虚拟现实技术赋能美国教师教育实践训练的历程、效果、走向及启示

［收稿日期］2024-04-01

［基金项目］国家社科基金项目“大数据背景下高等教育监测评估的社会风险与治理策略研究”（项目编号：BIA22083）；重庆师范大学智慧教育专项“虚拟现实技术赋能教育实践的国际经验与本土策略“（项目编号：YZH23005）。［作者简介］杨思帆（1976-），男，四川蓬安人，重庆师范大学教育科学学院教授、博士生导师，重庆师范大学“一带一路”教育研究中心主任；主要研究方向：比较教育、教师教育。

［通讯作者］朱晏平（1999-），男，广东深圳人，重庆师范大学硕士生；主要研究方向：比较教育。

［摘  要］

虚拟现实技术作为一种能够将学习者置身于虚拟环境中的革命性工具，正在重塑教育的生态与未来。美国最早开始运用虚拟现实技术辅助教师教育实践训练，这一过程经历了虚拟现实技术与教育的初步结合、深度交融及催生专业平台新形态3个阶段。在实践效果上，教师教育实训专业平台通过多元主体的交互性提升了实训真实感、依靠虚拟情境的多感知性营造了实训沉浸感、凭借实践过程的自主性提高了自我效能感。展望未来，虚拟现实技术赋能美国教师教育实践训练的趋向包括实训模式的智能化、实训理论的多样化、实训内容的个性化和实训评价的二元化。世界各国都在积极应对和推动教育教学智能化。在未来较长时间里，智能化教育教学将是我国教育改革的重点方向，而虚拟现实技术赋能则是这一改革的重要基础与路径。

［关键词］美国；虚拟现实技术；智能化；教师教育；实践训练

［中图分类号］G451.6  ［文献标识码］A  ［文章编号］1005-5843（2024）04-0142-08

［DOI］10.13980/j.cnki.xdjykx.2024.04.021

虚拟现实之父杰伦·拉尼尔（Jaron Lanier）在他的《新事物的黎明：现实与虚拟现实的相遇》一书中写到，虚拟现实既是一场科技探险，也是一场文化盛宴。当今世界，科技的进步正在不断改变文化与教育的方式，越来越多的数字化教育装备、智能化教育场景等数字技术受到广泛关注，而虚拟现实技术作为一种能够将学习者置身于虚拟环境中的革命性工具，正在重塑教育的生态与未来。美国信息技术与创新基金会（ITIF）发布的《沉浸式学习的前景：增强现实和虚拟现实在教育中的潜力》报告阐述了虚拟现实技术在教育中具有的重要实践价值。在众多国家中，美国最早开始运用虚拟现实技术来辅助教学并积极探索和创新教育教学模式，在虚拟现实技术赋能教育实践训练的理论建构、实施过程、反馈机制等方面都取得了卓有成效的经验，分析其相关发展历程和实践动态有助于把握美国教育运用虚拟现实技术的精髓，实现“他山之石”的功用。

一、虚拟现实技术赋能美国教师教育实训的历程演化

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）的起源可以追溯到20世纪60年代，最初它作为一种科研工具被开发出来。自1965年“虚拟现实之父”——美国计算机科学家伊凡·萨瑟兰（Ivan Sutherland）在论文中首次提出虚拟现实系统基本思想后，虚拟现实技术逐渐在各个领域得到广泛应用。在美国教育领域，虚拟现实技术赋能过程可以划分为初步结合、深度融合以及催生新形态3个阶段。

