教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建研究

鄭敏希

（渤海大學(xué)政治與歷史學(xué)院,遼寧錦州,121003）

教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建研究

鄭敏希

（渤海大學(xué)政治與歷史學(xué)院,遼寧錦州,121003）

教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)是對(duì)微格教學(xué)課堂模擬系統(tǒng)的整體升級(jí)換代，并將逐步成為21世紀(jì)教師教育專業(yè)培養(yǎng)中小學(xué)師資實(shí)踐性教學(xué)技能的主流方式。從虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)的原則、構(gòu)成要素與設(shè)計(jì)樣態(tài)等方面進(jìn)行深入分析，積極推進(jìn)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)踐步伐，必將為我國教師教育專業(yè)走上科學(xué)化、系統(tǒng)化、集約化道路提供重要的技術(shù)支撐。

教師教育專業(yè)；虛擬仿真；課堂訓(xùn)練系統(tǒng)

隨著教師教育專業(yè)化的深入發(fā)展, 改革師范生實(shí)踐教學(xué)模式已成為高師教育改革的重要內(nèi)容之一。為了提高中小學(xué)教師的培養(yǎng)質(zhì)量，為中小學(xué)輸送實(shí)踐能力強(qiáng)，適應(yīng)社會(huì)競爭的未來人民教師，建立一套行之有效的虛擬仿真課堂教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，強(qiáng)化實(shí)踐性教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，已經(jīng)成為教師教育專業(yè)改革的必然趨勢(shì)。

1 微格教學(xué)在教師教育專業(yè)建設(shè)中的局限性

微格教學(xué)是當(dāng)前國際上訓(xùn)練教師教學(xué)技能的一種培訓(xùn)方法和理論，它形成于美國20世紀(jì)60年代的教育改革運(yùn)動(dòng)，斯坦福大學(xué)的W.Allen等人在“角色扮演”教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，利用攝錄像設(shè)備形成的。我國于20世紀(jì)80年代開始引入這種教學(xué)方法。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步成熟及數(shù)字化技術(shù)的長足發(fā)展，目前我國教師教育專業(yè)在教師實(shí)踐性教學(xué)技能培養(yǎng)方面已經(jīng)普遍采用了數(shù)字化教學(xué)技能訓(xùn)練系統(tǒng)。但與更為先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)相比較，還是存在較大的差異和補(bǔ)足。

1.1 微格教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的封閉性

微格教學(xué)的基本特點(diǎn)就是“訓(xùn)練課題微型化，技能動(dòng)作規(guī)范化，記錄過程聲像化，觀摩評(píng)價(jià)及時(shí)化”。我們必須指出的是，即便微格教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)觀摩評(píng)價(jià)及時(shí)化，但這依然是在課堂教學(xué)之后才能實(shí)現(xiàn)的，而缺乏現(xiàn)場及時(shí)教學(xué)的情景化、交互性、對(duì)話性。傳統(tǒng)微格教學(xué)或數(shù)字化微格教學(xué)模擬訓(xùn)練室一般由微格教室、評(píng)價(jià)教室和總控室組成。這本身就體現(xiàn)了該課堂模擬教學(xué)系統(tǒng)的封閉性。因此，需要有更為先進(jìn)和現(xiàn)代的課堂仿真教學(xué)系統(tǒng)來加以超越和完善。但這并不代表微格教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)已經(jīng)可以投入歷史的垃圾堆。在師范生早期實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練中，微格教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)依然具有不可替代的價(jià)值。

1.2 微格教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的單向度性

盡管有學(xué)者認(rèn)為，傳統(tǒng)微格教學(xué)可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)升級(jí)轉(zhuǎn)換，通過與慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、微課等新型的課堂教學(xué)形式進(jìn)行對(duì)接，進(jìn)而提高微格教學(xué)的實(shí)效性。[1]但是，這些改進(jìn)措施依然沒有改變?nèi)藱C(jī)之間的單向度性。在具體實(shí)施教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)，主講者只是單方面授課，錄像機(jī)進(jìn)行實(shí)錄。事后，主講者才能得到相關(guān)的授課實(shí)況錄像，在自己的媒體設(shè)備中重播，才可以發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中所存在的問題。目前的微格教學(xué)系統(tǒng)是不能給予課堂及時(shí)反饋，因此主講者只是被動(dòng)的、單向度地傳授知識(shí)，很難在線反思自己的教學(xué)。

