基于VR的分布式教学：理论模型与实现策略
导读
2020年初，新型冠状病毒性肺炎(Corona Virus Disease 2019)席卷我国大江南北，在“停课不停学”背景下，在线教学成为不同类型学校和不同层次学习者的必然选择。然而，大规模的各类在线教学深受不同对象的集体讨伐，梳理各种“吐槽”可以归纳出其核心问题指向在线学习脱离真实的教学情境而造成教学效果的低下。虚拟现实技术(Virtual Reality Technology，简称 VR)作为一种将“构想性(Imagination)、交互性(Interaction)与沉浸性(Immersion)”融为一体的技术集成[1]，“可以生成一种模拟环境，利用各类传感设备将用户‘投放’到该环境中，实现用户与模拟环境的自然交互。主要具有感官模拟、造物创世、交互与反馈三类重要功能”[2]。其备受教育技术领域关注，并被寄予极大期望，但受制于硬件条件、技术成本以及佩戴式设备体验不佳等多重因素叠加的影响，尤其是在情境塑造所需要的传输速度制约下，VR教学模式在实践中的应用零碎而并不系统。第五代移动通信(Fifth Generation Mobile Communication Network，简称5G)具备低成本、低能耗、高数据速率、高系统容量以及安全可靠的特征[3]，对于教育领域的影响，“5G可应用于远程直播互动课堂、混合现实教学、AI教育教学测评、智能校园管理等重要场景，并充分利用5G相关技术特性，打造全时域、全空域、全受众的教学新体验”[4]。因此，5G的普及已经为VR教学模式应用奠定了技术基础，在此背景下探索基于VR的教学模式改革，有利于解决物理场域分离造成的交互失真、监督缺位、情境孤立等在线教学效果不理想的问题。
分布式认知理论强调，“认知现象不仅包括个人头脑中所发生的认知活动，还涉及人与人之间以及人与技术工具之间通过交互实现某一活动的过程，认知分布于媒介、环境中;分布于个体间;分布于由多个个体、工具、环境组成的较复杂的系统中”[5]。基于分布式认知理论的分布式教学重视从系统和协同的角度看待认知过程，提出“‘分布’是认知功能的中介”的观点[6]。分布性与协作性是分布式教学成败的攸关之处[7]，分布性是指地理上分散的多个节点通过某种方式进行联结，不同节点在独立呈现功能的同时，也能够组成一个开放的自组织系统;协作性突出的是不同节点之间指向共同任务而交互配合。基于VR的分布式教学在遵循学习过程建构性规律的前提下，重在创设一种虚拟现实的教学情境，以增强师生体验为切入点，通过把散落于不同节点的学生串联起来组成一个自组织的、开放的分布式系统，达到仿真教学场景的效果，从而为线上教学提供坚实的体验支持、情感支持和社会交往支持，其价值体现在学习场域重塑、多维度教学互动、强化以体验优化为目标的具身参与与便利的多场景转换。
(一)主要目标
分布式教学模式强调师生双方的主体地位，改变面对面教学中学生作为附属地位的对象化存在，以及传统线上教学教师功能弱化的现状。教师作为教学设计的主体以及学生作为深度学习的主体在VR教学空间内得到了有效的统整，恰如马丁·布伯(Martin Buber)“我与你”式的主体性相遇。教师与学生基于VR教学场域构建出一种“共在共生”[14]与“水乳交融”的交互式主体关系。这种教学过程不是传统线上教学中师生双方因缺乏直观的交互影响而被动地进行教与学，更加凸显了教学活动的统整性而非二元分割的局面，师生之间由于能够进行即时有效的沟通与交流，从而摆脱了自说自话和相互猜忌的弊端，促使教学过程中师生间主体性地位得以彰显。
分布式教学模式中的客体是相对师生交互式主体而言的，即教学内容。课程计划、课程标准与教科书作为教学内容的具体化，其中教科书成了教学内容的主要载体。需要指出的是，教学内容是师生双方对课程内容、教材内容以及实际教学任务综合加工之后形成的经验总和，还包括学习动机激发、经验重组与改造、价值判断等贯穿于整个教学活动过程的全部素材及信息。VR教学中的客体更多是以电子数据资料的形式呈现，当然也包含纸质教科书以及学习辅助资料。
