虛擬和現(xiàn)實結(jié)合的學(xué)習(xí)

張渝江

引子

如果你非常羨慕鋼鐵俠的頭盔給主角帶來的豐富的視覺信息，那么微軟在今年最新發(fā)布的全息眼鏡則逐步將這一夢幻體驗變成了現(xiàn)實。戴上全息眼鏡，你可以為空曠的房間增加各種物件，如裝飾畫、電視機(jī)等。更驚奇的是，你還可以與這些虛擬出的物體進(jìn)行交互，比如你可以真的通過虛擬的電視屏幕觀看節(jié)目。置身于全息眼鏡創(chuàng)建的3D世界，你可以輕松調(diào)試機(jī)械裝置或觀察到人體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，甚至可以到達(dá)火星的表面進(jìn)行探索。如果將這一切運(yùn)用于教育教學(xué)一定會極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因此全息眼鏡的出現(xiàn)讓教育工作者對未來的教育場景充滿了期待。

虛擬世界的學(xué)習(xí)場景

虛擬世界是一種極具沉浸感和高度擴(kuò)展性的三維環(huán)境。用戶以自己的替身（虛擬世界中的個人形象）身臨其境，或步行，或飛翔，還可以完成更多復(fù)雜的動作，并與其他人互動交流等。美國軍方早在二十年前就設(shè)計出虛擬世界利用其模擬戰(zhàn)爭場面來訓(xùn)練士兵，如駕駛飛行器、跳傘等。這種沉浸式的模擬環(huán)境極大地降低了初級訓(xùn)練的危險性，減少了設(shè)備和彈藥成本，而訓(xùn)練成效卻得到了大幅提升。后來，英國的伯明翰大學(xué)則用相應(yīng)技術(shù)來設(shè)計虛擬病房，以此來培訓(xùn)護(hù)士和醫(yī)療應(yīng)急人員，避免了缺乏經(jīng)驗的初級人員參與搶救而導(dǎo)致醫(yī)療事故的發(fā)生。

在虛擬世界中，受訓(xùn)人員面臨的環(huán)境與現(xiàn)實世界一樣真實，他們可以展現(xiàn)自己的各種技能而不會產(chǎn)生緊張的心理，同時還可以隨時變化場景使受訓(xùn)者能夠針對各種復(fù)雜情況做出應(yīng)變且從容面對。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Constance Steinkuehler教授的一項公開發(fā)表在Journal of Science Education and Technology的研究表明，虛擬世界的教育培訓(xùn)能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的批判性思考技能和集體思維能力。也就是說在面臨全新狀況和高壓力環(huán)境時，虛擬環(huán)境可以讓學(xué)習(xí)者避免焦慮的心理和其他情感因素的干擾，閱讀場景的能力得到明顯提高，甚至?xí)a(chǎn)生出新的技能，這些正是緣于批判性思考技能和集體思維能力的增強(qiáng)。電影《安德的游戲》講述了通過虛擬環(huán)境訓(xùn)練的年輕人完成了久經(jīng)沙場的將軍們無法完成的戰(zhàn)爭任務(wù)。這也從另一個角度詮釋了這個研究結(jié)論。

最早專門用于教育的虛擬世界要追述到2003年發(fā)布的“第二人生”（Second Life）。這個三維世界給現(xiàn)實的教育工作者和學(xué)習(xí)者提供了一個全新的環(huán)境。它與真實世界的學(xué)校一成不變、反復(fù)循環(huán)的環(huán)境和行為不同的是，孩子們可以在不斷變化的虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)、玩耍、創(chuàng)造，并且永遠(yuǎn)不會關(guān)閉。很多大學(xué)都在“第二人生”世界中開設(shè)課程進(jìn)行教學(xué)，而模擬出的與教學(xué)內(nèi)容匹配的場景讓學(xué)生的學(xué)習(xí)變得更加生動有趣。

隨著3D視頻游戲的流行，一些教育工作者不斷地嘗試把商業(yè)游戲應(yīng)用到課程中?；谟螒虻膶W(xué)習(xí)也成為未來教育發(fā)展的重要方向?！拔业氖澜纭保∕inecraft）被譽(yù)為目前最好的用于學(xué)習(xí)的虛擬世界之一，也是一款青少年喜愛的游戲。游戲中，每個玩家在“我的世界”設(shè)計的三維空間中自由地創(chuàng)造、破壞直至生存下去，玩家的相關(guān)能力在玩耍中得到快速地提升。

2007年《地平線報告》提出中期技術(shù)趨勢論述了虛擬世界對教育的作用。虛擬世界能創(chuàng)建出非常有效的學(xué)習(xí)空間。它作為廣義的學(xué)習(xí)環(huán)境適用于任何學(xué)科，并為這些學(xué)科的學(xué)習(xí)和研究創(chuàng)建各種條件，包括已有的物件和材料，以及現(xiàn)實世界沒有的工具，大可以是宇宙空間，小可以深入到納米世界。置身于社會化的虛擬世界中，學(xué)習(xí)者通過扮演不同的角色來完成現(xiàn)實世界的挑戰(zhàn)，并承擔(dān)相應(yīng)的后果。這讓虛擬世界有了更真實的學(xué)習(xí)意義。