1.3 微格教學(xué)系統(tǒng)的非交互性

正如上面所述，微格教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的單向度性、封閉性也決定了該系統(tǒng)的非交互性。通過下圖我們不難看出，盡管數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)比傳統(tǒng)微格教學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)很多。例如在硬盤存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播、多媒體介入、積累起來的素材庫以及網(wǎng)絡(luò)案例庫點(diǎn)播等方面都有了長足改建和升級(jí)，但是該系統(tǒng)的關(guān)鍵問題依然沒有解決，即系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)性和主體交互性。具體地說，包括人—機(jī)交互性、師—生交互性、生—生交互性。

功 能傳統(tǒng)微格教室數(shù)字化微格教學(xué)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室錄像方式磁帶錄像磁帶錄像＋硬盤錄像回放方式磁帶回放磁帶回放＋網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播教學(xué)手段粉筆＋黑板粉筆＋黑板＋多媒體教學(xué)資源無中學(xué)教學(xué)素材庫案例教學(xué)教師播放錄像帶網(wǎng)絡(luò)案例庫點(diǎn)播

2 教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)的基本原則

虛擬仿真技術(shù)所帶來的身臨其境的神奇效應(yīng)正滲透到各行各業(yè)，成為近年來國際科技界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。它是建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能等學(xué)科基礎(chǔ)上的綜合性極強(qiáng)的高新信息技術(shù)，在軍事、醫(yī)學(xué)、教育等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是21世紀(jì)大有發(fā)展前途的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

Virtual 就是虛假的意思，Reality 就是真實(shí)的意思，合并起來就是虛擬現(xiàn)實(shí)。所以，Virtual reality 一詞翻譯成中文即“虛擬現(xiàn)實(shí)”、“虛擬仿真”、“虛擬真實(shí)”。也就是說原本不存在的事物和環(huán)境，通過當(dāng)代各種技術(shù)手段而虛構(gòu)出來，讓我們感覺身臨其境，獲得與真實(shí)事件、真實(shí)物體、真實(shí)環(huán)境一樣效果。正如有學(xué)者指出，“大學(xué)的教師教育課程應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)改革，開發(fā)師范生的‘實(shí)踐性知識(shí)庫’”。[2]而虛擬仿真課堂教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的發(fā)展恰恰是養(yǎng)成師范生實(shí)踐性知識(shí)的重要途徑之一。

2.1 虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)的真實(shí)性

虛擬仿真系統(tǒng)的基本特征就是“逼真”。電視的空間是二維空間而不是現(xiàn)實(shí)世界的三維空間，電視的所謂“立體聲”效果也不同于現(xiàn)實(shí)世界的聲音的立體特征。而虛擬仿真系統(tǒng)所強(qiáng)調(diào)的視覺空間、視覺形象以及音響效果都是三維的。二維與三維的視覺形象有本質(zhì)的區(qū)分：在一個(gè)二維屏幕上看三維的圖像就如同從一個(gè)玻璃船底看下面的海水，這時(shí)感到自己還是在船上，處于三維環(huán)境的邊緣，從它的邊緣看這個(gè)世界的深處。而在一個(gè)立體的“屏幕”里看一個(gè)視覺世界就像是在潛水。通過一個(gè)電腦化的手套來操縱一個(gè)三維顯示器，我們進(jìn)入到虛擬現(xiàn)實(shí)的多重感覺的世界中。對(duì)于師范生而言，在一個(gè)虛擬仿真課堂教學(xué)系統(tǒng)中，就如在一個(gè)坐滿了中小學(xué)學(xué)生的真實(shí)教師中，他可以展示真實(shí)教學(xué)的全景。師生交流、個(gè)案分析，提問對(duì)話等教學(xué)情境都可以在該系統(tǒng)中得以真實(shí)地實(shí)現(xiàn)。從而保證了師范生實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)性、情境性、情景性。

