基于具身認知理論的在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計研究

李海峰++王煒

【摘 要】

在線學(xué)習環(huán)境中人機分離的問題一直受到研究者的持續(xù)關(guān)注和探討，但迄今為止并沒有得到有效的解決。具身認知理論的興起和Unity3D引擎技術(shù)的發(fā)展為這一問題的解決帶來了新契機?；诰呱碚J知理論，筆者探討了在線學(xué)習環(huán)境從離身性向具身性設(shè)計范式的轉(zhuǎn)變，提出了“具身認知在線學(xué)習環(huán)境開發(fā)框架”和相應(yīng)的設(shè)計原則，依據(jù)開發(fā)框架和設(shè)計原則進行了小學(xué)英語虛擬學(xué)習社區(qū)學(xué)習環(huán)境的設(shè)計、開發(fā)和教學(xué)實驗研究。研究結(jié)果表明，具身認知學(xué)習環(huán)境比網(wǎng)頁版式的學(xué)習環(huán)境更能促進學(xué)習者的學(xué)習效果。實踐研究也顯露出“開發(fā)框架”和“軟件系統(tǒng)”等的一些不足之處，需要在后續(xù)研究中繼續(xù)解決。

【關(guān)鍵詞】 在線學(xué)習環(huán)境；Unity3D；具身認知；LEEC；英語學(xué)習

【中圖分類號】 G434 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1009—458x（2016）02—0071—08

一、從離身到具身：在線學(xué)習

環(huán)境設(shè)計范式新轉(zhuǎn)向

大規(guī)模在線開放課程（MOOCs）業(yè)已成為影響傳統(tǒng)課堂教學(xué)的一種新力量，大規(guī)模、大數(shù)據(jù)、大眾化和免費學(xué)習等術(shù)語成為這場教育盛宴的鮮明特點。在線學(xué)習網(wǎng)站提供的功能主要包括課程資源、信息互動、學(xué)習監(jiān)控和學(xué)習社區(qū)等。不可否認，這些功能和資源為學(xué)習者提供了較為有效的學(xué)習支持和幫助，然而“學(xué)習者仍然處于‘人與機的分離世界中，師生交互和生生交互缺乏教學(xué)現(xiàn)場感，使遠程學(xué)習者感到孤立”。[1]基于這種狀態(tài)的在線學(xué)習環(huán)境對于那些意志不堅強、場依存性強的學(xué)習者并沒有比傳統(tǒng)教學(xué)凸顯出優(yōu)勢，同時也成為導(dǎo)致大量在線學(xué)習者輟學(xué)的主要原因之一。

迄今為止，在線學(xué)習環(huán)境的設(shè)計并沒有取得顯著進步，仍然停留在以“認知主義”“社會建構(gòu)主義”和“聯(lián)通主義”為指導(dǎo)的信息互動層面上。汪瓊等人構(gòu)建了“在線交互虛擬學(xué)習環(huán)境模型”，進行學(xué)習活動與系統(tǒng)中不同角色的交互，通過交互實現(xiàn)教學(xué)標準的確認和學(xué)生情緒的調(diào)控適應(yīng)。[2]余東先等人提出了在線課程的五個關(guān)鍵要素——課程資源環(huán)境、參與體驗環(huán)境、支持環(huán)境、反思環(huán)境及社交環(huán)境。[3]切頓·切普萊杰特等人提供了移動交流工具對在線學(xué)習環(huán)境進行優(yōu)化和提升，探索了將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺擴展到移動設(shè)備上的移動交流工具的設(shè)計和開發(fā)。[4]喬納森提出了建構(gòu)主義學(xué)習環(huán)境，以問題為驅(qū)動，歸納了八大學(xué)習環(huán)境設(shè)計原則，可以支撐話語共同體、知識建構(gòu)共同體和學(xué)習共同體。[5]諸如此類的在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計，主要通過提供聊天室、論壇、維基百科等信息互動工具來實現(xiàn)在線學(xué)習環(huán)境的人機信息交流。這些僅限于信息的交流方式和功能始終是一種人與人交往的簡單中介和信息存儲區(qū)域，學(xué)習者始終置于在線學(xué)習環(huán)境之外，無法將自己融入在線學(xué)習環(huán)境中進行互動，也難以體驗到學(xué)習者共同聚集于在線學(xué)習環(huán)境中的具體感受和學(xué)習體驗。產(chǎn)生這種問題的原因主要包括有效理論的支持和先進技術(shù)的實現(xiàn)兩個維度。為了解決這一問題，具身認知理論和Unity3D引擎技術(shù)被引入以支持具有具身體驗的在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計與構(gòu)建，探索解決人機分離問題，實現(xiàn)在線學(xué)習環(huán)境的具身性。

二、具身認知理論與在線學(xué)習環(huán)境重構(gòu)

（一）具身認知理論的內(nèi)涵與本質(zhì)

