基于VR技术的翻转课堂模式在教育实践类课程中的应用

颜晓 熊江波 吴建富 卢志红 周春火

[摘 要]随着教育信息化的发展和教育理念的不断创新，VR技术（Virtual reality technology）和翻转课堂教学模式被广泛应用于教育领域。将VR技术与翻转课堂相结合，是对当前翻转课堂教学模式不足的有利补充，更带来了实践类课程教学的革命性创新。将基于VR技术的翻转课堂教学模式应用于实验课程中，可从课前教学活动的设计、课堂教学活动设计、课后教学反思三个层面进行构建。未来依托于VR系统平台建设，辅助实践类课程教学，应坚持“能实不虚、虚实结合、相互补充”的原则，这样才能提高实践教学效率，培养高素质的新时代人才。

[关键词]VR技术;翻转课堂;实验教学;教学模式

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）11-0085-03

随着现代信息技术的不断发展，教育教学方式和手段得以不断更新。从远程教育、网络教育到现在的“互联网+教育”，网络教学平台的搭建，促进了教学理念和教学模式的创新[1-2]，课堂教学由传统的以“教师讲授”为主的模式到现在大力提倡的基于建构主义理论的翻转课堂模式。翻转课堂是一种新型的教学模式，它将传统课堂教学内容制作成教学视频，并提供给学生课前观看，课堂上则组织学生进行问题讨论和答疑辅导等活动[3]。其最初起源于美国，2011年可汗学院创立后，迅速成为全球教育界关注的教学模式。各高校借助于网络教学平台，相继开设了各专业的精品课程、微课、慕课等视频公开课，供学生在课下选课学习，课堂上以问题为主导的讨论互动。这种基于“互联网+”的翻转课堂教学模式兼顾了移动互联网时代学生的学习特点和学习兴趣，激发了学生学习的积极性，很快成为当前较为流行和被认可的新型教學模式[4]。

一、翻转课堂模式在教育实践类课程中的应用

大学实验实习类课程是本科教育的重要组成部分，其对于理工农医科的学生来说尤为重要，是学生对理论知识学习的延伸与内化，在提升学生动手实践与认知能力的同时，可培养学生的科研素养和创新能力。传统的实验课堂教学是由教师讲授实验原理及步骤，然后学生动手实操。在有限的或不充足的实验学时内，大量的时间用于教师的课堂讲授，留给学生思考和动手操作的时间太少;单一枯燥的课堂讲授，提不起学生的学习兴趣，学生只能接受被动的知识灌输，教学效果欠佳。另外，由于学生人数较多，大型实验仪器配备相对不足，实验过程中经常是学生观摩，教师或个别学生上机操作演示。一次实验课完成后，学生对实验仪器运行原理及如何操作掌握不够牢靠。而翻转课堂应用于实验教学，学生可在课前通过视频自学，课上有充足时间进行动手实操和问题答疑，充分解决了实验课程学时相对不足的问题。另外，视频知识点学习不受时空限制可反复观看，符合学生的个性化差异学习需求，这在一定程度上可提升其学习效率。

目前，翻转课堂教学模式在教育实践类课程中的应用探索研究也有不少。研究者分别在微生物污水处理综合性实验、工程实验教学、矿物岩石实验课程、医学机能学实验、仪器分析实验、金属材料工程生产实习等实践课程中进行了翻转课堂运用的模块设计和可行性分析[4-9]，但进行实证案例应用研究的较少。王艳霞等[10]和吴明彩等[11]分别将翻转课堂应用于病理实验课、生物化学实验课教学中，通过设置实验组和对照组，从作业成绩、考核成绩及问卷调查等方面探讨了翻转课堂的教学效果，结果均表明，翻转课堂教学模式激发了学生的学习兴趣，调动了学生学习的积极性和主动性，锻炼了学生自主获取知识的能力、沟通交流能力及实践操作能力，提高了实验课程的教学质量。但是，基于微课视频的翻转课堂模式，还是不能有效解决实验设备不足与学生数量之间的矛盾，多数学生对大型仪器设备操作只能观摩，不能实操。

