基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)構(gòu)建

黃亞平　林韋姣（浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310023）

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基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)構(gòu)建

黃亞平林韋姣
（浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310023）

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用與推廣為教育研究提供了新思路，虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)就是其在教育領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用。針對(duì)當(dāng)前青少年消防安全教育中存在的問(wèn)題，文章在研究大衛(wèi)·庫(kù)伯體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的基礎(chǔ)上，提出了以“基礎(chǔ)層—體驗(yàn)層—?dú)w納層—模擬層”為主體的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，并據(jù)此開(kāi)發(fā)了火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能幫助青少年掌握消防知識(shí)、提升消防意識(shí)、訓(xùn)練火災(zāi)逃生技能，相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈；虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越受到教育界的青睞。虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育界的一個(gè)重要應(yīng)用，它通過(guò)模擬真實(shí)環(huán)境、提供多感知虛擬空間和數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，較好地滿足了學(xué)習(xí)媒體情境化的需求[1]，并具有交互性、沉浸性和構(gòu)想性[2]的特點(diǎn)。根據(jù)已有的研究成果，可知現(xiàn)在針對(duì)青少年的消防教育存在以下問(wèn)題：在知識(shí)的傳授上，教師自身在消防安全方面的知識(shí)儲(chǔ)備不足[3]，而專家的消防講座覆蓋面小、頻率低，消防標(biāo)語(yǔ)的宣傳平面化、形式枯燥[4]，難以產(chǎn)生實(shí)際的教育意義；在技能的培訓(xùn)上，部分學(xué)校的消防教學(xué)器材匱乏，與消防部門(mén)的聯(lián)合演練流程復(fù)雜、費(fèi)用高，參訓(xùn)的青少年消防意識(shí)不夠、操作不當(dāng)易引發(fā)危險(xiǎn)。上述問(wèn)題，嚴(yán)重影響著青少年對(duì)消防知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)。

用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決上述問(wèn)題具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：在學(xué)習(xí)方式上，該技術(shù)能夠創(chuàng)設(shè)逼真的學(xué)習(xí)情境，學(xué)習(xí)者可在其中主動(dòng)探索、建構(gòu)知識(shí)的意義[5]；在學(xué)習(xí)內(nèi)容上，該技術(shù)能夠靈活組織知識(shí)結(jié)構(gòu)，并用直觀、立體的形式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容[6]；在學(xué)習(xí)空間上，該技術(shù)能夠建立三維學(xué)習(xí)情境，擴(kuò)展學(xué)習(xí)體驗(yàn)空間[7]。

但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，需要結(jié)合適當(dāng)?shù)慕逃碚搧?lái)指導(dǎo)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前，已有將整合情境與沉浸理論[8]、混合學(xué)習(xí)與活動(dòng)理論[9]、情境認(rèn)知與情感化設(shè)計(jì)理論[10]與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的研究，也有將體驗(yàn)式學(xué)習(xí)理論用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)的研究[11][12][13]，但這些研究重在分析虛擬環(huán)境下體驗(yàn)學(xué)習(xí)的流程，而對(duì)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型與方法總結(jié)得不夠。基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣，促使他們更深入地理解學(xué)習(xí)主題，進(jìn)而使能力得到更高水平的發(fā)展[14]，本文將體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈理論與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，提出了以“基礎(chǔ)層—體驗(yàn)層—?dú)w納層—模擬層”為主體的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型。在此基礎(chǔ)上，本文采用3dsMax和VR-Platform軟件，開(kāi)發(fā)出了火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

一　體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈理論

美國(guó)心理學(xué)家大衛(wèi)·庫(kù)伯[15]總結(jié)出如圖1所示的“體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈”模型，認(rèn)為體驗(yàn)學(xué)習(xí)是一個(gè)體驗(yàn)循環(huán)的過(guò)程，每一個(gè)循環(huán)包含四個(gè)階段：①具體體驗(yàn)。學(xué)習(xí)者在與外部刺激的相互作用中獲取知識(shí)，產(chǎn)生各種體驗(yàn)。②反思觀察。學(xué)習(xí)者有意識(shí)地對(duì)具體體驗(yàn)過(guò)程中的“知識(shí)碎片”進(jìn)行回憶、反思，整合成有意義的信息。③抽象概括。學(xué)習(xí)者對(duì)觀察的內(nèi)容進(jìn)行梳理，抽象出符合邏輯的概念和理論。④主動(dòng)檢驗(yàn)。學(xué)習(xí)者在新情境中驗(yàn)證自己新形成的概念和理論。“感知”、“領(lǐng)悟”及意義轉(zhuǎn)換維度，反映了學(xué)習(xí)者在體驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中獲得經(jīng)驗(yàn)及學(xué)習(xí)遷移的方式[16]。

