虚实融合环境下实训教学情境任务体系构建方法研究

李雅娴，陈晓勇，陈敏捷，罗颖渊

(杭州科技职业技术学院，杭州 311400)

0 引言

随着虚拟现实、分布式存储等新一代信息技术的不断成熟和普及，虚实融合的学习环境因具有良好的沉浸性、交互性和构想性，能够提供多元化的教学方式，满足教育教学情境化、交互性的要求，日益受到人们的关注，是学习环境发展的重要方向。国内学者对虚实融合学习环境的构建方法做了诸多探索，如蔡苏[1-2]等人基于增强现实技术，整合现有学习管理系统，把计算机生成的虚拟信息融合到用户所要体验的真实环境中，建立增强现实的学习环境，丰富和拓展了教学内容及教学活动。朱孝平等[3-4]认为，建立虚实融合的学习环境，既能让学习者获取真实的学习体验，促进开展基于网络的协作学习，又有利于教师在探究过程中为学习者提供多方位的指导，拓展学习者的视野。

1 问题提出

虚实融合的学习环境塑造了虚实融合的学习空间，从而体现出整体性、建构性和对话性。然而，人们往往仅关注虚实融合学习环境的构建这一表观问题，却对该环境下的学习任务缺乏系统性探索。在实训教学环节，所构建的学习任务对学习者操作技能的提升效果并不显著。主要原因如下：

1.1 虚实融合的学习环境，学习任务与真实工作脱节

虚实融合的学习环境多以功能实现为主，按照功能的不同，分成若干模块，为了体现功能的完整性，往往需要人为虚构一个综合性任务。这些任务往往是基于知识结构设计的，脱离了真实的工作过程，导致学习任务与真实工作任务脱节，难以实现“学习即工作、工作即学习”的一体化学习设计。

1.2 虚实融合的学习环境，学习活动忽略学习目标的达成

虚实融合的学习环境往往过于注重学习环境的近似真实，学习过程中没有创设有效的学习情境，开展有效的学习任务，仅有虚实融合的学习环境，学习目标的实现无法通过有效的学习活动进行内化，导致实现既定的学习目标效果不理想。

1.3 虚实融合的学习环境，学习过程存在“时点效应”

虚实融合的学习环境本质上是虚拟的，尽管可以通过虚拟现实、增强现实以及增强虚拟等创新技术予以改进，但依然无法完全复现真实的工作过程，在支持教学方面存在“时点效应[4]”。时点效应是指在“准备性学习”及技能熟练后的“素质提升训练”两个阶段对支持教学具有较为显著的效果，但在“实质性学习”阶段，情境的偏差会带来反应的偏差，而反应的偏差无法在虚拟学习环境下得到及时调整，故对教学全过程的支持效果不明显。实践表明，在“准备性学习”及技能熟练后的“素质提升训练”两个阶段，虚实融合的学习环境对于支持教学确实具有较为显著的效果，而在“实质性学习”阶段，缺乏对真实情境的针对性反馈，反馈的偏差无法在虚拟学习环境下得到及时调整，从而导致对教学全过程的支持效果不明显。

实训教学尤其注重实践性与应用性，在虚实融合环境下开展有效的实训教学活动，提升教学效果，学习任务的构建迫切需要突破基于知识结构的传统构建方法的不足。基于真实的工作情境，构建情境型学习任务，开展虚实融合环境下实训教学情境任务体系的构建方法研究，对实训教学实践具有重要的指导意义。

2 理论支持

2.1 情境学习理论

情境学习理论认为：知识与技能需在真实的情境中通过完成真实的任务来获得。基于情境学习理论创设实训教学情境任务，是解决虚实融合学习环境“重模块设计轻真实工作场景”问题的有效途径。同时，情境学习理论强调：知识的意义连同学习者自身的意识与角色，都是在学习者和学习情境的互动、学习者与学习者之间的互动过程中生成的，学习情境的创设首先需要考虑学习者自身的已有经验[5]。

2.2 具身认知理论

具身认知理论主张：认知是具身的、情境的，认知发展依靠经验积累，在虚实融合环境下，学习者参与学习互动就是具身认知学习的过程[6]。认知的形成是个体身体与情境互动作用的结果，学习情境任务应当能够体现完整的认知过程。

3 虚实融合环境下实训教学情境任务构建

基于情境认知理论和具身认知理论，结合实训教学的特征，以“机械检测技术”课程中的三坐标检测虚实融合实训任务为例，将典型的情境构建分为“规划情境”“选择情境”“定义情境”三个阶段，进行学习情境任务构建方法的探索实践。

