基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度學習場域模型構(gòu)建研究

何聚厚 梁瑞娜 韓廣欣 肖鑫 梁玉帥

[摘 ? 要] 虛擬現(xiàn)實技術(shù)以獨特的全沉浸式和交互性特點，為創(chuàng)建教學情境提供了有力的支持，極大地改變了學生學習方式。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)日漸成熟，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應用研究成為教育工作者關(guān)注的熱點。文章通過分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的學習特征，認為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在深度學習場域構(gòu)建上的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在情境構(gòu)造、體驗設(shè)計、行為引導、學習遷移等方面。文章采用設(shè)計與開發(fā)研究方法，構(gòu)建了一個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度學習場域模型，該模型是由一個基石（以情境、交互、體驗、反思為核心的學習空間塔）、一個內(nèi)核（學生投入）、三個支持點（教師、技術(shù)人員、需求轉(zhuǎn)化工具）組成的開放場，模型內(nèi)各組成要素之間協(xié)調(diào)互助，實現(xiàn)深度學習。文章基于此模型，以“人體骨骼”虛擬現(xiàn)實學習系統(tǒng)為例展開研究，提出了深度學習場域模型的構(gòu)建方法與策略，以期對虛擬現(xiàn)實的教育應用研究者有一定的借鑒意義。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實技術(shù); 深度學習; 體驗學習循環(huán); 學習場域

[中圖分類號] G434 ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] A

[作者簡介] 何聚厚（1972—），男，甘肅天水人。教授，博士，主要從事信息化教學模式創(chuàng)新、技術(shù)增強學習、大數(shù)據(jù)環(huán)境下智能信息處理等方面研究。E-mail：juhouh@snnu.edu.cn。

一、問題的提出

21世紀以來，學生的學習方式逐漸向信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展[1-2]，然而，基礎(chǔ)教育中依舊存在著一些問題，如信息技術(shù)與課堂教學融合不夠緊密、學生信息化學習方式有待改善等[3]。同時，在常態(tài)化教學中，信息技術(shù)在教學中的應用停留在“呈現(xiàn)事實”“創(chuàng)設(shè)情境”與“提供示范”等層面，缺乏較高層次的“原理解釋”與“設(shè)疑思辨”的應用[4]，因此，學生的學習多停留在淺層階段。面對學習中存在的效率低下、淺層化等問題，如何實現(xiàn)深度學習成為教育問題解決的有效探尋方向。

學習作為一種隱性的空間，運行邏輯符合社會學中的“場域”內(nèi)涵，學習場域是學生、教師與資源之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。將學習納入場域范疇進行研究，對觀察、理解和深入分析教育現(xiàn)象具有重要的本體論與方法論意義[5]。

深度學習場域的構(gòu)建成為實現(xiàn)學生深度學習的顯性目標。在新時代背景下，學習場域的構(gòu)建技術(shù)發(fā)生了很大的改變，《2017新媒體聯(lián)盟中國基礎(chǔ)教育技術(shù)展望：地平線項目區(qū)域報告》指出，在中國基礎(chǔ)教育的教育技術(shù)重要發(fā)展方面，自適應學習技術(shù)、智能評分技術(shù)、虛擬及遠程實驗室、可穿戴技術(shù)被認為在未來四到五年間可能有重大突破[6]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為深度學習場域的構(gòu)建提供了豐富、有效的學習資源，可以構(gòu)建出以學生為主體，以虛擬現(xiàn)實場景、教師、系統(tǒng)開發(fā)師、輔助者為組成部分的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，幫助學生實現(xiàn)深度學習。雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用中有著較大的優(yōu)勢，但目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在基礎(chǔ)教育中的應用多集中于單一場景的構(gòu)建、單一課程的設(shè)計[7-9]，缺乏可供參考的融合指導與可供直接遷移應用的融合策略。基于此問題，本文擬以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐，構(gòu)建深度學習場域模型，從而為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應用給予指導，推動學習者進行深度學習，優(yōu)化學習路徑和學習策略。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的學習特征分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中是作為技術(shù)媒體使用的，其技術(shù)功能是塑造其所支持學習特征的重要因素。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以生成一種模擬環(huán)境，利用各類傳感設(shè)備將用戶“投放”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與模擬環(huán)境的自然交互。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要有三類重要功能：（1）感官模擬：虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將人所身處真實環(huán)境中的真實感官刺激模擬甚至放大，使用戶能夠獲得聽覺、視覺、觸覺、力覺等多重感知。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的感官模擬主要集中在視覺、聽覺、觸覺，從技術(shù)承載設(shè)備方面分析，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要有可穿戴設(shè)備、模擬艙兩種發(fā)展方向。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一大發(fā)展方向是模擬出人具備的所有感知功能。（2）造物創(chuàng)世：在創(chuàng)世與造物方面，視頻技術(shù)已經(jīng)向我們展現(xiàn)了一定的風采，影視將真實世界與虛擬世界用平面或三維疊加的方式呈現(xiàn)出來，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)則在此基礎(chǔ)上更加凸顯出了“再現(xiàn)”與“具象化”的魅力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬真實與設(shè)想，跨越時間、空間障礙，將過去與未來、宏觀與微觀、遠方與近處等帶到眼前。（3）交互與反饋：虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅模擬了感官和存在，還模擬了發(fā)展，將用戶投放到模擬世界中，用戶可以對這個模擬世界產(chǎn)生作用，同時，模擬世界也會根據(jù)用戶的作用進行發(fā)展，為用戶提供類自然的反饋。

