江婕 时艳艳

摘要：科技者、教育者以及学习者都期望虚拟学习环境能改善学习者互动体验、增强身心参与感、提高学习效果，深化教学变革，但虚拟教学资源在教育上的应用研究尚未有一致性。因此，本研究从小学科学课的具体案例出发，依据现状和需求，开发与教学融合的虚拟教学资源，并基于“导、学、展、评、测”五环节教学模式，进行VR沉浸式交互学习环境的总体设计，以期为如何有效利用虚拟教学资源构建虚拟沉浸式交互学习环境以及优化交互式学习环境提供研究参考。

关键词：VR;沉浸式交互;小学科学;学习环境设计

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）07-0000-05

● 引言

虚拟现实技术运用在教育领域中的成效被越来越多的专家、学者和教育者所认同，但从基础教育一线教师的角度来看，虽然虚拟现实技术的实践成效不断提升，可仍存在一些基本问题，如在虚拟环境下，如何在有限时间内编排课程内容、控制课堂学习进度，实现全面沉浸式学习等。因此，基于虚拟教学资源的教育如何完整融合课堂教学，走进教学实际需求;如何设计沉浸式交互学习环境成为研究者关注的热点问题。

● 相关综述

虚拟现实技术（virtual reality，简称VR）是由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或者增强一种或者多种感官反馈，从而产生一种精神沉浸于或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉。[1]其包括三个突出特征：沉浸性、交互性、想象性。[2]沉浸性是虚拟现实的本质属性，交互性和想象性是形成沉浸感的基础。[3]

虚拟现实技术不局限于视觉、听觉，而是在有限的空间内放大体验者的外部感官。郑明玉等人描述支持力反馈的沉浸式学习环境，这种力反馈更能加深学生沉浸感，提升学习专注度，深化知识理解。[4]王雪等人关注虚拟现实学习环境下生成性策略对学生内部机制的研究，结果表明能有效降低学生认知负荷、消极情绪，但对大脑认知、情绪状态等无显著效果。[5]胡艺龄等人研究沉浸式虚拟现实（IVR）对实验技能迁移能力影响。研究表明，沉浸式虚拟实验有助于深度学习，活跃型学习者比沉思型学习者更能够实现技能迁移能力。[6]刘妍等人研究中却指出，虚拟现实沉浸式环境对学生的深度学习影响具有延迟性，从获得更深的情感投入及持久记忆力中促进深度学习投入。[7]

综合来看，虚拟现实沉浸式体验对学习体验，自我测试策略、情绪调整，认知加工策略，学习投入度等不同维度的影响和效果虽然大部分都是积极正向的，但不排除虚拟现实技术在提高沉浸感和自我效能感的同时产生新的外在的认知负荷，从而降低学习效率。[8]这让笔者不禁思考，如何借助虚拟现实技术创建更具符合学生认知规律的全面沉浸式交互学习环境？因此，本研究聚焦如何在实际教学中实现课堂全面化沉浸体验这一问题，对于问题解决，笔者从如何设计符合沉浸式体验的虚拟现实教学资源以及如何面向“导、学、展、评、测”设计完整的虚拟沉浸式交互体验活动过程这两个方面进行探析。

● VR沉浸式交互学习环境设计策略

在传统教学的基础上，构建VR沉浸式交互学习环境需要考虑实现各种教学要素包括教师、学生、教学媒介等共同沉浸化。主要设计实现三个层面的要素沉浸，即物理沉浸（教学流程）、感官沉浸（外部身体沉浸）、心理沉浸（内在情感沉浸）（如图1）。