具身認知是指身體在認知過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，認知是通過身體的體驗及其活動方式而形成的。人類最初的心智和認知是基于身體和涉及身體的，心智始終是具（體）身（體）的心智，而最初的認知則始終與具（體）身（體）的結(jié)構(gòu)和活動圖式內(nèi)在關(guān)聯(lián)。[6]具身認知主要包括三層含義：第一，認知過程的進行方式和步驟實際上是被身體的物理屬性所決定的；第二， 認知的內(nèi)容是身體提供的；第三，認知、身體和環(huán)境是一體的，認知存在于大腦，大腦存在于身體，身體存在于環(huán)境。[7]具身認知強調(diào)了認知或者心智對身體及其感覺運動系統(tǒng)的依賴性，認知和心智同時也具有身體的某些屬性，沒有純粹脫離身體屬性的知識存在。譬如，當我們用心智操作頭腦中足球的思維表征時，足球的運動方向和力度始終是與自己身體的運動系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和感知系統(tǒng)等密切相關(guān)。身體的構(gòu)造和狀態(tài)、身體的物理屬性以及大腦與身體的特殊感覺——運動通道對認知具有塑造作用。認知不僅是具身的，同時也是嵌入的，即大腦嵌入身體，身體嵌入環(huán)境，構(gòu)成了一體的認知系統(tǒng)。[8]

（二）具身認知在線學(xué)習環(huán)境的意蘊

在具身認知主義理論出現(xiàn)以前，行為主義、認知主義、建構(gòu)主義和聯(lián)通主義是在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計的主要理論基礎(chǔ)，尤其是建構(gòu)主義理論成為當前學(xué)習環(huán)境設(shè)計最為重要的理論依據(jù)。在線學(xué)習環(huán)境在這些理論的指導(dǎo)下更多地以提供具有信息刺激、知識關(guān)聯(lián)和社會交往等功能的工具為主。這種結(jié)果是這些理論對學(xué)習的認識和解釋的差異造成的。行為主義認為學(xué)習發(fā)生在對學(xué)習者的刺激——反應(yīng)之中；認知主義強調(diào)學(xué)習發(fā)生于學(xué)習者內(nèi)在的知識組織和信息加工之中；建構(gòu)主義則認為學(xué)習發(fā)生在人與人的交流和內(nèi)在認知的平衡變化之中。這些理論更多地強調(diào)了信息的刺激和人際交往，但是對于身體與認知的作用并沒有進行深入的研究，甚至認為是身心二元論。

然而，具身認知主義的興起和發(fā)展，使身體在認知中的重要作用得到關(guān)注和深入研究。具身認知主義轉(zhuǎn)變了行為主義、認知主義和建構(gòu)主義對學(xué)習發(fā)生機制的認識（認為身心二元論，身體與認知沒有關(guān)系，認知只是內(nèi)在心智的活動）。具身認知的出現(xiàn)，使人們對學(xué)習發(fā)生機制的探討從“離身性”向“具身性”轉(zhuǎn)變，同時也引起了對教學(xué)設(shè)計和學(xué)習環(huán)境的重新思考。具身認知理論指導(dǎo)下的在線學(xué)習環(huán)境應(yīng)該從僅僅提供人機的信息交流轉(zhuǎn)向提供支持學(xué)習者身體活動和心智思維的環(huán)境。聊天室、學(xué)習資源和學(xué)習工具等已經(jīng)成為在線學(xué)習平臺的常見功能，然而這些功能的設(shè)計并沒有將學(xué)習者的身體置于學(xué)習平臺之中，而是人機分離，忽視了身體在學(xué)習中的重要作用。從具身認知心理學(xué)的視角來看，學(xué)習平臺的設(shè)計也應(yīng)將學(xué)習者置于學(xué)習環(huán)境之中，發(fā)揮學(xué)習者身體在認知中的重要作用，即憑借學(xué)習者的虛擬化身來間接地為學(xué)習者提供實現(xiàn)其具身認知的機會與過程。換句話說，具身認知在線學(xué)習環(huán)境應(yīng)著重從兩個維度進行考慮：第一，構(gòu)造出具有類似于自然人的虛擬角色，滿足學(xué)習者對虛擬角色的各種控制，諸如運動和感覺等；第二，提供相應(yīng)的仿真虛擬學(xué)習環(huán)境，包括學(xué)習資源和自然環(huán)境等。因為具身認知強調(diào)認知與心智、身體和環(huán)境的統(tǒng)一，身體是嵌入到學(xué)習環(huán)境的，學(xué)習環(huán)境是學(xué)習者體驗和感知的對象，是知識的來源。

（三）具身認知在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計框架構(gòu)建

基于上述關(guān)于具身認知與學(xué)習環(huán)境的討論和分析，筆者構(gòu)建了“具身認知在線學(xué)習環(huán)境開發(fā)框架”（Learning Environment based on Embodied Cognition， LEEC），如圖1所示。

圖1 具身認知在線學(xué)習環(huán)境開發(fā)框架（LEEC）

認知與心智是具身認知在線學(xué)習環(huán)境開發(fā)框架的核心，身體及其功能是連接認知與心智和外在學(xué)習環(huán)境的橋梁和通道，物理環(huán)境、生物環(huán)境和社會環(huán)境等構(gòu)成了身體體驗的對象和知識的來源。認知嵌于身體之中，身體嵌于環(huán)境之中，通過感知和體驗環(huán)境來影響和塑造學(xué)習者的內(nèi)在認知與心智。LEEC框架揭示了認知與心智、身體和環(huán)境三者之間的聯(lián)系和邏輯關(guān)系，為在線學(xué)習環(huán)境的設(shè)計提供了一個系統(tǒng)性、連續(xù)性的參考框架。

