沉浸式學習背景下虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應用*

一、沉浸式學習的教育背景

隨著教育技術(shù)的發(fā)展，教育環(huán)境也變得越來越復雜和多樣，而學生對不同教育背景下的教育需求也更具個性化。無論是基于項目的學習、基于問題探究式的學習還是基于能力的學習，這些教學法的最終目的都是為學生創(chuàng)造更具實際操作性、更接近真實世界的沉浸式學習(Immersive Learning)體驗的環(huán)境。英國開放大學在《2018年學習趨勢報告》中將沉浸式學習列為未來學習趨勢之一，沉浸式學習有助于學習者體驗更逼真的場景，從而產(chǎn)生更加真實、更加互動和更難忘的學習體驗，學習者通過體驗已設計好的模擬真實情景而開展學習和實踐，從而加深對學習的理解[1]。

近年來，使用虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)技術(shù)開展沉浸式學習正日益引起人們的重視?！缎旅襟w聯(lián)盟地平線報告基礎(chǔ)教育版》分別于2016年和2017年將虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為未來2～3年進入基礎(chǔ)教育應用的重要技術(shù)進展，可見虛擬現(xiàn)實技術(shù)在近兩年的教育應用中越來越引起教育界的關(guān)注。

信息技術(shù)支持學習的速度逐漸加快，教育工作者和研究人員從各個角度研究如何將現(xiàn)實生活融入在線學習，為數(shù)字媒體進入課堂提供了環(huán)境和條件。尤其是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”領(lǐng)域探索和實踐越來越深入，虛擬學習環(huán)境正在成為強有力的教學和學習工具。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)取得了顯著的進步，允許學習者與虛擬世界進行交互，這些技術(shù)支持將傳統(tǒng)課堂教學和在線學習結(jié)合起來，為學生的學習提供了更多體驗的機會，使抽象的學習更為具體可觀。

二、虛擬現(xiàn)實的界定及設備

虛擬現(xiàn)實指的是在計算機生成的環(huán)境中，模擬實際存在的人或物體并獲得身臨其境的感官體驗，該技術(shù)主要以3D圖像的形式出現(xiàn)，用戶通過計算機界面進行交互和操作[2]。虛擬現(xiàn)實的定義自然地來自于“虛擬”和“現(xiàn)實”的定義，“虛擬”的定義是接近真實的，而“現(xiàn)實”是指人類的真實體驗，因此，“虛擬現(xiàn)實”這個術(shù)語基本上是“接近現(xiàn)實”的意思，通常指的是一種特定類型的現(xiàn)實仿真。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)初期主要用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域，例如作戰(zhàn)訓練和三維可視化，設備的價格不但昂貴，還會令人產(chǎn)生不適之感。今天，技術(shù)的發(fā)展特別是智能手機的普及為虛擬現(xiàn)實應用迎來了光明的前景，對消費者來說曾經(jīng)昂貴或不切實際的技術(shù)變得極易獲取[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用已逐漸從娛樂、旅游、制造等行業(yè)向教育行業(yè)擴展和延伸(如圖1所示)[4]。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用領(lǐng)域

有些主要的虛擬現(xiàn)實設備，例如谷歌的Cardboard，Daydream View，Oculus Rift，HTC Vive，Samsung Gear VR，Playstation VR和Microsoft HoloLens的出現(xiàn)，解決了虛擬現(xiàn)實設備價格昂貴不易獲取的問題，許多人樂觀地認為，虛擬現(xiàn)實有望可以改變教育、娛樂、醫(yī)療保健、企業(yè)培訓中的許多問題[3]。這種持續(xù)的技術(shù)發(fā)展為開發(fā)出更強大、更直觀、更交互、更有效的信息交流模式提供了條件，同時增加了富媒體的集成，并為教師生成和管理高質(zhì)量的學習內(nèi)容提供了可能。

先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)以多感官界面為特色，允許學習者探索沉浸式環(huán)境并與之交互。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是能夠生成3D環(huán)境的計算機應用，其中學習者是積極參與者，通過一系列多感官接口與虛擬學習世界進行交互，允許教師將學習者沉浸在真實的環(huán)境中，提供一個安全、方便和低成本的環(huán)境，從而在其中練習和發(fā)展學習中的新的技能和知識。

圖2 易攜帶的虛擬現(xiàn)實設備(圖片來源：http://virtualrealityforeducation.com/virtual-reality-educationalpossibilities/)