3.1 依据学习者已有学习经验规划情境

通过上述研究理论的探讨不难发现：学习者已有的学习经验，是确定学习情境的关键因素[7]。三坐标检测的任务目标是对机械加工后的工件进行检测，以判定是否合格。对加工工艺的了解和掌握程度是衡量学习者已有学习经验的重要参数。针对工件加工常用的加工工艺，以模具设计与制造专业相同专业背景的两个班级共87名学生为调研对象进行问卷调查，得到学习者已有学习阶段对各加工工艺的了解和掌握情况，规划了车削、铣削、刨削、磨削、锉削(钳工)、线切割、电火花、加工中心等8种学习情境。

3.2 针对实训教学的特点选择情境

实训教学强调实践的应用性，将各情境按照“实际操作中发生的频繁程度”“实际应用的重要程度”“学习者已有的经验程度”“该情境学习的难易程度”四个维度进行评估，分别对企业、学习者和教师进行调研，得到上述四个维度的量值。把每个维度的量值，细分为高、中、低三个等级，并分别赋分3分、2分、1分，将四个维度的总分加和后，按照分数由高到低进行排序，选择学习情境。

3.2.1 企业调研——情境的应用性

通过企业走访、调查问卷、毕业生跟踪调查等方式，获取企业实际工作过程数据，评估情境任务在实际应用中的频繁程度和重要程度，如表1所示。

表1 情境任务的应用性程度等级

3.2.2 学习者调研——已有经验的丰富程度

对上述8种情境，采用CLASS问卷调查法，将前述87名学习者已有经验的掌握程度分为：“没学过，不会用”“学过，但用得不好”“学过，基本掌握”“学过，比较熟练”“学过，非常熟练”五个等级，调查结果如表2所示。

表2 学习者对各学习情境的经验丰富程度量表

对“没学过，不会用”“学过，但用得不好”“学过，基本掌握”“学过，比较熟练”“学过，非常熟练”五个等级分别赋分1、2、3、4、5分，用每一个等级的分值乘以其已有经验丰富程度百分比，得到其各等级的分值。将每一种学习情境各等级的分值加和，汇总得到各学习情境的已有经验丰富程度量值，如表2所示。由表2的计算过程可知，总分越高，学习者对这一情境的经验越丰富。对于总分高于2分的学习情境赋予等级“高”，总分高于1.5分且低于2分的学习情境赋予等级“中”，总分低于1.5分的学习情境赋予等级“低”，得到“已有经验丰富程度”的等级情况。

3.2.3 教师调研——情境任务的难易程度

分析各加工工艺所加工工件的特征及加工精度，工件的精度越高、特征越复杂，其难易程度越高，反之则难易程度越低，得到各情境任务的难易程度，如表3所示。

表3 情境任务的难易程度

3.2.4 情境任务体系选择量表

将上述四个维度的等级情况进行汇总，并按照高、中、低三个等级依次赋分3分、2分、1分，得到各学习情境的分值汇总情况，如表4所示。

表4 情境任务体系分值表

由表4可见，8种学习情境的分值由高到低依次为车削(11分)、钳工(10分)、铣削(9分)、加工中心(9分)、线切割(8分)、电火花(6分)、磨削(5分)、刨削(5分)。分值高的学习情境表明其在真实工作过程中的重要性较高，能够较好地反映真实工作过程，且易于被学习者接受，便于开展有效的学习互动活动。故下文选择车削、钳工、铣削、加工中心4个学习情境为代表进行学习情境任务构建。

3.3 依据典型挑战定义情境

对照真实任务操作过程的“发布—实施—考核”流程，建立情境任务的“输入—加工—输出”模型，定义虚实融合环境下实训教学的情境型学习任务，见表5。

表5 情境任务的“输入—加工—输出”模型

以得分最高的学习情境——“车削”为例，定义情境任务的一般方法如下。

3.3.1 输入——定义任务的边界条件

对于车削工艺，选择光轴、阶梯轴和有键槽轴等三种最具代表性的零件特征，依据学习难易和学习者已有学习经验的丰富程度进行分析，如表6所示。

以“已有经验相对丰富，且学习难度适中”为原则，选择具有阶梯轴特征的自行车传动轴检测作为情境任务。

表6 车削情境任务分析表

3.3.2 加工——发布任务的实施步骤

基于“工作过程典型挑战”法，对各任务完成步骤进行典型挑战分析，明确每一个步骤完成过程中的典型挑战。结合虚实融合学习环境的特点，评判每一个典型挑战是否存在“时点效应”，从而确定“虚—实”融合的实施步骤，结果如表7所示。