物理沉浸包括整个教学流程中辅助设备、教学内容、教学环节上的沉浸设计。辅助设备是开展虚拟沉浸式学习的硬件支撑。依靠设备的介入，实现学生与虚拟世界的沟通。虚拟现实教学资源是开展虚拟沉浸式教学的重点部分，设计虚拟教学资源要保证知识的系统性，防止知识碎片化，应符合学生的认知顺序，减少学生额外产生的认知负荷。根据教学内容，选择最恰當的教学知识点分区适度沉浸化，避免过度技术化，淡化知识学习的初衷。教学环节设计上，通过将传统教学融合入虚拟教学实现互相融合沉浸化，而不是单独以虚拟教学为中心。

感官沉浸包括视觉、听觉、动觉。考虑到学生的年龄特征，在视觉感官沉浸设计中改变传统教学的二维知识信息接收，将知识立体三维可视化，这种三维可视化冲击学生的视觉感官，吸引学生注意力，在一定程度上提升学习专注度。听觉感官沉浸设计的突出点在于不同于传统的言语教学、音频教学，之所以有不同体验是因为这种听觉音频除了不同角度发声的3D环绕音频，还在于其听觉“引导感”，不是一味地传输告知传授知识信息，而是使声音设计模块以引导层次让学生产生自主探究的意识。动觉感官沉浸主要表现在解放学生的四肢，加深学生的参与感，通过身体记忆加深学生的体验及对知识的识记印象。

心理沉浸是深层次的沉浸设计，也是比较难以宏观进行检测的沉浸，包括教师心理沉浸、学生心理沉浸、师生共同产生的心理沉浸。教师的心理沉浸突出表现在参与引导整个教学环节。在传统教学中，部分教师已熟练掌握教学环节的步骤，预测整个教学过程，这种熟练即为沉浸的一部分，合理设计教师的心理沉浸对教师来讲比较容易实现。学生心理沉浸是在教师引导的基础上促进的，通过一系列完备的设计能够引起学生心理沉浸，这种心理沉浸虽然难得，但一旦发生，将影响学生未来对行动方针的选择。师生共同心理沉浸聚焦于教师和学生互动融合心理沉浸，这种融合程度包含师生共同沉浸，即教师外在引导和语言教学沉浸化引起学生体验探究心理沉浸，共同产生的心理沉浸能改善课堂氛围，加深学生对课堂学习、教师的喜爱程度。

综合来看，以上三种沉浸相互支撑又相互融合：物理沉浸是感官沉浸的基础，在感官沉浸达到一定程度时实现心理沉浸。因此，在虚拟沉浸式交互学习环境设计中，需注重三个方面的沉浸有序支撑连接和融合，避免单纯偏向某一方的沉浸设计。

● VR沉浸式交互学习环境设计案例

1.案例背景

小学科学是一门注重探究的实践性课程，是培养学生辩证思维能力、探究意识和能力的基础课程。本研究对南昌市某小学六年级的学生和教师进行需求调查，选择科学课程中认识鸟类课程，从知识学段、探究过程、情感态度三个维度提出教学重点。

2.案例分析

（1）设计内容分析

根据对小学科学“生命”章节的课程标准解析，笔者将其章节的内容学习分成不同的模块。根据设计策略，不同模块中的沉浸程度以知识学段目标、探究过程目标、情感态度目标为基础，由掌握知识沉浸层到探究实践沉浸层再到情感态度沉浸层进行主要活动设计（如图2）。

第一，沉浸式交互获取知识模块。在知识学段目标中，主要设计目标是实现学生自主通过沉浸式交互学习不同种类的鸟之间的外貌特征、生活习性及不同区别。选择Unity3D开发软件针对此模块设计身临其境的鸟类居住环境，在场景搭建上设置导入情节，引导学生学习知识板块，同时利用3D Max构建鸟模型、食物模型。虚拟真实场景的沉浸式设计核心是虽然虚拟但与真实场景无偏差，这种沉浸感的最强体现为与现实生活存在的逻辑相对应。