認知與心智是人的認知與心智，最初是通過身體的體驗而獲得的，環(huán)境中的人必須具有基本的認知和心智能力。從具身認知理論來講，如果具身認知在線學(xué)習環(huán)境開發(fā)框架用于指導(dǎo)現(xiàn)實中的學(xué)習環(huán)境設(shè)計，那么對于人的認知與心智的實現(xiàn)根本就不用去考慮，因為學(xué)習者本身就具有這些能力。然而，在虛擬的在線學(xué)習環(huán)境中如若實現(xiàn)虛擬角色的認知與心智則需要強大的高科技技術(shù)，目前最為有效和實際的實現(xiàn)路徑是通過學(xué)習者基于相關(guān)的中介功能控制在線學(xué)習者，是一種將外在學(xué)習者心智和認知行為內(nèi)化為虛擬角色的認知與心智過程，也可理解為學(xué)習角色的動作和行為是外在學(xué)習者的認知與心智表征。

身體及其功能是連結(jié)認知與心智和身體的橋梁和中介，具有運動系統(tǒng)、感覺器官、神經(jīng)結(jié)構(gòu)和身體結(jié)構(gòu)等功能。身體及其功能決定著認知與心智的性質(zhì)和具體內(nèi)容，也決定著對學(xué)習環(huán)境的感知與體驗的范圍。學(xué)習目標決定著虛擬角色身體的基本功能，不同的學(xué)習目標需要不同的虛擬角色身體及其功能。譬如，在探險性質(zhì)的虛擬環(huán)境中，虛擬角色除了具有運動系統(tǒng)和身體結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)該具有一定的感知環(huán)境氣候、探險處境等方面的感知能力，最具代表性的就是雷達感知功能。具有較強身體功能及其逼真身體表征的虛擬角色被更多地應(yīng)用到游戲中，而在在線學(xué)習環(huán)境中卻鮮有出現(xiàn)。因此，可以將3D游戲中的虛擬角色開發(fā)工具引入到在線學(xué)習中的虛擬學(xué)習者開發(fā)，當前的虛擬3D開發(fā)工具主要包括虛幻引擎3、Blender、Unity3D和Source SDK等，通過這些工具的設(shè)計和編程處理，基本能夠?qū)崿F(xiàn)逼真的虛擬學(xué)習者外形和相應(yīng)的功能。

在線虛擬環(huán)境是學(xué)習者認知和心智獲取和形成的主要來源，主要包括物理環(huán)境、生物環(huán)境和社會環(huán)境。學(xué)習目標決定著學(xué)習環(huán)境的設(shè)計和生成，學(xué)習環(huán)境中蘊含著相應(yīng)的學(xué)習內(nèi)容。在具身認知在線學(xué)習環(huán)境的設(shè)計中，更多地以體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的環(huán)境為主，包括構(gòu)造虛擬教室、虛擬屏幕和山川、樹木、池塘等自然環(huán)境。此外，在線學(xué)習環(huán)境中應(yīng)當構(gòu)建提供學(xué)習者進行交流、協(xié)作的空間場地和同時協(xié)作的功能，從當前頁面形式的信息交流轉(zhuǎn)向具身體驗的互動與協(xié)作，如提供在線學(xué)習教室、多人在線等。

（四）具身認知在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計原則

身體是具身認知理論的核心，包括身體的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)、運動系統(tǒng)、神經(jīng)結(jié)構(gòu)和感覺器官。在自然狀態(tài)下的學(xué)習環(huán)境中，設(shè)計者實現(xiàn)具身認知的理念可以直接通過學(xué)習者的實踐參與來完成，但對于虛擬在線學(xué)習環(huán)境，并不能按照自然狀態(tài)下的學(xué)習環(huán)境進行設(shè)計。根據(jù)具身認知理論，學(xué)習發(fā)生于學(xué)習者的身體與環(huán)境、人之間的交互體驗中，知識來源于身體的體驗，獲取知識的性質(zhì)取決于身體的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。換句話說，在線學(xué)習環(huán)境的設(shè)計必須創(chuàng)造外在學(xué)習者在虛擬環(huán)境中的虛擬化身，即虛擬學(xué)習者。在線學(xué)習環(huán)境中必須構(gòu)建一個具有相應(yīng)功能的虛擬學(xué)習者，包括身體結(jié)構(gòu)、運動系統(tǒng)、神經(jīng)結(jié)構(gòu)和感覺系統(tǒng)等，同時運用相應(yīng)的技術(shù)手段使這些功能能夠滿足學(xué)習者的一定需求。這樣，學(xué)習者就能夠通過外在的輸入設(shè)備來控制虛擬環(huán)境中的“玩家”，實現(xiàn)虛擬環(huán)境中的具身體驗和協(xié)作交流。除了虛擬玩家本身的功能外，在線學(xué)習環(huán)境同時也需提供其他的相關(guān)資源，如課程資源、學(xué)習工具、交流工具、互動空間和自然環(huán)境等。