結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的功能特征，分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的學習（VR學習）的特征，主要集中在交互與體驗兩個關(guān)鍵詞上。有別于課本知識的一維形式、視頻知識的二維形式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的知識形式是三維立體的。學習者在虛擬現(xiàn)實場景中的學習行為是以體驗為主的，強調(diào)學習者的直接經(jīng)驗，因此，虛擬現(xiàn)實學習情境的開發(fā)中，必須將學習者的興趣作為首要考慮因素。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造的學習空間中，學習者視角一般有兩種分類：（1）主人公視角的參與式體驗，該類教學場景中，強調(diào)學習者的主觀能動性與自主性。學習者是主人公，虛擬現(xiàn)實場景會隨著學習者的移動產(chǎn)生生成性的變化，注重學習者與虛擬世界的自然交互。（2）旁觀者視角的跟隨式體驗，在此類教學場景中，比較重視場景的邏輯性發(fā)展與知識講解。學習者以旅游者的身份觀摩、旁觀世界的發(fā)展。

三、深度學習場域模型的建構(gòu)基礎(chǔ)

（一）學習場域

1935年勒溫類比物理學中的“場”提出“場域理論（Field Theory）”：B=f（P，E），其中B表示行為，P表示個體，E表示環(huán)境，強調(diào)個人的行為是個體與環(huán)境相互作用的結(jié)果。學習場域是學生與學習資源間的一種關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，深度學習場域則強調(diào)了學生與學習資源的深度交互，目的是實現(xiàn)深度學習。相對于淺層學習場域而言，深度學習的場域表現(xiàn)出以下特性：（1）具有更高的學習目標、思維層次，更強的學習動機以及更加獨立的學習空間;（2）學生學習的主動性更強，與場景的交互性更高，更加注重學生間的協(xié)作能力;（3）更注重學習反思，強調(diào)文化資本的高利用率;（4）更注重學習效果，強調(diào)學生的意義建構(gòu)。

（二）深度學習

深度學習與淺層學習的根本區(qū)別在學習者獲取與加工信息的方式上[10]。與淺層學習不同的是，深度學習強調(diào)了學習行為的高投入性與復雜性，追求學習的高目標層次——創(chuàng)新、評價與分析。Chris Dede闡述了數(shù)字技術(shù)在深度學習中的角色，以自設(shè)計的EcoMUVE系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對其在科學課上的效果進行評估，同時，結(jié)合訪談法對教師的態(tài)度與看法進行調(diào)查，結(jié)果表明，更積極及更多時間的監(jiān)督能夠優(yōu)化游戲?qū)W習效果[11]，因此，在設(shè)計的深度學習場域模型中，將教師監(jiān)督納入模型中。

有學者從情境、交互、反思角度對深度學習進行了深入探討。閻乃勝指出，深度學習是一種基于情境的學習方式，從深度學習的真實性與批判性情境屬性入手，說明深度學習課堂情境的構(gòu)造方法[12];陶侃以問題情境為切入點，采用案例分析方法，分析基于問題情境的交互活動，指出問題情境引發(fā)的五個交互層次，即信息交流層次、問題把握層次、問題解決層次、學習與創(chuàng)新層次、意義建構(gòu)與再創(chuàng)新層次[13];吳秀娟、張浩則對基于反思的深度學習進行了實驗研究，結(jié)果表明，信息技術(shù)課程教學中基于反思的深度學習模式基本可行，同時，反思在促進深度學習上具有較顯著效果[14];吳南中、李健蘋對虛擬融合的學習場域方法論特征進行分析，提出虛實融合的學習場域形成的保障機制，認為強化對話為基本特征的交互是虛實融合的學習場域的內(nèi)在動力[15]。

（三）體驗學習循環(huán)理論

體驗學習循環(huán)（Experiential Learning Cycle）理論，將學習看作是一個循環(huán)過程，主要包括學習體驗（具體的經(jīng)驗）、反思（反思性觀察）、概括（抽象概念化）以及檢驗（積極行動）四個環(huán)節(jié)[16]，如圖1所示。

體驗式學習循環(huán)理論強調(diào)了學生知識與經(jīng)驗的外化，為基于虛擬現(xiàn)實的深度學習場域構(gòu)建提供了以下指導：（1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的學習場域應該能夠模擬知識的發(fā)生情境，借助直接經(jīng)驗與間接經(jīng)驗，充分調(diào)動學習者的多種感官刺激，促進學習的有效發(fā)生。（2）基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度學習場域，應該注重學生的反思，可以借助虛擬學習輔助工具設(shè)置合理的問題情境，激發(fā)學生進行反思。（3）基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度學習場域主要構(gòu)件，應該包括情境、交互、體驗及反思，其中，情境是學習場域的核心。