为了使沉浸感更富有层次性，笔者在虚拟教学资源中添加类似背包的系统功能，使学生在面对种类繁多的鸟类时，可以通过自我探究发现获取单只鸟种的知识，并归纳、记录到“背包”中。在背包系统中，学生可以调取不同的鸟，对其开展对比分析，主观参与意识加强，数据信息整理、自我操作归纳以及分析能力得到锻炼。因此，学生佩戴VR眼镜和手握手柄即可实现在虚拟沉浸式交互学习环境中观察、分析、对比不同鸟类，在享受视觉盛宴的同时掌握鸟类的特征和组成部分知识内容。

第二，沉浸式交互掌握技能模块。在探究过程目标中，主要设计目标更注重体现通过虚拟沉浸式探究活动过程掌握科学探究的技能，熟练掌握探究基本步骤，培养善于使用探究工具的意识。此模块共包含三个探究活动，探究活动围绕小学科学课程标准要求及知识点展开（如下页图3）。三个活动之间，依据知识点的内在联系、学生思维特点，由整体到部分、抽象到具体展开教学内容。通过模块间的内在连接，使学生的沉浸体验达到最佳，以便在其他模块中清晰明确学习思路，掌握探究过程，减少不必要的认知负担。

学生佩戴VR眼镜，可以对虚拟场景中的对象进行多方位多角度的观察，通过手柄交互对象，进行旋转、点击、放大、缩小等操作，从细节上观察分析鸟类之间的不同之处。通过深层次引导学生沉浸课堂教学培养学生的科学素养。

第三，沉浸式交互情感升华模块。在情感态度目标中，主要借助Unity3D设计濒临灭绝的鸟类居住环境，引导学生在思想上形成保护环境、爱护鸟类的意识，同时展开行动上的虚拟演练，让学生能在真实环境中做到思想行动一致，实现本课的最高目标。以视觉听觉的沉浸感冲击更容易激发学生深层次的情感认同，学生接受的情感信息与现实行动更为密切，对行为态度的影响则更为深刻。

（2）教学模式分析

根据对一线教师的调研，其最常用最基本的教学模式为“导、学、展、评、測”五环节模式，五个环节既可以相对独立存在，又可以相互融合。教师在使用虚拟教学资源进行教学过程设计时，可根据具体的教学内容，调用编排“导、学、展、评、测”五个环节，以发挥虚拟沉浸式交互学习的优势。同时明确，“导”是前提，这种前提在虚拟沉浸式教学环境中是一个潜在的相对持续存在的过程，在虚拟教学资源中采用的引导式音频，也是浅层次不断导入学习的过程。在虚拟沉浸式学习环境中，“展”是“学”中开展知识点自主探究的重要环节，“展”的环节更能够锻炼学生自主学习能力，“学”是一直持续存在的过程。“评”融于整个虚拟沉浸式学习环境中，是对“学”“展”环节的重要支撑。“测”是深化，强化学生对已有知识内容的转化和迁移，训练学生调用认知结构中的知识解决实际问题的能力。

3.案例实施

①“导”环节。本节课采用“双导”引入。一导：教师言语引导激发学生对探究鸟的生存世界的好奇心和求知欲。二导：学生佩戴设备进入虚拟鸟类世界。教师的言语导入与虚拟教学资源的导入情境是环环相扣的，虚拟教学资源的情境设计优势能够给教师的言语导入提供渐进式深层次导入支撑。

②“学”环节。教师引导学生思考：这么多鸟，它们有哪些共同特征？提供支架式指导，引导学生在虚拟鸟类世界中搜集鸟的种类，观察鸟的特征，以自主探究的模式进行趣味性学习。以学生为“中心”的虚拟沉浸式学习不同于传统课堂教学的形式，不仅聚焦于多样化的探究活动，而且注重探究活动安排，课堂内容的呈现以从整体到部分再到整体的方式展开，学生的学也形成由整体到部分再到整体的过程。虚拟沉浸式学习使知识可视化、系统化，符合学生的思维方式。