（一）虚拟现实技术与教育领域的初步结合

虚拟现实技术作为扩展现实的一种手段，提供了一个交互式计算机生成环境，因其持续降低的设备成本和日益完善的技术功能，很早就在军事、心理学、医学和教学等领域引起了众多学者的兴趣。1987年，贾伦·拉尼尔（Jaron Lanier）和史蒂夫·布赖森（Steve Bryson）将虚拟现实界定为利用计算机技术创造的一个交互式三维世界效果，并且物体在其中会有一种空间存在感［1］。赫塞尔（Helsel）是最早将虚拟现实技术与教育领域进行初步结合的学者。1992年他与当时的教育工作者对虚拟现实技术应用于教育的潜力具有较高的期望，他们初步研究虚拟现实技术，并与学校和社区探讨虚拟现实技术在教育环境中的应用。赫塞尔认为虚拟现实将使得教学实践和学生学习发生重大变革，并且基于文本的学习将过渡为基于符号和图像的课程［2］。但在之后的20年，虚拟现实技术在美国K-12教育系统中的应用程度却愈发缓慢，直到2019年才出现了一些较为新颖的研究。例如，卡明斯卡（Kaminska）等人提出可在教育环境中使用的3种类型的虚拟现实技术：（1）虚拟现实（VR）展示——以静态内容展示的主题领域的知识；（2）体感（Kinect）或MYO手势型平台展示——基于技能的知识，如工作安全培训等；（3）沉浸式虚拟现实环境——使用可穿戴设备并将其作为一种克服有挑战性任务的手段，如医学教学场景［3］。除此之外，在该领域较为出名的苏（Suh）等人对沉浸式虚拟现实技术研究提出了新颖的观点并做出归纳总结。苏等人的研究报告称，沉浸式虚拟现实主要用于科学、工程和医学领域，并且大多数研究都是由高水平教育研究者来开展的，最后得出的结论是沉浸式虚拟现实增强了教育实践的动机并促进了教育概念的融合［4］。总的来说，在过去的几十年，虚拟现实技术与教育领域进行初步结合，并产生了些许基础性研究，为虚拟现实技术与教育实训的融合奠定了基础。

（二）虚拟现实技术与教师教育实训的深度融合

虚拟现实技术与教育的初步结合为其与教师教育实训的深度融合提供了现实基础，许多专家基于此对教师教育实训领域与虚拟现实技术结合的问题进行探索。马伦（Mullen）、贝克（Beilke）和布鲁克斯（Brooks）在2007年提出了虚拟环境应用于教师实训的可能性。他们认为虚拟环境可以在一定的限制下创造安全的空间，允许职前教师采用替代身份与“其他身份”进行互动，从而使得职前教师在教师教育实训中意识到社会类别的建构本质，并获得透视法的基本教学技能［5］。布拉德利（Bradley）和肯德尔（Kendall）对虚拟现实模拟进行了探索并作出了突出贡献，2014年他们将虚拟现实模拟分为3类：虚拟学生化身模拟、多用户虚拟模拟和单用户虚拟模拟［6］。虚拟学生化身模拟的典型例子是教师谈话游戏（Teacher Talk Game）和教师教育实践训练平台（TeachLivE），其中最明显的特点是同步混合现实虚拟学生化身，主要方式是在屏幕当中呈现与参与者做出同步动作的虚拟学生，通过对虚拟学生化身动作的分析可以更为直观地了解参与者在这次活动中的优缺点［7］。多用户虚拟现实模拟是指通过展现多个专业人员的日常工作生活情境，来提供使用者与同行和专家交流接触的机会。相比之下，单用户虚拟模拟则是从单方面模仿教师和学生之间的交互，例如模拟学校（Sim School）、模拟课堂（Classroom Sim）。伴随着虚拟现实技术在教师实训领域得到了更广泛的应用，世界各地越来越多的教育中心开始引入强大的新技术工具，以帮助他们满足不同群体的需求。模拟学习环境、人工智能和沉浸式平台等现代技术引起了教育研究者的极大关注，同时虚拟现实技术与教师实训的交融也逐渐成熟［8］。在线程序和软件各有其独特的优势，也正被用来为职前教师教育实训做准备。