四、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度學習場域

模型建構(gòu)與分析

曾明星、李桂平等將情境、交互、體驗與反思作為深度學習場域建構(gòu)的核心構(gòu)件[17]。本研究以虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的學習特征分析為基礎(chǔ)，結(jié)合學習場域的相關(guān)理念，提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度學習場域構(gòu)建模型，如圖2所示，該模型是由一個基石（以情境、交互、體驗、反思為核心的學習空間塔）、一個內(nèi)核（學生投入）、三個支持點（教師、技術(shù)人員、需求轉(zhuǎn)化工具）組成的開放場。

（一）以學生、教師、技術(shù)人員、需求轉(zhuǎn)化工具為靈魂的支持系統(tǒng)

學生作為學習活動的主體，是基于虛擬現(xiàn)實深度學習場域的最內(nèi)核的部分。建立基于虛擬現(xiàn)實的深度學習場域，必須以學生的需求作為根本出發(fā)點。教師既是學習活動的設(shè)計者，也是學生學習的指導者與評價者，教師是整個場域中不可缺少的調(diào)配師。技術(shù)人員是虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的開發(fā)者，是場域物理平臺的制作者。教師與學生是虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)的使用者，技術(shù)人員是虛擬現(xiàn)實學習系統(tǒng)的制作者，兩者之間存在供需關(guān)系。師生與技術(shù)人員之間存在一定的知識障壁，如何將師生的教學需求轉(zhuǎn)化為軟件開發(fā)需求是虛擬現(xiàn)實場景學習場域的第一道門檻，這里的需求轉(zhuǎn)化工具可以是人員，也可以是一套標準。學生、教師、技術(shù)人員以及需求轉(zhuǎn)化工具是學習場域模型的靈魂，四者之間應該協(xié)調(diào)互助、共同努力。

（二）以學生投入、教師監(jiān)督、技術(shù)人員開發(fā)、需求轉(zhuǎn)化工具設(shè)計為中心的場域活動

學生的學習投入直接影響到學生的學習效果。Fredricks 等認為， 學習投入包括行為（Behavioral）、情 緒（Emotional）和 認 知（Cognitive）等 三 個 獨立維度[18]。郭繼東研究發(fā)現(xiàn)，英語學習內(nèi)在情感投入對學習成績產(chǎn)生直接的正向預測作用，外在情感投入通過內(nèi)在情感投入的中介作用對學習成績產(chǎn)生間接的預測作用[19]。學生的學習投入程度是評價場域活潑度、生動度的重要指標，是一個學習場域良性發(fā)展的重要因素。

沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)營造了一個虛擬空間，學生在該虛擬空間中探索、產(chǎn)生“學習行為”。為了掌握學生的學習情況，教師被賦予了新職責，具化為兩種化身：一種是以虛擬人物、角色為外衣的虛擬化身，通過局域網(wǎng)多人聯(lián)機的方式，將教師、學習者、學習同伴等納入場景中;一種是以數(shù)據(jù)庫技術(shù)為支持的上帝視角，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的評價模塊是教師化身的一部分，承擔起教學評價職責。另外，教師不僅需要對學生的學習行為進行監(jiān)督，還需要對開發(fā)人員的開發(fā)行為進行監(jiān)督，改善學生與場域基礎(chǔ)平臺的適配性，同時，幫助學生更快地適應虛擬現(xiàn)實深度學習場域，找到合適的學習方式。

教師與技術(shù)人員之間的關(guān)系是教學設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)系。教師與開發(fā)人員之間的合作，是建立在教學需求與產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)上的。人員作為需求轉(zhuǎn)化工具有兩種模式：（1）教師承擔教學產(chǎn)品設(shè)計職責。教師需要對虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品有一定的了解，根據(jù)自己的教學計劃，提出詳細的產(chǎn)品設(shè)計需求。（2）技術(shù)人員承擔教學產(chǎn)品設(shè)計職責。技術(shù)人員對教學有一定的了解，教師只需要提出教學產(chǎn)品的基本功能需求，技術(shù)人員根據(jù)教師基本的功能需求，結(jié)合教學計劃、教材等，設(shè)計開發(fā)出虛擬現(xiàn)實教學產(chǎn)品，在這種情況下，設(shè)計人員的設(shè)計水平及對教學的理解水平直接影響到學習場域的應用效果。另外，需求轉(zhuǎn)化工具可以是一套標準工具或中介人員，對教學與虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有較深入了解的人員承擔需求轉(zhuǎn)化職責或者制定一套需求工具，教師可以很明晰地說明自己的需求，虛擬現(xiàn)實技術(shù)人員也可以很清楚地理解這份需求文檔。

