擬情境,更重要的是使其通過(guò)交互的方式與該情境中的事物產(chǎn)生聯(lián)系,最終建構(gòu)起對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知。
(二)混合實(shí)境
1994年,米爾格拉姆和岸野定義了一個(gè)“真實(shí)—虛擬連續(xù)體”模型 [8] ,如圖2所示。在此模型中,混合實(shí)境(Mixed Reality)區(qū)域位于完全真實(shí)環(huán)境和完全虛擬環(huán)境之間,偏向真實(shí)環(huán)境端的混合實(shí)境稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí),偏向虛擬環(huán)境端的混合實(shí)境稱為增強(qiáng)虛擬?;旌蠈?shí)境在實(shí)際中的應(yīng)用多表現(xiàn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR),AR是將虛擬環(huán)境或事物實(shí)時(shí)疊加到真實(shí)環(huán)境或事物上去,允許用戶既感知虛擬的世界,也看到真實(shí)的世界。
托馬斯·霍爾茲和亞伯拉罕G.坎貝爾等人對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn),提出了改進(jìn)型“真實(shí)—虛擬連續(xù)體”模型 [9] ,如圖3所示。在該改進(jìn)模型中,托馬斯和亞伯拉罕等人將“較大物理呈現(xiàn)”與“較大虛擬呈現(xiàn)”的分割點(diǎn)定位于連續(xù)體線段的1/2處,1/2處則為“兩者均等呈現(xiàn)”,改進(jìn)型“真實(shí)—虛擬連續(xù)體”由五個(gè)區(qū)域組成,即物理區(qū)域、較大物理呈現(xiàn)區(qū)域、物理虛擬均等呈現(xiàn)區(qū)域、較大虛擬呈現(xiàn)區(qū)域和虛擬區(qū)域,其中較大物理呈現(xiàn)區(qū)域、物理虛擬均等呈現(xiàn)區(qū)域和較大虛擬呈現(xiàn)區(qū)域組成混合實(shí)境。
三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂
(一)未來(lái)課堂研究基礎(chǔ)
華東師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所是國(guó)內(nèi)真正意義上開(kāi)展未來(lái)課堂相關(guān)研究的科研機(jī)構(gòu),并且“未來(lái)課堂”已成為教育信息化領(lǐng)域的專用名詞。在“教學(xué)之主陣地:未來(lái)課堂研究”一文中張際平教授談到未來(lái)課堂是基于“教育面向未來(lái)”和“國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革與發(fā)展綱要”中“把提高教育質(zhì)量作為未來(lái)教育的戰(zhàn)略重點(diǎn)”“以人為本”“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”等思想而提出的,它將在人本主義、互動(dòng)、環(huán)境心理學(xué)相關(guān)的理論和信息、智能、人機(jī)交互等技術(shù)支持下,充分發(fā)揮課堂組成各要素的作用,以互動(dòng)為核心,旨在提高課堂主體的主動(dòng)性、能動(dòng)性,創(chuàng)造和諧、自由發(fā)展的教與學(xué)的環(huán)境與活動(dòng) [10] 。
隨后,大量學(xué)者與研究人員對(duì)未來(lái)課堂的理論建構(gòu)與實(shí)施策略開(kāi)展了廣泛而深入的研究,如陳衛(wèi)東將未來(lái)課堂定義為高互動(dòng)學(xué)習(xí)空間,其實(shí)現(xiàn)主要依托于多屏交互顯示設(shè)備、觸摸輸入設(shè)備、即時(shí)反饋系統(tǒng)、課堂實(shí)錄系統(tǒng)、視訊會(huì)議系統(tǒng)以及智能化環(huán)境控制平臺(tái)等相應(yīng)的硬件及軟件平臺(tái) [11] ,許亞鋒則提出了一種基于改進(jìn)的PST框架的面向體驗(yàn)學(xué)習(xí)的未來(lái)課堂設(shè)計(jì)方案 [12] 。
本文以CNKI學(xué)術(shù)期刊數(shù)據(jù)庫(kù)為文獻(xiàn)來(lái)源數(shù)據(jù)庫(kù),搜索主題為“未來(lái)課堂”,期刊類別為“核心期刊+CSSCI”,時(shí)間跨度為“不限”,共檢索出59篇文章。對(duì)這59篇文章逐一詳細(xì)閱讀,剔除與“未來(lái)課堂”這一專用名詞不符的文章,如“加強(qiáng)未來(lái)的課堂管理”“聚集于現(xiàn)實(shí)和未來(lái)課堂中的教學(xué)”等,最終篩選出32篇論文,并針對(duì)研究主題,從論文數(shù)目、所占比例、代表人物、代表文章和刊發(fā)期刊五個(gè)類別對(duì)到目前為止的未來(lái)課堂研究成果進(jìn)行了梳理,如表1所示。
由已有的研究成果中可看出對(duì)未來(lái)課堂概念的界定和特性提煉占最大比例,這與未來(lái)課堂屬于教育信息化新領(lǐng)域,有必要對(duì)其進(jìn)行縝密的概念與特性定義密不可分。緊隨其后的是關(guān)鍵技術(shù)的研究,這與未來(lái)課堂始終關(guān)注最新科技在課堂中的應(yīng)用緊密相關(guān)。
目前在未來(lái)課堂中所運(yùn)用的信息技術(shù)主要有泛在網(wǎng)絡(luò)、多屏顯示、智能測(cè)評(píng)等,不過(guò),從2016年開(kāi)始爆發(fā)式增長(zhǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并未在已有未來(lái)課堂研究中詳細(xì)提及。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、創(chuàng)設(shè)心理沉浸感、實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì) [13] ,有著教育技術(shù)風(fēng)向標(biāo)之稱的地平線報(bào)告在2016年高等教育版里把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)列為中期(2-3年)的技術(shù)進(jìn)展目標(biāo) [14] 。
