本文由《中国电化教育》杂志授权发布

作者：钟正、陈卫东

摘要

VR技术在实验仿真、技能培训、体验式学习、观察学习、操作练习等方面具有重要的应用价值。它能够突破传统教学环境的局限，创设非常逼真的情境，营造出强烈的沉浸感，具有丰富自然的交互方式，有利于增进学习体验、激发学习动机、促进情境认知和知识迁移等。作为一种新兴技术，VR在教育中的应用远落后于其自身的发展，需要相应的应用模式和理论支持，尤其在如何构建基于VR技术的体验式学习环境方面，缺少理论依据，仍停留在经验和直觉的层面上。由此，该文在分析体验式学习理论、情境认知理论、建构主义学习理论的基础上，结合VR技术的3I特性（沉浸性、交互性、构想性），详细论证了体验式学习环境设计的原则、要素、情境设计、活动设计、交互设计等策略，并构建了灵活开放的体验式学习环境设计框架。以此设计策略和框架为指导，对基于VR技术的生物学枯草芽孢杆菌体验式学习环境进行了设计，案例应用情况表明，基于VR技术的体验式学习环境在教育上应用潜力巨大，能够提升学习兴趣和动机、增强学习体验、促进知识记忆和情境化学习。

关键词：虚拟现实；体验式学习；学习环境；设计策略

一、引言

体验式学习是以学习者为中心，通过真实地或虚拟地经历某一件事情或过程，并经过反思来获得知识、发展能力、生成情感的学习方式[1]。它有利于激发学习动机、增加学习者的参与感，也有利于直接具体的经验向抽象概念的转化。在体验式学习的开展过程中，学习环境包括真实情境与虚拟情境两大类[2]：真实情境指现实的自然和社会情境，如自然地理环境、职业工作场所、人际交往情境等，可以用于学生的野外考察、现场实习等教学场合，学生所获得的是真实的体验和活的知识；模拟情境可以通过情境仿真和角色扮演等来实现，其用于教学的代价相对较低，比较适合在班级里开展教学。体验式学习的核心即是要建立一种仿真化的学习环境[3]。

目前，学校教育中学习环境大多采用多媒体技术来创设，比如使用计算机、投影仪播放视频、展示图片等，但这种学习环境的参与感不强，学习者处于被动地接受信息的状态，很难获得高质量的交互效果。更甚者，由于受到空间和时间的限制，在教室环境下，有些学科很难或根本无法构建出具有逼真性、能够增强学习体验的学习环境和情境，因此体验效果和学习质量也会大打折扣。信息技术的快速发展和计算能力的提高，为构建虚拟化的学习环境提供了技术支持，比如，在操作技能培训和职业教育中，由于大量的教学内容属于实践性内容，这些内容受环境、场地、设施设备、安全、污染、资金、不可控、不可再现等因素影响，难以实现有效教学[4]，利用VR技术为其创设一种崭新的体验式学习空间是一种非常可行的方法。

VR技术能够提供丰富的感知线索以及多通道的反馈，用于帮助学习者将虚拟情境的所学知识迁移到真实生活中，满足情境学习的需要[5]。VR教育应用目前集中在四个方面：VR支持学习环境创设、支持技能实训、支持语言学习以及支持儿童教育[6]，在激发学习动机、增强学习体验、创设心理沉浸感和知识迁移方面具有较强的优势和潜力。VR技术创设的学习环境能够为实践性教学提供优质的教学资源，使得学习者能够在逼真的虚拟学习环境中尽情感知和体验，有效促进学习者从具体感知经验升华到抽象的概念，满足学习者的体验和参与需求，为教学的顺利开展创设有利的条件。但如何将VR技术应用于教育中仍然面临着一系列挑战，尤其在虚拟化体验式学习环境创设方面没有现成的经验和模式可以遵循，本文尝试在分析体验式学习理论、情境认知理论等学习理论的基础上，结合VR技术的特征，探索出VR条件下体验式学习环境的设计策略和框架，以期更好地服务于教育教学。

