VR沉浸式交互學習環(huán)境設計與研究

江婕 時艷艷

摘要：科技者、教育者以及學習者都期望虛擬學習環(huán)境能改善學習者互動體驗、增強身心參與感、提高學習效果，深化教學變革，但虛擬教學資源在教育上的應用研究尚未有一致性。因此，本研究從小學科學課的具體案例出發(fā)，依據現狀和需求，開發(fā)與教學融合的虛擬教學資源，并基于“導、學、展、評、測”五環(huán)節(jié)教學模式，進行VR沉浸式交互學習環(huán)境的總體設計，以期為如何有效利用虛擬教學資源構建虛擬沉浸式交互學習環(huán)境以及優(yōu)化交互式學習環(huán)境提供研究參考。

關鍵詞：VR;沉浸式交互;小學科學;學習環(huán)境設計

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2022）07-0000-05

● 引言

虛擬現實技術運用在教育領域中的成效被越來越多的專家、學者和教育者所認同，但從基礎教育一線教師的角度來看，雖然虛擬現實技術的實踐成效不斷提升，可仍存在一些基本問題，如在虛擬環(huán)境下，如何在有限時間內編排課程內容、控制課堂學習進度，實現全面沉浸式學習等。因此，基于虛擬教學資源的教育如何完整融合課堂教學，走進教學實際需求;如何設計沉浸式交互學習環(huán)境成為研究者關注的熱點問題。

● 相關綜述

虛擬現實技術（virtual reality，簡稱VR）是由交互式計算機仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動作，替代或者增強一種或者多種感官反饋，從而產生一種精神沉浸于或出現在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺。[1]其包括三個突出特征：沉浸性、交互性、想象性。[2]沉浸性是虛擬現實的本質屬性，交互性和想象性是形成沉浸感的基礎。[3]

虛擬現實技術不局限于視覺、聽覺，而是在有限的空間內放大體驗者的外部感官。鄭明玉等人描述支持力反饋的沉浸式學習環(huán)境，這種力反饋更能加深學生沉浸感，提升學習專注度，深化知識理解。[4]王雪等人關注虛擬現實學習環(huán)境下生成性策略對學生內部機制的研究，結果表明能有效降低學生認知負荷、消極情緒，但對大腦認知、情緒狀態(tài)等無顯著效果。[5]胡藝齡等人研究沉浸式虛擬現實（IVR）對實驗技能遷移能力影響。研究表明，沉浸式虛擬實驗有助于深度學習，活躍型學習者比沉思型學習者更能夠實現技能遷移能力。[6]劉妍等人研究中卻指出，虛擬現實沉浸式環(huán)境對學生的深度學習影響具有延遲性，從獲得更深的情感投入及持久記憶力中促進深度學習投入。[7]

綜合來看，虛擬現實沉浸式體驗對學習體驗，自我測試策略、情緒調整，認知加工策略，學習投入度等不同維度的影響和效果雖然大部分都是積極正向的，但不排除虛擬現實技術在提高沉浸感和自我效能感的同時產生新的外在的認知負荷，從而降低學習效率。[8]這讓筆者不禁思考，如何借助虛擬現實技術創(chuàng)建更具符合學生認知規(guī)律的全面沉浸式交互學習環(huán)境？因此，本研究聚焦如何在實際教學中實現課堂全面化沉浸體驗這一問題，對于問題解決，筆者從如何設計符合沉浸式體驗的虛擬現實教學資源以及如何面向“導、學、展、評、測”設計完整的虛擬沉浸式交互體驗活動過程這兩個方面進行探析。

● VR沉浸式交互學習環(huán)境設計策略

在傳統教學的基礎上，構建VR沉浸式交互學習環(huán)境需要考慮實現各種教學要素包括教師、學生、教學媒介等共同沉浸化。主要設計實現三個層面的要素沉浸，即物理沉浸（教學流程）、感官沉浸（外部身體沉浸）、心理沉浸（內在情感沉浸）（如圖1）。