由此可見(jiàn),在越來(lái)越重視以學(xué)生為主體、以交互為手段的現(xiàn)代教學(xué)理念的指導(dǎo)下,將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂,構(gòu)建適合兩者完善融合的教學(xué)模式是有利而必要的。
(二)基于未來(lái)課堂環(huán)境下的“VaA”教學(xué)模式
如何切實(shí)有效提升教學(xué)主陣地“課堂”的教學(xué)效果,是未來(lái)課堂研究的重點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要能夠完善的融入未來(lái)課堂,合理的教學(xué)設(shè)計(jì)必不可少。教學(xué)設(shè)計(jì)思想最有代表意義的著作是加涅于1965年出版的《學(xué)習(xí)的條件》和1974年出版的《教學(xué)設(shè)計(jì)原理》,對(duì)后世的教學(xué)設(shè)計(jì)研究具有深遠(yuǎn)的影響。教學(xué)設(shè)計(jì)模型脫胎于教學(xué)設(shè)計(jì)理論,是對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行精煉后得到的一套操作性較強(qiáng)的實(shí)用模型。教學(xué)設(shè)計(jì)模型雖然從設(shè)計(jì)序列和關(guān)注對(duì)象來(lái)看各有不同,但是大多數(shù)可以歸納成ADDIE模型:分析(Analyze),設(shè)計(jì)(Design),開(kāi)發(fā)(Develop),實(shí)施(Implement),評(píng)價(jià)(Evaluate)。ADDIE模型又稱通用教學(xué)設(shè)計(jì)模(Generic Instructional Design Model) [15] 。筆者通過(guò)分析虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)及運(yùn)用在未來(lái)課堂教學(xué)中的可能性,結(jié)合通用模型ADDIE,構(gòu)建起如圖4所示的基于未來(lái)課堂環(huán)境的“虛擬現(xiàn)實(shí)+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VRandAR,簡(jiǎn)稱VaA)”教學(xué)設(shè)計(jì)模型。
要實(shí)施“VaA”教學(xué)模式,首先分析課程是否滿足采用“VaA”教學(xué)模式的條件,條件為既要學(xué)習(xí)理論知識(shí),又要求實(shí)踐操作。若可行,則采用“VaA”教學(xué)模式,否則,采用其它教學(xué)模式。然后,
實(shí)踐教學(xué)部分采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),架設(shè)獨(dú)立的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū),在其中布置可供虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的體驗(yàn)設(shè)備,幫助學(xué)生強(qiáng)化實(shí)踐認(rèn)知;理論教學(xué)部分采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn),利用未來(lái)課堂多屏循環(huán)技術(shù)與學(xué)生端PAD聯(lián)動(dòng)的優(yōu)勢(shì),促進(jìn)學(xué)生的理論認(rèn)知建構(gòu)。最后,整合理論認(rèn)知和實(shí)踐認(rèn)知獲取程度,得出學(xué)生對(duì)于本課程的綜合認(rèn)知獲取情況。
1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)
皮亞杰曾說(shuō)過(guò)“我的核心思
想始終是相互作用” [16] 。其開(kāi)創(chuàng)的發(fā)生認(rèn)識(shí)論明確強(qiáng)調(diào)認(rèn)識(shí)既不來(lái)自客體,也不來(lái)自主體,認(rèn)識(shí)是主客體之間相互作用的產(chǎn)物,主體與客體之間的相互作用是依賴于動(dòng)作(活動(dòng))這一中介來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,動(dòng)作是既是認(rèn)識(shí)的源泉也是思維的基礎(chǔ) [17] 。莫蘭和麥金泰爾對(duì)運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知相互關(guān)系進(jìn)行深入研究后提出運(yùn)動(dòng)認(rèn)知為認(rèn)知心理學(xué)提供了一個(gè)更為豐富的理論研究范式,它不僅僅是關(guān)于認(rèn)知和行為之間必然聯(lián)系的知識(shí)系統(tǒng),而且,更強(qiáng)調(diào)在心理活動(dòng)產(chǎn)生時(shí)身體知識(shí)和動(dòng)覺(jué)過(guò)程的重要性 [18] 。具身認(rèn)知心理學(xué)也支持類似觀點(diǎn),西倫等人認(rèn)為具身參與引發(fā)認(rèn)知,即認(rèn)知的源泉來(lái)自于人類身體與周圍環(huán)境的相互作用 [19] 。并且,具身認(rèn)知還認(rèn)為身體和環(huán)境對(duì)認(rèn)知的作用不限于因果影響,夏皮羅指出身體和世界在認(rèn)知加工中扮演了某種構(gòu)成性的的角色,而不僅僅是因果作用的角色 [20] 。