二、体验式学习环境的相关概念

（一）体验式学习  

体验式学习（Experiential  Learning）是20世纪80年代，美国社会心理学家、教育家库伯（D  Kolb）整合杜威、罗杰斯等人的教育思想后，提出著名的“体验式学习循环模式”。库伯认为体验式学习包括具体经验、观察与反思、抽象的概念化、主动检验四个阶段，这四个阶段以螺旋式上升的方式作用于人的学习过程中[7]。

体验式学习非常重视学习者的主动性、参与性以及直观感受和体验，通过具体的体验和反思活动来掌握知识和技能。根据学习目标的不同可以分为认知体验式学习、情感体验式学习和行为体验式学习。由于体验式学习过程具有情节记忆、情绪记忆、语义记忆等优势，非常有利于记忆的保持和检索[8]，从而有利于学习的发生。它的意义在于针对当前学校教育中普遍存在的所学知识和技能与真实世界的脱节、过多的说教教育与接受学习、学习的去情境化等问题，提供了重要的参考价值和启示。

（二）学习环境与学习情境

体验式学习最重要的保障条件为学习环境的构建，学习环境是促进学习者主动建构知识的意义和促进能力生成的外部条件[9]，也有学者认为学习环境是支持学习者学习的各种外部和内部条件的集合[10]。目前人们对学习环境的共识包括以下几点：学习环境是一种学习空间，包括物质空间、活动空间、心理空间[11]，其目的是为开展学习活动而创设；应以学习者为中心，学习者处于主动的地位，自我控制学习；提供支持性的条件，由各种信息资源、认知工具、教师、学生组成；可以支持自主、探究、协作、问题解决等类型的学习。

我们认为学习环境和学习情境是既有区别又有联系的两个概念。学习环境的内涵较为广泛，是一个上位概念，包含学习情境，学习情境是学习环境下的一种具体状态，是在一定时间和空间内构建的具有明确教学意图的境况；学习环境是一种相对稳定的存在，学习情境是一种动态的构成，在同样的学习环境下，根据学习需要所构建的学习情境可能不同；学习环境强调的是一种时空形态和组成结构，学习情境更加强调外在的学习氛围和学习者内心的感知与体验。

（三）基于VR的体验式学习环境

体验式学习环境可以设计成虚拟的空间和场所，运用VR技术等现代高科技手段来实现，用户借助特殊的设备如头戴式显示器（Head-Mounted  Display，HMD）、3D眼镜等进入到该环境中，并能与其中的对象进行交互[12]。VR所构建的体验式学习环境有多种分类标准，根据体验式学习环境的沉浸性特征，分为完全沉浸式（需要通过HMD观看场景）、非沉浸式（无需佩戴设备观看，如Second  Life展示的场景）；根据体验式学习环境是否需要网络的支持，分为在线式和离线式；根据体验式学习环境中用户参与度的强弱，分为强交互式（如用户可以碰触、捏拿物体，可以与环境的构成元素交互，可以在环境中漫游等）和弱交互式（用户一般只能观看）。

基于VR技术的体验式学习环境最大特点在于构成学习环境的对象都是数字化、虚拟的，该学习环境具有情境性、沉浸性、参与性、交互性等特征，能够极大地激发学习者的学习动机，支持师生在特定的教学模式中创建和使用对象，能够给予师生在现实世界中无法获得的体验[13]。VR技术有效促进学习的核心要素包括VR教学法、资源与VR设备以及学习者的体验，使其彼此调节、共同发展，构建成一个具有强大兼容性和扩展性的VR学习环境，支持观察性学习、操作性学习、社会性学习和科学研究[14]，从而为体验式学习的有效开展提供帮助和支持。

