基于認知學徒制的虛擬學習情境的設計與實踐

摘 要：虛擬現實是目前新興發展的技術學科，主要將真實的場景進行虛擬化，認知學徒制是一種在情境認知和學習理論指導下建立起來的學習方法。文章將兩者進行結合，解決了后者無法構建真實場景的缺陷，通過在《C語言程序設計》中的“函數設計”知識點的講解，提高了學生對于學習程序設計的興趣，激發了學生學習的熱情，為更好構建虛擬學習情境提出了方向。

關鍵詞：C語言程序設計；虛擬現實；認知學徒制

作者簡介：陳暄（1979-），男，安徽祁門人，浙江工業職業技術學院講師，研究方向為課程設計改革、算法設計。

基金項目：浙江省教育科學規劃課題“基于認知學徒制的虛擬學習情境的設計與實踐”（編號：2016SCG245），主持人：陳暄。

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1001-7518（2016）26-0072-04

認知學徒制就是一種將傳統學徒制與學校教育相互結合，引導學生完全浸潤在專家實踐環境中的方式；虛擬學習情境主要是依靠現代化的信息技術來構造逼真的學習情境，創造吸引學生的嶄新的學習環境[1]。認知學徒制與虛擬學習情境進行結合，一方面發揮認知學徒制的優勢，另一方面構建有利于教學的環境因素，來激發學生的學習興趣，提高學生的學習效率。

一、認知學徒制的虛擬情境設計的基本理論

（一）認知學徒制

認知學徒制是在情境認知和學習理論指導下建立起來的一種可以滿足不同類型的課堂和師生環境的學習方法[2]，它可以有效地彌補傳統課堂教學中存在的不足，包含內容、方法、序列和社會性四個部分組成。在這樣的環境中，教師為學生提供實際的操作工具，學生通過對這些實際工具的應用來獲得相應的知識，避免傳統課堂在教學過程中的枯燥，提高學生的課堂學習效率。

（二）虛擬現實教育的概念及內涵

所謂虛擬現實教育是將虛擬技術應用到教育領域中，教師與學生通過虛擬現實技術來構造學習情境從而完成交互學習的一種觀念。它與傳統的學習理念具有以下的區別：

1.學習目的改變。學習的目的都是為了能夠使得學生獲得知識。在傳統的學習中，學習者主要學習理論知識，對于實踐性的知識由于某些條件的限制無法進行實踐，而在基于虛擬現實的學習情境中，將實踐知識的學習放置在重要的位置，引導學生通過理論學習之后，在虛擬情境中完成對實踐知識的學習。

2.學習方式的改變。在傳統的教學中，教師主要采用面對面的方式進行授課，大部分學生通過記憶的背景下來獲得知識，這種方式無法激發學生的積極性，甚至會讓學生產生只要在備考的時候多背誦就能通過考試的感覺，因此學生對于學習知識的重視程度逐漸降低。虛擬現實技術將知識由記憶型變換為生動型，通過虛擬化的場景引導學生改變對學習方式的看法，它從周圍的環境出發，將學生與周圍環境進行交互，在一定程度上激發學生對于知識的求知欲望。同時它還不斷挖掘教學內容，將書本中的理論變換成虛擬化的實際場景，使得學生的學習行為由被動變為主動，學生在輕松愉悅的環境中學習知識，在學習的過程中與他人共同研究問題，吸取其他學生的學習經驗，改進自己的學習方式。

3.學習空間的轉變。在傳統的教學過程中，教師通過每一節堂課來為學生傳授知識，傳授的地點，傳授的時間相對固定，在傳授中，學生可以向教師求解問題，也可以與其他的學生進行合作學習。當教師與學生不在同一個時間或者同一地點的時候，教師所教授的知識，學生就無法方便的獲得，學生之間的的交流就更是無法得知。虛擬技術的采用在一定程度上解決了這些問題，依托虛擬系統提供交互方式，能夠滿足學生和教師在課上甚至課后的學習和交流，使得學習的空間發生了改變。