（三）以情境、交互、體驗與反思為核心的學習空間塔

1. 情境

情境屬于深度學習場域中的顯在場域，是依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的集視覺、聽覺、補充嗅覺與觸覺在內(nèi)的多感官體驗式學習空間。在該階段，需要結(jié)合學習內(nèi)容、學習者特征與學習目的，設(shè)計虛擬現(xiàn)實學習情境。該階段的設(shè)計工作與交互、體驗、反思過程是一個統(tǒng)一的過程，應該通過系統(tǒng)化的分析，確定學習情境的設(shè)計思路與策略，創(chuàng)設(shè)出適宜性、可擴展性與創(chuàng)新性的學習情境。虛擬現(xiàn)實深度學習情境可以按照學生的體驗方式，劃分為游戲化虛擬情境與真實情境，其中游戲化虛擬情境是指通過體驗設(shè)計，引導學生借助虛擬自我角色，與場景中的任務、畫面、聲音、物體等進行互動、感知與操作，進而為學生創(chuàng)造身臨其境的感受。真實情境則是與現(xiàn)實生活比較吻合的一種場景，具有較高的整體性，場景與現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系。真實情景中的活動與資源具有較高的真實性，設(shè)置的探索問題與現(xiàn)實生活具有一定的聯(lián)系，能夠引導學生進行預測、假設(shè)，從而真正解決問題，為后續(xù)的學習遷移的發(fā)生提供支持。

2. 交互與體驗

交互與體驗屬于虛擬現(xiàn)實深度學習場域中的中間構(gòu)件，情境需要通過交互作用，激發(fā)學生的體驗，從而對學習者的學習行為施加作用。教學交互作為一種基本的教學事件，其核心是學生的主動學習。在教學交互過程中，可以借助多樣化的相互作用，轉(zhuǎn)變學習者行為，實現(xiàn)教學目標。交互與體驗是一個相統(tǒng)一的過程，交互是學生體驗的外在形式，體驗是交互的內(nèi)在本質(zhì)。體驗是學生個體在經(jīng)歷觀察、感受、探究等活動，實現(xiàn)認識內(nèi)省，最終形成生成性的習慣、態(tài)度與心理品質(zhì)。在體驗學習中，強調(diào)學生進行反思，應用方式也比較多樣化，主要包括游戲、試驗、角色扮演等。在交互與體驗模塊中，應該完成以下具體任務：（1）設(shè)計學生行為預測與引導;（2）分析學生可能會采取的交互方式與操作策略，設(shè)計相關(guān)交互環(huán)節(jié);（3）設(shè)計應該能夠引導學生逐步探索，引發(fā)學生的深度學習;（4）分層次設(shè)計需要為學生提供的用戶體驗;（5）注意確保問題的動態(tài)生成性，有效應用虛擬時間帶來的實時反饋，創(chuàng)造出適應性的模塊進階，為學生提供浸入式的交互與直觀性的體驗。

3. 反思

反思主要包括學習過程、結(jié)果、環(huán)境與動機等多種內(nèi)容，屬于深度學習的必要條件。反思本質(zhì)上是為了改善學生的元認知能力，引導學生對問題進行深度挖掘，從而實現(xiàn)對問題本質(zhì)的深刻思考，得到科學的認知結(jié)論。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學生提供的多感官刺激，可以從多種通道激發(fā)知識與經(jīng)驗，有效利用學習過程與學習成果的相關(guān)關(guān)系，促進學生深化學習。

（四）以學生自我評價、技術(shù)人員的形成性評價、學習分析為一體的評價體系

學生在基于虛擬現(xiàn)實的深度學習場域中的探索，主要劃分為四個階段：（1）學習適應，即對虛擬現(xiàn)實支持的新型學習方式的適應性學習;（2）意義建構(gòu)，即對探索所得的知識進行自主建構(gòu);（3）問題解決與策略形成，即在場域探索過程中，逐步形成問題的解決策略;（4）學習遷移：將解決問題后獲得的知識與策略遷移到現(xiàn)實情境或者其他學習情境中，內(nèi)化為自己的知識結(jié)構(gòu)與能力結(jié)構(gòu)。學生在不同的探索階段中，需要對自己的行為表現(xiàn)進行自我評價，結(jié)合教師及學習分析給出的評價結(jié)果，對自己的學習行為進行調(diào)整。

技術(shù)人員的形成性評價主要是對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)過程進行形成性評價。設(shè)計任務主要包括：（1）虛擬現(xiàn)實場景設(shè)計，即根據(jù)教學內(nèi)容，設(shè)計虛擬現(xiàn)實場景;（2）學習行為預測與引導設(shè)計，即分析學生可能發(fā)生的行為，設(shè)計情節(jié)，引導學生的學習行為;（3）學習體驗設(shè)計，即設(shè)計相關(guān)情節(jié)、情境，為學生提供豐富的學習體驗;（4）學習評價與反饋設(shè)計，即設(shè)計學習評價方式，引導學生進行反思，設(shè)計為學生提供的反饋信息。技術(shù)人員應該根據(jù)設(shè)計進行教學產(chǎn)品開發(fā)，并對產(chǎn)品的實用度、滿意度、易用性等進行形成性評價與優(yōu)化。