随着VR技术的快速发展，创设完全虚拟的体验式学习环境已成为现实，基于VR技术的体验式学习环境具有以下优势和教育意义：（1）学习环境更加逼真、自然，让学习者具有高度的沉浸感，可以通过观察、操作等学习行为获得具体的经验。（2）提供丰富的自然交互方式和功能，通过传感器与虚拟环境的任何物体以最自然的方式进行交互，如运用声音、体感、注视、表情等交互，能够对学习者提供及时的学习反馈和指导，有利于学习者的反思及抽象概念的形成，也有利于学习者能够主动检验知识和技能的掌握情况。（3）体验式学习环境能够给学习者带来轻松、愉悦、感兴趣等积极情绪，能够激发其学习的内部动机[15]。利用体验式学习环境中的化身（Avatar）功能让学习者实现角色扮演（Role  Playing），更好地增强学习体验，实现情境学习和知识迁移。（4）能够克服传统教学环境的限制，有利于形成虚实融合的课堂教学环境。

三、基于VR的体验式学习环境设计策略

（一）指导思想

基于VR的体验式学习环境是一种用于满足学习者体验学习需求的人工环境，其设计的主要指导思想是体验式学习理论、建构主义学习理论和情境认知理论。体验式学习理论着重参考了库伯的“体验式学习循环模式”，在体验式学习环境中关注具体经验、观察与反思、抽象的概念化、主动检验等学习活动的设计。建构主义学习理论认为“情境”“协作”“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素，强调以学习者为中心，注重在实际情境中展开教学，注重协作学习，学习环境应该能够提供充分的学习资源以满足学习者的意义建构[16]。情境认知理论认为知识具有情境性、生成性、分布性和默会性，学习应当根植于情境之中，通过社会协商达到一种文化适应和知识创新，是一种合法的边缘性参与[17]。学习情境的设计要体现出认知活动的真实性，具备真实性认知活动的学习情境将对知识的建构起到帮助作用[18]。

根据以上指导思想，基于VR的体验式学习环境首先应当能够提供一种真实的学习情境，情境的真实性有利于激发学生的学习动机。学习者能够在该情境下根据一定的学习目的进行具体体验、自主探究学习，通过体验、探究活动和操作获得具体的经验。该学习情境应该提供丰富的交互功能和合适的协作会话机制，以利于学习者与学习环境以及学习者之间的交流，并通过交流和反思活动形成抽象的概念，从而完成对知识意义的建构。评价应当以学生的自我评价为主，在学习结束后对学习过程和学习结果进行总结和反思。它还应当提供检验学习者所获得知识的机会，以便对学习结果进行验证。 

（二）设计原则

1.真实性原则。充分利用三维建模和可视化技术，提供真实的或接近真实的环境和情境，产生强烈的沉浸感，激发学习者的动机，真实性有利于提高环境拟真度、操控可信度和用户体验度[19]。真实性不仅指创建的环境及其包含的物体具有较高的真实感，还意味着创设的问题来自于生活实际，具有真实意义。

2.易于导航原则。该体验式学习环境具有封闭的特性，学习者佩戴HMD进入时，将会屏蔽周围真实世界的信息，展示一个完全虚拟的时空。如果导航设计不合理，就容易给学习者带来很大的困扰，学习者不知道如何在虚拟空间中导航操作、场景切换，从而迷失掉自己，影响其学习的兴趣和积极性，也会增加外部认知负荷，导致认知负荷加重。导航设计要易于识别和操作，导航文字和图标要醒目，采用语音提示、箭头指示、文字提示等多样化导航方式。

3.内容适度原则。在一个虚拟、封闭的体验式学习环境中，学习者需要进行体验、观察和操作等学习活动，包括动脑、动手、肢体动作等，容易给学习者带来疲倦感。因此，难度要适中，难度太高容易引起学习者的焦虑和担忧，太低容易引起学习者的无趣反应，都会影响人们的沉浸状态[20]，适中的、具有一定挑战性的学习内容是最佳选择。同时，学习内容不宜太多和过于复杂，否则会给学习者带来较大的心理负担。  