實(shí)踐教學(xué)特別關(guān)注學(xué)生動(dòng)手操作,學(xué)生利用動(dòng)作與實(shí)踐對(duì)象交互,從自身與對(duì)象的互動(dòng)中建立認(rèn)知,掌握對(duì)象的性質(zhì)。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)參與者與虛擬環(huán)境的交互,參與者利用數(shù)字技術(shù)以自身的動(dòng)作改變虛擬場(chǎng)景,完成相關(guān)任務(wù)與挑戰(zhàn)。因此,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常適合實(shí)踐教學(xué),學(xué)生在虛擬情境中與學(xué)習(xí)對(duì)象互動(dòng),獲得與現(xiàn)實(shí)世界相同或相近的實(shí)踐認(rèn)知,還可避免某些在現(xiàn)實(shí)情況下有危險(xiǎn)的操作。
在未來(lái)課堂虛擬體驗(yàn)區(qū)域,學(xué)生通過(guò)佩戴相關(guān)的設(shè)備進(jìn)入已設(shè)計(jì)好的虛擬情境,在該情境中操控學(xué)習(xí)對(duì)象完成規(guī)定的挑戰(zhàn)任務(wù)。當(dāng)學(xué)生與虛擬情境進(jìn)行互動(dòng)時(shí),未來(lái)課堂虛擬體驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)收集設(shè)備對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景改變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。學(xué)生根據(jù)要求互動(dòng)完畢后退出虛擬情境,數(shù)據(jù)收集設(shè)備也會(huì)將虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景改變數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)分析軟件,經(jīng)過(guò)分析得出學(xué)生實(shí)踐認(rèn)知獲取情況,同時(shí)上傳未來(lái)課堂后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),以備后續(xù)使用。此教學(xué)模式利用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),所以可稱為“V”教學(xué)模式。
根據(jù)學(xué)生認(rèn)知與虛擬情境之間的關(guān)系,可構(gòu)建如下算式:
令學(xué)生進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)情境前的認(rèn)知為前認(rèn)知Cv,經(jīng)過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)后的認(rèn)知為后認(rèn)知Cv',前認(rèn)知與后認(rèn)知之間的認(rèn)知增量為△Cv,即Cv'=Cv+△Cv。令與學(xué)生交互前的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景為前場(chǎng)景S,經(jīng)過(guò)交互后的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景為后場(chǎng)景S',前場(chǎng)景與后場(chǎng)景之間的場(chǎng)景增量為△S,即S'=S+△S。認(rèn)知增量的產(chǎn)生源于主體與場(chǎng)景之間的相互作用,因此場(chǎng)景的改變可映射出主體認(rèn)知的改變,引入函數(shù)fv表示△Cv與△S的關(guān)系,即△Cv=fv(△S)。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景由若干子場(chǎng)景構(gòu)成,每個(gè)子場(chǎng)景的增量可能不相同,并且每個(gè)子場(chǎng)景對(duì)構(gòu)成完整場(chǎng)景的影響力也不相同。設(shè)子場(chǎng)景的數(shù)量為n,每個(gè)子場(chǎng)景增量為△Si,對(duì)應(yīng)的子場(chǎng)景影響力即權(quán)值為ωi,則,
學(xué)生的認(rèn)知狀態(tài)內(nèi)隱在大腦中,為不可見(jiàn)狀態(tài),而虛擬場(chǎng)景改變量則以數(shù)字形式保存在系統(tǒng)中,為可見(jiàn)狀態(tài),所以通過(guò)研究可見(jiàn)的虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)而研究不可見(jiàn)的認(rèn)知狀態(tài)。
2、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)
利用信息技術(shù)促進(jìn)自主學(xué)習(xí),一直是教育技術(shù)學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。齊莫曼提出從動(dòng)機(jī)上看自主學(xué)習(xí)應(yīng)該是內(nèi)構(gòu)或自我激發(fā)的,從時(shí)間上看學(xué)習(xí)者對(duì)時(shí)間的安排是規(guī)范而有效的,學(xué)習(xí)者擁有合理的學(xué)習(xí)方法,他們對(duì)學(xué)習(xí)的結(jié)果具有一定的預(yù)見(jiàn)性,能夠敏銳察覺(jué)并快速適應(yīng)與學(xué)習(xí)相關(guān)的物質(zhì)及社會(huì)環(huán)境 [21] 。