學習分析是建立在學習目標的基礎(chǔ)之上的，需要借助觀察、調(diào)查、實證等多種研究方法，對學生的過程性學習進行分析，從而形成價值性判斷。學習分析是貫穿模型內(nèi)部的一個模塊，是對學生各模塊學習行為的有效記錄與分析，是學生自我評價與模塊設(shè)計的重要支持。學習分析應該是在線的、實時的，為模塊設(shè)計的改進與學生的學習行為評價提供數(shù)據(jù)資料。

四、全沉浸式人體骨骼深度學習場域構(gòu)建實例

筆者研究團隊，根據(jù)本文提出的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度學習場域構(gòu)建模型，借助VIVE虛擬現(xiàn)實設(shè)備，開發(fā)了應用于人體骨骼學習的輔助系統(tǒng)。

（一）情境

1. 模塊設(shè)計：虛擬場景設(shè)計

本次研究中選擇的案例為蘇教版小學科學三年級上冊“認識人體骨骼”課程，為了更系統(tǒng)化、高效化地創(chuàng)建適合學生特點的教學情境，對該課程章節(jié)的學習內(nèi)容、學習者、學習目的與教學媒體等進行分析。

“認識人體骨骼”的教學目標從知識、能力與情感三個維度劃分。

知識目標：

（1）知道人體骨骼的數(shù)量與結(jié)構(gòu);

（2）了解骨骼的基本功能。

能力目標：

能夠正確拼接人體骨骼。

情感目標：

（1）激發(fā)學生對自己身體構(gòu)造的興趣;

（2）增強學生保護骨骼的意識;

（3）引導學生養(yǎng)成在日常生活中保持正確坐姿、行走姿勢的良好習慣。

學習者特征分析：

（1）年齡階段為8～9歲，具有較高的好奇心與可塑性;

（2）思維發(fā)展處于具體運算階段，思維帶有明顯的符號性與邏輯性。

教學重點與難點：

教學重點：人體骨骼的構(gòu)成與作用;

教學難點：拼接人體骨骼。

人體骨骼作為一種學生擁有但卻無法直觀感知的系統(tǒng)，它的學習主要借助教學媒體。傳統(tǒng)的教學過程中，教師一般采用的媒體為：（1）人體骨骼實物模型，多是棉紗制作，質(zhì)感較假，在使用中容易發(fā)生碰撞、磨損，直接影響教學效果;（2）視頻、動畫、圖片、掛件等，這些媒體通常只能為學生提供單一的或較少的感官體驗，不利于學生獲得對人體骨骼的全面、細致的了解。虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的沉浸性、多感官性與構(gòu)想性，能夠為學生提供擬真的學習環(huán)境，提供的人體骨骼模型真實性高、可交互性強。

為了讓學生更深刻地認識人體，研究團隊根據(jù)場域構(gòu)建模型的相關(guān)指導，開發(fā)人體骨骼的學習場景。根據(jù)學習內(nèi)容分析，結(jié)合教學重難點，設(shè)計了四個教學情境：（1）骨骼學習，提供知識學習服務，幫助學生獲得各個骨骼的基本信息;（2）骨骼觀察，提供多角度的觀察體驗，借助刺激性的視覺體驗與空間感體驗，激發(fā)學生對身體構(gòu)造的興趣;（3）骨骼拼接，為學生提供拼接骨骼的機會，設(shè)置一定的容錯性，每塊骨骼拾取時呈現(xiàn)相應的骨骼功能信息，幫助學生建立起骨骼位置與骨骼功能的聯(lián)系;（4）習題測試，提供知識的檢驗與引導遷移功能，通過巧妙的習題，設(shè)置疑問，幫助學生對所學知識進行深度加工，引導學生展開思考，促進學習遷移。

2. 學生的學習行為：學習適應

若用戶的頭部轉(zhuǎn)動或身體移動，場景會模擬現(xiàn)實環(huán)境進行視覺調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)第一人稱視角的轉(zhuǎn)向和位移。為了減少無謂的認知冗余，該平臺設(shè)計簡單的交互方式，追求易操作效果。在該階段中，學生的學習行為主要體現(xiàn)為學習適應，具體是指學生在接觸虛擬現(xiàn)實場景時，需要掌握一定的基本操作技能，同時，需要獲得對該學習情境的基本情況的認知，例如，學習情境設(shè)計的目的及學生應該達到什么學習效果。學生可以借助已有的知識及經(jīng)驗，探索虛擬現(xiàn)實構(gòu)造的學習情境。學生通過對簡單操作方式的學習，獲得如何與學習情境發(fā)生交互的基本認知。該階段的學習屬于淺層學習，是深層學習的基礎(chǔ)。