4.反思性原则。应该给予学习者学习反思的机会，让其通过反思明白在做什么，为什么这么做，学习了哪些知识和技能、掌握了哪些概念等，通过反思可以使学习者对学习过程和结果有更深刻的理解。在虚拟的体验式学习环境中可以设计一些场景和会话机制，让学习者回答问题、操作练习等，以增进学生的反思行为。

（三）设计要素

学习环境要发挥教育价值，必须对设计要素进行统筹和规划，厘清各要素的功能及相互关系。设计要素如图1所示，可作为设计要素的参考。

首先要考虑学习者的特点和应用需求。对学习者有一个初步的分析，清晰地界定使用对象，比如使用者的年级、兴趣、专业、学习风格、对VR的熟悉程度及使用能力等，只有这样才能做到有的放矢。比如，低年级的学习者比较喜欢寓教于乐的、游戏化的学习形式，应尽量提供观察和体验的机会，增进其具体经验；高年级的学习者抽象思维能力发达，应该多提供反思的机会，以促进其知识和概念的生成。

第二个要素为应用场合。该要素着重考虑应用场合和条件支持，包括应用于课堂还是课外、自主学习还是小组学习、应用形式是桌面式还是移动式、在线的还是离线的、在学校使用还是在家庭使用，使用时间长短等，分析应用场合有利于对技术要素的选择。

第三个要素是学习内容及学习目标。应根据学习内容来设计体验式学习环境，对于操作性、观察性、体验性强的学习领域采用体验式学习环境较为合适，比如用于职业技能培训、物体结构认识等。在确定学习内容的基础上，应进一步明确学习目标类型和层次，如目标类型属于认知领域、动作技能领域、情感学习领域的哪一种，达到什么样的层次和要求。学习内容和目标是设计要素的核心部分，是体现教育性的重要依据。

最后要考虑的是VR技术要素。包括硬件支持（如Oculus  VR、HTC  Vive、三星Gear  VR等设备）、交互方式和类型（如语音识别、动作捕捉、手势追踪、眼球追踪、表情交互等）、学习者的观察视角（如第一人称视角、第三人称视角和上帝视角）、是否使用化身、场景的切换方式（在虚拟环境中自然移动切换场景、射线选择目标地点瞬间移动切换场景）等，此外还应当明确开发工具和引擎、技术可行性、开发成本和周期等。

（四）设计情境

依据库伯的“体验式学习循环模式”，在吸收其学习理论的基础上，设计成四个学习情境，分别为“体验的情境”“反思的情境”“形成概念的情境”和“验证的情境”，每个情境中可以提供必要的认知、协作、交流等辅助工具，如图2所示。所设计的情境能够使学习者在探索过程中发现问题、有机会生成问题、提出解决问题的假设，并在解决真实问题的过程中获得各种资源的支持，能够提供其它丰富的例证和类似的问题以使学习者产生概念化和迁移[21]。采用线性和随机相结合的设计模式，学习者可以按照“体验—反思—形成概念—验证概念”的顺序进行学习，也可以随机进入某个情境开展学习，不必从“体验的情境”开始。以上四个学习情境并非硬性规定，可以根据需要将其中两个或多个合并，融合为一个情境。

“体验的情境”用于实际体验，可以采用模拟、演示、实地考察等方式让学习者获得具体的经验，比如以三维动画形式演示零件的组装与拆分过程、到虚拟的野外考察自然环境等。情境中可设置三维模型、视频、动画、文字信息、语音提示、交互元素等，提供一定的认知工具，情境应当逼真可信，能够激发学习者的动机。

“反思的情境”用于促进学习者思考和回味，反思体验活动和经历，进而更加全面、深刻地认识所学知识。可以采用讨论、问答等形式促进反思，比如情境中以文字或语音的方式提出问题，从而让学习者有一定的反思过程，也可在场景中提供多角度的观察机会或者设计一些拓展的操作练习，让学习者在操作练习中有所感悟和反思。