2.2 虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)的人機(jī)交互性

在虛擬仿真課堂教學(xué)系統(tǒng)中，師范生可以直接控制對(duì)象的各種參數(shù)，如：課堂提問、學(xué)生的反饋、教學(xué)進(jìn)程、教學(xué)時(shí)間的分配等，而系統(tǒng)也可以向參與實(shí)踐教學(xué)的師范生反饋信息，如：學(xué)生回答問題的正確率、學(xué)生對(duì)教學(xué)的滿意度、學(xué)生對(duì)教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)的反饋程度等。在虛擬仿真系統(tǒng)中，視覺無疑是最主要和最常用的交互手段。因?yàn)橛^察點(diǎn)是在觀察者的眼睛上，這樣，觀察者就可以得到與在真實(shí)世界中同樣的感受。隨著圖像的變化，再配以適當(dāng)?shù)囊繇懶Ч?，就可以使人們有身臨其境的感受。但是，當(dāng)人們希望用手來觸摸虛擬模型，或用手直接對(duì)虛擬模型進(jìn)行操作時(shí)，只是視覺和聽覺就無能為力了，因而需要研制和開發(fā)具有觸覺功能的交互手段，也就是具有"力反饋"功能的裝置。它可以對(duì)使用者的輸入（如手勢(shì)，語言命令）做出響應(yīng)。

2.3 虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)的開放性

該系統(tǒng)在教師教育專業(yè)的實(shí)踐性教學(xué)應(yīng)用中體現(xiàn)了廣泛的開放性特點(diǎn)。首先，該系統(tǒng)對(duì)真實(shí)的中小學(xué)課堂教學(xué)的開放性。大量的課堂教學(xué)資源經(jīng)過選擇而形成的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源進(jìn)入到虛擬模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，可以為師范生提供鮮活的案例教學(xué)范例。其次，該系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)其開放性。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)資源為系統(tǒng)而深入研究教師的教學(xué)風(fēng)格、教學(xué)規(guī)律、教學(xué)技術(shù)、教學(xué)素養(yǎng)提供了基礎(chǔ)性素材。經(jīng)過與網(wǎng)絡(luò)資源的對(duì)接，虛擬仿真系統(tǒng)可以為教師專業(yè)成長提供個(gè)性化、差異化、時(shí)代性的資源和信息。第三，該系統(tǒng)對(duì)師范生、教師自己的發(fā)展體現(xiàn)了開放性。由于系統(tǒng)本身由不同的資源數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，因而針對(duì)不同發(fā)展階段、不同學(xué)科特點(diǎn)和不同個(gè)性化需求的教師、師范生都可以提供個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)服務(wù)。

3 教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)成要素

教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一，并利用人機(jī)交互設(shè)備，把師范生自身與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的三維虛擬環(huán)境合成，是高校教師、師范生群體利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境。師范生通過人機(jī)交互設(shè)備，把實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)以自然的方式（例如提問、討論等）向計(jì)算機(jī)送入各種動(dòng)作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺等多種感知獲得三維感覺世界。

教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)的主要構(gòu)成要素有以下6種：

（1）3D立體眼鏡。立體眼鏡是用于3D模擬場景VR效果的觀察裝置，它利用液晶光閥高速切換左右眼圖像原理，有有線和無線之分，可支持逐行和隔行立體顯示觀察，也可用無線眼鏡進(jìn)行多人團(tuán)體VR效果觀察，是目前最為流行和經(jīng)濟(jì)適用的VR觀察設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)手套。數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的主要交互設(shè)備，它作為一只虛擬的手或控件用于3DVR場景的模擬交互，可進(jìn)行物體抓取、移動(dòng)、裝配、操縱、控制，有有線和無線、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3D VR或視景仿真軟件環(huán)境中。