（二）交互

1. 模塊設(shè)計：學習行為預測與引導設(shè)計

交互是指人與機器發(fā)生相互作用。該系統(tǒng)使用虛擬頭盔與虛擬手柄等設(shè)備作為交互工具。頭盔將人對外界的視覺與聽覺進行封閉，左右眼屏幕分別顯示左右眼圖像，有差異信息被人眼獲取，腦海中會產(chǎn)生立體感，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。手柄是HTC Vive手柄，內(nèi)置捕捉動作的傳感器。用戶佩戴頭盔，接收到虛擬場景中的各種信息，獲得多種感官刺激，通過手柄實施多種動作，與虛擬現(xiàn)實場景發(fā)生交互。

為了降低系統(tǒng)的無關(guān)信息冗余，減少學習者的認知負荷。通過對學生學習行為的預測，本研究團隊將交互方式集中設(shè)計為三種交互指令：“點擊，按鍵提示”，用于開啟或關(guān)閉手持控制器的按鍵提示;“點擊，用于交互”，與軟件系統(tǒng)中的UI進行交互;“點擊，用于移動”，用于移動到綠色射線所指示的位置。

通過對學習者特征的分析，可知學習者的思維更容易接受形象化的東西，因此，將交互方式設(shè)置為全沉浸式，為學習者提供豐富的感官體驗。利用連續(xù)性的決策和進階式的任務，逐步引導學生與虛擬現(xiàn)實情境進行交互并掌握其內(nèi)所蘊含的科學文化知識。學生能夠在與系統(tǒng)內(nèi)物體進行交互的同時，獲得臨場的深度體驗。

2. 學生的學習行為：意義建構(gòu)

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下，學習交互與體驗的深度與廣度加大，提高了學生學習的自主性?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的多感知性、存在感、交互性與自主性特征，學生在人體骨骼虛擬現(xiàn)實學習系統(tǒng)中，首先進入的是淺層學習階段，該階段中學生獲得視覺、聽覺感官體驗，并通過置身情境方式，與場景進行適應性交互，該階段的思維發(fā)展處于低級水平。然后，學生進入概念的中層次交互階段，學生與場景所蘊含的“骨骼功能”“骨骼結(jié)構(gòu)”“骨骼數(shù)量”等學習內(nèi)容發(fā)生概念交互，逐步建構(gòu)知識體系。

（三）體驗

1. 模塊設(shè)計：學習體驗設(shè)計

系統(tǒng)為學生設(shè)計了有層次的感官體驗，引導學生逐步了解人體骨骼。

（1）第一個場景設(shè)計為淺層次的瀏覽。首次接觸骨骼模型的學生，對骨骼本身是有恐懼感的。為了避免學生產(chǎn)生抵觸心理，這一場景的體驗方式為“模型的分解瀏覽”。學生可以利用手柄發(fā)出的射線碰觸骨骼的各部位，各部位骨骼以及知識介紹會放大在視野的正前方，旋轉(zhuǎn)的骨骼為學生提供更全面的觀察角度，慢慢消除學生對骨骼的恐懼，激發(fā)學生的學習興趣（如圖3所示）。

（2）在對學生學習行為與探索路徑的合理預測基礎(chǔ)上，將第二個場景設(shè)計為近距離觀摩人體骨骼。因此，系統(tǒng)設(shè)計出一些可抵達的、多角度觀察平臺。學生在人體骨骼基礎(chǔ)知識學習后，可以選擇進入骨骼多角度觀察階段。學生進入該場景，可以看到螺旋上升的圓盤，用戶可以利用“點擊，用于移動”按鍵，實現(xiàn)移動。在該階段中，學生可以通過位置的移動，實現(xiàn)對人體骨骼組成的全方位觀察（如圖4所示），獲得更直觀的視覺體驗，有助于幫助學生建立直觀經(jīng)驗，獲得對人體骨骼細節(jié)處的深度學習。

（3）經(jīng)過前兩個場景，學生已經(jīng)逐步消除了對骨骼模型的恐懼，并會產(chǎn)生進一步了解骨骼結(jié)構(gòu)的求知欲，因此，設(shè)計的第三個學習情境為人體骨骼拼接，為學生提供動手拼接骨骼的機會。

在拼骨練習場景中，設(shè)置選項簡單清晰，學生可以輕松掌握轉(zhuǎn)換場景的方法，降低認知負荷。用戶可以長按“抓取物體”按鍵，將手柄接觸到骨骼中間位置拾取骨骼，將骨骼移動到對應的虛擬影像位置（如圖5所示），在該過程中，如果用戶對于該學習內(nèi)容不夠了解，可以點擊進入到骨骼觀察場景，自主控制學習進度。在該階段中，抓取骨骼時會直接調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)庫知識，會為學生提供相應的知識與反饋信息。

2. 學生的學習行為：問題解決策略形成

該階段主要涉及學生的認知發(fā)展思維過程，學習層次已經(jīng)進入深度學習。學生通過主動探索，觸發(fā)虛擬現(xiàn)實情境的一系列事件，在“競爭”“挑戰(zhàn)”元素的刺激下，激發(fā)學生完成意義建構(gòu)，并在潛移默化中形成問題的解決策略。在該學習系統(tǒng)中，學生通過骨骼學習與骨骼觀察階段的知識學習，逐步形成了骨骼拼接的問題解決策略，最終實現(xiàn)人體骨骼知識的內(nèi)化。