4.學習觀念的轉變。在目前大部分教學過程中，學生學習的內容都是理論性較強的內容，特別是針對《C語言程序設計》這樣的類似的程序類的課程，課程的知識是非?？菰?，而且學習的模式基本上首先進行理論學習，然后再進行上機實踐，這種學習方式無法提高學生綜合能力的發展。針對目前的學習狀況，虛擬現實技術要求學生不但通過理論知識獲得技能和方法，更加強調學生將理論知識與實踐的技能進行結合，引導學生必須重視技能的掌握同時也需要加強理論學習的正確價值觀。這樣可以培養學生的積極學習態度，促進學生在學習中感受到學習的快樂，從而形成積極向上的學習觀。

二、虛擬學習情境教學設計的要素分析

虛擬學習情境是一種建立在認知學徒制教學模式的基礎上的學習模式[3]，它不但符合認知學徒制的相關四個方面的內容，而且還加入了體現真實學習的虛擬活動。

（一）內容

學習的內容在虛擬學習情境稱為專家知識，包括專業知識和策略知識兩個部分。前者主要描述專業領域內容中的概念和事實，往往存在課本知識和課堂教學過程中；后者主要是指如何應用上述的事實去解決真實問題。在虛擬學習情境中，學生在情境的交互中通過觀察等方式來獲得知識，然后在此基礎上通過不斷的操作、思考、實踐等反復步驟，從而明確學習的內容。

（二）方法

學習的方法主要是為了能夠幫助學生更好的發現問題并采用正確的學習方法解決問題。在設計教學方法的時候鼓勵學生通過觀察，參與到具體情境中的實踐內容，引導學生發現所學的真實知識和概念知識相匹配，并啟發學生利用現有的各種資源解決問題。在虛擬學習情境的教學方法設計中分為三個步驟：首先通過示范和指導一個實際的C語言程序的開發，幫助學生通過觀察和指導來獲得一些技能；然后對這個程序進行反思，引導學生注意觀察教師解決問題的思路，并結合自己解決這個程序的方法而反思自己的想法；最后是不斷地鼓勵學生自覺地解決問題。

（三）序列

認知學徒制主要是為了培養學習者的技能，這就要求課程授課教師需要在不同階段改變學習技能內容，要求設計者按照一定的設計規則，了解和掌握各個階段的技能培養目標。因此如何合理的安排活動的順序起著重要的作用?；谡J知學徒制的虛擬學習情境具備的原則有三個方面：其一是復雜性原則，主要是幫助學習者在完成學習的任務過程中運用教師提出的技能，這里的復雜性是指將任務從容易到難進行排序，逐步控制任務的復雜性。其二是多樣性原則，當學習某種技能的過程中，需要引入多樣化的技能任務，這樣可以讓學生能夠更好的引導學生將掌握的技能應用到更加多樣化的問題，這樣可以引導學生解決不熟悉或者新的問題。其三是全局優于局部原則，學生在初學的時候，應該對當前所需要學習的內容有一個總體的印象，然后再對自己所學習的內容進行了解，這樣安排的目的是為了讓幫助學生樹立先從宏觀角度去看待問題，然后從微觀的角度去解決問題，鍛煉學生看待事物的能力。

（四）社會性

虛擬情境中的社會性主要是指專家對學生的鼓勵使得學生產生積極學習的信念，特別是鼓勵的內容對于學生的學習動機，學生的自信以及學生面對困難的決心起著非常重要的指導作用。在虛擬學習情境中，教師與學生之間，學生與學生之間的交流都依靠虛擬現實技術進行，幫助他們進行相互交流，相互討論和共同學習。

通過構建虛擬情境的設計，將認知學徒制的四大要素與虛擬活動相結合。教師與學生，學生與學生通過虛擬化的場景來進行學習情境的互動。

三、虛擬學習情境教學設計——以《C語言程序設計》課程為例

本文中以《C語言程序設計》中的“函數設計”知識點為例，描述基于認知學徒制的虛擬學習情境的教學設計過程。

（一）授課對象分析

本文選擇的是剛剛進入大一的學生。在這個階段的學習中，學生們的思維方式還停留在高中的階段，缺乏從整體上對一件事情的抽象性的看法。在教學的過程中如果只是依靠PPT等工具演示上課的內容，無疑限制了學生的求知欲，因為該階段的學生對于程序設計課程具有一定的好奇性，因此，為學生提供一個能夠吸引學生的虛擬學習環節顯得非常重要。