二、VR技术在教育实践类课程中的应用

VR技术（Virtual reality technology），即虚拟现实或虚拟仿真技术，是一种依靠计算机来创建虚拟世界并且与之进行人机交互的计算机技术。它用计算机生成动态的三维立体画面实现对环境的模拟，使人产生一种身临其境的感觉。VR技术最早被应用于军事、航天等领域，随着科技的发展，已成为21世纪最重要的信息技术。目前，已有一些VR技术应用于教育领域的研究。VR技术因其独具的构想性、沉浸性和交互性等特点，与二维图片或视频教学相比，在教育实践类课程中应用有其独特的优势。比如中国农业大学的植物生长与田间管理虚拟仿真教学系统，实现了小麦、番茄和葡萄三种作物的生长过程模拟、生长发育期主要农事操作、杂交等过程的三维演示等功能，可交互点击，学生通过计算机在几分钟时间内就可以通过虚拟仿真系统真实立体地观摩作物的整个生长过程，并可以在这个虚拟环境中亲自进行农事操作[12]。尽管视频教学也能有效解决植物生长周期长，学生实习观测受时间、空间、天气因素等限制的问题，但二维的视频教学始终还是“讲授式”或“灌输式”教学，学生缺乏参与感。而VR技术以学生为主导，可以在虚拟的环境中通过人机交互，输出自己的构想，观摩情境的发生，有真实的体验与参与，真正实现以“学生为主体”的教学模式。再如，在土壤地理学野外实习中，要研究土壤的垂直地带性分布，即要观测一座山体，从山脚到山顶的土壤类型变化。VR技术不仅可以满足学生反复观摩，学习不受时空限制，节省野外实习交通、住宿成本等问题，还能使学生在虚拟情境中，有真正的爬山、触摸土壤的感受，身临其境的参与感与主导意识，可极大地提升学生学习的自主性及学习兴趣。同样，VR技术的沉浸性和交互性特点，也可有效化解化学实验教学中贵重大型仪器与学生数量之间的矛盾，实现每个学生都能上机实操的愿望。

近年来，VR技术应用于教育实践类课程教学的研究逐年增多。2015年教育部遴选出了100个国家级虚拟仿真实验教学中心[13]，自此虚拟仿真实验教学平台申报和遴选数量也逐年增加。VR技术因其独特优势，参与到实践教学中将成为一种趋势。

三、基于VR技术的翻转课堂教学模式构建

将VR技术与翻转课堂相结合，是对当前翻转课堂教学模式不足的有利补充，其带来了实践类课程教学的革命性创新。将基于VR技术的翻转课堂教学模式应用于实验课程中，可从以下三个层面进行构建。

（一）课前教学活动的设计

依据教学目标，教师将教学内容制作成若干个微课视频或VR片段，并布置适当预习任务，连同与教学内容有关的其他资源，如教学课件、习题测验、电子教材等放置到网络教学平台上，或以其他方式，如班级QQ群或微信群推送给学生，供课前学生自主学习使用。学生可通过PC、智能手机、平板电脑等设备在线观看视频或通过VR平台自主体验，尝试消化理解教学内容，必要时可通过习题测验来加强和检验知识掌握情况。对于难以掌握的内容，可以求助网络解决，或者做好记录，与教师和同学在课堂上交流讨论。

在实验课开课之前，可预先将学生进行分组，根据实验室操作空间情况，设每2—3人一组。在实验课前，学生自学阶段，对难以掌握的内容可以进行小组内交流和讨论，同时也可生生间互相督促自主学习的进度。

（二）课堂教学活动设计

1. 课堂开始前10分钟，学生静心回顾课前自主学习的内容。在回顾过程中，让学生明确本节课的学习任务和目标。同时，教师利用多媒体PPT展示本节课的实验原理及步骤。

2. 课堂第10—25分钟，小组讨论与答疑。教师根据学生观看视频过程中遇到的疑问和测验情况提炼出需要核心探讨的问题，然后组织学生进行独立探究和小组内协作讨论。之后，交流成果，对本次教学活动进行评价和反馈，至此学生完成了新知识的内化。

具体流程为：教师提问→学生组内讨论和总结→分组抢答→教师讲解与评价。采用任务驱动法提出问题，学生分组抢答环节，采用分组记分制，即十分制记分;经小组讨论后，以小组为单位解答课堂问题，根据解答情况予以小组间差异记分，小组内每人同等记分。

以任务驱动的自主学习，提升了学生学习的主观能动性，培养了学生独立思考的能力。组内讨论和分组记分制抢答，活跃了课堂气氛，调动了学生的学习兴趣，能体现师生、生生互动，还能培养学生的团队协作、归纳总结能力。

3. 课堂第25—40分钟，实验原理及步骤介绍。课堂上用少量时间，简单介绍实验原理和步骤。或视学生课前自主学习效果，可播放微视频。此阶段，学生课前已完成了自主学习，教师则侧重于讲授在微视频、VR平台及课件等学习资料上未涉及的一些内容或注意事项，或者是重点、难点的强化。