物理沉浸包括整個教學流程中輔助設備、教學內容、教學環(huán)節(jié)上的沉浸設計。輔助設備是開展虛擬沉浸式學習的硬件支撐。依靠設備的介入，實現學生與虛擬世界的溝通。虛擬現實教學資源是開展虛擬沉浸式教學的重點部分，設計虛擬教學資源要保證知識的系統性，防止知識碎片化，應符合學生的認知順序，減少學生額外產生的認知負荷。根據教學內容，選擇最恰當的教學知識點分區(qū)適度沉浸化，避免過度技術化，淡化知識學習的初衷。教學環(huán)節(jié)設計上，通過將傳統教學融合入虛擬教學實現互相融合沉浸化，而不是單獨以虛擬教學為中心。

感官沉浸包括視覺、聽覺、動覺?？紤]到學生的年齡特征，在視覺感官沉浸設計中改變傳統教學的二維知識信息接收，將知識立體三維可視化，這種三維可視化沖擊學生的視覺感官，吸引學生注意力，在一定程度上提升學習專注度。聽覺感官沉浸設計的突出點在于不同于傳統的言語教學、音頻教學，之所以有不同體驗是因為這種聽覺音頻除了不同角度發(fā)聲的3D環(huán)繞音頻，還在于其聽覺“引導感”，不是一味地傳輸告知傳授知識信息，而是使聲音設計模塊以引導層次讓學生產生自主探究的意識。動覺感官沉浸主要表現在解放學生的四肢，加深學生的參與感，通過身體記憶加深學生的體驗及對知識的識記印象。

心理沉浸是深層次的沉浸設計，也是比較難以宏觀進行檢測的沉浸，包括教師心理沉浸、學生心理沉浸、師生共同產生的心理沉浸。教師的心理沉浸突出表現在參與引導整個教學環(huán)節(jié)。在傳統教學中，部分教師已熟練掌握教學環(huán)節(jié)的步驟，預測整個教學過程，這種熟練即為沉浸的一部分，合理設計教師的心理沉浸對教師來講比較容易實現。學生心理沉浸是在教師引導的基礎上促進的，通過一系列完備的設計能夠引起學生心理沉浸，這種心理沉浸雖然難得，但一旦發(fā)生，將影響學生未來對行動方針的選擇。師生共同心理沉浸聚焦于教師和學生互動融合心理沉浸，這種融合程度包含師生共同沉浸，即教師外在引導和語言教學沉浸化引起學生體驗探究心理沉浸，共同產生的心理沉浸能改善課堂氛圍，加深學生對課堂學習、教師的喜愛程度。

綜合來看，以上三種沉浸相互支撐又相互融合：物理沉浸是感官沉浸的基礎，在感官沉浸達到一定程度時實現心理沉浸。因此，在虛擬沉浸式交互學習環(huán)境設計中，需注重三個方面的沉浸有序支撐連接和融合，避免單純偏向某一方的沉浸設計。

● VR沉浸式交互學習環(huán)境設計案例

1.案例背景

小學科學是一門注重探究的實踐性課程，是培養(yǎng)學生辯證思維能力、探究意識和能力的基礎課程。本研究對南昌市某小學六年級的學生和教師進行需求調查，選擇科學課程中認識鳥類課程，從知識學段、探究過程、情感態(tài)度三個維度提出教學重點。

2.案例分析

（1）設計內容分析

根據對小學科學“生命”章節(jié)的課程標準解析，筆者將其章節(jié)的內容學習分成不同的模塊。根據設計策略，不同模塊中的沉浸程度以知識學段目標、探究過程目標、情感態(tài)度目標為基礎，由掌握知識沉浸層到探究實踐沉浸層再到情感態(tài)度沉浸層進行主要活動設計（如圖2）。

第一，沉浸式交互獲取知識模塊。在知識學段目標中，主要設計目標是實現學生自主通過沉浸式交互學習不同種類的鳥之間的外貌特征、生活習性及不同區(qū)別。選擇Unity3D開發(fā)軟件針對此模塊設計身臨其境的鳥類居住環(huán)境，在場景搭建上設置導入情節(jié)，引導學生學習知識板塊，同時利用3D Max構建鳥模型、食物模型。虛擬真實場景的沉浸式設計核心是雖然虛擬但與真實場景無偏差，這種沉浸感的最強體現為與現實生活存在的邏輯相對應。