圖1　庫(kù)伯的體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈

在庫(kù)伯的理論模型中，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的過(guò)程涵蓋了學(xué)習(xí)者親歷體驗(yàn)、進(jìn)行反思、與他人交流、經(jīng)驗(yàn)外化等活動(dòng)，是學(xué)習(xí)者不斷“體驗(yàn)、反思、歸納、應(yīng)用”連續(xù)循環(huán)的過(guò)程[17]。其中，反思是重要環(huán)節(jié)，是對(duì)自己體驗(yàn)的再認(rèn)識(shí)，能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者經(jīng)驗(yàn)的重構(gòu)。另外，該模型同樣重視知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的外化，并使之在外化的過(guò)程中得到驗(yàn)證與提升。

研究體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈理論對(duì)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的啟示是：①相互關(guān)聯(lián)的直接經(jīng)驗(yàn)與間接經(jīng)驗(yàn)是學(xué)習(xí)者的有效資源。虛擬環(huán)境要模擬知識(shí)發(fā)生的情境，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的眼、耳等多種感官及情感的參與，獲取直接經(jīng)驗(yàn)；對(duì)于嗅覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)刺激的缺失，則可通過(guò)間接經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行彌補(bǔ)。在虛擬環(huán)境建立起直接經(jīng)驗(yàn)與間接經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)系，能幫助學(xué)習(xí)者有效開(kāi)展學(xué)習(xí)。②反思是促進(jìn)學(xué)習(xí)的有效途徑。學(xué)習(xí)需要深層的反思觀察，進(jìn)而抽象出有意義的知識(shí)結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)在虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行反思、分析；還可以設(shè)置學(xué)習(xí)輔助小工具，如設(shè)置“學(xué)習(xí)筆記”協(xié)助學(xué)習(xí)者隨時(shí)概括總結(jié)，或設(shè)置“在線交流”誘發(fā)學(xué)習(xí)者進(jìn)行自我分析、突破認(rèn)知局限以重構(gòu)知識(shí)。③有效學(xué)習(xí)需經(jīng)歷體驗(yàn)學(xué)習(xí)的四個(gè)階段，通過(guò)連續(xù)循環(huán)促使學(xué)習(xí)效果螺旋上升。虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)需要針對(duì)具體體驗(yàn)、反思觀察、抽象概括、主動(dòng)檢驗(yàn)，設(shè)置相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)任務(wù)或?qū)W習(xí)輔助工具，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的情緒、知覺(jué)、思維及行為的參與；同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的反饋與評(píng)價(jià)，以幫助學(xué)習(xí)者對(duì)已有的經(jīng)驗(yàn)形成綜合認(rèn)知，促進(jìn)循環(huán)體驗(yàn)的發(fā)生。

二　基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

學(xué)習(xí)者在虛擬系統(tǒng)中的體驗(yàn)與該系統(tǒng)的構(gòu)建方式密切相關(guān)。本文將體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈理論與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，提出了以“基礎(chǔ)層—體驗(yàn)層—?dú)w納層—模擬層”為主體的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，對(duì)應(yīng)“情境體驗(yàn)—觀察反思—內(nèi)容概括—模擬演練”四個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，如圖2所示。

1基礎(chǔ)層

該層是整個(gè)系統(tǒng)的組織架構(gòu)，包括界面設(shè)計(jì)、導(dǎo)航設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)——為幫助學(xué)習(xí)者完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，界面設(shè)計(jì)應(yīng)選擇容易被理解和使用的元素；導(dǎo)航設(shè)計(jì)要體現(xiàn)出界面元素與其所含內(nèi)容間的關(guān)聯(lián)、當(dāng)前界面與整體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并向?qū)W習(xí)者提供在界面間跳轉(zhuǎn)的途徑；交互設(shè)計(jì)則需便于學(xué)習(xí)者與虛擬情境、資源信息進(jìn)行操作交互及信息交互，并最終實(shí)現(xiàn)概念交互。