“形成概念的情境”能够促使认识从感性到理性的升华，获得抽象的概念，并纳入学习者已有的认知结构中。注重知识分享活动的设计，在分享过程中归纳和总结知识，利于抽象概念的形成。

“验证的情境”让学习者在新的情境中测试所获得的概念，运用知识做出决策和解决问题，检验获得的知识和技能。可以设计成常规的题目，或设计成操作活动，比如学习了三相电机的原理后，在“验证的情境”中可以提供三相电机的零部件，让学习者自己去组装，如果安装正确则给出一个笑脸提示并正常运转，如果安装错误则提示错误的原因。

（五）设计活动与交互

1.设计学生活动

在“体验的情境”中，学生的活动主要以探索和体验为主，学生以化身的形式出现在虚拟空间中，可以在虚拟空间中漫游，可以与虚拟物体交互感知信息，也可以多种角度观察对象。在设计时可以采用第一人称视角，此时学生看到场景与化身看到的场景一致，这种视角代入感好，能够产生较强的身临其境的心理体验。也可以采用第三人称视角，此时学生不仅能看到场景，也可以看到其化身。在“反思的情境”和“形成概念的情境”中，学生活动以反思、观察、讨论、分享、对话、操作和练习为主，可以将学生的活动设计成竞赛、娱乐等形式，比如，学生如果回答问题正确，可以在虚拟空间中出现一些表扬的文字或声音，也可以用虚拟物品进行奖励。在“验证的情境”中，学生的活动表现为解决类似的问题，通过测验、操作、决策、试误等活动，检验获得的知识，巩固学到的概念。

2.设计教师活动

教师在体验式学习环境中的作用主要表现为协助学习者体验情境、适时引导与交流、帮助学习者进行反思与总结，因此，在四种情境下教师的角色可以设计为帮助者、组织者、指导者等，根据角色不同设计相应的活动。由于学生是虚拟环境下体验式学习的主体，设计时应当尽量弱化教师的角色，突出学生的学习主体性，体验式学习活动的设计应当发挥学习者主体的作用，切忌越俎代庖。

3.设计交互

交互是学习过程中不可或缺的环节，交互具有沟通信息、诊断学情、情感交流、促进反思等作用，交互是一种心理需求和自我实现[22]。交互的主要目是为学习者提供帮助和指导，以便及时获得学习反馈。基于VR的体验式学习环境的交互形式可以设计为显式或隐式两种。显式交互是指学习者始终能够看到交互元素，比如场景中交互元素高亮显示、突出颜色、闪烁显示、指示箭头等，以便学习者能够随时利用。隐式交互是指在场景中交互的元素不是一直存在，只有当学习者到达一个区域时才会出现，离开这个区域交互元素会自动消失，其目的在于提供临时提示，以便能够无障碍学习。从交互主体和对象来看，分为人与虚拟物体交互、人与人的交互两种情况，在虚拟空间中，两种交互情况都很重要，人与虚拟物体的交互能促进学习者的体验，人与人的交互能够增进学习者的反思。还应充分考虑VR特有的交互技术和设备，如采用“动作捕捉”“触觉反馈”“语音交互”“眼球追踪”等交互技术实现自然的交互，有助于增加沉浸感。

（六）设计框架

基于VR的体验式学习环境设计以学生活动为中心，教师活动为辅助，构成一个以师生交互活动为内核的设计框架，如图3所示。学生通过积极主动的活动融入到学习情境中，通过体验、观察、反思、动手操作、协作分享等活动达到学习目标。教师通过目标导引、解释情境、激发动机、协助反思等活动帮助学习者完成学习任务。在教师活动和学生活动的相互作用中，应该提供交流、认知等辅助工具，并提供验证与测试功能。所有的这些模块和工具应当围绕着学生和教师的活动展开设计。需要注意的是，该框架仅仅作为体验式学习环境设计的一种参考，应根据具体的情况对框架的组成进行相应的取舍。

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