為了使沉浸感更富有層次性，筆者在虛擬教學資源中添加類似背包的系統功能，使學生在面對種類繁多的鳥類時，可以通過自我探究發(fā)現獲取單只鳥種的知識，并歸納、記錄到“背包”中。在背包系統中，學生可以調取不同的鳥，對其開展對比分析，主觀參與意識加強，數據信息整理、自我操作歸納以及分析能力得到鍛煉。因此，學生佩戴VR眼鏡和手握手柄即可實現在虛擬沉浸式交互學習環(huán)境中觀察、分析、對比不同鳥類，在享受視覺盛宴的同時掌握鳥類的特征和組成部分知識內容。

第二，沉浸式交互掌握技能模塊。在探究過程目標中，主要設計目標更注重體現通過虛擬沉浸式探究活動過程掌握科學探究的技能，熟練掌握探究基本步驟，培養(yǎng)善于使用探究工具的意識。此模塊共包含三個探究活動，探究活動圍繞小學科學課程標準要求及知識點展開（如下頁圖3）。三個活動之間，依據知識點的內在聯系、學生思維特點，由整體到部分、抽象到具體展開教學內容。通過模塊間的內在連接，使學生的沉浸體驗達到最佳，以便在其他模塊中清晰明確學習思路，掌握探究過程，減少不必要的認知負擔。

學生佩戴VR眼鏡，可以對虛擬場景中的對象進行多方位多角度的觀察，通過手柄交互對象，進行旋轉、點擊、放大、縮小等操作，從細節(jié)上觀察分析鳥類之間的不同之處。通過深層次引導學生沉浸課堂教學培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

第三，沉浸式交互情感升華模塊。在情感態(tài)度目標中，主要借助Unity3D設計瀕臨滅絕的鳥類居住環(huán)境，引導學生在思想上形成保護環(huán)境、愛護鳥類的意識，同時展開行動上的虛擬演練，讓學生能在真實環(huán)境中做到思想行動一致，實現本課的最高目標。以視覺聽覺的沉浸感沖擊更容易激發(fā)學生深層次的情感認同，學生接受的情感信息與現實行動更為密切，對行為態(tài)度的影響則更為深刻。

（2）教學模式分析

根據對一線教師的調研，其最常用最基本的教學模式為“導、學、展、評、測”五環(huán)節(jié)模式，五個環(huán)節(jié)既可以相對獨立存在，又可以相互融合。教師在使用虛擬教學資源進行教學過程設計時，可根據具體的教學內容，調用編排“導、學、展、評、測”五個環(huán)節(jié)，以發(fā)揮虛擬沉浸式交互學習的優(yōu)勢。同時明確，“導”是前提，這種前提在虛擬沉浸式教學環(huán)境中是一個潛在的相對持續(xù)存在的過程，在虛擬教學資源中采用的引導式音頻，也是淺層次不斷導入學習的過程。在虛擬沉浸式學習環(huán)境中，“展”是“學”中開展知識點自主探究的重要環(huán)節(jié)，“展”的環(huán)節(jié)更能夠鍛煉學生自主學習能力，“學”是一直持續(xù)存在的過程?！霸u”融于整個虛擬沉浸式學習環(huán)境中，是對“學”“展”環(huán)節(jié)的重要支撐?！皽y”是深化，強化學生對已有知識內容的轉化和遷移，訓練學生調用認知結構中的知識解決實際問題的能力。

3.案例實施

①“導”環(huán)節(jié)。本節(jié)課采用“雙導”引入。一導：教師言語引導激發(fā)學生對探究鳥的生存世界的好奇心和求知欲。二導：學生佩戴設備進入虛擬鳥類世界。教師的言語導入與虛擬教學資源的導入情境是環(huán)環(huán)相扣的，虛擬教學資源的情境設計優(yōu)勢能夠給教師的言語導入提供漸進式深層次導入支撐。