工具是主客体之间相互作用的中介或手段。工具既有物质层面的表现形式，也包括语言、思维、文化等精神层面的符号形式。一方面，人的思维能力以及问题解决能力是以工具为中介展开的;另一方面，主体也能够根据发展需要对工具进行改造、重构以至于内化，体现出工具的历史累积效应。“学习活动中工具的一个重要隐喻就是学习者能够汲取工具中所蕴含的人类社会文化。”[15]分布式教学模式中的工具是指VR教学情境以及在这种虚拟空间中所进行的社会交互，也即是一种生机勃勃、互动频繁以及情感饱满的学习环境。基于VR的分布式教学模式的“虚实结合、实时交互及三维配准”[16]的特征就是建立于具身认知学习环境创设的基础之上，从而营造出一种可感知、高体验和能交互的具身化的虚拟教学生态。
分布式教学模式的显著优势就是组建多点一线的教学共同体，促使教师与学生在虚拟教学空间中实现同步联动和实时交互，从而避免传统在线教学中人际交往缺失而造成的学习效率低下问题。共同体的形式多种多样，如按照班级组建、教学任务组建或者家长参与组建。特定VR教学空间中围绕一定的问题情境或者学习任务，不同的共同体之间相互区隔，共同体内部成员之间能够自由交流与讨论，就如同现实场景中感受到彼此存在乃至情绪变化，为交互提供情感支撑。
规则是主体与客体之间、主体与工具之间以及共同体内部成员之间的中介，用以调节它们之间的相互关系。从表现形式上可以分为显性规则和隐性规则。比如师生共同约定的或者外在制度规范的虚拟课堂行为要求属于显性规则，共同体形成的集体意识、价值观念等就应归入隐性规则。分布式教学模式作为一种新型教学模式，必然要形成与之相适切的规则，用以规范师生或生生之间的行为，进而在分布式教学中如何经由VR技术把散落于不同节点的个体融合成一个相互衔接的整体系统。
“劳动分工既包括共同体内成员之间横向的任务分配，也包括纵向的权利和地位的设定，分工可能是根据具体情况相互协商完成的，也可能是自上而下进行的。”[17]基于VR的分布式教学模式中的劳动分工，一是突出教师作为虚拟教学活动设计者以及学生学习过程指导者和支持者的角色定位;二是明确共同体以及学生个体的自适应学习和自我导向学习的目标引领。
基于VR的分布式教学模式针对面对面教学与传统线上教学的各自不足，采用VR技术构建仿真性的教学空间，通过创设一种能够促使教师与学生产生身临其境的教学场景，为增强教学投入度与教学效果提供情境支撑。同时，也充分融入了“互联网+教育”思维，高效率利用海量互联网学习资源为学生自主学习“保驾护航”。如此，既能解决面对面教学中学生主体性缺失、自主学习能力不足的问题，也可以有效避免传统线上教学因时空区隔造成的学生自控力不强、师生交互阻滞等学习效率低下问题。
分布式教学模式之所以能够实现人际交互实时性的目标，就在于构建了一种多元一体的分布式网格系统，从而有效解决当下网络直播教学中人际交互方式单一、效果不明显的难题。分布式教学空间中的人际关系更像一种分布式系统，利用5G多网并存的异构移动网络技术，将分散于不同节点的教师、学生串联成一个围绕共同目标奋进的虚拟共同体。人际关系结构能够嵌入那些分布在其他系统的不同节点之上，从而更灵活、方便地复用和组合所需要的交互活动。VR分布式教学空间中的人际关系呈现出网格化的状态，学生处于不同的网格之中，既可以保持独立性，也能够在特定条件下开展实时互动。
传统在线教学主要采用网络点播、网络直播或者网络录播的形式开展，如此次疫情期间有些高校安排大学生在中国大学MOOC(慕课)上修习指定课程便属于网络点播;许多中小学校采取钉钉软件进行网络直播;有些所谓的“名校”(如成都七中)课堂教学以OBS现场直播的方式投送到其他区域的学校则属于网络录播。但是，实践检验之后仍会发现，无论哪种形式都无法有效解决网络教学中缺乏人际深度交互的困境。分布式教学模式可以克服传统线上教学人际交互不足的弊端，在技术营造的虚拟教学空间中，教师就如同站在讲台上一样可以对学生的学习状态一览无余，学生也能够体会课堂教学的集体氛围，不仅可以在视觉和听觉上感受到彼此，还可以在特定条件下通过触觉感知对方，从而实现了课堂人际交往的实时性和交互性。