③“展”环节。以学生为“中心”的自主探究进入具体活动探究。活动一：羽毛虚拟实验。学生操纵手柄进行“剪”羽根、“观”绒羽，深刻理解羽毛的结构及作用。活动二：探究鸟喙虚拟实验。学生选择相应的食物，与不同食种的鸟类进行虚拟互动，掌握鸟类的鸟喙形状各不相同，所以形成不同的饮食习惯。活动三：探究鸟足虚拟实验。不同的栖息环境中的动物其生存场所具有很大的不相同，学生通过操作手柄交互选择鸟类的栖息环境，理解不同栖息环境中的鸟类具有不同的鸟足。活动四：教师引导学生体验生态环境破坏的鸟类世界，思考破坏生态引发的环境对鸟类生存的影响，此部分注重调动学生情感态度上的转变。

④“评”环节。在虚拟课堂沉浸式教学中，评价主要分为两个层面，即虚拟教学资源中的及时评价和教师的总结评价。在学生沉浸式交互过程中，虚拟教学资源提供及时的知识反馈，加深学生的理解，这种评价鼓励式教学贯穿学生整个学习过程，在潜移默化中以不断反馈的形式强化学生的求知欲，满足学生的好奇心。除了虚拟沉浸式交互学习过程中的反馈机制，教师的反馈机制也必不可少，其优势主要在于教师将言语鼓励式机制转向系统性总结，帮助学生提高对知识点的概括和归纳能力。

⑤“测”环节。在虚拟沉浸式学习环境中安排沉浸式答题环节，能加深学生对知识的信息加工转化，实现有意义的学习。场景式答题设计了游戏式答题模式，学生顺利完成答题环节，就能够进入生态环境恢复的场景，使测验过程富有了趣味性和情境性，同时，加深了学生保护环境的意识和态度，有益于学生将情感态度学习与现实生活中的实际行动相连接。

● 总结

总之，在设计开发沉浸式交互学习环境时，应重视可操作设计沉浸化部分，帮助学习者在虚拟沉浸式交互学习环境中体验交互乐趣，产生学习兴趣，获得学习成就。

参考文献：

[1]刘光然.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]Burdea G C，Coiffet P.（1992）.Virtual reality technology[J].Presence Teleoperators & Virtual Environments，12（06） ： 663-664.

[3]刘大椿，刘永谋.技术现代性与文化现代性的困惑——以虚拟现实及其沉浸性为例[J].江苏社会科学，2003（03）：20-25.

[4]郑明钰，李家和，张晗，等.支持力反馈的沉浸式物理学习环境的构建[J].图学学报，2021，42（01）：79-86.

[5]王雪，杨文亚，卢鑫，等.生成性学习策略促进VR环境下学习发生的机制研究[J].远程教育杂志，2021，39（03）：65-74.

[6]胡艺龄，常馨予，吴忭.沉浸式虚拟现实（IVR）对实验技能迁移的影响：学习风格的调节作用[J].远程教育杂志，2021，39（02）：63-71.

[7]刘妍，胡碧皓，尹欢欢，等.虚拟现实（VR）沉浸式环境如何实现深度取向的学习投入？——复杂任务情境中的学习效果研究[J].远程教育杂志，2021，39（04）：72-82.

[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.

作者简介：江婕（1982.05—），女，汉族，工作单位为江西科技师范大学，副教授，硕士，研究方向为教育技术、新媒体技术、智慧学习。时艳艳（1996.11—）女，漢族，工作单位为江西科技师范大学，硕士，研究方向为虚拟现实技术、虚拟现实技术与多媒体应用。

本文系江西省教育厅2021年研究生创新专项资金资助课题“面向导学展评测的VR沉浸式课堂探究——以小学科学‘鸟类’为例”（课题立项号：YC2021-S785）;江西省2020年教科省级课题“智慧学习环境下的深度交互价值探析及模型建构的实践研究”（课题立项号：2020YB129）的研究成果。