4. 课堂第40—90分钟，学生实验操作与答疑。预留大量的课堂时间来让学生亲自动手操作。学生在进行实验的过程中，可能会遇到一些实际操作问题，教师要及时进行一对一操作演示或辅导。

受实验室空间及实验用具限制，实验课往往需要将学生进行分组，每2—3人一组，每组负责一个样品的处理和测定。在实验过程中，采用学生自主记分制，即十分制记分，若小组有3人，则分别按10分、5分、0分打分，对实验过程中积极动手操作的记10分，积极程度稍差的记5分，积极程度最差的记0分;课程完成后按比例计入平时成绩。由于学生个性及学习主观能动性的差异，学生自主记分制的实施，可以有效地调动每个学生参与实验的动手积极性。

5. 课堂第90—100分钟，归纳总结。在学生实验操作的过程中，发现并提出很多问题。这些问题往往就是实验成功所需要注意的关键点。针对这些问题在进行一对一解答之后，将这些问题归纳总结，在课堂上讲授与强调。

6. 课后学生撰写实验报告，及时提交至网络教学平台，教师批阅，可在线交流点评。

（三）课后教学反思

教师对教学活动过程中遇到的问题以及实际教学效果进行总结和反思，并形成改进方案，对微课、VR平台以及相关资源进行完善和补充。

选定试验班级，分别设定对照组和试验组。在实施基于VR技术的翻转课堂教学模式一学年后，针对实际教学效果、学生对此教学模式的认可度等问题进行问卷调查，根据学生反馈，及时修正改进实施方案。

四、研究展望

目前，国内VR技术应用于教学只是在极少数学校试用，尚处于起步阶段，还未形成一种普遍的、便捷的教学手段。尽管已有一些关于VR技术和翻转课堂应用于教学的文献研究，但大都是从理论层面探讨其应用的优势与可行性，缺少实证案例研究和强有力的数据支撑。VR系统的设计、建模与研发需要学科专业教师与专业VR软件公司技术人员的通力合作，同时也需要大量的资金投入。另外，新型信息技术融入教学，对教师教学理念的转变、教学手段和水平的提高提出了更高的要求。随着科学技术的发展，VR技术融入课堂教学，无疑是未来教育信息化的主流趋势。未来依托于VR系统平台建设，辅助实践类课程教学，应坚持“能实不虚、虚实结合、相互补充”的原则，这样才能提高实践教学效率，培养高素质的新时代人才。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 董兴法，欧扬，肖金球，等.网络微视频资源引领电子类微项目翻转课堂研究[J].高等理科教育，2015（5）：105-108.

[2] 王明达，谢静，殷晓康，等.基于微信公众平台的自组织式课内实验安全教育教学手段研究[J].高等理科教育，2016（5）：74-78.

[3] 郑莉莉.翻转课堂模式中的教学行为分析及优化策略研究[D].黄冈师范学院，2019.

[4] 张玲，郭承育，赵琦. 基于“互联网+翻转课堂”的微生物污水处理综合性实验课程改革[J]. 农业工程，2019（1）：88-91.

[5] 黄思凝，程旭东，乔田田，等. 基于微课的翻转课堂模式在工程实验教学中的应用研究[J]. 高等理科教育，2018（6）：109-113.

[6] 曲希玉，邱隆伟，董春梅. 基于翻转课堂的“矿物岩石学”实验课程改革与实践[J].教育教学论坛，2019（8）：102-105.

[7] 厉旭云，高铃铃，郑燕. 翻转课堂教学模式在医学机能学实验教学中的应用[J]. 课程教育研究，2018（41）： 251-252.

[8] 黄珊，周志强，韦良，等. 基于翻转课堂的仪器分析实验教学改革初探[J].大学教育，2019（5）： 98-100.

[9] 黄兴民，王良辉，楚珑晟，等. 浅析翻转课堂在金属材料工程生产实习中的教学运用[J]. 当代教育实践与教学研究，2019（4）： 59-60.

[10] 王艳霞，李静，刘理礼. 翻转课堂式教学在病理实验课中的应用[J].基础医学与临床，2019（1）： 149-152.

[11] 吴明彩，徐蕾，吕俊，等. 基于小组合作的翻转课堂模式在生物化学实验教学中的应用[J].齐齐哈尔医学院学報，2019（14）： 1793-1797.

[12] 赵悦，王倩，张英华，等. 植物生长与田间管理虚拟仿真教学系统的建设[J]. 高等农业教育，2019（1）： 87-91.

[13] 李修伟，梁亚萍，纪明山，等. 虚拟仿真在植物化学保护实验课程教学中的应用探索[J].教育现代化，2019（6）：119-120.

[责任编辑：陈 明]