②“學”環(huán)節(jié)。教師引導學生思考：這么多鳥，它們有哪些共同特征？提供支架式指導，引導學生在虛擬鳥類世界中搜集鳥的種類，觀察鳥的特征，以自主探究的模式進行趣味性學習。以學生為“中心”的虛擬沉浸式學習不同于傳統課堂教學的形式，不僅聚焦于多樣化的探究活動，而且注重探究活動安排，課堂內容的呈現以從整體到部分再到整體的方式展開，學生的學也形成由整體到部分再到整體的過程。虛擬沉浸式學習使知識可視化、系統化，符合學生的思維方式。

③“展”環(huán)節(jié)。以學生為“中心”的自主探究進入具體活動探究?；顒右唬河鹈摂M實驗。學生操縱手柄進行“剪”羽根、“觀”絨羽，深刻理解羽毛的結構及作用?；顒佣禾骄盔B喙虛擬實驗。學生選擇相應的食物，與不同食種的鳥類進行虛擬互動，掌握鳥類的鳥喙形狀各不相同，所以形成不同的飲食習慣。活動三：探究鳥足虛擬實驗。不同的棲息環(huán)境中的動物其生存場所具有很大的不相同，學生通過操作手柄交互選擇鳥類的棲息環(huán)境，理解不同棲息環(huán)境中的鳥類具有不同的鳥足?；顒铀模航處熞龑W生體驗生態(tài)環(huán)境破壞的鳥類世界，思考破壞生態(tài)引發(fā)的環(huán)境對鳥類生存的影響，此部分注重調動學生情感態(tài)度上的轉變。

④“評”環(huán)節(jié)。在虛擬課堂沉浸式教學中，評價主要分為兩個層面，即虛擬教學資源中的及時評價和教師的總結評價。在學生沉浸式交互過程中，虛擬教學資源提供及時的知識反饋，加深學生的理解，這種評價鼓勵式教學貫穿學生整個學習過程，在潛移默化中以不斷反饋的形式強化學生的求知欲，滿足學生的好奇心。除了虛擬沉浸式交互學習過程中的反饋機制，教師的反饋機制也必不可少，其優(yōu)勢主要在于教師將言語鼓勵式機制轉向系統性總結，幫助學生提高對知識點的概括和歸納能力。

⑤“測”環(huán)節(jié)。在虛擬沉浸式學習環(huán)境中安排沉浸式答題環(huán)節(jié)，能加深學生對知識的信息加工轉化，實現有意義的學習。場景式答題設計了游戲式答題模式，學生順利完成答題環(huán)節(jié)，就能夠進入生態(tài)環(huán)境恢復的場景，使測驗過程富有了趣味性和情境性，同時，加深了學生保護環(huán)境的意識和態(tài)度，有益于學生將情感態(tài)度學習與現實生活中的實際行動相連接。

● 總結

總之，在設計開發(fā)沉浸式交互學習環(huán)境時，應重視可操作設計沉浸化部分，幫助學習者在虛擬沉浸式交互學習環(huán)境中體驗交互樂趣，產生學習興趣，獲得學習成就。

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[8]Oliver A. Meyer，Magnus K. Omdahl，Guido Makransky. Investigating the effect of pre-training when learning through immersive virtual reality and video： A media and methods experiment[J].Computers& Education，2019.

作者簡介：江婕（1982.05—），女，漢族，工作單位為江西科技師范大學，副教授，碩士，研究方向為教育技術、新媒體技術、智慧學習。時艷艷（1996.11—）女，漢族，工作單位為江西科技師范大學，碩士，研究方向為虛擬現實技術、虛擬現實技術與多媒體應用。

本文系江西省教育廳2021年研究生創(chuàng)新專項資金資助課題“面向導學展評測的VR沉浸式課堂探究——以小學科學‘鳥類’為例”（課題立項號：YC2021-S785）;江西省2020年教科省級課題“智慧學習環(huán)境下的深度交互價值探析及模型建構的實踐研究”（課題立項號：2020YB129）的研究成果。