（3）三維空間交互球。三維空間交互球是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的另一重要的交互設(shè)備，用于六個(gè)自由度VR場景的模擬交互，可從不同的角度和方位對(duì)三維物體觀察、瀏覽、操縱；也可作為3D Mouse來使用；并可與數(shù)據(jù)手套或立體眼鏡結(jié)合使用，作為跟蹤定位器。也可單獨(dú)用于CAD/CAM，(Pro/E、UG)。

（4）位置跟蹤器。三維空間跟蹤定位器是VR系統(tǒng)中用于空間跟蹤定位的裝置，一般與其他VR設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等，使參與者在空間上能夠自由移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，不局限于固定的空間位置，操作更加靈活、自如、隨意。產(chǎn)品有六個(gè)自由度和三個(gè)自由之分。

（5）頭盔顯示器。頭盔顯示器（又稱數(shù)據(jù)頭盔或數(shù)字頭盔）是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的3DVR圖形顯示與觀察設(shè)備，可單獨(dú)與主機(jī)相連以接受來自主機(jī)的3DVR圖形信號(hào)。使用方式為頭戴式，輔以空間跟蹤定位器可進(jìn)行VR輸出效果觀察，同時(shí)觀察者可做空間上的自由移動(dòng)，如；自由行走、旋轉(zhuǎn)等，VR效果非常好，沉浸感極強(qiáng)，在VR效果的觀察設(shè)備中，頭盔顯示器的沉浸感優(yōu)于立體眼鏡。

(6)力反饋器。力反饋器是VR研究中的一種重要的設(shè)備，該設(shè)備能使參與者實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中除視覺、聽覺之外的第三感覺——觸覺和力感，進(jìn)一步增強(qiáng)虛擬環(huán)境的交互性，從而真正體會(huì)到虛擬世界中的交互真實(shí)感，該設(shè)備廣泛應(yīng)用于虛擬醫(yī)療、虛擬裝配等諸多領(lǐng)域。

4 教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)樣態(tài)

事實(shí)上，教師教育虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)就是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)酷似真實(shí)中小學(xué)課堂環(huán)境又超越客觀時(shí)空，能沉浸在無人的教室、課堂中，又能產(chǎn)生真實(shí)課堂教學(xué)效果的和諧人機(jī)環(huán)境，也就是由多維信息所構(gòu)成的可操縱的空間。它的應(yīng)用能再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程,為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的感性學(xué)習(xí)材料,幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的知識(shí)難點(diǎn);它能使抽象的概念、理論直觀化、形象化,方便學(xué)生對(duì)抽象概念的理解。[3]

該系統(tǒng)基于高速互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，具備有系統(tǒng)管理模塊、個(gè)人工作室模塊、課程設(shè)置模塊、教案及資源庫模塊、虛擬教室模塊、課堂（記錄）備份模塊、交流反饋模塊、在線指導(dǎo)模塊等功能模塊組成。

(1)系統(tǒng)管理模塊

該模塊主要有系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理、課程管理、教室設(shè)置、資源管理、課堂記錄管理、交流論壇管理等功能。其中，用戶群為：管理員、指導(dǎo)教師、實(shí)習(xí)教師和虛擬學(xué)生。

（2） 個(gè)人工作室模塊

該模塊主要供學(xué)生使用，該模塊主要有個(gè)人資料修改、個(gè)人日志、個(gè)人資源、文摘搜集、好友鏈接、備課系統(tǒng)、課件庫等功能。注冊(cè)的學(xué)生有“實(shí)習(xí)教師”和“學(xué)生”兩種身份，做為教師，他（她）可以進(jìn)行“教育敘事”的日志撰寫，做為學(xué)生，又可以進(jìn)行“觀后感”的記錄和反思。

（3） 課程設(shè)置模塊

這個(gè)模塊主要是規(guī)劃網(wǎng)站內(nèi)部所有的課程，按照年級(jí)進(jìn)行分類安排，實(shí)現(xiàn)增加、修改和刪除等。

