黃奕宇
摘 要:當前,以大數據、云計算和虛擬現實技術為代表的新一代信息技術在教育領域得到廣泛應用。虛擬現實技術為教育行業(yè)的發(fā)展帶來了新的機遇,虛擬現實能夠讓學生在虛擬的環(huán)境中與教學內容互動,解決傳統課堂中互動性、情境性、沉浸性不強的問題。本研究對虛擬現實教育應用現狀進行研究綜述,分析目前虛擬現實在教育應用中所面臨的挑戰(zhàn),并結合我國教育現狀,對虛擬現實教育應用的趨勢進行展望。
關鍵詞:虛擬現實;教育應用;研究;綜述
中圖分類號:G434 文獻標志碼:A 文章編號:1673-8454(2018)01-0011-06
一、引言
虛擬現實技術(Virtual Reality Technology)應用于教育領域可以追溯到20世紀80年代,自2000年以后得以迅猛發(fā)展,2008年,美國國家工程院(NAE)公布的“21世紀工程學面臨的14項重大挑戰(zhàn)”報告指出,虛擬現實技術與新能源、潔凈水、新藥物等技術相并列成為重大挑戰(zhàn)之一。2011年以來,每年都會舉行關于虛擬現實技術的專業(yè)國際會議IEEE VR (IEEE Virtual Reality Conference),有效促進了領域內學者之間的交流互動。虛擬現實技術作為未來2~3年解決深度學習矛盾的關鍵技術于2016年登入地平線報告高等教育版[1],也是《2017新媒體聯盟中國高等教育技術展望:地平線項目區(qū)域報告》十二項教育技術的重要發(fā)展之一[2]。這項技術在教育領域的應用將顛覆教學內容的學習方式,能夠讓學生在虛擬的環(huán)境中與教學內容互動,解決傳統課堂中互動性、情境性、沉浸性不強的問題,在教學的實踐中具有廣闊的應用前景。
目前,在教育實踐和研究中大多采用多用戶虛擬現實平臺(開放式與非開放式平臺),使用較多的虛擬現實技術產品以國外產品為主,總體呈現“一超三強”的競爭格局:一超指的是Oculus Rift;三強是SONY Play Station VR、HTC Vive 以及Avegant Glyph,而國內產品如蟻視、靈鏡、3Glasses等也在逐漸成為有力的競爭者。
國際上關于虛擬現實教育應用的研究方向主要集中在基于虛擬現實技術的課堂教學法、虛擬現實學習環(huán)境以及醫(yī)學、工程、地理等具體學科應用領域。國內主要集中于虛擬學習資源建設、虛擬現實理論探索和虛擬仿真校園環(huán)境的建設等方面,吳長帥、趙沁平、李敏等學者從不同角度對虛擬現實的教育應用研究和發(fā)展做了綜述。
二、虛擬現實的定義與特征
迄今為止,學界對虛擬現實技術尚未給出統一的界定,存在著三種不同的觀點與認識。以劉光然為代表的學者將虛擬現實技術看作媒介的一種形式,這種媒體由交互式計算機仿真組成,它能夠感知參與者的位置,捕捉參與者的動作信息,替代或者增強一種或者多種感官反饋,而產生一種精神沉浸于或出現在仿真環(huán)境(虛擬世界)中的感覺[3]。第二種觀點是從數字環(huán)境視角來看,趙沁平認為虛擬現實是在一定范圍與真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環(huán)境,用戶借助一定的裝備與數字化環(huán)境中的對象進行交互,從而產生對應真實環(huán)境的直觀感受和體驗[4]。第三種觀點則認為虛擬現實技術是計算機技術的拓展,是綜合了利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術等為一體的科學技術[5]。
Burdea G和Philippe Coiffet在1994年提出了想象性(Imagination)、交互性(Interaction)和沉浸性(Immersion)等虛擬現實的三個基本特征[6],即虛擬現實的3I特征。其中,想象性是指虛擬現實技術使得理性與感性相結合,可以創(chuàng)建人為想象出來的場景或事物,促使人們深化概念,創(chuàng)造想法;交互性是指使用者不用借助鼠標、鍵盤等工具,以自然方式與虛擬環(huán)境進行互動,同時,虛擬環(huán)境可以通過多重感官給予使用者反饋;沉浸性則強調了使用者從觀察者到參與者身份的轉變,使用者能夠身臨其境,感受到自己是虛擬世界中的一部分,在使用過程中更具有主動性。