而信息技術(shù)對(duì)支持自主學(xué)習(xí)則具備顯著的優(yōu)勢(shì),鐘志賢認(rèn)為信息技術(shù)能夠構(gòu)建出適合不同學(xué)生的不同環(huán)境,使認(rèn)知工具與教學(xué)資源呈現(xiàn)豐富性和多樣化,及時(shí)反饋在線學(xué)習(xí)者的各種信息,并為學(xué)習(xí)者的自我評(píng)價(jià)提供持續(xù)的評(píng)價(jià)信息和情境 [22] 。王珠珠則提出社會(huì)轉(zhuǎn)型過(guò)程中對(duì)教育教學(xué)多樣化和學(xué)習(xí)個(gè)性化的必然要求,與技術(shù)提供的廣泛互聯(lián)和數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合,將促進(jìn)教育模式的變化。而強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)、與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)、正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)互補(bǔ),將成為教育改革發(fā)展的必然趨勢(shì) [23] 。如何培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力一直都是未來(lái)課堂研究的焦點(diǎn),未來(lái)課堂環(huán)境突出的優(yōu)勢(shì)在于以多屏循環(huán)聯(lián)動(dòng)的方式連續(xù)呈現(xiàn)多幅關(guān)聯(lián)畫面,這對(duì)于學(xué)生按照自己的步伐前進(jìn),以自定速率吸收知識(shí),引發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的行為是非常有效的。
在此教學(xué)模式中,為了加強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,可以利用循環(huán)屏顯示方式,將具有邏輯相關(guān)性的學(xué)習(xí)對(duì)象逐一呈現(xiàn)在多個(gè)大屏上,每個(gè)對(duì)象的特定區(qū)域有其對(duì)應(yīng)的二維碼,學(xué)生在掌握了大屏提供的基礎(chǔ)知識(shí)后,為了理解更深入的知識(shí),應(yīng)利用手中的PAD掃描二維碼,該學(xué)習(xí)對(duì)象的可縮放旋轉(zhuǎn)的三維模型就出現(xiàn)在PAD中,當(dāng)學(xué)生觸碰三維模型時(shí),其深入而詳細(xì)的知識(shí)就會(huì)以文字旁白的方式出現(xiàn)。由于學(xué)習(xí)對(duì)象已經(jīng)保存到學(xué)生端的PAD中,學(xué)生可以根據(jù)自身的實(shí)際情況自主學(xué)習(xí)。為了確定學(xué)生理論認(rèn)知獲取情況,學(xué)生需要在PAD上通過(guò)回答題目進(jìn)行測(cè)試,系統(tǒng)根據(jù)其作答情況得出理論認(rèn)知獲取數(shù)據(jù),同時(shí)上傳至未來(lái)課堂后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),以備后續(xù)使用。此教學(xué)模式利用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),所以可稱為“A”教學(xué)模式。
參考虛擬現(xiàn)實(shí)“V”教學(xué)模式的算式,可構(gòu)建如下增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)“A”教學(xué)模式的算式:令學(xué)生使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)前的認(rèn)知為前認(rèn)知Ca,經(jīng)過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)后的認(rèn)知為后認(rèn)知Ca',前后認(rèn)知之間的認(rèn)知增量為△Ca,即Ca'=Ca+△Ca。令PAD上測(cè)試題目初始狀態(tài)為T,經(jīng)過(guò)學(xué)生作答后的狀態(tài)為T',T'相較于T的改變量為△T,即T'=T+△T。認(rèn)知內(nèi)隱在學(xué)生的大腦中,為不可見(jiàn)狀態(tài),但通過(guò)可見(jiàn)狀態(tài)的試題改變量可映射認(rèn)知,引入函數(shù)fa表示△Ca與△T的關(guān)系,即:△Ca=fa(△T)。設(shè)子試題的數(shù)量為k,每道子試題有其自身的改變量,設(shè)為△Tj,而每道試題對(duì)于整個(gè)試題有不同的影響度,即有不同的權(quán)值,設(shè)為ωj,則,
同“V”教學(xué)模式類似,在“A”教學(xué)模式中,通過(guò)研究可見(jiàn)的試題數(shù)據(jù)進(jìn)而研究不可見(jiàn)的認(rèn)知狀態(tài)。
3、評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合認(rèn)知
實(shí)施策略層面,虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式可促進(jìn)學(xué)生對(duì)該課程實(shí)踐和理論兩方面的認(rèn)知,而到底是遵循先理論后實(shí)踐還是提倡先實(shí)踐后理論,并無(wú)嚴(yán)格的規(guī)定,兩種實(shí)施策略都可在“VaA”教學(xué)模式中實(shí)現(xiàn)。
認(rèn)知結(jié)構(gòu)層面,經(jīng)過(guò)“VaA”教學(xué)模式學(xué)習(xí)的學(xué)生綜合認(rèn)知由理論認(rèn)知與實(shí)踐認(rèn)知兩者結(jié)合得到,不同課程對(duì)應(yīng)的理論認(rèn)知與實(shí)踐認(rèn)知在教學(xué)評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重應(yīng)體現(xiàn)出差異性。在側(cè)重于技能習(xí)得課程中,由“V”教學(xué)模式得到的實(shí)踐認(rèn)知應(yīng)占較大比例;反過(guò)來(lái)在偏重于理論建構(gòu)的課程中,由“A”教學(xué)模式得到的理論認(rèn)知?jiǎng)t應(yīng)占較大比例。對(duì)“V”與“A”教學(xué)模式各自所獲取的認(rèn)知按照權(quán)重進(jìn)行組合,得到的結(jié)果就是該學(xué)生本門課程所獲取的綜合認(rèn)知。
