基于虚拟现实技术的虚拟教学系统设计探究

杨旭超

摘 要： 虚拟现实的教育特性包括多感知性、交互性、沉浸性以及构想性。虚拟教学系统的设计：①由先进教育学习理念作指导；②充分发挥虚拟现实技术，对场景、课堂、实验、角色、情境进行虚拟设计，打造虚拟感知教学系统；③必须结合有效的教学策略，如运用案例学习、情境学习、协作学习、自主学习、探索学习等学习策略，允许学生以角色的身份，体验虚拟的自然现象及事物的演变过程，支持学生学习、探索和发现。

关键词： 虚拟现实技术； 虚拟教学系统； 感知； 交互； 沉浸

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）12-72-03

Research on the design of virtual teaching system based on virtual reality technology

Yang Xuchao

Abstract： The educational characteristics of virtual reality include multi-perception， interactivity， immersion and imagination. To design the virtual reality system， the advanced education idea should be taken as the guidance， a virtual perceptive teaching system should be built by giving full play to the virtual reality technology， to design the virtualized scene， classroom， experiment， roles and situation， and the student should be allowed as a role to experience the virtualized natural phenomena and process of things evolution， so as to support student learning， exploration and discovery.

Key words： virtual reality technology； virtual teaching system； perception； interaction； immersion

0 引言

虚拟现实（Virtual Reality简称VR）是近年来的一个研究热点。

1965年，有“VR之父”之称的计算机图形学创始人Ivan Sutherland，曾在IFIP会议上做了题为“The Ultimate Display”的报告，第一次提出了虚拟现实的概念[1]。这一提法对“虚拟现实技术”来说，具有里程碑的意义。

1989年，美国的VPL公司宣布完成虚拟现实系统RB-2（Reality Built for2），VPL公司的创始人Jaron Lanier正式提出了“虚拟现实”一词，从此进入虚拟现实阶段[7]。

从上世纪90年代至今，“VR”进入全面发展阶段，并开始在各领域绽放异彩，从而，逐渐走向实际应用[6]。近年来，VR技术的应用领域十分广泛。VR应用到教育领域中，既是虚拟现实自身发展的需要，也是教育发展的需要。

虚拟现实教育特性归纳为四重性即：多感知性、交互性、沉浸性以及构想性[4]。

VR的教育应用价值是，可以建立虚拟的学习课堂，把相应知识进行情景化设计，形象直观地展现在学生面前，允许学生以角色的身份，“身临其境”地去体验类真实生活中无法观察到的自然现象、或事物的变化过程。学生沉浸在这样的虚拟现实学习环境中，通过多层次的感知，获得类似真实的体验效果，全方位地获取信息，主动自然地对知识进行认知和建构，在沉浸于探索活动之时，跳一跳，摘到果子。

1 虚拟教学系统的设计原则

教育是一个复杂的系统工程，作为一个结构完整的虚拟教学系统设计，教育性是根本属性、此外还必须兼顾知识性、计算机虚拟技术特性、科学性与艺术性等方面。因此，虚拟教学系统设计必须遵循以下原则。

⑴ 运用先进教育学习理论作指导的设计原则

在教育理论体系中，学习理论经历了由行为主义到认知主义、认知主义到建构主义、又由建构主义到情境认知与情境学习理论的演变和发展过程。这些学习理论都在不同的时期指导了CAI写作，并成为CAI发展不可或缺的重要推手。

本研究课题其本质是教育性，核心是教育创新。因此，虚拟教学系统的设计必须要有教育学习理论做指导，否则系统的设计也就成了无源之水，无本之木，系统也就缺少了教育的属性。

通过对教育学习理论的分析，吸取其中对课件写作有益的经验，指导课件写作实践，可以使虚拟教学系统的设计更符合教育规律。

⑵ 人机交互界面设计的原则

交互性是VR在教学上最有价值的应用。对于一个好的虚拟教学系统来说，人机交互设计很关键，虚拟现实教育的多感知性、沉浸性以及构想性就是要通过人机的有效交互产生效果，学生的参与、学生的“角色”扮演，学生的体验都必须获得交互性的支持。