通過對具身認知理論和在線學(xué)習環(huán)境的分析和討論可知，具身認知視域下的在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計必須遵循以下基本原則：第一，構(gòu)建具有相應(yīng)功能的虛擬角色。正如具身認知理論所言，身體的相應(yīng)功能決定了知識的來源和性質(zhì)，也決定了內(nèi)在心智對外在環(huán)境的理解。虛擬角色的構(gòu)建必須充分掌握學(xué)習者的相關(guān)特點，包括個性特點和功能特點等。此外，最重要的是外在學(xué)習者與內(nèi)在學(xué)習者之間的關(guān)聯(lián)和控制，即學(xué)習者能夠自由控制虛擬角色的相關(guān)功能，如跑、跳、揮手、觸摸、碰撞提示等。第二，構(gòu)建虛擬環(huán)境的相關(guān)學(xué)習資源。身體功能決定了外在玩家獲取知識的途徑和性質(zhì)，虛擬環(huán)境則成為知識的主要來源。具身認知理論強調(diào)認知與心智、身體和環(huán)境三者的統(tǒng)一，學(xué)習環(huán)境資源是虛擬玩家最重要的體驗和認知對象。學(xué)習環(huán)境應(yīng)遵循具體的學(xué)習目標、學(xué)習者特征等進行設(shè)計和開發(fā)。具身認知指導(dǎo)下的虛擬環(huán)境必須為虛擬學(xué)習者的體驗提供空間和相應(yīng)的對象，以使學(xué)習者獲得相應(yīng)的知識。具身學(xué)習環(huán)境應(yīng)包括物理環(huán)境、生物環(huán)境和社會環(huán)境三部分，為學(xué)習者提供相應(yīng)的山、房子、桌子等物體，同時也提供一些動、植物等生物環(huán)境，以及多人在線互相交往的功能。第三，提供多人協(xié)作學(xué)習的具身環(huán)境。虛擬環(huán)境中不可忽視的一種環(huán)境是社會環(huán)境，即學(xué)習者之間的交互體驗環(huán)境。在線學(xué)習環(huán)境應(yīng)該是多人相互交流、多人體驗的場所，能夠?qū)崿F(xiàn)個人發(fā)展與集體智慧碰撞的功能，這些環(huán)境主要包括集體學(xué)習教室和社交場所等。第四，將學(xué)習目標與環(huán)境、身體和認知與心智統(tǒng)一起來，綜合考慮在線學(xué)習環(huán)境的內(nèi)容、設(shè)計和開發(fā)。學(xué)習目標孕育在學(xué)習環(huán)境之中，虛擬角色身體功能的提供應(yīng)滿足于環(huán)境中學(xué)習內(nèi)容的感知與體驗，虛擬角色的感知與體驗通過計算機的信息中介和操作控制實現(xiàn)向?qū)W習者傳遞和表征具體內(nèi)容。簡言之，學(xué)習目標決定著環(huán)境，環(huán)境決定著身體及其功能的設(shè)計與開發(fā)，虛擬角色的認知與心智決定著信息傳輸功能的提供。

三、具身認知在線學(xué)習環(huán)境實踐案例

——英語虛擬學(xué)習社區(qū)設(shè)計

依據(jù)上述學(xué)習環(huán)境開發(fā)框架，以小學(xué)英語的相關(guān)課程作為在線學(xué)習內(nèi)容，進行具身視域下英語虛擬學(xué)習社區(qū)的設(shè)計與開發(fā)。

（一）學(xué)習內(nèi)容設(shè)計

英語學(xué)習內(nèi)容選自人民教育出版社小學(xué)六年級英語上冊第二單元，課程資源提供的形式包括視頻資源和單詞、課文等文本信息。視頻資源由虛擬社區(qū)的3D播放系統(tǒng)進行播放，視頻格式目前只支持*.oog格式，通過格式化工廠軟件和Theora Convert.NET軟件進行格式轉(zhuǎn)換。視頻資源來源于教材配置的光盤，通過視頻切割工具將它們分割成時長10分鐘左右的視頻剪輯。文本資源通過網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，他們可以瀏覽和下載，進行參考、查閱和復(fù)習。

（二）虛擬角色設(shè)計

虛擬學(xué)習者需要在虛擬社區(qū)中實現(xiàn)行走、奔跑、感知物體和信息交流等功能，也需要提供學(xué)習者的個人信息顯示功能，通過這些功能來滿足學(xué)習者在線學(xué)習的具身體驗和社交需求。虛擬角色的設(shè)計主要通過三維模型的開發(fā)軟件得以實現(xiàn)，此次角色設(shè)計主要利用Maya完成。角色的功能設(shè)計主要通過Unity3D引擎和編程技術(shù)實現(xiàn)，用以控制角色的運動、感知和外形變化等。英語虛擬學(xué)習社區(qū)的學(xué)習對象是小學(xué)生，故虛擬角色的外表主要以小學(xué)生的形象進行建模，動作功能主要包括行走、奔跑、跳躍、旋轉(zhuǎn)等。

（三）學(xué)習環(huán)境設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習環(huán)境設(shè)計應(yīng)當以提供具身體驗的環(huán)境為主要目標，兼顧以“學(xué)習者為中心”“促進有意義學(xué)習發(fā)生”和“支持學(xué)習者學(xué)習目標的達成”[9]作為基本設(shè)計原則。學(xué)習目標是學(xué)習環(huán)境設(shè)計的出發(fā)點和最終歸宿，從學(xué)習資源的設(shè)計與安排到學(xué)習者概念的建構(gòu)與形成，學(xué)習目標始終是整個學(xué)習環(huán)境設(shè)計與安排的一條主線。虛擬學(xué)習社區(qū)的學(xué)習環(huán)境設(shè)計從四個層面由內(nèi)向外逐漸展開，使不同層面的各個要素和學(xué)習活動有機結(jié)合，不斷趨向使學(xué)習者形成預(yù)定概念和相應(yīng)能力的學(xué)習目標（如圖2所示）。