圖2　基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

2體驗(yàn)層

該層是學(xué)習(xí)者開(kāi)始進(jìn)入虛擬體驗(yàn)的平臺(tái)，包括教學(xué)設(shè)計(jì)和情境設(shè)計(jì)。其中，教學(xué)設(shè)計(jì)是虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)教育價(jià)值高低的關(guān)鍵所在，需要根據(jù)學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)及對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的分析，對(duì)資源形式、呈現(xiàn)方式等元素做出合理安排；情境設(shè)計(jì)則需在貼近學(xué)習(xí)者實(shí)際生活的“真實(shí)情境”中呈現(xiàn)知識(shí)，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生角色上的認(rèn)同感，進(jìn)而沉浸到虛擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)。

3歸納層

該層是促進(jìn)反思與概括的工具，包括問(wèn)題設(shè)計(jì)和輔助工具設(shè)計(jì)，維持體驗(yàn)學(xué)習(xí)的專注性與連貫性。問(wèn)題設(shè)計(jì)既要基于學(xué)習(xí)者已有的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，又要超越他們當(dāng)前的基礎(chǔ)，從而引發(fā)對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)的反思和重組。而輔助工具設(shè)計(jì)如在線交流、在線筆記等，通過(guò)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的探討交流、可視化地呈現(xiàn)各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，能幫助學(xué)習(xí)者強(qiáng)化記憶、加強(qiáng)理解，進(jìn)而完善知識(shí)結(jié)構(gòu)。

4模擬層

該層為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造了應(yīng)用新知識(shí)、新技能解決實(shí)際問(wèn)題的機(jī)會(huì)，包括活動(dòng)設(shè)計(jì)和反饋評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)?；顒?dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)習(xí)者參與到實(shí)際問(wèn)題的場(chǎng)景中，在完成學(xué)習(xí)任務(wù)的過(guò)程中檢驗(yàn)新獲得的知識(shí)與技能。反饋評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)則要突破對(duì)概念性知識(shí)進(jìn)行復(fù)述的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)，根據(jù)學(xué)習(xí)者的實(shí)際操作給予實(shí)時(shí)的反饋與評(píng)價(jià)，注重學(xué)習(xí)者所能達(dá)到的發(fā)展高度，幫助學(xué)習(xí)者形成對(duì)自己的綜合性認(rèn)識(shí)，以調(diào)整體驗(yàn)學(xué)習(xí)的進(jìn)程。

三　火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為提高青少年的安全防范意識(shí)及火災(zāi)自救能力，本研究結(jié)合上文提出的基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，開(kāi)發(fā)了火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

1教學(xué)設(shè)計(jì)

本文依據(jù)《全民消防安全宣傳教育綱要》的要求，參考《火災(zāi)防范與自救》[18]、《消防安全知識(shí)》[19]的相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容，進(jìn)行了學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)，如表1所示。其中，“場(chǎng)景漫游”與“課堂互動(dòng)”是學(xué)習(xí)者進(jìn)行虛擬體驗(yàn)的環(huán)節(jié)，包括直接經(jīng)驗(yàn)與間接經(jīng)驗(yàn)；“反思、應(yīng)用”通過(guò)工具與場(chǎng)景促進(jìn)學(xué)習(xí)者反思概括，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于模擬場(chǎng)景，鞏固學(xué)習(xí)效果。

表1　學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

2模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型與體驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要分為“場(chǎng)景漫游”、“虛擬教室”、“逃生訓(xùn)練”三大模塊，對(duì)應(yīng)體驗(yàn)層、歸納層、模擬層。

（1）場(chǎng)景漫游

以現(xiàn)實(shí)小區(qū)的布局與建筑風(fēng)格為藍(lán)本構(gòu)建漫游場(chǎng)景，場(chǎng)景中嵌入常見(jiàn)易燃物標(biāo)識(shí)和對(duì)應(yīng)滅火、撲救辦法等的解說(shuō)，其漫游效果如圖3所示。在主界面上設(shè)置導(dǎo)航圖，可快速定位和切換位置，增強(qiáng)體驗(yàn)的流暢感；相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)而言，逼真的情境讓用戶產(chǎn)生的體驗(yàn)也更為深刻。