王聰系統分析了增強現實(AR)與虛擬現實這兩種技術的區(qū)別和聯系,認為增強現實是在虛擬現實基礎上發(fā)展起來的,這兩種技術具有同源性,其在信息生成、設備以及技術交互方面有重疊[7]。王同聚將虛擬現實的主攻領域定位在“虛擬世界”,即人們通過虛擬現實設備來探索人為因素所構建的虛擬世界,并且在純虛擬數字畫面中追求沉浸感,而將增強現實的主戰(zhàn)場定位在“現實世界”,即人們使用增強現實設備產生的虛擬信息來提升探索現實世界的能力,是虛擬數字畫面加上裸眼現實[8]。張枝實從技術和應用兩個維度對以上學者的觀點做了詳盡的說明[9]。下面通過表1將虛擬現實與增強現實進行對比。
根據文獻分析可以總結出,虛擬現實與增強現實在技術使用、設備配置、應用目的、教育特性上都有不同。虛擬現實實際上強調建構場景與“投射”的過程,因此,它側重于構建和創(chuàng)造模式,關注虛擬場景是否有良好的體驗和交互[11]。相反,增強現實更關注復原人類視覺的功能,不隔離周圍的現實環(huán)境,注重虛擬場景與現實場景的相互“融合”。虛擬現實重點依賴Graphics等運算技術,而增強現實主要運用Computer Vision等信息與場景交互技術。在教育實踐中,虛擬現實構建合理、夸張或虛幻的VR環(huán)境,為學生帶來想象性、交互性、沉浸性的學習體驗,而增強現實則更加強調學習過程的興趣性、智能性、自主性,從而提升現實工作、生活或學習的思維動力和實踐能力。
綜合以上的定義與特征可以看出,虛擬現實是建立在計算機技術的基礎上的,虛擬環(huán)境的產生和變化來自于計算機對數據的處理;虛擬現實技術融合了計算機、網絡、視聽、多媒體、人工智能等多種技術,其實質是智能化的人機界面交互技術;通過虛擬現實技術,人們能夠借助并非現實存在的事物達到真實體驗。虛擬現實的研究對象是仿真環(huán)境,研究的基礎是在真實活動中產生的關于視、聽、觸感等的感受和體驗。在教育實踐中,虛擬現實的研究目標是呈獻知識信息、輔助教學活動,從而加速和鞏固學生學習知識的過程,以設計和優(yōu)化學習過程和學習情境。虛擬現實在教育領域的應用,本質上是教育與技術相互作用、相互驅動的結果,教育需求引入虛擬現實設備、軟件、服務,而技術發(fā)展驅動虛擬現實的發(fā)展與成熟。虛擬現實技術的出現不僅會帶來師生觀念與教學方式的轉變,還會促使教育教學的整體改革,未來將會大范圍應用于學校課堂教學中,也會在移動學習、泛在學習、遠程教育、翻轉課堂中發(fā)揮作用。endprint
三、理論基礎
1.建構主義學習理論
建構主義學習理論的觀點是:在教學活動中應該以學生為中心,關注學生對學習過程的自我控制,強調學生對所學新知識的意義的建構,和對原有知識經驗的改造和重組[12],理想的學習環(huán)境應當包括情境、協作、交流和意義建構四個部分。虛擬現實應用在教育教學中能夠豐富傳統課堂的教學手段,提高學生獲取知識的主動性,創(chuàng)設有利于學生協作與交流的情境,幫助學生對所學知識進行意義建構和對既有知識的重組,完成預定的學習任務。
2.有效教學理論
有效教學既是人們的長時期追求,也是一種全新的教學理念[13],其實質是通過一系列的有效的教育活動使學生學習符合預期最佳效果[14]。有效教學研究由環(huán)境變量、過程變量和結果變量構成了其基本框架[15]。有效教學需要鼓勵師生互動、鼓勵學生之間合作、鼓勵主動學習、提供及時反饋、強調時間投入、對學生寄予高期望、尊重學生差異和不同的學習方式,而虛擬現實正是在有效教學理論指導下致力于促進學生多方面的學習進步和多元化發(fā)展,關注學生學習學習興趣的養(yǎng)成和學習成果的轉化。
3.情境認知理論
