教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统构建研究

郑敏希

（渤海大学政治与历史学院,辽宁锦州,121003）

教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统构建研究

郑敏希

（渤海大学政治与历史学院,辽宁锦州,121003）

教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统是对微格教学课堂模拟系统的整体升级换代，并将逐步成为21世纪教师教育专业培养中小学师资实践性教学技能的主流方式。从虚拟仿真课堂训练系统建设的原则、构成要素与设计样态等方面进行深入分析，积极推进虚拟仿真课堂训练系统的实践步伐，必将为我国教师教育专业走上科学化、系统化、集约化道路提供重要的技术支撑。

教师教育专业；虚拟仿真；课堂训练系统

随着教师教育专业化的深入发展, 改革师范生实践教学模式已成为高师教育改革的重要内容之一。为了提高中小学教师的培养质量，为中小学输送实践能力强，适应社会竞争的未来人民教师，建立一套行之有效的虚拟仿真课堂教学训练系统，强化实践性教学平台建设，已经成为教师教育专业改革的必然趋势。

1 微格教学在教师教育专业建设中的局限性

微格教学是当前国际上训练教师教学技能的一种培训方法和理论，它形成于美国20世纪60年代的教育改革运动，斯坦福大学的W.Allen等人在“角色扮演”教学方法的基础上，利用摄录像设备形成的。我国于20世纪80年代开始引入这种教学方法。由于计算机技术逐步成熟及数字化技术的长足发展，目前我国教师教育专业在教师实践性教学技能培养方面已经普遍采用了数字化教学技能训练系统。但与更为先进的虚拟仿真技术相比较，还是存在较大的差异和补足。

1.1 微格教学训练系统的封闭性

微格教学的基本特点就是“训练课题微型化，技能动作规范化，记录过程声像化，观摩评价及时化”。我们必须指出的是，即便微格教学可以实现观摩评价及时化，但这依然是在课堂教学之后才能实现的，而缺乏现场及时教学的情景化、交互性、对话性。传统微格教学或数字化微格教学模拟训练室一般由微格教室、评价教室和总控室组成。这本身就体现了该课堂模拟教学系统的封闭性。因此，需要有更为先进和现代的课堂仿真教学系统来加以超越和完善。但这并不代表微格教学训练系统已经可以投入历史的垃圾堆。在师范生早期实践教学训练中，微格教学训练系统依然具有不可替代的价值。

1.2 微格教学训练系统的单向度性

尽管有学者认为，传统微格教学可以在一定程度上实现升级转换，通过与慕课、翻转课堂、微课等新型的课堂教学形式进行对接，进而提高微格教学的实效性。[1]但是，这些改进措施依然没有改变人机之间的单向度性。在具体实施教学环节时，主讲者只是单方面授课，录像机进行实录。事后，主讲者才能得到相关的授课实况录像，在自己的媒体设备中重播，才可以发现教学过程中所存在的问题。目前的微格教学系统是不能给予课堂及时反馈，因此主讲者只是被动的、单向度地传授知识，很难在线反思自己的教学。

1.3 微格教学系统的非交互性

正如上面所述，微格教学训练系统的单向度性、封闭性也决定了该系统的非交互性。通过下图我们不难看出，尽管数字化微格教学系统比传统微格教学系统先进很多。例如在硬盘存储、网络点播、多媒体介入、积累起来的素材库以及网络案例库点播等方面都有了长足改建和升级，但是该系统的关键问题依然没有解决，即系统本身的动态性和主体交互性。具体地说，包括人—机交互性、师—生交互性、生—生交互性。

功 能传统微格教室数字化微格教学训练实验室录像方式磁带录像磁带录像＋硬盘录像回放方式磁带回放磁带回放＋网络点播教学手段粉笔＋黑板粉笔＋黑板＋多媒体教学资源无中学教学素材库案例教学教师播放录像带网络案例库点播

2 教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统开发的基本原则

虚拟仿真技术所带来的身临其境的神奇效应正渗透到各行各业，成为近年来国际科技界关注的一个热点。它是建立在计算机图形学、人机接口技术、传感技术和人工智能等学科基础上的综合性极强的高新信息技术，在军事、医学、教育等诸多领域都得到了广泛的应用，被认为是21世纪大有发展前途的科学技术领域。

Virtual 就是虚假的意思，Reality 就是真实的意思，合并起来就是虚拟现实。所以，Virtual reality 一词翻译成中文即“虚拟现实”、“虚拟仿真”、“虚拟真实”。也就是说原本不存在的事物和环境，通过当代各种技术手段而虚构出来，让我们感觉身临其境，获得与真实事件、真实物体、真实环境一样效果。正如有学者指出，“大学的教师教育课程应该进行相应改革，开发师范生的‘实践性知识库’”。[2]而虚拟仿真课堂教学训练系统的发展恰恰是养成师范生实践性知识的重要途径之一。

