眾所周知，教學環(huán)境是教育中極其重要的一環(huán)，廣義上來說教學環(huán)境包括了影響教育活動的全部條件，而其中的教室布置、教具、教學輔助軟硬件設備等則是輔助教學活動順利開展必不可少的要素。由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，投影儀、教學輔助系統(tǒng)、計算機、無線網(wǎng)絡、機器人等各類軟硬件設備已經(jīng)廣泛應用于教學環(huán)境中，尤其是面對教育國際化、開放化、多樣化的發(fā)展趨勢，如在線教育和遠程教育中大量采用信息技術(shù)設備開展輔助教學，教學環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，原有的基于電視會議系統(tǒng)和窄帶網(wǎng)絡的教學環(huán)境已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿咚賹拵ЬW(wǎng)、無線網(wǎng)絡、高清視頻傳輸系統(tǒng)等為標準的新一代數(shù)字教學環(huán)境。在此背景下，以“超鏡”視頻傳輸系統(tǒng)為基礎(chǔ)的遠程虛擬教學空間自上世紀90年代末研發(fā)開始，開展了多次教育實踐與應用研究，作為在遠程教育中采用真人等比大小和實施視頻信號翻轉(zhuǎn)技術(shù)的典范，配合新技術(shù)的應用和教育效果的提升，系統(tǒng)也進行過多次更新?lián)Q代，本文將從“超鏡”系統(tǒng)的原理和發(fā)展歷程對其進行詳細的分析與總結(jié)。

“超鏡”遠程虛擬教學空間

“超鏡”一詞源于“HyperMirror”，意指模擬鏡面視覺，使得觀看該視頻的雙方或多方如同看鏡子一樣，都在一個虛擬空間中，實現(xiàn)了WISIWYS（What I see is what you see）和WYSIWIS（What You see is what I see）。若采用傳統(tǒng)的遠程視頻模式，雙方都僅能看到兩個不同視頻窗口，一個顯示自己，一個顯示對方，這種不在一個空間的視覺會影響雙方的認知判斷，容易產(chǎn)生認知分歧（Cognitive Gap），如用手指對方的鼻子，如果是鏡面視覺，手指所指點之處，便是對方鼻子所在方位，而傳統(tǒng)視頻處于兩個不同的視頻窗口，對方很難理解手指方位。具體來說，如上頁圖1所示，場景1中，人物A觀看人物B正面臉部時，可以感受到對方注意力在自己身上;場景2中，當看到B的側(cè)臉時，就會覺得對方并未看著自己，而是在看別的地方;場景3中，若對面有B和C同時存在，A就會覺得B可能在注意C，覺得對方在一個空間內(nèi)，而自己卻被排除在外;場景4中，當A看到B與C之間互相交流、點頭、交換意見等情況時，會完全相信B的視線全部在C身上。根據(jù)這一原理，在場景5中，若能將C替換成A的鏡面圖像（即A與C為同一人物），則能使雙方都覺得互相處在同一空間中，且對方的視線和注意力都在自己身上。因此，認知分歧1指的是當實際上A與C是同一人物，C只是A的遠程視頻圖像，即便雙方?jīng)]有視線相對的感受，也能感覺到對方可能是在看自己（即遠程傳輸對方的圖像），但容易造成空間認知的不一致性，需要隨時自我暗示，以強化共同認知。認知分歧2則指的是畫面中C與A存在同一場景中，從而弱化了空間認知的不一致性。根據(jù)實驗分析得到的數(shù)據(jù)顯示，參與實驗者對于認知分歧1的感受遠比認知分歧2要強烈，且在場景1到場景4中對空間共同認知反應微弱。因此，“超鏡”采用場景5的原理，將雙方視頻水平翻轉(zhuǎn)后，使得雙方均可看到處在同一空間的自我圖像與對方圖像，以此增強了對空間的共同認知。