表7 工作任务各步骤典型挑战

通过上述分析可见，在“测头构建”和“元素测量”两个步骤存在“时点效应”，该部分属于“实质性学习”阶段，虚拟环境的学习过程无法替代真实环境，需采用真实操作才能更好地实现学习者间的有效互动，虚实融合学习环境对学习支持的有效性不显著。为提高学习活动的有效性，“测头构建”和“元素测量”两个步骤应采用真实操作，实施过程应采用“虚—实”交替的步骤进行，即机器构建(虚)—测头构建(实)—建立坐标系(虚)—元素测量(实)—公差分析(虚)—输出报告(虚)。

3.3.3 输出——制定任务评价标准

整个任务的实施过程由多个步骤完成，基于上述“虚—实”交替实施过程的任务特征，针对任务的评价应包含各实施步骤的阶段性评价标准和整体完成的质量、数量、时间等总体评价指标。

4 构建方法实验验证

4.1 实验设计

选择两个平行班级(其中A班42人，B班45人)进行实验验证，共同完成车削学习情境下自行车传动轴检测任务，分别检验两个班的阶段性完成情况(每一步骤的班级完成正确率)和总体完成情况(时间、数量、质量等)，如表8所示。

表8 两个班各实施步骤完成情况

4.2 实验结果分析

由表8可以看出，在阶段性评价过程中：两个班级的学习者均能够较好地完成各阶段的学习任务。在总体评价中：(1)两个班级的学习者均在计划完成时间内完成了情境任务；(2)A班学习者检测结果的完成度为87.1%，B班学习者检测结果的完成度为84.2%，完成度均高于80%，在按时完成的同时有较高的完成度；(3)仍有部分学习者不注重报告格式的规范性，任务完成后的呈现效果一般。实验结果表明：上述提出的“规划情境”“选择情境”“定义情境”的虚实融合环境下实训教学学习情境任务的构建方法对学习目标的达成具有一定的支持效果。

5 虚实融合环境下实训教学情境任务设计体系构建

虚实融合的学习情境任务体系由一个个情境任务构成，各情境的设计顺序是教学设计的关键。文章分别基于“学习者已有经验丰富程度”和“情境任务难易程度”两种要素为主线，设计不同的排序方式，进行情境应用效果评估。以两种不同的设计次序下同一情境任务的完成效果优劣为目标，确定情境任务教学体系设计原则，并对前述虚实融合情境下实训教学情境任务构建方法进行验证。

以前述两个同专业同年级的平行班为样本，进行情境任务学习效果分析，其中A班级按照学习任务的难易程度由易到难的顺序进行情境任务学习，B班级按照学习者已有经验的丰富程度由高到低进行情境任务学习，各班级教学设计顺序如表9所示。

表9 情境任务教学体系设计表

基于前期企业调研和学情分析，预设每个学习情境任务完成的基准目标时长均为80分钟，分别统计样本班级每个情境的人均完成时间，结果如表10所示。

表10 样本班级完成各学习情境的平均用时/分钟

由上表可以看出：

(1)样本班级的学生均能在80分钟的基准目标时长内完成各项情境任务，表明所设计的学习情境能够实现教学目标要求。

(2)当按照学习任务的难易程度设计学习情境顺序时(A班级)，随着学习任务的难度加大，完成各情境任务所需要的时间有增加的趋势，但由于学习者实训技能的熟练度也同步在提高，这种增加的趋势不显著，各情境任务的用时整体差异不大。

(3)当按照经验丰富程度设计学习情境顺序时(B班级)，在情境1的学习过程中，由于难度相对较大，且学生不够熟悉，该情景的完成时长已接近80分钟的基准目标时长。情境2相对情境1，学生实训技能的熟练度有所提高，且任务难度降低，该情境任务的完成时间存在明显结余。其他两个情境任务的顺序与A班级相同，各情境任务的用时与A班级也较为接近。

由以上(2)和(3)可以得出，在实训教学环节，虚实融合环境下学习情境任务按照其难易程度以由易到难的顺序为主线进行设计，遵循了循序渐进的知识体系形成规律，学习者完成各情景任务用时的一致性更强，达成学习目标的效果更好。

6 结语

信息技术的飞速发展促进了实训教学环境由传统学习环境向虚实融合的学习环境的改变，实训教学任务需要由知识结构向情境认知转变。文章提出了在虚实融合学习环境下，“规划情境”“选择情境”“定义情境”的实训教学情境任务体系的构建方法。基于“学习者已有的经验程度”规划情境；由“实际操作中发生的频繁程度”“实际应用的重要程度”“学习者已有的经验程度”“该情境学习的难易程度”四个维度综合量化分析、选择情境；基于“工作过程典型挑战”，结合虚实融合的学习环境定义情境。通过设计实验进行验证，结果表明：该实训教学情境任务体系构建方法可以有效地辅助学习过程，达成学习目标。同时，基于“情境学习的难易程度”进行虚实融合环境下实训教学情境任务体系设计，可以达到更好的学习效果。