（4） 教案及資源庫模塊

該模塊提供一個(gè)強(qiáng)大的在線教案編輯平臺(tái)，同時(shí)提供“教學(xué)設(shè)計(jì)”等相關(guān)的理論指導(dǎo)和優(yōu)秀案例，讓實(shí)習(xí)教師能夠在線完成教案的寫作；同時(shí)，該編輯平臺(tái)可是實(shí)現(xiàn)在線協(xié)作的教案撰寫模式。

（5） 虛擬教室模塊虛擬教室是本構(gòu)想中最重要的模塊，在該模塊中，采用UDD模式用攝像頭將“實(shí)習(xí)教師”的活動(dòng)圖像展現(xiàn)的“講臺(tái)”前面，教師可以聲畫同步的進(jìn)行講授，通過點(diǎn)擊虛擬學(xué)生，進(jìn)行交互式提問，而在座的學(xué)生中，在線的可以彩色顯示，不在線的灰色顯示，通過發(fā)言、舉手等動(dòng)作與教師進(jìn)行交流。

（6） 課堂（記錄）備份模塊

每堂課講完后，系統(tǒng)講通過對(duì)話框與實(shí)習(xí)教師進(jìn)行對(duì)話設(shè)置，并保存全部或者部分的講課記錄，這些記錄將被所有注冊(cè)的指導(dǎo)教師和學(xué)生隨時(shí)提取觀看。

（7） 交流反饋模塊

該模塊主要采用實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行交流，如在線會(huì)議室（聊天室）和BBS論壇等方法，實(shí)習(xí)教師可以通過在線與指導(dǎo)教師進(jìn)行會(huì)談，也可以隨時(shí)在BBS上面發(fā)表帖子，尋求某個(gè)問題的幫助等。

（8） 在線指導(dǎo)模塊

這是指導(dǎo)教師能夠在該模塊中針對(duì)學(xué)生的提問進(jìn)行解答，或者將一些優(yōu)秀的課堂教學(xué)案例進(jìn)行推薦，在觀看學(xué)生的講課后及時(shí)將反饋意見發(fā)布，也可以將學(xué)生的講課情況進(jìn)行打分等。

在上述的功能模塊的基礎(chǔ)上，逐步構(gòu)建起校內(nèi)分布式社群，實(shí)習(xí)學(xué)生分配特定的賬號(hào)和密碼登錄系統(tǒng)后，可以選擇“實(shí)習(xí)教師”和“班級(jí)學(xué)生”的身份進(jìn)入社區(qū)，作為“實(shí)習(xí)教師”身份，他（她）可以選課、選班級(jí)根據(jù)系統(tǒng)安排進(jìn)入到“教室”中進(jìn)行上課。

5 結(jié)束語

目前，虛擬仿真課堂教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。但是由于該系統(tǒng)的整體造價(jià)較高，因而在國內(nèi)高校的教師教育專業(yè)建設(shè)中普及性較差。不過，隨著我國高校啟動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程以來， 相信越來越多的高校將會(huì)逐步建設(shè)教師教育專業(yè)虛擬仿真課堂訓(xùn)練系統(tǒng)，進(jìn)而有效提高中小學(xué)教師的整體質(zhì)量。

[1]王華蓉.關(guān)于微格教學(xué)的思考[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版）,2015（03）:112-115.

[2]陳向明等.搭建實(shí)踐與理論之橋——教師實(shí)踐性知識(shí)研究[M].北京:教育科學(xué)出版社,2011.236.

[3]黃元南.虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用探析[J].中國科技信息,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

鄭敏希（1984-），女，福建福州人，渤海大學(xué)政治與歷史學(xué)院講師，哲學(xué)博士，研究方向?yàn)榻處熃逃?、教育哲學(xué)等。

2014年度遼寧省社會(huì)科學(xué)規(guī)劃基金重點(diǎn)項(xiàng)目“公共教育內(nèi)涵的后現(xiàn)代哲學(xué)思考”[NO.L14AZX002]。