分布式教学模式不仅能够实现面对面教学中的班级授课制、分组教学、协作教学以及个别教学等不同的教学组织形式，也支持“教师和学生综合运用慕课、优课、微课、交互式多媒体电子课件、在线实验工具、虚拟仿真工具等教学资源，结合在线直播互动、异步讨论交流等教学活动开展混合式教学”[18]。教学评价方式趋于多元，通过课堂数据采集分析系统综合教师评价、家长评价和学生自我评价的各自优势，对教学过程以及目标实现程度进行全面的、可信的价值判断，进而为教学改进提供决策参考。另外，教学方式的多样性还体现在教学时空选择的同步抑或异步上，以及虚拟教师共同体的形成，即多个教师组成授课团队，以发挥集体智慧的形式为学生提供跨学科、跨领域等协同教学，从而促使教师角色由传统讲台上“单口相声”式的独白，到在线课堂中“交响乐”式与“独白”相应的转型。
准备阶段主要做好教学设计以及网络平台与资源支持两项重点任务。教学设计是根据课程目标确定课堂教学主题，然后选择与组织教学内容，分析不同学段和层次学生的心理特征、知识基础与学习规律，最后确定教学方法。分布式教学模式通过VR技术为师生双方提供海量的信息和资源，但是如何统整既有的数据资源，是考验教师线上教学能力的重要指标之一。首先，根据不同学段与学科的特征选择有针对性的网络平台;其次，根据教学设计搜集素材并建立教学资源库，资源库的建设要考虑不同学生的个性化需求，体现出开放性与适切性;最后，设计或者调试有针对性的分布式教学系统，如确立虚拟空间中学习小组分类规则等。教学设计与资源支持都是为了达到最佳线上教学效果而进行的必不可少的前期规划，旨在为学生提供融汇丰富性与个性化的学习资源支撑。
分布式教学模式充分利用VR技术优势创设一种虚实相生的教育场域，经由图像采集处理系统与三维跟踪注册技术采集真实情景中的数据，并对现实场景中的师生进行跟踪定位;搜集到的数据和信息传入处理器中，通过虚拟场景实时渲染系统和虚实融合显示系统，将投放到移动设备的虚拟信息叠加到真实情境中，从而形成一种可感知、可对话与可交互的虚拟现实教学空间。为了避免头显等佩戴式VR设备体验不佳、价格昂贵的问题，分布式教学模式中可以使用智能移动设备上的红外感应器、摄像头、传感器等配件采集数据、更新信息以实现人机交互功能。在虚实结合、三维立体的VR课堂教学场域内，凸显实时交互中的情感体验和社会交往价值，最大限度地调动师生双方的主体能动性，促使师生双方沉浸于鲜活生动的线上课堂活动之中以达到最佳的教学效益。
凭借VR技术中对动态信息捕捉、采集与分析的功能，为教学决策提供大数据支撑，如采集面部表情、肢体语言等数据判断学生的学习投入程度。系统把分析后的数据分别传送到学生终端和教师终端，教师与学生依据收到的信息开展有针对性的深度交流及互动。教学过程中评价系统会建立个性化的电子学习档案，不仅可以记录学生的学习进度、学习效果以及教师评价与同伴评价，还能够综合数据采集的客观分析与师生评价的主观判断生成综合性的评估结果与建议，以此为学生基于已有经验的自我导向学习提供技术支撑。评价方式可基于具体教学任务和情境作出自由选择，然后据此推送教学资源库中的个性化学习资源。除此之外，家长也可以参与到教学评价之中，发挥家校共育的合力。科学化与多元化评价方式运用到分布式教学活动之中，促使分布式教学模式建立在扎实的循证基础之上，拓展教学反思的深度与广度，进而为改进教学活动提供技术支撑。
(一)理念转型：融汇是未来发展趋势的共识
疫情期间大规模在线学习的实验效果集中指向“教师不知如何教”与“学生不知如何学”两个方面的准备不足，教师把面对面教学中的传统教学模式完全照搬到网络教学之中导致“水土不服”，学生居家学习过程中因缺少外在监督与内在自制而减弱甚至丧失了自主学习能力。实际上，不同维度的现象暴露出的核心问题指向教育信息化发展过程中“重器轻道”[19]的认识偏差，忽视了虚实互动的教学情境之于学生学习能力提升的支撑作用，才致使在突如其来的疫情面前所开展的在线教学表现出“集体恐慌”。可见，分布式教学模式的有效落实需要利益相关者尽快做好理念转型，实现从理解到接纳的认识转变过程，在认可现代信息技术对课堂教学革命意义的基础上，接受并践行信息技术与教育教学深度融合的观念。
(二)标准研发：引领基于VR的分布式教学的发展方向
国家政策层面应从教育教学标准和督导评价标准两个方面对线上教学进行制度设计。第一，开发基于VR的分布式教学活动指导标准。根据大中小学不同学科现有课程计划、课程标准以及课程纲要等指导文件的精神和内涵，结合基于VR的分布式教学的特点，制定出一套目标明确、权责清晰和落实有方的分布式教学活动指南，促使分布式教学活动在规范的范围内有序高效开展。这个指南更加侧重于对分布式教学活动设计及实施的引导功能。第二，研制基于VR的分布式教学督导评估标准。基于VR的分布式教学活动实施效果究竟如何，需要有一个科学和专业的评价依据，督导评估标准是对线上教学指南的细化，更加强调从目标实现程度、学生实际发展等层面评价分布式教学活动开展的效度。