令學(xué)生通過(guò)“VaA”教學(xué)模式學(xué)習(xí)該課程后的綜合認(rèn)知為Cc',綜合認(rèn)知由“V”教學(xué)模式產(chǎn)生的認(rèn)知Cv',“A”教學(xué)模式產(chǎn)生的認(rèn)知Ca',以及各自的權(quán)值ωv、ωa組合而成,即:Cc'=ωvCv'+ωaCa'。將式(4)和式(8)的代入可得:
對(duì)綜合認(rèn)知進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià),便能得出學(xué)生在“VaA”教學(xué)模式中綜合學(xué)習(xí)效果。
4、教學(xué)設(shè)計(jì)案例
——以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修課程為例
未來(lái)課堂中的“VaA”教學(xué)模式包括較多的直觀感知和動(dòng)手實(shí)作,適合運(yùn)用到理論與實(shí)踐并重或更重視實(shí)踐的課程,如職業(yè)教育課程。相較于普通教育,職業(yè)教育更加注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)作能力,是一種以就業(yè)為導(dǎo)向的教育類型。因此,職業(yè)教育課程的教學(xué)設(shè)計(jì)必須重視理論聯(lián)系實(shí)際,使學(xué)生能夠盡快將理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際技能。但目前我國(guó)的職業(yè)教育現(xiàn)狀是由于受到經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地和安全因素等方面的制約,學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)相對(duì)較少,許多專業(yè)還是以理論學(xué)習(xí)為主,輔之以實(shí)踐操作 [24] 。而采用“VaA”教學(xué)模式的未來(lái)課堂突出特點(diǎn)就是注重理論與實(shí)踐相結(jié)合,能夠在一定程度上解決職業(yè)教育課程中理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作非均衡發(fā)展的困境。
職業(yè)教育課程設(shè)計(jì)中更多的采用情境教學(xué)法,建構(gòu)主義認(rèn)為,知識(shí)存在于情境性的、具體的、可感知的真實(shí)活動(dòng)中,它只能通過(guò)在實(shí)際情境中的真實(shí)活動(dòng)才能被理解,而不是脫離真實(shí)情境的一套獨(dú)立符號(hào)系統(tǒng),所以學(xué)習(xí)應(yīng)該與情境化的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合 [25] 。不可否認(rèn),職業(yè)學(xué)校的學(xué)生理論基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,但他們對(duì)于能夠動(dòng)手操作的實(shí)作課程興趣較濃厚,而使用情境教學(xué)法更加符合職校生的個(gè)性特點(diǎn)與發(fā)展規(guī)律,更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)可歸為情境教學(xué)法,因此,職業(yè)教育對(duì)于采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)提高教學(xué)活動(dòng)的績(jī)效應(yīng)該具有剛性需求 [26] 。
以中職學(xué)校汽修專業(yè)核心課程“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修(高教版)”為例,在該課程中,學(xué)生不僅要掌握汽車發(fā)動(dòng)機(jī)組成部件的理論知識(shí),更要獲得動(dòng)手拆卸、裝配、維修發(fā)動(dòng)機(jī)的初步技能。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是讓學(xué)生先以統(tǒng)一進(jìn)度學(xué)習(xí)書本上汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成部件的理論知識(shí),再到實(shí)際的汽修車間去動(dòng)手實(shí)作,這樣的教學(xué)模式忽視了學(xué)生差異化的知識(shí)消化速度,而且教學(xué)設(shè)備成本開(kāi)銷較高,還可能帶來(lái)安全方面的問(wèn)題。若采用“VaA”教學(xué)模式,既按照學(xué)生本身的特點(diǎn)實(shí)施自主學(xué)習(xí),又以模擬操作的方式降低了教學(xué)成本,更避免了可能產(chǎn)生的安全問(wèn)題。該課程實(shí)際的教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
