虚拟微格教学平台建设的实践与探索

杨 健， 杨 刚， 叶新东

(温州大学 教师教育学院，浙江 温州 325035)

0 引 言

随着3D立体影像、3D电视、3D电影、3D可穿戴设备等新技术的兴起，越来越多的学校开始利用虚拟技术工具辅助实验教学，帮助学生学习复杂的科学主题[1]。国内已有多所高校开展了虚拟仿真实验室的建设，如清华大学的建筑与土木工程虚拟仿真实验室、北京师范大学的化学虚拟实验室和厦门大学的医学虚拟仿真实验室等，这些实验室依托虚拟世界、虚拟化身、基于动力学的虚拟系统为学习者营造了全新的“沉浸式”教育体验，为高校实验教学开辟了新的道路[2-3]。

在师范类课程实验教学中，师范生技能训练一直是教学的重点。传统上的教学技能训练主要采用微格教学方式，微格教学是一种在缩小、精简化的教学环境中培训师范生教学技能的方法[4-5]。通常学生在微格实验室中轮流扮演教师角色，一次扮演时间为10～15 min，并由摄像机记录整个过程，教师通过观看录像开展教学分析并提出修改意见，学生对教案进行修改后，再次进行新一轮角色扮演。然而，受限于微格实验室教学环境的限制，在微格教学中，学生很难经历复杂、特定的教学情境，同时，这种训练模式耗时长、操作复杂，不易开展大规模训练[6-7]。本文所要探讨的是将VR技术应用于师范生技能训练中，并分析虚拟环境下微格训练有效性。

1 文献回顾

近年来，一些研究探究了3D虚拟世界对教学活动支持的有效性[8]，发现虚拟环境下的教学活动能有效提升学习者的学习体验[9]。与2D的在线学习环境比较，3D虚拟世界的视觉功能使学习者能“更好地识别虚拟角色的语音信息，更好地集中和组织信息，并与环境产生更强的联系感”[10]。Metcalf等[11]发现虚拟学习环境产生的生动性和沉浸性，能促使学习者更加专注与环境的互动，并提高学习者的任务绩效。相关研究成果越来越表明身临其境的虚拟环境有利于学习者积极参与有意义的学习。鉴于此，本研究将VR技术应用于微格教学中，通过建立虚拟微格教学平台，拓展师范生教学技能训练方式，解决因“学生多、教师少”造成的师范技能不易开展大规模训练，缺乏个性化训练等问题。

2 虚拟微格教学平台的设计

虚拟微格教学平台是一款采用第一人称视角的360°虚拟课堂教学技能训练系统。学习者通过头戴式显示器观看360°全景课堂画面，利用手持控制器可以与虚拟角色进行互动，平台能模拟教学过程，采用单线程的任务引导，学习者可以按照任务步骤完成授课过程。虚拟微格教学平台能为学习者提供个性化、可控性和即时性指导的教学技能训练环境。个性化是指学习者可以依据授课内容设置教室布局、学生年龄、性别等，还可以预先设置课堂上的交互问题，满足学习者个性化学习的需求[12]；可控性是指学习者可以自主控制虚拟课堂进度，通过手持控制器可以反复触发特定教学事件，实现在可控环境中的反复练习，强化学习效果；即时性指导是指虚拟微格教学平台会依据所触发的教学事件为学习者提供指示性信息和脚手架，帮助学习者处置不同的教学任务，顺利完成授课过程。

2.1 平台构架

该平台包括主要中控模块、显示模块和交互感应模块。中控模块由视频信号源控制器和数据服务器组成，主要负责视频信号、控制信号的处理；显示模块包括数字图像校正融合机(含图像控制)、投影机、投影幕等，主要用于营造沉浸式观感画面；交互感应模块由光学跟踪器、控制手柄及相关辅助配件等组成，主要用于身体动作跟踪和指令的采集,如图1所示。

2.2 功能布局

虚拟微格教学平台的核心功能是训练学习者的教

图1 虚拟微格教学平台架构图

学技能，包括导入技能、提问技能、说明技能、变化技能、板书技能、课堂失范行为管理技能等。平台既可以训练学习者单项教学技能，也可以训练学习者的综合教学技能。依据训练内容的不同，虚拟微格教学平台主要划分为两个功能区域，分别是练习区和演示区，如图2所示。

图2 虚拟微格训练平台功能布局

在练习区中，学习者主要进行单项技能训练，系统将为学习者创建特定课堂场景和教学事件。单个训练项目时间长度大约为10 min，每个项目包含若干教学事件，教学事件围绕一项特定的技能训练来设计。学习者触发对应教学事件后，可以按照系统提示完成任务，整个过程会被自动记录，教师和学生可以在训练后对记录视频进行回放，用于评价学习者的表现。