情境認知理論同樣強調學習的設計應當以學習者為主體,并將知識與實踐緊密結合。在真實情景中組織教學符合學習者的認知需要,能夠促進知識的遷移和學習者對知識的主動建構[16]。認知活動是認知主體與環(huán)境交互發(fā)生作用的動態(tài)的主動構建過程,虛擬現實技術在教育中的應用將學生置入原有課堂無法實現的、更加貼近教學內容的場景中,加深學生對特定情境和特殊內容的真實感知,促進對知識的深入理解。
4.模擬思維方法
模擬思維方法根據所用的模型與原型相似的不同情況和特點,可以分為物理模擬方法和數學模擬方法兩大類型,前者以模型和原型之間的物理相似為基礎,后者以模型和原型之間的數學相似為基礎。虛擬現實教育應用主要采用物理模擬方法,模擬無法簡單創(chuàng)建的教學場景,重現稍縱即逝的自然現象,放大或縮小肉眼難以感知的結構等。
四、虛擬現實學習環(huán)境研究
建構主義理論認為知識不是通過教師授課獲得的,而是學習者在與現實生活或真實情境相似的情境下去積極主動地建構知識[17],虛擬現實技術為學習者建構了全新的學習環(huán)境。目前,研究者對于用于教育領域的虛擬現實環(huán)境的術語還沒有統一的認識,“Three-dimensional Virtual Learning Environment”、“Educational Virtual Environment”等都有在被使用[18][19]。翻譯成中文術語,Huang等所使用的“虛擬現實學習環(huán)境”這一術語突出了以學生為中心的思想和學習的特征[20],表明了虛擬現實技術對于教育教學環(huán)境的建構與支持,比較系統與全面,讀起來也簡潔有力,因此本研究則采用“虛擬現實學習環(huán)境”這一術語來指代虛擬現實在教育教學中的應用。在虛擬現實學習環(huán)境支持下,教育思想、教學策略、學習內容、學習規(guī)則都被植入進去,教師與學生通過虛擬現實平臺和設備與學習環(huán)境進行交互的過程構成教與學的過程,學生能夠感覺自然地沉浸于學習當中。
1.虛擬現實學習環(huán)境支持的教學應用
(1)目前,虛擬現實學習環(huán)境支持的教學應用在西方發(fā)達國家運用廣泛且有助于學生對知識的認識。2009年澳大利亞和新西蘭合作成立的虛擬世界工作組和2003年美國林登實驗室推出的Second Life(SL)項目等是典型代表[21]。其中,開放式虛擬現實平臺Second Life項目提出要探索個體在虛擬現實世界獲得教育與成長的可能,學生可以采用一個“化身”投入到虛擬世界的學習當中去,其具體執(zhí)行過程與角色扮演游戲有些類似。Second Life平臺在西方發(fā)達國家有極高的市占率,英國有80%的高校都在使用或準備使用,而美國已經有超過150所高校在這一平臺中搭建了用于教學和研究的虛擬環(huán)境[22]。
(2)虛擬現實學習環(huán)境能夠提高學生對知識的掌握能力、創(chuàng)造力和領導力。比如,在飛行員駕駛訓練的課程中,采用虛擬現實技術構建的模擬飛行場景和現實實際駕駛訓練相結合,飛行學員的技能習得速度和效果比單純的現實飛行課程訓練更明顯。Cai、Wang和Chiang設計了幾個面向初中生的關于化學物質結構認識的虛實融合操作實驗,在實驗中,學生可以采用自然交互方式對虛擬出來的微觀世界中的分子、原子進行操作、組合和創(chuàng)作[23]。這個實驗表明虛實融合的方式能較大提升學生的學習興趣和對物質微觀結構的認知與理解。通過虛擬現實技術對日常難以呈現的巨大或微小物體之間的空間關系和內部結構細節(jié)的展示,有效地促進了學生技能的習得。臺灣學者Lin、Wang、Kuo等人通過實驗探索了虛擬現實教育對學生創(chuàng)造力和領導力的影響,實驗表明:通過虛擬現實探索教育能夠促進的最佳創(chuàng)造力,也能夠提高學生的最優(yōu)領導力[24]。