（二）學習目標分析

“函數設計”教學目的是為了讓學生認識函數并使用函數。大致包括三個方面的學習：認識、了解函數的組成部分，對函數的結構和應用進行學習；幫助學生認識到函數在平時的很多諸如生活中的電子產品的開發中使用；掌握虛擬學習情境的應用方法，運用網絡引擎去搜尋相關的知識。

（三）學習過程分析

1.準備過程。教師向學生講解有關虛擬情境的設計的構建思想以及目的，然后向學生講述如何進入情境學習的方法，緊接著向學生提出清晰的學習目標，同時解決學生在學習過程中遇到的各種問題和解決方法。

2.提出問題。在使用虛擬情境學習系統中，系統向學生展示本次學習的目的，其次在具體實踐案例中提出大致的問題：第一，函數的組成有幾部分組成？分別是什么？第二，如何使用該函數，并打算解決什么問題？第三，設計幾個函數完成各自的功能。

3.專家指導。在虛擬學習情境中，教師是學習的組織者，對學生的學習給予幫助和指導，提醒學生在學習任務的時候容易遇到不解的地方以及容易忽視的問題，以便能夠更好的幫助學生獲得知識。通過虛擬情境學習的在線功能，可以幫助學生與教師進行交流，同時方便學生與學生之間進行交流。

4.自主學習。學生在教師的指導下，通過虛擬學習系統進行相關的學習，并在系統的指導下進行相關函數知識的掌握，在系統提供的案例中，學生主要完成：通過觀看視頻教學后完成對函數的調用和使用；通過互聯網來搜索有關函數的課程的后續的學習，了解函數更多的使用情況。

5.完成作業。在前幾個階段完成后，學生需要完成幾個函數的作業，學生可以依靠互聯網對需要解答的函數內容所涉及的知識點進行搜索，然后完成作業，但是這里需要特別說明的是，由于作業的內容可以在互聯網上能夠尋找到答案，因此學生在完成作業的同時需要準備PPT，代碼解釋清單等東西，并通過虛擬學習系統將作業上傳給教師，讓教師進行評價。

6.階段反饋。在進行完一個階段的學習之后，需要進行階段性總結，教師引導學生對學習問題（比如函數的學習）進行思考，針對出現的不足進行及時的糾正，同時對問題之外的知識點進行延伸和分析，幫助學生能夠思考問題，培養學生的學習獨立性。

（四）評價認知學徒制虛擬學習情境

1.內容方面實現的評價。以“函數設計”的虛擬情境為例，為了能夠體現學生對于知識點學習，首先應該幫助學生明確學習的目標，其次，關注學習內容的描述是否能夠讓學生容易理解。在虛擬學習情境的系統中，學生通過系統中的注釋了解到函數結構的相關知識，在熟悉基本結構之后；學生依靠虛擬操作使用難度逐漸增大的函數進行學習，從中豐富自己的知識。

2.學習方法方面的評價。教師向學生提供學習視頻，進行相關的示范講解；教師與學生依靠虛擬情境系統中的在線交流解決學生提出的問題并進行相應的指導；教師引導學生進行相關內容的搜索，方便學生采用正確的方式學習；教師要求學生完成幾個關于函數的作業，來促進學生的清晰表達能力；學生和教師的相互思考，學生需要對學習的內容進行思考，以及對操作的過程進行思考，并把這些思考寫入到反饋中；同時教師需要在教學的過程中針對自己的引導方法，引導模式進行思考，并在與學生的在線交流中反饋自己的思考，并通過日志的方式展示在虛擬情境系統中。