在进行虚拟教学系统设计时，要考虑界面的可视化、一致性、简洁性、易用性、直观性、可控性和及时响应等原则，充分考虑到要适应学生的心理与情感需要；要适应学生的生理特征、行为特征等，把系统的交互设计看作是教学设计的最重要内容之一。

⑶ 虚拟现实四重性原则

基于VR建构的教学系统，在于通过感官刺激，使学生沉浸于虚拟教学系统中，体验逼真的情境教学并主动动脑动手参与交互，以达到高效学习和提高技能。

⑷ 功能模块化，提高复用性原则

系统的模块化设计，考虑学生的个性化需求，允许定制学生适合的学习内容。

2 虚拟教学系统的指导思想

在教育的理论体系中，行为主义学习理论、认知主义学习理论、情景认知理论、建构主义学习理论以及远程学习的交互理论都曾不同程度地指导着CAI写作。

⑴ 行为主义把学习看做是由刺激与反应（即“S—R”）形成的联接。曾指导了早期的CAI写作；另外，程序教学的小步子策略至今仍深刻地影响着CAI写作。

⑵ 认知主义对CAI的启示是：要以学生为本，从学生的内外因素两个方面来创设课件情境，外因提供刺激，驱动内因去认知知识，课件情境的设计就必须考虑学生的认知特点，必须要将知识性与趣味性相结合，以激发其好奇心和发现欲，诱发其质疑、猜想和认知、激发学生的学习兴趣。

⑶ 建构主义理论强调学习的主动性、社会性和情境性。因而，“情境”、“协作”、“会话”、“意义建构”构成了建构主义的四大要素。对CAI的启示是： 学习要在一定的情境中，通过协作活动和会话交流而建构意义。

⑷ 情境认知与学习理论更加强调情境对于学习的重要性。认为知识具有情境性，学习是基于社会情境的一种活动，知识的意义不能脱离具体的情境产生[8]。因而要通过设置真实的实验环境（基于工作岗位的、基于知识内涵的）、或借助计算机信息技术设计的虚拟情境，来提高学习的有效性，并保证知识向真实情境的迁移。

可见，VR的教育应用与教育学习理念的精华是相一致的；设计适合学生学习的虚拟现实学习场景、创建情境化教学平台，是虚拟教学系统教学设计的主要形式。教学设计要强调参与者的交互性与沉浸感，以有效提高学生学习的主动性，进行更好的知识建构。

3 系统教学功能的虚拟设计

⑴ 虚拟课堂的设计

对课堂场景的虚拟设计，使教学脱离传统的学习场所，突破了时空的限制，学生可以自由自在地在虚拟课堂中学习，犹如沉浸在真实课堂一样，让教学变得轻松而实效。

⑵ 虚拟实验的设计

设计和建立虚拟实验室，是一种高效而且新颖的实验方式，不仅可以避免实验自身存在的安全隐患，而且可以节约实验成本，不用顾虑实验条件、环境和时空上的限制，学生可以随时随地地完成实验内容。

⑶ 技能训练功能模块的设计

VR的沉浸性和交互性，允许学生以角色的身份参与到虚拟的学习环境中，去尝试和体验情境学习活动，这非常有利于学生的技能训练。例如汽车维修的虚拟技能训练、电器维修技能训练等职业技能的训练，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。

⑷ 虚拟情境设计

应该说，最理想的学习是发生在真实情境下的学习，但客观地说，真实情境的学习条件可遇而不可求。因而，对情境进行虚拟设计就是现实的选择了。

在虚拟教学系统中，创设与现实情境相类似的高度逼真的虚拟学习情境，代替书本描述或代替抽象语言的描述，使教学的过程与现实的问题解决过程相类似，有利于刺激学生的感知、沉浸与构想，从而使得学习有效发生。

⑸ 虚拟角色的设计

虚拟角色支持学生成为学习活动的“角色扮演者”，学习的过程则是角色参与的活动过程。教学情境的创设应营造一个利于“角色”主动探索的学习共同体和实践共同体，支撑知识的社会协作性建构。角色扮演者在虚拟的情境中，可以身临其境的体验情境化的教学。可以自由地、主动地与虚拟对象进行交互，通过协作活动和会话交流而建构意义，符合建构主义理论的学习理念。