圖2 英語虛擬學(xué)習社區(qū)學(xué)習環(huán)境

學(xué)習資源、自然場景和虛擬教室構(gòu)成了虛擬學(xué)習社區(qū)角色活動和學(xué)習的空間，是在線虛擬學(xué)習環(huán)境從網(wǎng)頁形式向仿真現(xiàn)實轉(zhuǎn)向的最大特征，是師生之間、生生之間和學(xué)生與環(huán)境之間進行信息交互、具身體驗的重要活動和學(xué)習場所。英語虛擬學(xué)習社區(qū)的學(xué)習環(huán)境主要包括學(xué)習工具、學(xué)習資源和虛擬場景三個主要部分，學(xué)習者圍繞三個部分進行各種學(xué)習活動，包括具身體驗、情景學(xué)習、多樣化學(xué)習和協(xié)作互動，最終實現(xiàn)概念建構(gòu)、概念創(chuàng)建和概念變構(gòu)來完成學(xué)習目標。虛擬學(xué)習社區(qū)主要提供了信息交流和視頻控制等工具，如聊天室、客戶端控制、視頻播放控制等。學(xué)習資源主要是進行標準化處理的英語視頻片段，以滿足單獨播放和群體同時播放的需求。虛擬場景主要包括虛擬仿真教室、虛擬播放器和虛擬自然景觀。虛擬仿真教室向?qū)W習者提供了桌椅和交流空間；虛擬播放器能夠播放指定的視頻資源，抑或連接服務(wù)器進行群體播放；虛擬自然景觀向?qū)W習者提供了池塘、椰樹、走廊、山川等景物，以提高學(xué)習者的具身體驗和沉浸感。

（四）學(xué)習交互設(shè)計

根據(jù)陳麗教授提出的教學(xué)交互層次塔，遠程教育包括操作交互、信息交互和概念交互三個層次。[10]虛擬學(xué)習社區(qū)是一種在線學(xué)習方式，依據(jù)教學(xué)交互層次塔分別從操作交互、信息交互和概念交互三個層次進行學(xué)習交互的界面、信息和概念的設(shè)計和技術(shù)支持（如圖3所示）。

圖3 基于教學(xué)層次塔的虛擬學(xué)習社區(qū)功能支持

概念交互是遠程學(xué)習的最終目的，即是否達到最終的學(xué)習目標。操作交互和信息交互都是為概念交互服務(wù)的，靈活的操作交互和有效的信息交互能夠助推概念交互的高效完成。在操作交互層面上，通過Unity3D引擎、服務(wù)器、計算機的支持實現(xiàn)角色的靈活控制、流暢的視頻操作、便捷的窗口操作和信息的輸入，提高對學(xué)生與媒體界面交互的有效支持。角色的控制至關(guān)重要，角色是學(xué)習者的虛擬化身，代表了學(xué)習者一定的行為方式、交流習慣和心態(tài)。通過Unity3D創(chuàng)建的虛擬3D角色，形象逼真，操作靈活，為學(xué)習者展示自身的行為習慣、思想情緒和學(xué)習態(tài)度提供了有效的支持。依據(jù)學(xué)習者個人先前知識和學(xué)習方式的差異，基于Unity3D引擎和服務(wù)器構(gòu)建了個性化的視頻學(xué)習途徑，即自我學(xué)習和同步學(xué)習。教師或教輔人員可以通過服務(wù)器實現(xiàn)所有客戶端同步播放同一視頻，學(xué)習者也可以自行學(xué)習本地視頻資源。窗口操作是3D版虛擬社區(qū)中非常重要的功能。學(xué)習者通過計算機的輸入設(shè)備實現(xiàn)操作虛擬場景中的角色行為。社區(qū)地圖對幫助學(xué)習者確定位置信息顯得十分重要，學(xué)習者通過按鍵顯示或隱藏場景地圖來為他們提供有效的方向?qū)Ш?。信息輸入主要包括角色名稱、登錄信息和聊天信息。聊天室是社區(qū)主要的信息交流輸入窗口，學(xué)習者可通過相應(yīng)按鍵顯示或隱藏該窗口。

（五）通訊和部署設(shè)計

虛擬學(xué)習社區(qū)采用兩個服務(wù)器來支持在線視頻學(xué)習和虛擬場景中角色的控制與交互。虛擬社區(qū)服務(wù)器具有角色創(chuàng)建、人際交互、信息通信等功能，服務(wù)器由Unity3D引擎進行創(chuàng)建。視頻資源服務(wù)器完成視頻資源的管理功能，由IIS配置實現(xiàn)（如圖4所示）。