從圖5可知,利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)配合循環(huán)屏技術(shù)使學(xué)生自主學(xué)習(xí)氣缸、活塞、連桿、曲軸和飛輪五大汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件的理論知識(shí),通過(guò)試題測(cè)試得出其在“A”教學(xué)模式下所獲取的認(rèn)知數(shù)據(jù);利用虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū)使學(xué)生能夠身臨其境的在虛擬車間實(shí)踐發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配與維修,通過(guò)數(shù)據(jù)收集分析設(shè)備得出其在“V”教學(xué)模式下獲取的認(rèn)知數(shù)據(jù)。然后利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)兩方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(由于本課程側(cè)重于使學(xué)生獲得真正動(dòng)手裝配維修發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際技能,所以“V”教學(xué)模式應(yīng)該特別受到重視,即“V”在綜合認(rèn)知中對(duì)應(yīng)的權(quán)值應(yīng)該更重),同時(shí)與未來(lái)課堂后臺(tái)的教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互(保存或提取),得出學(xué)生對(duì)本次汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修課程的綜合認(rèn)知獲取情況。從實(shí)施策略上看無(wú)論是先學(xué)后做還是先做后學(xué),均可利用此教學(xué)模式來(lái)達(dá)成目標(biāo)。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)類別如表2所示。
5、“VaA”教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)
未來(lái)課堂是一個(gè)不斷進(jìn)化的事物,每一階段的狀態(tài)都應(yīng)與當(dāng)前的教學(xué)發(fā)展相匹配,即始終處于反復(fù)迭代、螺旋上升的進(jìn)程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)同各行業(yè)的整合正快速增長(zhǎng),在教學(xué)中的應(yīng)用也開(kāi)始涌現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠使學(xué)生直觀感受并操控學(xué)習(xí)對(duì)象,從而獲取具身認(rèn)知,已被學(xué)術(shù)界所認(rèn)同 [27] 。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂環(huán)境中,構(gòu)建新型的“VaA”教學(xué)模式,勢(shì)必對(duì)未來(lái)課堂從物理層面到心理層面均會(huì)產(chǎn)生影響,而這種影響是具有一定進(jìn)步價(jià)值的。表3從空間架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、適用課程、教學(xué)模式、呈現(xiàn)效果、操控方式、評(píng)價(jià)對(duì)象和認(rèn)知獲取八個(gè)維度對(duì)采用“VaA”教學(xué)模式的未來(lái)課堂與未采用“VaA”教學(xué)模式的未來(lái)課堂進(jìn)行對(duì)比。
空間架構(gòu)方面,“VaA”未來(lái)課堂相較于非“VaA”未來(lái)課堂增設(shè)了體驗(yàn)區(qū),使VR體驗(yàn)式學(xué)習(xí)在空間上得以實(shí)現(xiàn);關(guān)鍵技術(shù)方面,非“VaA”未來(lái)課堂中多屏顯示、泛在網(wǎng)絡(luò)、智能感知等成熟技術(shù)可以繼續(xù)保留,增加VR和AR技術(shù),以達(dá)到“VaA”教學(xué)模式的需要;適用課程方面,非“VaA”未來(lái)課堂由于主要采用多屏聯(lián)動(dòng)的教學(xué)方式,適用于理論教學(xué)課程,而加入VR技術(shù)的“VaA”未來(lái)課堂,在繼續(xù)保持多屏聯(lián)動(dòng)教學(xué)方式外,還加入了虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)式教學(xué),既可適用于理論型課程,也可適用于實(shí)訓(xùn)型課程;教學(xué)模式方面,非“VaA”未來(lái)課堂中教師先對(duì)知識(shí)進(jìn)行多屏聯(lián)動(dòng)講解,再推送資源到學(xué)生PAD端,而“VaA”未來(lái)課堂則是學(xué)生利用PAD端二維碼掃描功能自主獲取并學(xué)習(xí)多屏上的AR資源內(nèi)容,或進(jìn)入VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬空間中進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí);教學(xué)對(duì)象呈現(xiàn)方面,非“VaA”未來(lái)課堂僅在學(xué)生PAD端屏幕上呈現(xiàn)對(duì)象模型,而“VaA”未來(lái)課堂則加入了VR虛擬環(huán)境下的立體呈現(xiàn)效果,使學(xué)習(xí)對(duì)象更具真實(shí)感;操控方面,非“VaA”未來(lái)課堂由于只使用PAD端,所以僅在PAD觸摸屏上使用手指的滑動(dòng)與點(diǎn)擊對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行操控,這與真實(shí)操控物體有很大的差距,而“VaA”未來(lái)課堂由于加入了VR技術(shù),所以能夠?qū)崿F(xiàn)沉浸式操控,使學(xué)生產(chǎn)生同操控真實(shí)物體相同或相近的感覺(jué);評(píng)價(jià)對(duì)象方面,非“VaA”未來(lái)課堂主要是對