三、虛擬現(xiàn)實應用于教育的價值分析

有人認為2016年發(fā)布的Oculus Rift CV1，HTC Vive等設備是應用于教育領(lǐng)域的開始，有些人認為谷歌幾年前發(fā)布的Google Cardboard就已經(jīng)引發(fā)了虛擬現(xiàn)實應用于教育領(lǐng)域的猜測[5]。教育領(lǐng)域?qū)π录夹g(shù)的使用十分敏感，如果虛擬現(xiàn)實真的有助于教育領(lǐng)域的進步，它必須有一個成熟的堅實基礎(chǔ)。

1.建構(gòu)主義的教學理論支持

建構(gòu)主義教學理論認為，學習應以現(xiàn)實生活活動為中心，激發(fā)學習者的學習動機。情境是影響學習成績的重要因素，也是提高學習興趣和效率的重要因素。學習者積極地與現(xiàn)實世界互動，將知識運用到日常生活和活動中，從而提高學習結(jié)果的有效性。在情境中習得知識和技能，并將習得的知識和技能進一步解決現(xiàn)實中的問題，從而促進對知識的進一步理解和應用。虛擬現(xiàn)實為情景教學創(chuàng)造了充分的條件，通過設計先進的虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境彌合傳統(tǒng)課堂上正式教學中理論學習和實際應用之間的鴻溝(如圖3所示)，虛擬現(xiàn)實為建構(gòu)主義學習環(huán)境提供了重要的技術(shù)支持，為學習者獲得真實的學習體驗提供了條件。[6]

圖3 虛擬購物中心

雖然虛擬現(xiàn)實與模擬環(huán)境的交互可以合理且有價值地替代真實世界的體驗，但是技術(shù)的使用如果建立在適當?shù)膶W習理論基礎(chǔ)上，通過合理的虛擬現(xiàn)實學習系統(tǒng)，可以更加優(yōu)化課程設計，輸出更好的學習結(jié)果，提高學習效率。

2.促使向以學生為中心教育觀的轉(zhuǎn)變

以學生為中心的學習方式正在日益改變?nèi)藗兊慕逃^念，傳統(tǒng)的以教師為中心的教學強調(diào)教師的主導作用，調(diào)動學生的積極性和參與性比較難。以學生為中心強調(diào)學生在學習中的主動意識，學生是課堂的積極參與者和主導者，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)正好為以學生為中心的教學提供了一種體驗式學習的新工具，增加真實經(jīng)驗的學習、允許移情體驗以及將抽象概念具體化的可視化等條件。學生通過在模擬場景中親自體驗獲得知識，從而理解抽象感念(如圖4所示)。例如，學生通過佩戴虛擬現(xiàn)實眼鏡，抬頭仰望天空，就會出現(xiàn)天氣報告，精確地告訴學生未來天氣會發(fā)生什么變化，何時發(fā)生?；陂_放標準的電子工具和服務越來越普遍，這提升了集成和協(xié)作工具的功能，與此同時，技術(shù)的發(fā)展也正在滿足更加多樣化和專業(yè)化的學習需求。

圖4 使用Ocutus體驗人體機能

3.提升學習動機

對自身能力的評價和認可是解決學習中的困難、提升學習效率的重要因素，具有較高自我認同感的學習者一般會有比較強的學習動機。動機是影響學習結(jié)果的重要因素，積極的學習動機可以提高學習效率。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個強大特征就是允許用戶實時直觀地與3D影像進行交互，從而更真實地體驗學習過程，創(chuàng)造高度直觀和交互式的用戶體驗[7]。

虛擬現(xiàn)實學習系統(tǒng)為學習者提供了逼真、沉浸式、模擬的學習環(huán)境。虛擬學習這種學習方式改進了知識的獲取方式，加強了對知識的理解和記憶，提高學習者感知知識的有用性和易獲取性，能夠培養(yǎng)學習者的學習興趣，激發(fā)學習動機。

教育工作者應該通過增加學習活動中的交互性提升學習者特別是在線學習者的學習動機，模擬環(huán)境和增加學生的現(xiàn)場感是虛擬現(xiàn)實創(chuàng)造更多有吸引力的教育體驗的重要貢獻之一。例如，通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境，學生有機會以紅細胞的形式在人體的血液中暢游。