（四）反思

1. 模塊設(shè)計：學習評價與反饋設(shè)計

該階段需要設(shè)計學習反思，主要集中在學習評價與反饋上。通過設(shè)計學習評價與反饋，為學生的學習行為提供及時反饋，引導學生進行深層反思。反思作為深度學習的必要條件，其本質(zhì)是促進學生元認知能力的改善，引導學生學會學習。在骨骼拼接過程中，拾取骨骼時會直接調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)庫知識，會為學生提供相應的知識與反饋信息。在知識問答環(huán)節(jié)，對學生的知識獲得與學習遷移進行評價。

在模塊設(shè)計中，針對問題設(shè)計引發(fā)深度挖掘的情節(jié)及驅(qū)動性問題，促進學生展開反思。不同階段的設(shè)計，采用聲音、圖像、動畫、模型等多媒體形式，為學習者提供豐富的感官刺激，有助于引導學習者在潛移默化中獲取相關(guān)知識、技能。該模塊設(shè)計中，設(shè)計人員應該進行反思，思考設(shè)計的問題是否可以引發(fā)學生進行深度學習，能否達到學習遷移的目的。本研究團隊在該環(huán)節(jié)中，意識到尚存在問題導向性較弱的問題，正針對這些問題進行更深入的設(shè)計，不斷促進系統(tǒng)的優(yōu)化。在該模塊中，結(jié)合學習分析模塊，將各階段記錄下的學生學習行為進行大數(shù)據(jù)處理，能夠為教師的教學提供豐富的數(shù)據(jù)資源，為學生的自我評價提供支持。

2. 學生的學習行為：學習遷移

在反思階段，學生通過在情境、交互、體驗階段的學習，獲得對學習知識的深度了解，逐步實現(xiàn)深度學習，學生通過對學習行為的自我評價，獲得良好的學習反思。學生通過反思，將在虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造的學習場域中獲得的體驗性與交互性知識，轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實生活中的具體問題上，實現(xiàn)有效學習遷移，進而達到獲取程序性知識的效果。學生進入到學習遷移的高層次階段，學生通過高水平的認知發(fā)展，引發(fā)了良好的學習結(jié)果，將在人體骨骼虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中學習到的知識、技能有效地遷移到現(xiàn)實生活的問題解決中，例如，利用學到的骨骼知識，培養(yǎng)良好的運動習慣。

（五）學習分析

針對學生在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的行為表現(xiàn)，進行實時跟蹤、記錄、評價，從而形成一體化的學習測評體系。根據(jù)本研究團隊設(shè)計的《基于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的學習評價指標體系》，從學習興趣、學習動機、堅持性、自制力、注意力、滿意度、認同感、學習計劃、自我效能感等22個指標入手展開分析。其中，能夠直接利用虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品搜集到的行為數(shù)據(jù)主要包括學習時長、出錯次數(shù)、出錯頻率、拼骨正確率、答題正確率、轉(zhuǎn)換場景次數(shù)、學生反思語言等。

五、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的深度學習場域

模型構(gòu)建策略

虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的深度學習場域模型，在學習者的學習遷移與意義建構(gòu)中具有重要的應用意義。教育工作者應該在教學活動過程中充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，不斷促進學生學習環(huán)境與學習方式的創(chuàng)新，同時，應該注意利用深度學習場域構(gòu)建有效策略，有效控制認知負荷，避免冗余效應等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的深度學習，需要加大對反思與總結(jié)環(huán)節(jié)的重視，從問題出發(fā)，激發(fā)學生注意到行為關(guān)鍵點，從而抽取規(guī)律，改善思維層次，達到深度學習的目的。

深度學習場域模型為虛擬現(xiàn)實在教學領(lǐng)域中的應用提供了有效的支撐和指導，結(jié)合有效策略能夠最大程度上改善學生與場域的深度交互，提升學生的學習體驗，促進深度學習的發(fā)生。筆者結(jié)合全沉浸式人體骨骼深度學習場域模型構(gòu)建的經(jīng)驗，提出以下有效建構(gòu)建議：

（一）設(shè)置故事情境，激發(fā)學習者的學習動機

在深度學習中，強調(diào)學習者的主動性。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用中，需要設(shè)置良好的問題情境，同時，應該注意為學生提供足夠而不過量的感官刺激，避免干擾到學習者的思維過程，產(chǎn)生負面影響。虛擬場景與情節(jié)設(shè)置，應該根據(jù)ARCS動機激勵模型，引起學習者注意，設(shè)置情境應該與學習目標具有較高的相關(guān)性，注意培養(yǎng)學生的自信心，引導學生正確歸因，提高學生對虛擬場景的自我效能感與滿意度。

（二）給予策略引導，支持學生主動意義建構(gòu)