圖4 服務(wù)器與客戶端關(guān)系部署

虛擬社區(qū)服務(wù)器在整個網(wǎng)絡(luò)中具有重要的作用，它上承視頻資源服務(wù)器，下啟虛擬社區(qū)客戶端的通訊和角色控制。其主要功能包括兩大部分：一是具有選擇視頻資源服務(wù)器中視頻學(xué)習資源的功能，同時兼具向所有與服務(wù)器連接的客戶端同步播放視頻的功能；二是具有創(chuàng)建虛擬社區(qū)服務(wù)器的功能，實例化學(xué)習者虛擬化身的功能，以及通過相應(yīng)按鍵控制虛擬學(xué)習者行為的作用?？蛻舳司哂袃纱蠊δ埽阂皇悄軌蜻B接虛擬社區(qū)服務(wù)器，并實例化學(xué)習者的虛擬化身；二是學(xué)習者可以通過客戶端的相關(guān)功能加載本地視頻資源進行學(xué)習。視頻資源服務(wù)器主要負責相關(guān)的視頻資源存儲，視頻同步播放的實質(zhì)是虛擬社區(qū)服務(wù)器通過Unity3D引擎中的遠程過程調(diào)用（Remote Procedure Calls，RPC）方法將被選中的視頻網(wǎng)址發(fā)送給所有的客戶端，連接到服務(wù)器的客戶端并自動加載視頻資源的網(wǎng)址而實現(xiàn)視頻的播放。網(wǎng)址由視頻資源服務(wù)器提供。本地視頻資源的加載與播放原理和同步播放的方法基本相同，最大的差異是客戶端將本地所選的視頻地址通過“File：//”協(xié)議進行解析并直接加載完成。

四、虛擬學(xué)習社區(qū)的開發(fā)

（一）Unity3D開發(fā)工具的特點與功能

1. 一次開發(fā)，多處部署?？缙脚_是Unity3D引擎的顯著特點，用戶可以在PC、Mac和Linux下進行項目開發(fā)，項目作品可以一鍵發(fā)布到目前所有的主流平臺上，諸如Andriod、Windows、Linux、iOS和Xbox360等。

2. 通用性強。Unity3D引擎支持目前市場上所有的主流3D軟件，包括Maya、Cinema 4D、3ds MAX、Cheetah3D等，能夠?qū)霂缀跛兄髁鞯娜S文件格式，如.FBX、.dae、.3DX等。

3. 超強的編輯功能，逼真的虛擬畫面。Unity3D可以完美支持DirctX 11，具有強大的物理引擎，強悍的Mecanim動畫系統(tǒng)，快速創(chuàng)建地形和植被的地形編輯器。Unity3D引擎支持C#、JavaScript和Boo腳本語言，開發(fā)者可以靈活控制，實現(xiàn)高交互、高仿真的項目開發(fā)。

（二）功能模塊開發(fā)簡介

1. 服務(wù)器構(gòu)建。虛擬學(xué)習社區(qū)采用兩個服務(wù)器來完成相應(yīng)需求，包括學(xué)習資源服務(wù)器和虛擬社區(qū)服務(wù)器。前者為虛擬社區(qū)各個客戶端的視頻同步播放提供資源支持，后者實現(xiàn)虛擬社區(qū)中的角色掌控和視頻控制。資源服務(wù)器由ASP.NET開發(fā)并由IIS進行管理來實現(xiàn)，其功能是對視頻進行上傳和刪除，虛擬社區(qū)服務(wù)器通過選擇資源服務(wù)器中指定文件夾中的視頻來實現(xiàn)同步播放功能。虛擬社區(qū)服務(wù)器通過Unity3D引擎的相關(guān)命令創(chuàng)建，首先根據(jù)NetworkPeerType進行判斷網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)，如果沒有服務(wù)器，則通過Network.InitializeServer（）方法進行服務(wù)器的創(chuàng)建；如果客戶端訪問服務(wù)器，則通過NetworkPeerType判斷網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)；如果沒有連接服務(wù)器，則通過Network.Connect（）方法進行連接；要斷開連接，則通過Network.Disconnect（）方法實現(xiàn)。

2. 視頻播放系統(tǒng)。視頻資源的同步播放和本地視頻播放構(gòu)成了虛擬學(xué)習社區(qū)的兩種學(xué)習方式，前者是基于服務(wù)器的同步播放，后者為學(xué)習者提供了自主學(xué)習的支持。視頻資源同步播放的基本原理是：首先通過虛擬社區(qū)服務(wù)器選擇資源服務(wù)器指定文件夾中的視頻資源，其目的是獲取預(yù)播放視頻的地址，然后將地址通過Unity3D的遠程過程調(diào)用（RPC）發(fā)送到所有與服務(wù)器相連接的客戶端上；當客戶端接收到視頻完整地址和播放命令時，通過WWW對象加載視頻地址，并從中解析出電影材質(zhì)和音頻，然后將電影材質(zhì)和音頻分別賦予指定的物體材質(zhì)和聲源，并通過播放命令實現(xiàn)播放（如圖5所示）。

圖5 虛擬社區(qū)視頻播放實例

圖5左上角是3D場景地圖，其余部分是視頻播放區(qū)域。界面的左邊配有相應(yīng)的播放控制按鈕，包括播放、停止、雙屏播放和全屏播放。當前的實例截圖為雙屏播放，即場景地圖和視頻同時呈現(xiàn)。雙屏播放的功能通過兩個攝像機交替使用來實現(xiàn)，其中一個對準具有電影材質(zhì)的物體平面，另一個跟蹤虛擬角色。