2.1 虚拟仿真课堂训练系统的真实性

虚拟仿真系统的基本特征就是“逼真”。电视的空间是二维空间而不是现实世界的三维空间，电视的所谓“立体声”效果也不同于现实世界的声音的立体特征。而虚拟仿真系统所强调的视觉空间、视觉形象以及音响效果都是三维的。二维与三维的视觉形象有本质的区分：在一个二维屏幕上看三维的图像就如同从一个玻璃船底看下面的海水，这时感到自己还是在船上，处于三维环境的边缘，从它的边缘看这个世界的深处。而在一个立体的“屏幕”里看一个视觉世界就像是在潜水。通过一个电脑化的手套来操纵一个三维显示器，我们进入到虚拟现实的多重感觉的世界中。对于师范生而言，在一个虚拟仿真课堂教学系统中，就如在一个坐满了中小学学生的真实教师中，他可以展示真实教学的全景。师生交流、个案分析，提问对话等教学情境都可以在该系统中得以真实地实现。从而保证了师范生实践教学的经验性、情境性、情景性。

2.2 虚拟仿真课堂训练系统的人机交互性

在虚拟仿真课堂教学系统中，师范生可以直接控制对象的各种参数，如：课堂提问、学生的反馈、教学进程、教学时间的分配等，而系统也可以向参与实践教学的师范生反馈信息，如：学生回答问题的正确率、学生对教学的满意度、学生对教学重点难点的反馈程度等。在虚拟仿真系统中，视觉无疑是最主要和最常用的交互手段。因为观察点是在观察者的眼睛上，这样，观察者就可以得到与在真实世界中同样的感受。随着图像的变化，再配以适当的音响效果，就可以使人们有身临其境的感受。但是，当人们希望用手来触摸虚拟模型，或用手直接对虚拟模型进行操作时，只是视觉和听觉就无能为力了，因而需要研制和开发具有触觉功能的交互手段，也就是具有"力反馈"功能的装置。它可以对使用者的输入（如手势，语言命令）做出响应。

2.3 虚拟仿真课堂训练系统的开放性

该系统在教师教育专业的实践性教学应用中体现了广泛的开放性特点。首先，该系统对真实的中小学课堂教学的开放性。大量的课堂教学资源经过选择而形成的优质教学资源进入到虚拟模拟系统的数据库，可以为师范生提供鲜活的案例教学范例。其次，该系统与网络平台进行对接，实现其开放性。在大数据时代，计算机和网络资源为系统而深入研究教师的教学风格、教学规律、教学技术、教学素养提供了基础性素材。经过与网络资源的对接，虚拟仿真系统可以为教师专业成长提供个性化、差异化、时代性的资源和信息。第三，该系统对师范生、教师自己的发展体现了开放性。由于系统本身由不同的资源数据库构成，因而针对不同发展阶段、不同学科特点和不同个性化需求的教师、师范生都可以提供个性化实践教学服务。

3 教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统的构成要素

教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一，并利用人机交互设备，把师范生自身与计算机系统生成的三维虚拟环境合成，是高校教师、师范生群体利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境。师范生通过人机交互设备，把实践性教学环节以自然的方式（例如提问、讨论等）向计算机送入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及触觉等多种感知获得三维感觉世界。

教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统的主要构成要素有以下6种：

（1）3D立体眼镜。立体眼镜是用于3D模拟场景VR效果的观察装置，它利用液晶光阀高速切换左右眼图像原理，有有线和无线之分，可支持逐行和隔行立体显示观察，也可用无线眼镜进行多人团体VR效果观察，是目前最为流行和经济适用的VR观察设备。

（2）数据手套。数据手套是虚拟现实应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3DVR场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3D VR或视景仿真软件环境中。

（3）三维空间交互球。三维空间交互球是虚拟现实应用中的另一重要的交互设备，用于六个自由度VR场景的模拟交互，可从不同的角度和方位对三维物体观察、浏览、操纵；也可作为3D Mouse来使用；并可与数据手套或立体眼镜结合使用，作为跟踪定位器。也可单独用于CAD/CAM，(Pro/E、UG)。

（4）位置跟踪器。三维空间跟踪定位器是VR系统中用于空间跟踪定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置，操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由之分。

（5）头盔显示器。头盔显示器（又称数据头盔或数字头盔）是虚拟现实应用中的3DVR图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接受来自主机的3DVR图形信号。使用方式为头戴式，辅以空间跟踪定位器可进行VR输出效果观察，同时观察者可做空间上的自由移动，如；自由行走、旋转等，VR效果非常好，沉浸感极强，在VR效果的观察设备中，头盔显示器的沉浸感优于立体眼镜。

(6)力反馈器。力反馈器是VR研究中的一种重要的设备，该设备能使参与者实现虚拟环境中除视觉、听觉之外的第三感觉——触觉和力感，进一步增强虚拟环境的交互性，从而真正体会到虚拟世界中的交互真实感，该设备广泛应用于虚拟医疗、虚拟装配等诸多领域。