(duì)學(xué)生學(xué)科理論知識(shí)掌握程度進(jìn)行診斷評(píng)價(jià),而“VaA”未來(lái)課堂不僅對(duì)理論知識(shí)掌握程度進(jìn)行評(píng)價(jià),還利用VR的數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)技能掌握程度進(jìn)行評(píng)價(jià),使教師全面的了解學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)訓(xùn)技能綜合的掌握程度;認(rèn)知獲取方面,非“VaA”未來(lái)課堂采用PAD端學(xué)習(xí)知識(shí),此類知識(shí)產(chǎn)生離身認(rèn)知,而“VaA”未來(lái)課堂既可以使用PAD獲取離身認(rèn)知,也能夠利用VR技術(shù)獲取具身認(rèn)知。
從以上八個(gè)維度的對(duì)比可以看出,采用“VaA”教學(xué)模式的未來(lái)課堂進(jìn)行了多方面的改進(jìn),以期切實(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)力。
四、總結(jié)與展望
將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂,是對(duì)未來(lái)課堂從理論到實(shí)踐的一次提升,從未來(lái)課堂的技術(shù)環(huán)境上來(lái)說(shuō)引入了業(yè)界前沿的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),使未來(lái)課堂的技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠與時(shí)俱進(jìn);從未來(lái)課堂的教學(xué)模式上來(lái)看,加入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“VaA”教學(xué)模式使學(xué)生在課堂中參與到以前根本無(wú)法體驗(yàn)的教學(xué)情境中,獲得與真實(shí)情境中相差無(wú)幾的學(xué)習(xí)結(jié)果,從而豐富了未來(lái)課堂的教學(xué)模式研究。結(jié)合未來(lái)課堂的發(fā)展態(tài)勢(shì),對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更完善融入未來(lái)課堂提出以下建議:
(一)空間結(jié)構(gòu)方面——未來(lái)課堂中虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)空間的優(yōu)化
未來(lái)課堂中關(guān)于學(xué)習(xí)空間的研究主要針對(duì)在傳統(tǒng)的教室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)建更人性化更有效的新型學(xué)習(xí)空間,因此,未來(lái)課堂的空間面積通常來(lái)說(shuō)是有限的。由于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)區(qū)域是一個(gè)獨(dú)立的空間,那么怎樣在有限的空間內(nèi)劃分并構(gòu)建出獨(dú)立虛擬現(xiàn)實(shí)區(qū)域,是一個(gè)必須重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。在實(shí)際布置中,應(yīng)根據(jù)空間結(jié)構(gòu)和參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量來(lái)靈活調(diào)整虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)區(qū)域,調(diào)整的對(duì)象主要是區(qū)域面積和區(qū)域數(shù)量。如果虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)區(qū)布置在較大的室內(nèi),同時(shí)參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量較多,比如學(xué)生活動(dòng)中心,教學(xué)展示廳等,則可增加區(qū)域的面積和數(shù)量,使更多的學(xué)生體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng);如果布置在普通的教室內(nèi),參與體驗(yàn)的學(xué)生數(shù)量較少,則應(yīng)減少區(qū)域的面積和數(shù)量,使教室空間不至于過(guò)度擁擠。
(二)資源建設(shè)方面——設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)服務(wù)于教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源
每種教育技術(shù)都有其對(duì)應(yīng)的教學(xué)資源,設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出真正適合的教學(xué)資源一直是教育技術(shù)所關(guān)注的重點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身已經(jīng)逐漸走向成熟期,但到目前為止絕大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品都面向于非教育領(lǐng)域,使用頻率較高或質(zhì)量相對(duì)優(yōu)秀的產(chǎn)品主要集中在娛樂(lè)領(lǐng)域,如SONY公司針對(duì)PS4游戲機(jī)推出的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備PlayStationVR在全球熱賣,為其量身定作的VR游戲也層出不窮。