遠程過程調(diào)用（RPC）是Unity3D實現(xiàn)多人在線學(xué)習的重要組件，通過將其附于指定物體上來實現(xiàn)在所有客戶端和服務(wù)器上進行信息和物體狀態(tài)的同步傳輸。此功能的實現(xiàn)必須在指定物體上添加網(wǎng)絡(luò)視圖組件（NetwordView）?？蛻舳嗽谝曨l播放前必須通過yield return命令等待視頻加載到能夠播放，否則視頻很難流暢播放。視頻播放系統(tǒng)引入了System.Windows.Forms.dll類庫，教師或管理者可以像操作Windows窗體一樣方便地選擇和刪除視頻。需要注意的是，類庫必須放到Unity3D中Assets文件夾下的Plugins文件夾中，系統(tǒng)運行時才會先編譯該項，隨后對于該類庫的引用才不會出現(xiàn)錯誤提示。在應(yīng)用該類庫時，最重要的是將項目屬性設(shè)置成 .NET2.0，否則會報錯。設(shè)置好后就可以通過腳本引用了。

3. 虛擬化身的創(chuàng)建和控制。學(xué)習者的虛擬化身由角色模型和相關(guān)功能腳本共同構(gòu)成。角色模型由Maya軟件塑造而成，而角色的行為活動則由功能腳本來實現(xiàn)。虛擬化身是虛擬學(xué)習社區(qū)中實實在在的物體，具有現(xiàn)實世界中的物理屬性、通信能力和行為活動，這些功能則通過賦予其相應(yīng)的功能組件來實現(xiàn)，諸如Animation、Capsule Collider、Network View、Rigidbody以及腳本等。虛擬學(xué)習社區(qū)是一個同時多人在線的活動空間，這就需要解決哪個角色在網(wǎng)絡(luò)上同步以及如何同步的問題。網(wǎng)絡(luò)視圖組件憑借其狀態(tài)同步和遠程過程調(diào)用的功能有效地解決了多人在線學(xué)習中的一些技術(shù)問題。無論什么時候，當一個新角色連接至服務(wù)器時就會調(diào)用服務(wù)器的OnPlayerConnected（）方法，并通過Network.Instantiate（）方法進行角色的實例化，具有網(wǎng)絡(luò)視圖組件的角色會同時在所有與服務(wù)器連接的客戶端進行實例化，實現(xiàn)同時多人在線。虛擬學(xué)習社區(qū)對角色采用的是授權(quán)服務(wù)器控制，即虛擬社區(qū)服務(wù)器承擔著對這個社區(qū)的模擬運算、所有邏輯規(guī)則運用，處理客戶端用戶的輸入并發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端負責執(zhí)行邏輯判斷。學(xué)習者通過計算機的輸入設(shè)備對角色進行控制，客戶端實時檢測鍵盤輸入信息并將有效信息發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器將控制信息發(fā)送至客戶端指定的角色，實現(xiàn)對角色行為活動的控制。網(wǎng)絡(luò)視圖組件負責信息的發(fā)送和接收，并根據(jù)控制信號調(diào)用Animation中的動畫片段。

4. 簡易聊天室。教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動離不開信息的通訊，聊天室扮演著重要作用。網(wǎng)絡(luò)視圖組件是簡易聊天室創(chuàng)建的重要功能支持，及時同步所有客戶端角色發(fā)送的信息，并將信息以字符串的形式展示于相應(yīng)的GUI面板中。聊天室面板的美化可以通過GUIStyle類的實例進行設(shè)置，實現(xiàn)字體、窗口和背景等的優(yōu)化。

五、英語虛擬學(xué)習社區(qū)教學(xué)實踐應(yīng)用

（一）虛擬學(xué)習社區(qū)教學(xué)實踐應(yīng)用效果

將學(xué)習社區(qū)投入到了河北省某小學(xué)的六年級英語教學(xué)中，并對系統(tǒng)的教學(xué)效果進行了檢驗。教學(xué)效果考查的維度主要包括學(xué)生的學(xué)習狀態(tài)和學(xué)習質(zhì)量。學(xué)習狀態(tài)包括注意力和興趣度；學(xué)習質(zhì)量包括學(xué)習成績。實驗方式采用短期隨機分組的形式，即將一個班分成兩組（A組16人，B組17人），A組采用基于學(xué)習社區(qū)系統(tǒng)的學(xué)習，B組采用網(wǎng)頁版在線學(xué)習系統(tǒng)，實驗時間為4節(jié)課，并對教學(xué)效果進行了統(tǒng)計和分析。就學(xué)習狀態(tài)而言，A組學(xué)生普遍比B組學(xué)生的注意力強、學(xué)習興趣濃；B組學(xué)生開始時還保持較高的注意力和興趣，但是大約在15分鐘以后有些學(xué)生就出現(xiàn)了注意力不集中的現(xiàn)象。A組學(xué)生的注意力和學(xué)習興趣能夠持續(xù)保持，并且在4節(jié)課的實驗中幾乎沒有學(xué)生出現(xiàn)走神的現(xiàn)象，他們以一種協(xié)作學(xué)習的方式完成學(xué)習任務(wù)，形成了一個基于局域網(wǎng)的學(xué)習共同體。學(xué)習結(jié)束后及時進行學(xué)習質(zhì)量測驗，測驗內(nèi)容包括單詞默寫、詞句搭配等。結(jié)果表明，A組學(xué)生的成績明顯高于B組學(xué)生的成績。研究表明，基于具身認知理論開發(fā)的虛擬學(xué)習社區(qū)系統(tǒng)對學(xué)習者的學(xué)習效果有較大的幫助，明顯優(yōu)于網(wǎng)頁版在線學(xué)習環(huán)境。