4 教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统的设计样态

事实上，教师教育虚拟仿真课堂训练系统就是要创建一个酷似真实中小学课堂环境又超越客观时空，能沉浸在无人的教室、课堂中，又能产生真实课堂教学效果的和谐人机环境，也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。它的应用能再现实验过程,为学生提供生动、逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点;它能使抽象的概念、理论直观化、形象化,方便学生对抽象概念的理解。[3]

该系统基于高速互联的网络，具备有系统管理模块、个人工作室模块、课程设置模块、教案及资源库模块、虚拟教室模块、课堂（记录）备份模块、交流反馈模块、在线指导模块等功能模块组成。

(1)系统管理模块

该模块主要有系统设置、用户管理、课程管理、教室设置、资源管理、课堂记录管理、交流论坛管理等功能。其中，用户群为：管理员、指导教师、实习教师和虚拟学生。

（2） 个人工作室模块

该模块主要供学生使用，该模块主要有个人资料修改、个人日志、个人资源、文摘搜集、好友链接、备课系统、课件库等功能。注册的学生有“实习教师”和“学生”两种身份，做为教师，他（她）可以进行“教育叙事”的日志撰写，做为学生，又可以进行“观后感”的记录和反思。

（3） 课程设置模块

这个模块主要是规划网站内部所有的课程，按照年级进行分类安排，实现增加、修改和删除等。

（4） 教案及资源库模块

该模块提供一个强大的在线教案编辑平台，同时提供“教学设计”等相关的理论指导和优秀案例，让实习教师能够在线完成教案的写作；同时，该编辑平台可是实现在线协作的教案撰写模式。

（5） 虚拟教室模块虚拟教室是本构想中最重要的模块，在该模块中，采用UDD模式用摄像头将“实习教师”的活动图像展现的“讲台”前面，教师可以声画同步的进行讲授，通过点击虚拟学生，进行交互式提问，而在座的学生中，在线的可以彩色显示，不在线的灰色显示，通过发言、举手等动作与教师进行交流。

（6） 课堂（记录）备份模块

每堂课讲完后，系统讲通过对话框与实习教师进行对话设置，并保存全部或者部分的讲课记录，这些记录将被所有注册的指导教师和学生随时提取观看。

（7） 交流反馈模块

该模块主要采用实时和非实时的方式进行交流，如在线会议室（聊天室）和BBS论坛等方法，实习教师可以通过在线与指导教师进行会谈，也可以随时在BBS上面发表帖子，寻求某个问题的帮助等。

（8） 在线指导模块

这是指导教师能够在该模块中针对学生的提问进行解答，或者将一些优秀的课堂教学案例进行推荐，在观看学生的讲课后及时将反馈意见发布，也可以将学生的讲课情况进行打分等。

在上述的功能模块的基础上，逐步构建起校内分布式社群，实习学生分配特定的账号和密码登录系统后，可以选择“实习教师”和“班级学生”的身份进入社区，作为“实习教师”身份，他（她）可以选课、选班级根据系统安排进入到“教室”中进行上课。

5 结束语

目前，虚拟仿真课堂教学系统已经进入实际应用阶段。但是由于该系统的整体造价较高，因而在国内高校的教师教育专业建设中普及性较差。不过，随着我国高校启动虚拟仿真实验室建设工程以来， 相信越来越多的高校将会逐步建设教师教育专业虚拟仿真课堂训练系统，进而有效提高中小学教师的整体质量。

[1]王华蓉.关于微格教学的思考[J].宁波大学学报（教育科学版）,2015（03）:112-115.

[2]陈向明等.搭建实践与理论之桥——教师实践性知识研究[M].北京:教育科学出版社,2011.236.

[3]黄元南.虚拟实验室设计技术与应用探析[J].中国科技信息,2005(14): 90-91.

Reserch on the Virtual Classroom Training Simulation System of Teacher Education Specialty

Zheng Minxi
(Bohai university institute of politics and history Jinzhou,Liaoning province,121003)

The virtual classroom training simulation system of teacher education specialty is the whole upgrade of the micro-standard teaching simulation system,and in the 21st century,it will become the mainstream of the teacher education specialty in training primary and middle school teachers' practical teaching skills.This paper makes a analysis of the principle、components and design of the virtual classroom training simulation system,and to promote the practice.In a word ,it is bound to provides important technical support to make the teacher education specialty become scientific、systematic and intensive.

teacher education specialty;virtual simulation;classroom training system

TP315

A

郑敏希（1984-），女，福建福州人，渤海大学政治与历史学院讲师，哲学博士，研究方向为教师教育、教育哲学等。

2014年度辽宁省社会科学规划基金重点项目“公共教育内涵的后现代哲学思考”[NO.L14AZX002]。