從虛擬現(xiàn)實(shí)在娛樂(lè)等領(lǐng)域運(yùn)用廣泛來(lái)看,開(kāi)發(fā)出適用于教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源從技術(shù)層面是成熟的。但為何真正在教學(xué)上成功運(yùn)用的虛擬現(xiàn)實(shí)資源卻少之又少呢?很大的一個(gè)障礙就在于技術(shù)與教學(xué)的脫節(jié)。擁有虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)的軟件工程師們雖然精通算法、代碼等,但大多數(shù)對(duì)于教學(xué)的理論與實(shí)踐則是門外漢;而鉆研教學(xué)的教師、學(xué)者們大多數(shù)也對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)望而生嘆。技術(shù)與教學(xué)之間存在巨大的鴻溝,造成虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)遲遲不能較完善的運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐上。填補(bǔ)技術(shù)與教學(xué)之間的鴻溝,現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)可以采取技術(shù)工程師與教師學(xué)者組成一個(gè)團(tuán)隊(duì),圍繞同一個(gè)教學(xué)目標(biāo),發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢(shì),共同完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)資源的建設(shè)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,在高等院校教育技術(shù)專業(yè)開(kāi)設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)課程,培養(yǎng)既具備技術(shù)能力,又熟悉教育教學(xué)的高質(zhì)量相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)者才是解決這一問(wèn)題的根本途徑。
(三)發(fā)展路徑方面——在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中引入人工智能
人工智能(AI)是以人類智能活動(dòng)規(guī)律為研究出發(fā)點(diǎn),從而創(chuàng)造出具備人類某種智能行為的人工系統(tǒng) [28] 。人工智能的研究領(lǐng)域很廣泛,包括專家系統(tǒng)、問(wèn)題求解、自動(dòng)定理證明、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、機(jī)器人以及人工生命等諸多相關(guān)領(lǐng)域?;ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代,得益于廣泛存在的感知器、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、電子商務(wù)的發(fā)展以及社交平臺(tái)的全面開(kāi)花,使人工智能涌現(xiàn)出新的發(fā)展方向,如基于大數(shù)據(jù)的人工智能、互聯(lián)網(wǎng)群體智能、跨媒體智能、人機(jī)混合增強(qiáng)智能和自主智能系統(tǒng)等。在未來(lái)課堂中融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),肯定會(huì)產(chǎn)生大量的學(xué)習(xí)訓(xùn)練數(shù)據(jù),對(duì)于數(shù)量眾多類型復(fù)雜的各類數(shù)據(jù),引入大數(shù)據(jù)環(huán)境下的人工智能技術(shù),可以非常有效的提高處理速度和識(shí)別精度,如果采用聚類等人工智能算法,還可能揭示出隱藏在數(shù)據(jù)后面的未曾被注意到過(guò)的某些教學(xué)特性。而且,對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)本身可以運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法如BP算法、深度學(xué)習(xí)算法等,使其具備一定程度的學(xué)習(xí)能力,從而不斷提升系統(tǒng)性能。
綜上所述,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入未來(lái)課堂教學(xué)是未來(lái)課堂發(fā)展的必然趨勢(shì),對(duì)加強(qiáng)學(xué)生的理論認(rèn)知和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力都能夠起到積極的提升作用。而對(duì)于空間結(jié)構(gòu)尚需優(yōu)化、資源建設(shè)尚待完善以及如何更有效的引入人工智能等問(wèn)題將在后續(xù)研究解決。
本文系全國(guó)教育信息技術(shù)“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)課題“思維可視化技術(shù)與學(xué)科整合的理論和實(shí)踐研究”(項(xiàng)目編號(hào):116220539)的階段性研究成果。
作者簡(jiǎn)介:劉勉:講師,華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系在讀博士,研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、人工智能、教學(xué)行為模式。
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