基于虛擬世界的學(xué)習(xí)應(yīng)用更真實的案例是虛擬實驗室和語言學(xué)習(xí)環(huán)境。這是2013年《地平線報告》基礎(chǔ)教育版遠(yuǎn)期技術(shù)趨勢所論述的。虛擬實驗室中，學(xué)生可以模擬開展真實實驗室的操作，它能讓學(xué)生在使用真實物理設(shè)備前，“安全”地開展實驗并不斷熟練。無論學(xué)生身處何處，通常都可以獲得全天候使用虛擬實驗室的機(jī)會，并可反復(fù)開展同一實驗。一些新近開發(fā)的虛擬實驗平臺還可以為學(xué)生提供包含實驗結(jié)果的報告模板，學(xué)生和教師可以很容易地檢查結(jié)果。目前，基于iPad的3D虛擬實驗室已成為孩子們喜愛的熱門學(xué)習(xí)應(yīng)用，而且以虛擬替身形象參與語言學(xué)習(xí)和交流也成為現(xiàn)實生活中羞于開口的學(xué)習(xí)者們的最愛。

增強(qiáng)現(xiàn)實的教育機(jī)會

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality）是虛擬世界的升級版，它把真實的環(huán)境和虛擬的物體實時疊加到了同一個畫面或空間，被譽(yù)為現(xiàn)實和虛擬結(jié)合的典范。這種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，其原理是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間和空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息（視覺、聲音、味道、觸覺等信息），通過計算機(jī)等科學(xué)技術(shù)模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實的感官體驗。

例如，你眼前是一座現(xiàn)實世界中的古代遺跡，當(dāng)你戴上具有增強(qiáng)現(xiàn)實功能的眼鏡后，立即在眼前呈現(xiàn)出這座遺跡在古代的恢宏場景和發(fā)掘時的場景。就像電影《銀河護(hù)衛(wèi)隊》開始時，星爵掃描外星遺跡時出現(xiàn)以前文明生活的場景的鏡頭。那么，這會為教育帶來怎樣的變化呢？

2005年、2006年、2010年和2011年《地平線報告》高等教育版中，都提出增強(qiáng)現(xiàn)實將成為重要的教育應(yīng)用，并逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。增強(qiáng)現(xiàn)實在真實世界的基礎(chǔ)上疊加了豐富的信息層，包括真實的信息，如位置、距離、溫度等；同時，還有虛擬的信息，如過去面貌、內(nèi)部機(jī)構(gòu)等狀態(tài)，這些信息都與真實的世界相關(guān)。過去教育場景中，這些信息被教師掌握并傳遞給學(xué)生，現(xiàn)在卻讓學(xué)生能快速獲得，并且可以再生成和創(chuàng)建。這樣的現(xiàn)實顛覆了傳統(tǒng)以傳遞知識為主的教學(xué)，教師的作用發(fā)生了巨大變化。例如，面對一架真實的飛機(jī)或飛機(jī)的圖片，學(xué)生通過增強(qiáng)現(xiàn)實穿戴設(shè)備可以獲取到飛機(jī)的型號、生產(chǎn)廠家、用途等信息，進(jìn)而學(xué)生還可以觀察到虛擬出的飛機(jī)飛行時的場景、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的狀態(tài)，甚至發(fā)動機(jī)內(nèi)部構(gòu)造等。教師則省去了傳遞這些基本信息的時間，轉(zhuǎn)而幫助學(xué)生理解更深刻的原理和解答學(xué)生的疑問。進(jìn)而學(xué)生可以對增強(qiáng)現(xiàn)實提供的信息層用自己的發(fā)現(xiàn)和理解來進(jìn)行反饋補(bǔ)充，甚至對飛機(jī)內(nèi)部的缺陷進(jìn)行修改等。

虛擬現(xiàn)實的真實體驗

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是利用視覺、聽覺以及其他感覺輸入（如觸覺和觸覺反饋，甚至嗅覺和味覺等）綜合構(gòu)建的一種沉浸式計算機(jī)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實可以模擬出完全虛幻的想象世界，也可以是現(xiàn)實世界（博物館、歷史地點(diǎn)）的數(shù)字化復(fù)制品。虛擬現(xiàn)實的目的是讓用戶對虛擬世界有更真實的體驗。如果配上3D頭戴設(shè)備和觸覺手套等，完全覆蓋了視覺、聽覺和觸覺，阻斷用戶與真實世界的接觸，人們便會進(jìn)入如《黑客帝國》電影中呈現(xiàn)的訓(xùn)練的場景，或者如《明日世界》中的那個獨(dú)特徽章營造的未來可觸摸的世界。