(三)资源建设：多方联动打造基于VR的分布式教学平台
基于VR的分布式教学模式之显著特色在于，融合了线下教学情境体验与线上教学海量资源的优势。第一，打造虚实相生的VR教学平台。“要提升混合学习的体验，平台及其后台的优化显得极其重要。要按照学习者的学习逻辑进行平台的优化，强化激励功效、交互功效、智能反馈功效和大数据功效。”[20]政府、学校、VR企业之间形成联动机制共建教学资源，以“硬件的开发、教育软件及系统的开发、教育课程资源的开发，与学科化研究机制相结合”[21]的方式，为基于VR的分布式教学提供软件系统、课程开发与学习资源。第二，建立在线教学资源共建共享机制。从互联网中数据众筹的特性以及教育公平理念的诉求观之，分布式教学模式并非闭合循环系统，而是建立在多方共同努力的“集体智慧”之上，反过来又能促进优质教育资源共享。因此，通过建立校际乃至区域间的在线课程资源共建共享机制，提供内容丰富、动态更新的教学资源。第三，强化分布式教学过程中的学习支持服务，如提供自主学习指导、技术咨询服务等，以促使师生双方沉浸于实时交互的虚拟课堂空间内，在个性化、多元化学习资源支撑下，达成深度学习的目标。
(四)角色转换：重塑分布式教学空间中的师生关系
VR技术支持下的分布式教学模式更加强调“学习者中心”的理念，这是对传统课堂教学“教师中心”的极大反叛。虚拟现实空间不仅具有整合教学过程、细化教学组织形式的功能，也在一定程度上革新与重构了师生关系。教师由课堂主导者转变学习引导者与协助者。传统课堂教学往往以教师为主导，强调教师的知识权威和课堂控制者的作用。分布式教学模式中的教师更多的是学生学习的引导者和协助者，秉承“以学定教”的理念，通过设计学程计划、提供资源支持、组织教学评价等方式，承担学生学习过程的脚手架和旅行向导的角色。教师的作用体现在激发学生学习动机的基础上，利用VR技术优势并结合学生已有经验提供必要的、个性化的学习资源，引导学生在自主学习进阶中实现深度学习的远景目标。
(五)网络教研：创新“互联网+教研”促进教师专业发展
分布式教学“需要教师具备良好的教学设计能力、风格转变能力、信息技术能力和情绪管理能力”[22]。故而，分布式教学模式的落地生根必须对教师进行必要的专业支持，通过各种培训和研修等途径，不断提升教师的VR学习空间打造、混合学习脚本设计能力、网络学习资源搜集与整理等素养。一直以来，具有中国特色的基础教育教研制度承担了“组织管理教学研究、指导支持课堂教学、推进落实课程改革、咨询服务行政决策等重要职能”[23]。理应发挥基础教育教研制度以及高校教学指导委员会的教研引领功能，通过推动教研转型，为人工智能时代在线教学的快速有序发展提供智力支撑。新时代的“互联网+教研”应该进一步聚焦于“促进学习者学习方式变革的在线学习和混合学习，自适应技术支持的个性化学习，指向高阶思维的深度学习、创客教育、STEM 教育、智慧学习等”领域[24]。一方面，构建教研员、一线教师、专家学者以及技术人员参与的教研共同体，为教师开展基于VR的分布式教学提供专家引导与智力支撑;另一方面，加强校本教研的组织与实施，通过“以校为本”的方式统整各类资源，发挥教师主观能动性，并在问题解决过程中达到专业成长的功效。
(六)家校共育：深化家校协同机制提高育人合力
基于VR的分布式教学模式有助于改变传统家校合作的状况，在深度参与学生学习活动、利用技术支撑并通过实时交互的方式发挥家校共育的功能。第一，需要家长予以配合或协助营造适切的终端环境。一方面，为了防止线上教学过程中无关因素对学生的干扰效应，需要家长创设一个独立、安静的活动区域;另一方面，VR教学需借助特定的移动设备以及网络系统的支持，尤其对于低学段、低年级的学生而言，调试设备及学习平台需要家长予以协助或者指导。第二，能够为家长提供掌握学生学习状况的技术支持服务。虽然VR融入的线上教学是一种仿真性情境，虚实相生的特色固然能够增加交互与体验，但是VR学习空间的“虚拟性”毕竟依旧存在，赋予学生自主性的同时，也需要家长经常关注子女的学习状态，不断地促进学生“身心合一”地投入到学习之中。另外，VR教学评价系统具有记录和分析学生学习情况的功能，这一技术能够帮助家长系统了解学生的学习状态和效果，进而为子女制定有针对性的学习发展方案提供循证支撑。
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[Abstract] VR-based distributed teaching model is a theoretical attempt to reform teaching and learning in response to the poor experience and inefficiency of traditional teaching, especially the major problems exposed by massive online learning during the COVID-19 epidemic. This paper takes the development research as the basic method, adheres to the knowledge constructionism and the sociocultural attributes of learning, relies on the technological advantages of 'VR+5G' supported by embodied cognition theory and cultural and historical activity theory, and constructs a distributed teaching model which integrates the contextuality of virtual reality, the distribution of diversity, the real-time interpersonal interaction and the polymorphism of teaching methods. This new teaching model pays more attention to students' embodied experience, emotional communication and teacher-student interactions in the VR teaching space, linking students in different nodes to form a self-organized and open distributed system. Teachers and students in VR teaching space form a development community mediated by rules, constructing meanings of the objects of the teaching content through a clear division of tasks and cooperating with each other to achieve specific teaching goals. The implementation strategy of VR-based distributed teaching model needs to be planned holistically from the aspects of conceptual transformation, standards development, resource construction, transformation of teacher role, online teaching and research, and home-school co-education.
[Keywords] 5G; VR; Distributed Teaching; Theoretical Model; Implementation Strategy