“超鏡”系統(tǒng)的主要特點在于采用濾鏡合成視頻圖像、實時信號傳輸以及等比大小顯示，以遠程連接兩點為例，如上頁圖2和上頁圖3所示，通過攝像機分別錄制雙方的場景，然后通過視頻延遲設備、視頻翻轉(zhuǎn)及合成設備，將兩者的視頻重疊合成在一個畫面中，通過顯示器或投影儀等設備實時展示，由此雙方可實時同步共享合成畫面，等比大小的反轉(zhuǎn)圖像具有虛擬的共同空間體驗感，可傳遞手勢、姿態(tài)、表情等非語言類信息，有助于協(xié)調(diào)感官，比起頭戴式全景VR、局部虛擬AR等虛擬場景更加真實，不會造成頭暈、惡心、空間認知錯覺等生理反應。同時隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)進行了多次升級換代，由早期的模擬信號改為數(shù)字信號，之后逐步提高清晰度，成為高清HD影像，還支持實時背景疊加合成、高清視頻、多點遠程連接等功能。

教育實踐及應用

大阪大學和日本獨立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所等單位開展合作研究與實踐，利用“超鏡”多次開展教育遠程視頻實踐，尤其是在國際教育領(lǐng)域，實現(xiàn)了多個“首次”實踐。如第67頁表1所示，2001年是該系統(tǒng)第一次連接中日高校，也是中國高校首次采用國際遠程視頻課程，實現(xiàn)了清華大學與大阪大學之間的實時課程互動。隨后日本與韓國、阿富汗、肯尼亞、蒙古、美國、泰國、新加坡等多個國家開展遠程教育實踐。尤其是2010年，首次采用衛(wèi)星通信開展多點遠程視頻連線（如上頁圖4），成功實現(xiàn)了通過衛(wèi)星通信傳輸高清影像的研究，驗證了衛(wèi)星通信的穩(wěn)定性，并通過數(shù)據(jù)挖掘分析發(fā)現(xiàn)，多點對接中視頻信號的延遲與參與者空間共同體驗感的關(guān)聯(lián)性，高清視頻圖像與實時合成畫面能更為有效說明復雜的物理知識，提高學生學習積極性和參與度。

由于“超鏡”的諸多特點，大阪大學、東京大學、東京工業(yè)大學等單位多次獲得日本政府科研立項，以日本文部科學省和日本學術(shù)振興會的科學研究費助成事業(yè)為例（如上頁表2），應用“超鏡”系統(tǒng)的科研立項從2002年至今已達13次，累計相關(guān)科研經(jīng)費超過2億日元，涉及信息技術(shù)、教育、文化交流、醫(yī)療等多個領(lǐng)域，獲得多項專利，并以中日英等多國語言發(fā)表相關(guān)學術(shù)論文百余篇，極大推動了國際遠程教育合作與信息系統(tǒng)的研發(fā)。

后記

“超鏡”系統(tǒng)作為日本代表性的遠程教育系統(tǒng)，不僅可以傳輸和合成視頻與音頻信號，還可以構(gòu)成遠程虛擬教學空間，能夠極大提高教學環(huán)境的實時性和開放性，跨越地區(qū)和國家的限制，參與者無需穿戴任何輔助設備，即可體驗到虛擬空間的交互性。日本、新加坡等國家采用該套系統(tǒng)共建國際課程，積極開展文化交流和教育實踐活動，下一步該系統(tǒng)將配合360度全景影像環(huán)視系統(tǒng)開展遠程高清視頻實踐，預計將會為今后的跨區(qū)域遠程教育帶來新的教學環(huán)境體驗。

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本論文獲得吉林省教育廳“十三五”社會科學研究規(guī)劃項目重點課題“基于數(shù)據(jù)挖掘的卓越教師能力結(jié)構(gòu)與培訓研究”、吉林省重點科技攻關(guān)項目“基于大數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)+長白文化數(shù)字博物館工程”資助。