圖3　場(chǎng)景漫游效果圖

圖4　虛擬教室效果圖

（2）虛擬教室

在教室中創(chuàng)建教師與學(xué)生的角色，消除學(xué)習(xí)的孤獨(dú)感，使體驗(yàn)更加真實(shí)，其虛擬教室效果如圖4所示。學(xué)生可以單擊黑板上相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，觸發(fā)對(duì)應(yīng)課件、視頻的播放，并能控制其進(jìn)度，還能調(diào)用學(xué)習(xí)筆記記錄學(xué)習(xí)的內(nèi)容及過(guò)程，便于同步進(jìn)行歸納概括。

（3）逃生訓(xùn)練

模擬火災(zāi)場(chǎng)景，學(xué)習(xí)者可在訓(xùn)練逃生技能的同時(shí)訓(xùn)練心理素質(zhì)，逃生訓(xùn)練界面如圖5所示。學(xué)習(xí)者通過(guò)控制三維虛擬人物選擇逃生路徑，系統(tǒng)則給出相應(yīng)的提示反饋，逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)者在整個(gè)逃生過(guò)程的操作顯示其剩余生命值，并對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖5　逃生訓(xùn)練界面

（4）幫助中心

主要包括系統(tǒng)的操作說(shuō)明和知識(shí)導(dǎo)圖，以幫助學(xué)習(xí)者更好地了解火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的功能與操作，便于學(xué)習(xí)者對(duì)該系統(tǒng)包含的消防安全知識(shí)結(jié)構(gòu)形成整體認(rèn)識(shí)。

火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，開(kāi)發(fā)人員對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試用與評(píng)價(jià)。大部分學(xué)習(xí)者認(rèn)為該系統(tǒng)的知識(shí)性與情境性比較強(qiáng)，知識(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，學(xué)習(xí)資源類(lèi)型多樣，模擬仿真的學(xué)習(xí)情境能產(chǎn)生深刻的情感體驗(yàn)，虛擬逃生訓(xùn)練有助于提升消防技能、形成正確的消防觀念——這對(duì)解決當(dāng)前青少年消防安全教育中存在的問(wèn)題具有一定的積極意義。

四　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)文獻(xiàn)研究、設(shè)計(jì)模式提煉，提出了基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)并進(jìn)行了初步應(yīng)用。實(shí)踐表明：火災(zāi)逃生虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性，對(duì)學(xué)生掌握消防知識(shí)、提升消防意識(shí)、訓(xùn)練火災(zāi)逃生技能具有一定的促進(jìn)作用。后續(xù)研究將不斷提高該系統(tǒng)的交互性與沉浸感，讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生更強(qiáng)的身臨其境之感，進(jìn)一步提升火災(zāi)逃生訓(xùn)練的成效。

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編輯：小米

The Structure of the Fire Escape Virtual Learning System based on Experiential Learning Cycle

HUANG Ya-pingLIN Wei-jiao
(School of Educational Science and Technology,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,Zhejiang,China 310023)

Abstract:The application and promotion of VR (virtual reality) technology has shed new lights on educational research.One of the significant applications of VR in education was virtual learning system.Based on the study of David Kolb’s theory of experiential learning cycle,this paper proposed virtual learning system design mode with base layer,experience layer,induction layer and simulation layer as the main part.Furthermore,authors designed and put forward the fire escape virtual learning system,aiming at solving the problem existing in the fire safety education of the adolescent.Finally,the application results verified the effectiveness of this system,which can not only help teenagers acquire fire control knowledge,but also enhance their awareness on fire control and increase their self-help abilities when the fire broke out.

Keywords:VR; experiential learning cycle; virtual learning system

收稿日期：2015年7月30日

作者簡(jiǎn)介：黃亞平，副主任，副教授，碩士，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)教育應(yīng)用，郵箱為hyp@zjut.edu.cn。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G40-057

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097（2016）03—0121—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.03.018