(3)虛擬現實學習環(huán)境還被應用到具體操作技能的培訓課程中。隨著醫(yī)學技術的發(fā)展,要求醫(yī)學教學更加的精細化,對醫(yī)療教學設備和儀器的要求也越來越高,教學成本高昂。運用虛擬現實搭建醫(yī)療教學環(huán)境,再造手術和化驗場景,一方面能夠較大程度地降低成本,另一方面能夠使手術效果更佳直觀,醫(yī)學生可以有效及時且直觀的感受到自己操作的規(guī)范性和手術處理所帶來的后果。Y Eugenia、Νikiteas Nikolaos、P Despina等通過在腹腔鏡手術中使用虛擬現實模擬器構建訓練環(huán)境,能夠訓練基礎外科手術技能,提供改進腹腔鏡手術性能的替代手段,并且可直接將這一手段運用到臨床手術中去,然而,虛擬現實模擬對高級外科手術的表現沒有影響[25]。在工程類課程中,VS Pantelidis概述了在工程教育中使用虛擬現實的原因并提供了一個確定何時使用VR的模型,指明了在工程操作課程中使用虛擬現實的低預算方法和構建這種工程實驗室所需的硬件和軟件[26]。endprint
(4)在教學實踐中,某些學科存在現實生活中沒有的、危險性較強的、或者成本較高難以構建的現實場景,比如歷史場景、跨國場景、危險場景、特殊教育、軍事演習、宇宙與海洋場景等,虛擬現實技術則可以在避免傷害、減小成本的情況下完成教學任務。Buono、Cortese和Lionett等人在消防逃生培訓課程中做了一個實驗,他們構建了虛擬機代表國家研究所的一個真正的建筑,工作分為兩個平行和互補階段:在第一階段(“建?!彪A段),他們設計了模擬發(fā)生地的實際建筑物;在第二階段,他們額外通過使用LSL(the Second Life Linden Scripting Language)將交互功能加入到虛擬環(huán)境中去,以確保用戶可以通過熟悉的方式與周圍環(huán)境進行交互。實驗表明,在虛擬環(huán)境中,原本對新技術不熟悉的學習者也能夠對環(huán)境互動功能熟悉掌握,實驗參與者對于滅火逃生相關概念的掌握能力、對于滅火器的使用能力、成功逃脫至集合點的能力等都成績較佳,培訓效果顯著[27]。
(5)構建虛擬的學習角色。在實際的教育教學工作中,教師往往會面對學生注意力不集中的情況,這種情況在青少年教學過程中更為常見,會直接關系到學生對于知識的獲取以及教師的課堂教學效果。構建的虛擬角色是將真實學生個體映照進虛擬環(huán)境中去,這個角色可以按照計算機預先設定需要完成的各項學習任務,幫助學生在虛擬環(huán)境中實現對課程知識的掌握與理解[28]。虛擬角色能夠提高學生的學習興趣,可以讓學習者避免焦慮的心理和其他情感因素的干擾,注意力和集中度有明顯提高。
2.虛擬現實學習環(huán)境提升學生技能習得效果研究
(1)臨場感
臨場感讓學生在面對學習環(huán)境時產生的身臨其境的感覺,臨場感是虛擬現實對于學生學習效果習得評價的重要組成部分。吳祥恩、陳曉慧等通過實驗證明了臨場感對在線學習效果具有重要影響,其中教學臨場感較大程度促進教學設計和教學組織,社會臨場感在一定程度上能夠促進學生積極進行知識分享,而認知臨場感對在線學習效果起到最重要作用[29]。學習者的臨場感知覺對學習成就影響程度如何,王廣新和劉興波采用以Witmer和Singer的“臨場感調查問卷”[30]、Baňos等的“現實判斷和臨場感調查問卷”[31]為核心改進的問卷調查的方法測量學習者的臨場感,探究出臨場感體驗能增強學習者的認知過程,有助于提高學習者的認知態(tài)度,但臨場感也不是虛擬現實學習環(huán)境對于學生技能習得效果的靈丹妙藥,臨場感對學習者的學業(yè)成就的提高也是間接的和有限的[32]。Persky,S發(fā)現,學習效果會受到具體的教學方法和不同的學習活動的影響,并不能簡單地將學習效果與臨場感作簡單聯結[33]。另外,當學習環(huán)境受到多種因素的刺激時,學習者會對這些因素的注意力產生不均等現象,從而影響對特定一些因素的臨場感不佳。
(2)個性化學習