（三）虚拟现实技术催生教师教育实训专业平台新形态

随着虚拟现实技术的不断进步以及与教育领域的深度融合，许多企业以及高校研究所都在开发虚拟现实技术的教育实训平台新形态，其中最具代表性的就是由美国中佛罗里达大学（University of Central Florida）教育模拟技术研究中心提出的教师教育实践训练平台（TeachLivE）。现任中佛罗里达大学教育与人类学院教授丽莎·迪克尔（Lisa Dieker）和迈克尔·海因斯（Michael Hynes）曾在21世纪初向计算机科学领域教授查尔斯·休斯（Charles Hughes）提出教师能否像士兵或飞行员一样通过模拟训练来提高他们的表现这一问题。从那时开始，三位教授与一个跨学科团队一起创建了一个改变教师教育实训方式的系统［9］。同时在数据收集和分析过程中，辛西娅·哈钦森（Cynthia Hutchinson）、乔伊斯·努塔（Joyce Nutta）等人提供了较多支持，为教师教育实训平台的开发奠定了基础［10］。由于这项技术很昂贵，且当时只有少数人喜欢在屏幕上与虚拟角色互动，这使得他们一开始难以有进展。但在2012年，教师教育实训平台团队获得了比尔及梅琳达·盖茨基金会150万美元的资助，用于研究教师使用该系统时产生的影响，这笔资金还使该团队能够与世界各地的教育工作者建立合作伙伴关系。通过各方的技术和资金支持，中佛罗里达大学教育模拟技术研究中心终于成功开发出教师教育实践训练平台。由此，该实验室成为美国第一个使用混合现实环境来培训职前教师的实验室。随后2014—2015年的数据表明，美国两年时间里有70所大学的1.2万多名用户体验了该实践训练平台，其中有许多大学已将使用教师教育实践训练平台作为培养师范生的日常项目并取得较好的成效。

二、虚拟现实技术赋能美国教师教育实训的体验效果

在世界教育信息化的浪潮下，美国利用虚拟现实技术赋能教育实训，提升了职前教师的教学技能、管理技能、反思技能等教学核心专业素养［11］。在众多虚拟现实平台中，美国中佛罗里达大学开发的教师教育实践训练平台最具有代表性。该校的教育模拟技术研究中心提出了虚拟教室的概念并付诸实践，为职前教师提供了一个同步的虚拟现实学习环境。实践证明，在虚拟教室中个体可以更好地获得真实感、沉浸感和自我效能感的体验效果。

（一）多元主体的交互性有效提升实训真实感

作为一种在混合现实学习环境中提升教学技能的工具，美国中佛罗里达大学的教师教育实践训练平台系统主要由模拟设备、职前教师、指导教师、技术人员组成。此系统通过不同主体间的交互来提升参与者的实训真实感，并且能够使学生化身执行一组类似于真实课堂学生的行为。该模拟系统还为职前教师提供了即时反馈的机会，并由监督该过程的教师教育者进行指导。教师教育实训平台的使用地点一般处于一个搭建好的智慧教室中，主要的设备是屏幕和采集器以及主控电脑［12］。教师教育实训平台的模拟课堂系统依赖于参与者、控制者、教师教育者3个相互关联的主体（如图1所示）。主体之一是参与者，一般是指职前教师或进行实训体验的教育工作者。控制者为参与者创设虚拟情境，同时通过摄像头和采集器收集位于屏幕前或远程位置的参与者实训信息。主体之二是控制者，一般也被称为技术人员。控制者可以使用预先设定好的程序为参与者提供虚拟情境，同时操控学生化身，使其在屏幕中做出相应的行为动作，从而让参与者在虚拟环境中更加真实地体验到无延时的教育实训情境。主体之三是教师教育者，一般由有经验的实训指导教师或任课老师担任。他们能够实时查看参与者与学生化身的互动过程，及时记录在实训过程中出现的问题。在模拟实训结束后，教师教育者会再次观看录像做出点评，帮助职前教师完成剩余实训任务。在实训过程中，从教师、学生到技术人员，各个主体相互协作，发挥自身作用，使得整个实训过程具有高度的真实感。