4 虚拟教学系统的教学策略设计

4.1 案例学习策略的设计

案例教学，既是针对一个真实事件的再现与思考，也是对这一典型事例的反思与探讨。案例制作的原则有以下。

⑴ 案例设计要突出主题、把握主线，要保持案例真实性、典型性、完整性、趣味性原则，阐明事件发生的时间、地点、背景，注意处理好事件中的一些戏剧性的突变，使得案例直观明了、富有悬念，能有效地反映出事件发生的特定教育背景，并能给予启示。

⑵ 感知性、沉浸性原则，可以使学生亲身体验和感悟现实中的真实问题。

⑶ 案例设计应能提出关键问题，且能提出有效的解决办法、及提供对这种解决问题方法的评价，以便为新的决策提供参照点。

案例教学是开启学生思维大门的钥匙，也是发展技能的重要渠道。好的案例无疑可促使学生更快地适应工作情景的挑战。有利于培养学生分析问题解决问题的能力。

4.2 情境学习策略设计

情境化是虚拟现实特性在教学上的最有价值的又一体现。

在逼真情境认知环境下的虚拟教学系统的学习过程，也被称为情境性教学，通常通过借助“VR”技术进行虚拟学习情境设计来实现。

情境的模拟或基于真实工作岗位、或基于知识的本质内涵要求，是学生获取知识，理解知识并基于一定的社会文化情境建构意义的最佳环境。

4.3 协作学习策略设计

“协作”是建构主义学习理论的要素之一。“协作学习”可以使得学生在一定的情境中，通过协作活动和会话交流活动中而建构意义。因而对教学具有独特的应用意义。

合作、交互、角色参与、信息共享和活动共享是实现“协作学习”的重要渠道。因此，在虚拟学习设计中，必须提供以上活动的机制，提供在线的网络对话、学习论坛、共享白板及电子邮件、留言板等交互方式。

4.4 自主学习策略设计

自主学习（autonomous learning）指学生自主选择学习内容、学习方法、学习的监控、评价学习结果的过程。自主学习强调学生的主体性和学习能动性，教师则是教学活动的组织者、参与者和指导者。

基于VR的网络教育创设的是一个开放的学习环境，学生可以在虚拟世界中自由翱翔，最大程度的发挥学习者的自主性，通过自己的探究活动和与其他学习者的协作学习来建构知识。

4.5 探索学习策略设计

利用VR技术可以对各种教学内容的假设对象进行虚拟构建，所呈现的结果应能直观生动地揭示规律，或给予的启示。例如，在化学虚拟试验中，学生可根据假设，进行不同分子的组合，通过对虚拟的结果进行探索式的研究，很有可能得出新的发现，有利于培养学生的创造性思维和能力。

5 结束语

利用VR技术，可以对学习场景、角色、情境等进行虚拟设计，结合各种有效的学习策略，有力地支持学生学习、探索和发现。

虚拟教学系统虽然是教学的辅助工具，但为教育提供了一种全新的思想方法和教育手段，它将促使教育形态、教育环境、教学过程的基本要素及相互关系发生重大变革。

参考文献（Reference）：

[1] 宗光华.高层建筑擦窗机器人[J].机器人技术与应用，

1998.72（4）：20

[2] 赵沁平教授谈虚拟现实技术的应用前景[EB/OL].http：//

www.vrvchina.com/News/Html/News7.Hun

[3] 张翰峰.第二代WWW标准语言VRML PC WORLD

CHINA，1999.7-9期.

[4] 黄鑫.基于VR技术的虚拟教学应用研究[D].华中师范大学，

2005.

[5] 曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海交通大学出版社1997.

[6] 张倩苇.虚拟现实技术与教育[J].电化教育研究，1998.2：

29-32

[7] 徐大敏.于兆勤.郭钟宁.虚拟现实技术及其应用与展望[J].机

床与液压，2006.7：35-36，79

[8] 陈世友.陈新民.试论网络学习中的教学情境建构[J].南京广

播电视大学学报，2008.4：68-70