（二）虛擬學(xué)習社區(qū)的學(xué)習特征

1. 改變了傳統(tǒng)在線學(xué)習環(huán)境。虛擬學(xué)習社區(qū)變傳統(tǒng)的網(wǎng)頁版在線學(xué)習環(huán)境為具身性的虛擬現(xiàn)實學(xué)習空間，為學(xué)習者提供了更多的學(xué)習體驗和具身感，避免了單調(diào)乏味的網(wǎng)頁文字、圖片和視頻形式，還學(xué)生一個真正的集協(xié)作交流、角色控制、絢麗場景的在線學(xué)習環(huán)境（如圖6所示）。

圖6 虛擬學(xué)習社區(qū)多人在線英語學(xué)習空間

2. 突出學(xué)習方式的具身性。正如具身認知主義所言，認知是身體的認知[11]。虛擬3D空間為學(xué)習者提供了較為寬廣的行為活動場所，學(xué)習者通過虛擬化身在空間中進行體驗、感悟和交流。通過在虛擬教室中的互動和學(xué)習產(chǎn)生一種強烈的歸屬感，對學(xué)習共同體的形成起到了顯著的促進作用。

3. 提供了多樣化的在線學(xué)習途徑。同步學(xué)習與自主學(xué)習形式為學(xué)習者提供了更多的學(xué)習途徑和選擇。教師可以根據(jù)教學(xué)的要求組織學(xué)生進行集體同步學(xué)習，便于學(xué)習共同體之間根據(jù)學(xué)習內(nèi)容進行及時交流；學(xué)習者也可自行選擇視頻進行自定步調(diào)的學(xué)習，有利于學(xué)習者反復(fù)播放視頻并體會和揣摩其中的知識點。

4. 構(gòu)建了情境化的在線學(xué)習新方式。僅僅提供簡單文字、圖片和論壇的在線學(xué)習系統(tǒng)很難引起更多學(xué)習者的注意力和學(xué)習興趣，并且對學(xué)習者的學(xué)習持久力也是一個極大的考驗。在線學(xué)習除了進一步加強學(xué)習資源的質(zhì)量外，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實學(xué)習空間尤為重要。虛擬學(xué)習社區(qū)為學(xué)習者提供了優(yōu)美的自然風光和靚麗的教室等，給學(xué)習者帶來了更多的誘惑力和新鮮感，也為他們的互動交流提供了一個實實在在的虛擬自然空間。

六、結(jié)語與展望

從離身性到具身性可能成為未來在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計范式的重要轉(zhuǎn)變，也是滿足人類認知發(fā)展的重要需求。本文在基于具身認知理論的在線學(xué)習環(huán)境探索中，初步構(gòu)建了LEEC開發(fā)框架，并探討了相應(yīng)的設(shè)計原則，同時基于該框架和設(shè)計原則，結(jié)合小學(xué)英語課程內(nèi)容進行了在線學(xué)習環(huán)境設(shè)計與實踐的嘗試。在實踐中取得了一定的效果，但仍存在一些不足，如實踐時間短、系統(tǒng)較不穩(wěn)定、角色單調(diào)等。后續(xù)的研究將繼續(xù)豐富和發(fā)展具身認知學(xué)習環(huán)境開發(fā)框架和設(shè)計原則，進一步完善在線學(xué)習系統(tǒng)。

[參考文獻]

[1] 王麒，張際平，許亞鋒. 遠程實體與虛擬結(jié)合的課堂研究[J]. 中國電化教育，2012，（12）：130-135.

[2] 汪瓊，陳高偉. 構(gòu)建未來在線學(xué)習環(huán)境——一個在線交互虛擬學(xué)習環(huán)境構(gòu)建模型[J]. 中國電化教育，2003，（9）：78-82.

[3] 余東先，薛利艷. 在線學(xué)習環(huán)境的要素分析及設(shè)計策略[J]. 現(xiàn)代遠程教育研究，2008，（3）：38-40.

[4] 切頓·切普萊杰特，萬切爾撲·列錫柴可，喬瑟琳·威沙特，王志軍.在線學(xué)習環(huán)境中提升學(xué)習動機的移動交流工具設(shè)計[J]. 現(xiàn)代遠距離教育，2012，（1）：27-33.

[5] [美]戴維·H·喬納森. 學(xué)習環(huán)境的理論基礎(chǔ)[M]. 上海：華東師范大學(xué)出版社，2002.

[6] 李恒威，盛曉明. 認知的具身化[J]. 科學(xué)學(xué)研究，2006，（2）：184-190.

[7] 葉浩生. 具身認知：認知心理學(xué)的新取向[J]. 心理科學(xué)進展，2010，（5）：705-710.

[8] 葉浩生. 有關(guān)具身認知思潮的理論心理學(xué)思考[J]. 心理學(xué)報，2011，（5）：589-598.

[9] 武法提. 論目標導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習環(huán)境設(shè)計[J]. 電化教育研究，2013，（7）：40-46.

[10] 陳麗. 遠程學(xué)習的教學(xué)交互模型和教學(xué)交互層次塔[J]. 中國遠程教育，2004，（5）：24-28.

[11] 葉浩生. 有關(guān)具身認知思潮的理論心理學(xué)思考[J]. 心理學(xué)報2011，（43）：589-598.

收稿日期：2015-07-08

定稿日期：2015-10-08

作者簡介：李海峰，講師，在讀博士生；王煒，教授，博士，博士生導(dǎo)師。新疆師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院（830054）。

責任編輯 日 新