2015年，知名教育媒體Educause上業(yè)界熟悉的專欄“你應(yīng)知道七件事情”發(fā)表了虛擬現(xiàn)實頭戴設(shè)備將成為構(gòu)建下一代學(xué)習(xí)環(huán)境的重要工具的論述。目前，虛擬現(xiàn)實被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工程、科學(xué)、考古以及未知領(lǐng)域的探險。2016年被預(yù)測為虛擬現(xiàn)實元年，相關(guān)民用產(chǎn)品將普及。隨著成本的降低，結(jié)合虛擬現(xiàn)實的可穿戴設(shè)備教育應(yīng)用也將進(jìn)入到普通學(xué)校。Google Cardboard就是這樣一件產(chǎn)品，紙盒和配件，再加上安卓智能手機(jī)及相關(guān)應(yīng)用，這一切就能組合成廉價的虛擬現(xiàn)實眼鏡。2015年9月谷歌宣布將在美國六個州的學(xué)校開展試點(diǎn)，學(xué)生戴上Google Cardboard結(jié)合地圖和街景就可以進(jìn)行虛擬的實地考察?！板塾稳?、飛上火星、潛入珊瑚礁或回到過去，即通過虛擬現(xiàn)實的探險來幫助學(xué)習(xí)理解抽象概念，讓學(xué)生更深入地理解課堂之外的世界?！?/p>

虛擬和現(xiàn)實的爭議

不管是增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）還是虛擬現(xiàn)實（VR），相對于傳統(tǒng)的教學(xué)而言新技術(shù)帶來了更豐富的場景、更多的信息呈現(xiàn)、更深入的沉浸感、更人性化的互動接口?，F(xiàn)在這些技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入到高等教育，更多針對基礎(chǔ)教育的應(yīng)用也正在被開發(fā)出來。學(xué)生面對的不再是單一的學(xué)習(xí)材料和單向傳遞的信息，打開書本全世界就在眼前不再是想象，而是真實可及。

當(dāng)前AR和VR技術(shù)更多地通過類似于頭盔/眼鏡等頭戴式設(shè)備來實現(xiàn)。為此一些神經(jīng)科學(xué)家提出了相應(yīng)的疑慮：他們認(rèn)為長期的近距離3D投射會給青少年帶來神經(jīng)功能暫時或持久的變化，進(jìn)而導(dǎo)致某些神經(jīng)功能缺損。同時，其他一些研究者也提出了另外的擔(dān)心，如虛擬世界對現(xiàn)實世界的隔離，這與人類感知外部世界的方式有沖突，或者說在純虛擬環(huán)境中獲得的某些技能未必能順利遷移到真實的世界中。

在實際應(yīng)用中，也出現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實兩種技術(shù)之間的混淆和爭論。增強(qiáng)現(xiàn)實強(qiáng)調(diào)在真實場景中信息層的疊加，而虛擬現(xiàn)實則強(qiáng)調(diào)利用相關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算形成可交互的人造場景。二者都有虛擬的內(nèi)容，也都與現(xiàn)實相關(guān)，只是側(cè)重不同。由于有教學(xué)理念和學(xué)科范疇的區(qū)分，這種不同也帶來了一些爭論。對不能真實參與的教學(xué)場景而言，虛擬現(xiàn)實的用處更大，而對于能真實參與的教學(xué)場景，增強(qiáng)現(xiàn)實則帶來更豐富的信息。

維基百科上的描述可能幫助我們更清楚地認(rèn)識到這一點(diǎn)，“1994年保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）提出了現(xiàn)實-虛擬連續(xù)統(tǒng)（Milgram’s Reality-Virtuality Continuum）。他們將真實環(huán)境和虛擬環(huán)境分別作為連續(xù)統(tǒng)一的兩端，位于它們中間的被稱為混合實境（Mixed Reality）”。其中靠近真實環(huán)境的是增強(qiáng)現(xiàn)實，靠近虛擬環(huán)境的則是虛擬現(xiàn)實。

現(xiàn)實和虛擬的結(jié)合正成為教育研究者的主題。2015年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究人員Nesra Yannier博士等公開發(fā)布的研究文章Learning from Mixed-Reality Games： Is Shaking a Tablet as Effective as Physical Observation？中指出，結(jié)合虛擬和現(xiàn)實場景的學(xué)習(xí)成效是傳統(tǒng)方式的五倍。近幾年的《地平線報告》基礎(chǔ)教育版都在倡導(dǎo)基于實景的學(xué)習(xí)，而當(dāng)一些實景學(xué)生無法真實接觸到時，通過虛擬世界就可以彌補(bǔ)這一不足。

顯然，“混合實境”才是未來學(xué)習(xí)發(fā)展的方向。