深度學習作為一種學習的深層次階段，需要符合先行組織者策略，應該與學生原有的知識結(jié)構(gòu)相鏈接。虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造的虛擬情境中，通過給學習者提供策略或者知識指導，引導學習者建立正確的心理表征，進而促進學生進行主動意義建構(gòu)，到達最近發(fā)展區(qū)。周玉霞、李芳樂、謝永祥等學者通過實證研究，得出在有無提示問題時，學習者學習遷移的程度存在很大的差異，說明，在虛擬現(xiàn)實情境中，設(shè)置相關(guān)提示問題，建設(shè)引導性情境，有助于促進學習遷移[20]。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用過程中，需要在恰當時機呈現(xiàn)提示問題，激發(fā)學生進行更深一步的意義抽象，獲得去背景化的知識，在潛移默化中實現(xiàn)學習遷移。

（三）結(jié)合交互層次，強化學習者的認知加工

在學習者的認知加工過程中，需要重點分析注意與知覺。深度學習支持自上而下的建構(gòu)知覺形式。在注意呈現(xiàn)環(huán)節(jié)中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)建構(gòu)的學習場域應該考慮注意的選擇性問題。而在知覺的刺激環(huán)節(jié)中，虛擬現(xiàn)實場景應該注意結(jié)合建構(gòu)知覺策略，減少學習者的認知負荷，促進知識的有意義建構(gòu)。另外，需要根據(jù)交互層次，促進認知的深度加工，通過概念交互與體驗，引導學習者從深度學習場域中迅速提取相關(guān)信息，促進概念與知識的遷移與建構(gòu)。

[參考文獻]

[1] 王運武，朱明月. 學習方式何以變革：標準與路徑[J]. 現(xiàn)代遠程教育研究，2015（3）：27-35.

[2] 李本友，李紅恩，余宏亮. 學生學習方式轉(zhuǎn)變的影響因素、途徑與發(fā)展趨勢[J]. 教育研究，2012（2）：122-128.

[3] 張倩葦，黃曼琳，葛會芳，楊永忠. 基礎(chǔ)教育信息化教學現(xiàn)狀與推進策略：以貴州省為例[J]. 教育研究與實驗，2016（1）：49-53.

[4] 杜娟，李兆君，郭麗文. 促進深度學習的信息化教學設(shè)計的策略研究[J]. 電化教育研究，2013（10）：14-20.

[5] 娜仁高娃，柳海民. 基礎(chǔ)教育“學習場域”的構(gòu)建設(shè)想與反思[J]. 東北師大學報（哲學社會科學版），2010（3）：136-140.

[6] 美國新媒體聯(lián)盟，北京師范大學智慧學習研究院. 2017新媒體聯(lián)盟中國基礎(chǔ)教育技術(shù)展望：地平線項目區(qū)域報告[R]. 北京：北京師范大學，2017.

[7] 楊雪萍. 基于unity3D的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學物理教學中的應用研究[D]. 上海：上海師范大學，2015.

[8] 冀巧玲. 基于VR-Platform的中學物理虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā)[D]. 濟南：山東師范大學，2011.

[9] 劉松梅. 基于虛擬現(xiàn)實平臺的中學信息技術(shù)課程設(shè)計與應用[D]. 成都：四川師范大學，2012.

[10] 克里斯迪德，余福海. 深度學習中數(shù)字技術(shù)的角色[J]. 數(shù)字教育，2016，2（4）：87-92.

[11] KAMARAINEN A M，METCALF S，DEDE C，et al. Student gains in science inquiry skills following participation in curriculum that combined EcoMUVE（Ecosystems Multi-user Virtual Environment）and field experiences[C]//Texas：96th ESA Annual Meeting，Austin，August 7-12，2011.

[12] 閻乃勝. 深度學習視野下的課堂情境[J]. 教育發(fā)展研究，2013，4（12）：76-79.

[13] 陶侃. 虛擬環(huán)境中基于問題情境的認知活動與學習交互[J]. 開放教育研究，2012，18（4）：36-43.

[14] 吳秀娟，張浩. 基于反思的深度學習試驗研究[J]. 遠程教育雜志，2015（4）：67-74.

[15] 吳南中，李健蘋. 虛實融合的學習場域：特征與塑造[J]. 中國遠程教育，2016（1）：5-11，79.

[16] KOLB D A. Experiential learning：Experience as the source of learning ?and development[M]. New Jersey：Prentice-Hall，1984.

[17] 曾明星，李桂平，周清平，等. MOOC與翻轉(zhuǎn)課堂融合的深度學習場域建構(gòu)[J]. 現(xiàn)代遠程教育研究，2016，26（1）：41-49.

[18] FREDRICKS J A，BLUMENFELD P C，PARIS A H. School engagement：potential of the concept，state of the evidence[J]. Review of educational research，2004，74（1）：59-109.

[19] 郭繼東. 英語學習情感投入的構(gòu)成及其對學習成績的作用機制[J]. 現(xiàn)代外語，2018，41（1）：55-65，146.

[20] 周玉霞，李芳樂，謝永祥. 教育游戲“農(nóng)場狂想曲2”中的學習遷移[J].中國遠程教育，2011（4）：79-83，96.