3.序列方面實現的評價。當學生通過虛擬情境熟悉函數的各個部分組成的時候，系統會相應的彈出相關的解釋說明，對函數的各個部分進行描述，然后通過演示函數在某個系統中的過程，體現了學習序列的不斷增加的復雜性原則。在“函數設計”的學習中，需要依靠視頻，網絡和在線交流平臺進行完成，這說明學生在完成學習活動的多樣性。在學習“函數設計”的過程中，首先明確了“函數”具有的作用，幫助學生明白“函數”學習的目的，然后有步驟的學習有關函數的使用的功能以及在相關程序中的使用情況，這樣體現了先宏觀看待問題再微觀解決問題的方法。

4.社會性方面實現的評價主要是通過系統的交流平臺，可以幫助學生與教師進行交流，并對學生的學習過程進行鼓勵，而學生也可以通過平臺之間的交流，共同的學習，共同的鼓勵。

5.虛擬活動方面實現的評價是在進行“函數設計”學習的過程中，從函數的入門學習到函數應用在程序中都使用了虛擬化的表現手法，這種表現方法有別于傳統的采用PPT能靜態講解的方法，激發了學生學習的興趣。

（五）學生反饋調查

為了考察學生對于該種學習方式的興趣。本文還對計算機專業的三個專業三個班級共126名學生進行調查，從整體印象、實用性、難易性、學習效果幾個方面進行調查。

1.整體印象。在內容為“您是否對虛擬的學習情境感興趣嗎？”調查中，選擇非常感興趣有48人，一般興趣為68人，沒有興趣的有10人，因此感興趣一共有116人，占總人數比例的92.06%；在內容為“您是否接受通過這種虛擬手段教學方式？”中，選擇非常愿意接受的為32人，一般接受的為78人，不愿意接受的為16人，因此愿意接受的為90人，占總人數比例的87.3%。這說明學生對于這種虛擬情境教學方式整體印象不錯，樂于接受。

2.實用性。在內容為“虛擬的環境中的函數構造與真實的系統中的函數構造相近嗎？”調查中，選擇非常相近的有43人，比較相近的有63人，不相近的有20人，其中相近的人數有109人，占送人數比例的86.5%；在內容為“類似這樣的函數就存在你身邊的很多系統里面？”調查中，選擇是的有114人，選擇否的有12人，因此，選擇是的人占總人數的比例的90.47%，這說明虛擬對象具有很好的實用性。

3.難易性。在內容為“在函數講解和應用的過程中，你覺得困難嗎？”的調查中，其中選擇非常容易理解有46人，比較容易理解的為56人，非常難理解的有24人.因此，容易理解為92人，占送人數比例的80.95%。這說明學生對于通過虛擬情境學習的可以降低理解的難度持肯定的態度。

4.學習效果在內容為“通過該系統的使用，你是否會主動學習？”的調查中，選擇肯定的為104人，選擇否定的為22人，選擇主動學習的占總人數比例的82.53%；在內容為“該系統是否能夠改進您的學習方式？”調查中，選擇肯定的為106人，選擇否定為20人，選擇能夠改進學習方式占總人數比例的84.12%。這說明學習的效果是讓學生滿意的。

通過以上反饋調查，表明了學生采用此方法的學習具有一定的效果，因此該學習方法可以引導學生樹立學習觀念，促進學生的學習興趣。

通過針對《C語言程序設計》課程的應用，將認知學徒制和虛擬現實技術進行了結合，取得了一定的效果，但還存在很多的不足需要進一步研究。例如高職的課程隨著專業不同課程內容不同，如何能夠針對每一門課程應用虛擬情境系統是下一步研究的方向，目前基于圖形圖像的很多技術都在日新月異，如何改善虛擬情境系統是下一步不斷完善的過程。

參考文獻：

[1]肖飛.基于虛擬情境的教學資源在高職軟件技術專業課程中的實踐研究[J].通訊世界，2015（16）：207-208.

[2]陳家剛.認知學徒制研究[D].華東師范大學，2009.

[3]白書強.基于認知學徒制的虛擬學習情境的設計與開發[D].山東師范大學，2011.

責任編輯 時紅兵