除此之外,虛擬現實學習環(huán)境突破了空間的限制,對于學生而言,為學生提供了個性化學習條件,學生能夠根據個性表現在虛擬環(huán)境中嘗試完成不同的任務或通過不同方式完成任務,實現更為積極主動地去計劃、組織和監(jiān)控課程活動。對于教師而言,虛擬現實促進的個性化學習模式能夠有效促進因材施教,教師能夠根據學生的學習情況,個案分析學習效果并進行教學評價,以此為依據針對個別學生進行輔導,也方便安排之后的教學內容,從而進一步提升教學效果。比如,Ashoori等提出個性化是適應性虛擬學習環(huán)境中的一個關鍵問題[34],它為學生提供支持互動參與的方法,從而滿足不同學生的需求,實現個性化教學,這可以在多用戶虛擬現實環(huán)境中使用教學Agents來實現。
(3)沉浸性
在傳統課堂教學和網絡教學中,教師不可避免地會遇到學生在學習過程中情感缺失的問題,將基于虛擬活動的學習環(huán)境納入學習和培訓過程中,通過虛擬現實打造良好的沉浸性提高教育過程的效率[35]。L.Jacho、B.Sobota、?譒. Kore■ko等構建了用于支持教育和教學活動的半沉浸式虛擬現實系統,使用基于用戶觸摸界面的虛擬工作臺,引導學生的能力發(fā)展并對能力發(fā)展成效進行評估[36]。若設計合理的教學流程和恰當的虛擬現實技術使用,學生在學習過程中的專注度和投入度將會有所改善。
五、虛擬現實教育應用所面臨的挑戰(zhàn)
國內關于虛擬現實學習環(huán)境支持的教學相關研究和應用還停留在較為初始的階段,還是以虛擬現實理論探討為主,應用層面研究較少,教育教學效果還需進一步明確。國內的研究重心還集中在虛擬仿真校園的實現等方面[37][38],較西方國家仍有一段距離。
目前虛擬現實呈現技術目前普遍存在建模工作量大、模擬成本高,與現實世界匹配程度不夠以及可信度等方面的問題[39]。具體而言,從產品技術層面,丁楠、汪亞珉認為存在著頭戴式顯示設備使用體驗不佳、顯示設備的視域相對狹窄、設備的重量與體積過大,使用者的活動自由度受到硬件的限制,從而導致交互體驗不足等缺陷[40]。而高媛等還從教學應用層面及學習者體驗層面上總結了虛擬現實技術在教育教學中存在的不足[41],在教學應用層面,海倫·法利認為最大的挑戰(zhàn)在于教師的教學方式還沒有改變,在虛擬環(huán)境中仍舊采用傳統的教學,這樣虛擬現實技術則難以起作用[42]。劉德建、高媛等皆提出了虛擬現實所使用的多元信息傳送方式容易造成學生的認知負荷超載,對于學生的學習過程相關監(jiān)控數據還沒有配套成熟的輔助技術進行有效評價,不能明確辨別學生在使用虛擬現實技術到底是用于學習還是娛樂[43][44]。
六、總結與展望
在虛擬現實的教育應用中,技術應當服務于教育教學過程。針對這些問題,教育工作者首先要考慮面對具體的教學情境時應當采用虛擬現實技術進行哪些內容的教學、如何進行教學的問題,即確定明確的教學目標、制定提升學生創(chuàng)造力的教學策略,形成完整可行的教學設計,使得教學設計更加符合學生的認知過程,從而最大程度地減小學生的認知負荷超載;根據實際教學開展長期的效果測試、監(jiān)測與評估,掌握數據規(guī)律,并根據評價結果改進基于虛擬現實技術的學習環(huán)境和教學設計各個環(huán)節(jié)。endprint
虛擬現實技術的設備及服務提供商需進一步完善該技術的成熟度,通過增強現實、增強虛擬環(huán)境、混合現實等技術手段輔助營造智能化和實用型的虛擬現實教學環(huán)境;減少技術使用層面的困難,提供更好的設備使用體驗;開發(fā)關于技術數據的輔助收集與評價功能,便于教學者評估學生學習效果;提高對于數據隱私尤其是學生個人信息方面的安全系數。
虛擬現實技術已經成為教育教學應用中不容小覷的技術之一,它與教育教學的深度融合將會進一步推進教學改革的發(fā)展,對于提高教育技術水平、改善教學環(huán)境、豐富教學資源、優(yōu)化教學過程,培養(yǎng)個性化、創(chuàng)新型的人才具有重要作用。未來,隨著虛擬現實教育應用水平的逐步提升,希望虛實融合教學環(huán)境中所面臨的挑戰(zhàn)能夠逐步得到有效解決。
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(編輯:王曉明)endprint