（二）虚拟情境的全过程性充分营造实训沉浸感

在教师教育实训平台的具体运行过程中，职前教师可以通过虚拟情境的多感知性体验现实世界中发生的情境，从而充分感受实训沉浸感。美国中佛罗里达大学的教师教育实训平台的过程包括创设情境、角色交互、评价反馈3个阶段，其运行机制具体如图2所示。首先是创设虚拟情境阶段，显示器中的虚拟环境是由现实教室以及模仿学生的化身组成。控制者会根据参与者的能力水平，与教师教育者交流后操纵学生化身提供一系列个性化情境，包括听觉感知、运动感知等多重感受。其次是参与者与虚拟角色交互，控制者通过操控学生化身，让他们出现在屏幕中并做出相应行为，包括声音、动作，甚至眼神交流，而参与者要依靠其专业水平来作出反应。最后在评价与反馈阶段，教师教育者会根据实训过程中所记录的问题给予参与者建议与评分，包括行为体态、话语表达以及授课方式等；并且会根据录像再次记录职前教师在实训中频率高发的错误并制作成数据库，供之后的职前教师使用。在职前教师与虚拟角色交互的过程中，他们完全以自身的实际情况出发，把所学的理论知识和以往经验运用于实践，自主控制课程进度，就如同在真实教室中授课一样。教师教育实训平台在实训的过程中，通过虚拟现实技术的多感知性，可以为参与者营造强烈的沉浸感，让职前教师体验真实世界的课堂情境，从而使得他们充分沉浸在虚拟的教育实训之中。

（三）实践过程的自主性显著提高自我效能感

作为一项相对较新的技术，美国中佛罗里达大学的教师教育实训平台在实践模拟中具有同步的人机交互功能，参与者拥有高度的自主性，而不是根据千篇一律的实践准则进行实训，这能更好地提升职前教师的自我效能感。从2012年教师教育实训平台研究开始至今，已有130多篇研究论文、演示文稿和学位论文讨论教师教育实训平台系统对职前教育实训体验的影响，其中相当多的内容涉及通过模拟提高教师的自我效能感和教学技能等。乌鲁达格-包蒂斯塔（Uludag-Bautista）和布恩（Boone）在2015年研究了教师教育实训平台对于职前幼儿教师对研究性科学的理解和自我效能感的影响。结果表明，其有助于职前教师提高他们对科学教学的理解和信心［13］。埃尔福德（Elford）在2013年调查了职前和在职特殊教育工作者对于使用教师教育实训平台作为识字教学策略的实践工具的看法、功效和态度。结果显示，所有参与者都认为教师教育实训平台的模拟测试对他们的体验感和自信心产生了积极影响［14］。除此之外，迪克尔（Dieker）等人的研究表明，10分钟的教师教育实训平台模拟大致相当于45—60分钟的真实课堂体验。在梅兰妮·里斯·道森（Melanie Rees Dawson）和本杰明·利尼努加里斯（Benjamin Lignugaris）的研究中表明，使用过教师教育实训平台的职前教师都认为其是真实课堂环境的再现，通过与虚拟角色的互动了解学生的不同个性［15］。苏珊·莱杰（Susan Ledger）和扎拉·埃尔索兹卢（Zara Ersozlu）等人通过结构化问题、皮尔逊相关分析、自我报告量表等调查方式分析使用教师教育实训平台的职前教师的教学策略、教学信心、授课质量、融洽关系的建立和教学质量的相关性（如表1所示），并通过研究表明，当职前教师使用教师教育实训平台进行教育实训时，教师的自我效能感和授课质量呈现较高的相关性［16］。可见，职前教师能够通过教师教育实训平台来提前熟悉复杂多变的课堂环境，在虚拟环境中进行自主教学，从而提升其自我效能感，并且在真实课堂中面临复杂问题时可以做到从容不迫，以此来促进职前教师教学水平的提升。