在演示区中，学习者主要进行综合教学技能训练，系统将为学习者创建完整的课堂教学事件。训练项目时间长度大约为30 min，项目模拟一节课的教学过程，包括多个教学技能的综合应用。学习者需要处置虚拟课堂中的预设事件，合理安排授课环节，才能顺利完成整个授课过程。教师和学生可以通过大屏幕观摩虚拟课堂教学的整个过程，并评价学习者的表现。

3 平台应用效果分析

为研究虚拟微格教学平台的应用效果，研究者用随机分配方式将同一专业的大学本科学生分为两个班级，分别为实验组和对照组，两个班级学生的性别、年龄、学术背景均在统计意义上相同。研究周期为12周，前10周进行“微格教学”课程学习，实验组实施虚拟微格教学，对照组则实施传统微格教学。11～12周所有学生被随机分配到10所不同实习学校，进行课堂教学实习。最后，通过分析学习者自我效能感、学习态度和课堂教学表现，探究虚拟微格教学和传统微格教学的效果是否存在差异。

3.1 参与者

研究样本包括66名小学教育专业三年级本科生。通过随机分组方式分配到实验组和对照组，实验组采用虚拟微格教学,对照组的教学采用传统微格教学。由同一位教师担任实验组和对照组的任课教师，课程学时数相同，教学内容相同。

3.2 数据收集

(1) 自我效能测试：采用Wang等[13]开发的“学习自我效能量表”。该量表包括7个项目，使用“非常不认同”到“非常认同”5点评分，得分越高表明学习者对课程学习的自我效能感越高。

(2) 学习态度测试：学习态度量表是基于Hwang[14]的测量方法制定的。量表由8个项目组成，量表的克朗巴哈系数为0.79，该量表在国外多个研究中被采用，具有良好的信效度。

(3) 课堂教学成绩测试：学生在完成10周的微格教学训练后，需要参加为期2周的教学实习，66名学生被分配到10所小学实习，由实习学校老师对学生的课堂教学表现进行综合评分。

3.3 数据分析

在第1周开始时和第10周结束时，分别对实验组和对照组的学生进行学习自我效能感和学习态度测量。在分析获得数据过程中，由于参与者数量未到达参数检验的要求，所以使用了非参数检验[15-16]。在第12周的课堂教学实习结束后，统计了每位学生的课堂教学成绩,使用Mann Whitney U方法检验实验组和对照组学生课堂教学成绩是否存在差异。

(1) 实验组和对照组学生自我效能分析。使用Mann WhitneyU检验，结果显示采用虚拟微格教学平台训练的实验组学生和采用传统微格训练的对照组学生的自我效能感前测得分没有显著差异(U=474.00;P>0.05)，这一结果表明，在微格教学训练之前，两组学生对“微格教学”课程学习的自我效能感没有显著差异。使用Wilcoxon符号秩检验实验组和对照组学生的自我效能感前后测得分之间是否存在显著差异，发现实验组学生的自我效能感前后测试得分存在显著差异(Z=-4.360;P<0.05)，对照组学生的自我效能感前后测试得分之间不具备统计学显著性(Z=-1.135;P>0.05),如表1所示。

可见，参加虚拟微格训练的学生对课程学习的自我效能感得到提升，而参加传统微格训练的学生对课程学习的自我效能感无显著变化。

表1 自我效能感前后测结果

(2) 实验组和对照组学生学习态度分析。通过Wilcoxon符号秩检验实验组和对照组的学生的学习态度前后测得分是否存在显著差异。根据SPSS生成的结果如表2所示，实验组学生的学习态度前后测得分存在显著差异(Z=-3.160;P<0.05),对照组学生的学习态度前后测得分差异不显著(Z=0.919;P>0.05)，根据评分排列，实验组学生在后测测试评分的秩值优于前测的秩值。结果表明参加虚拟微格训练对学生的学习态度有积极的影响，而参加传统微格训练的学生学习态度无明显变化。

表2 学习态度前后测结果

(3) 实验组和对照组学生课堂教学成绩分析。使用Mann Whitney U检验法对实验组和对照组学生的课堂教学成绩之间是否存在显著统计差异进行了分析。由表3可见，不同训练模式对学生教学成绩有序值影响存在显著差异(U=294;P<0.05)。参加虚拟微格训练学生的教学成绩有序值(秩均值=41.09)高于传统微格训练学生的教学成绩有序值(秩均值=25.91)。结果表明参加虚拟微格训练学生的课堂教学表现要优于参加传统微格训练的学生。

表3 实验组和对照组实习成绩结果

4 结 语

虚拟微格教学平台在“微格教学”课程中的应用，

对学生自我效能感和学习态度产生了积极的影响，在课堂教学中参与虚拟微格教学平台训练的学生较传统微格训练的学生表现得更好，说明虚拟微格教学平台在教学上的应用是有效的，该平台具有良好的发展前景和一定的推广价值。