4.提升學生的參與感和存在感

虛擬現(xiàn)實有助于提升學生的參與率，持續(xù)開展積極的、建構(gòu)性的學習。虛擬現(xiàn)實作為一種動手、互動、沉浸式的體驗，為學生提供了一種新穎的學習方式，為學生提供了傳統(tǒng)教學從未接觸過的強大的新體驗。學生通過沉浸在真實的、多感官的體驗中使主題教學活躍起來。例如，Google Expeditions允許教師將學生帶到火星、海底等虛擬環(huán)境中進行野外旅行，這些環(huán)境可以激發(fā)學生對主題的新興趣，為更好參與課堂討論提供共享的經(jīng)驗，并提高學生整體的參與度[8]。這樣的經(jīng)歷提供了獨特而新鮮的學習機會，吸引著學生的積極探索和參與，激發(fā)他們的學習的興趣和好奇心。這種新的學習體驗成為解決傳統(tǒng)枯燥和低吸引力學習主題的途徑之一，吸引學生更多地參與和分享。例如，考古學常常被歸為冷門學科，而虛擬現(xiàn)實環(huán)境通過重構(gòu)古代的歷史現(xiàn)實和場景，還原歷史原貌，吸引考古學的學生通過親臨環(huán)境現(xiàn)場進行考古發(fā)掘，增強學習的真實感和存在感，提升學生的學習興趣和繼續(xù)學習的潛力。

5.促進協(xié)作與共享

虛擬現(xiàn)實設備的互聯(lián)特性和移動特性吸引了全球的參與者參與其中，通過游戲的方式來模擬全球危機，參與者以合作的方式尋找應對全球挑戰(zhàn)的解決方案[9]。例如，某些國家正在面臨貧窮和饑荒的危機，而那些從未真正親身體驗過貧困和饑荒的可以通過虛擬現(xiàn)實的沉浸式環(huán)境真實體驗其他國家面臨的困境和苦難，共同思考提出有效的想法和解決方案。這種合作解決問題的方式為解決人類面臨的全球問題提供了一種全新的視角，這也將是未來教育的一種趨勢。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅是個人的體驗，而且可以是群體在相同的場景進行的體驗——虛擬的和同時的。例如，學生可以在一個班級或小組中不同地理位置訪問相同的虛擬環(huán)境，這為小組在項目和反饋上提供了互動和協(xié)作的機會。由于介入性學習環(huán)境已經(jīng)使用互聯(lián)網(wǎng)和多媒體及共享媒體技術(shù)來干預群體性學習，虛擬現(xiàn)實還可以通過共享虛擬現(xiàn)實來提供豐富的共享學習。

四、虛擬現(xiàn)實的實踐探索

世界各國的教育部門都在關(guān)注虛擬現(xiàn)實在課堂中的潛力，并急切地希望在課程中試驗這一技術(shù)。在新加坡，教育部正與當?shù)匦麻_辦的生產(chǎn)公司合作，共同創(chuàng)建虛擬的實地考察，目的不是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)取代人類的旅程，而是在教材中加入虛擬探索的環(huán)節(jié)，教師們發(fā)現(xiàn)學生在訪問后所做的學習單比引入虛擬現(xiàn)實工具前更具有洞察力[10]。

華盛頓領(lǐng)導學院也在使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進一步推進科學課程，該學院獲得1 000萬的補助創(chuàng)建了全國第一個虛擬化學實驗室，孩子們可以在那里沒有任何風險地使用化學物質(zhì)如硫酸、汞或鉛進行虛擬實驗，而成本僅是實體實驗室的一小部分[11]。

在中國，由于平臺成本較低以及政府的支持，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用迅速發(fā)展，工業(yè)界正在測試自適應學習工具和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，打造個性化教學，可以檢測出令人感到無趣的課程線索，并及時調(diào)整課程以提高學生的注意力[12]。

五、虛擬現(xiàn)實面臨的挑戰(zhàn)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)引起了人們廣泛的興趣，各類教育機構(gòu)也積極參與，例如培生(Pearson)出版集團、霍頓米夫林出版公司(Houghton Mifflin Harcourt)分別與谷歌合作，拓展科技巨頭在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的實踐與探索，在線教育平臺“發(fā)現(xiàn)教育(Discovery Education)”正在將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入到數(shù)字課程組合中[13]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)供應商的參與帶來教育內(nèi)容的不斷豐富，但這一技術(shù)能否真正成為學校重要的教育途徑還面臨很多挑戰(zhàn)，也還需要實踐的驗證。

1.挑戰(zhàn)之一——設備給學習者帶來的身體不適

每個人對設備的使用都會有不同的感受，設備的質(zhì)量及設計帶來的舒適度也是重要的影響因素。當人們使用虛擬現(xiàn)實設備瀏覽互動場景之后，頭腦中的虛擬景象仍然會保持相當長一段時間，很多虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)使用跟蹤裝置記錄人們的頭部運動并相應調(diào)整圖像。因此，使用虛擬現(xiàn)實設備時，部分人群會出現(xiàn)身體不適。

這種不適可能會導致暈眩和惡心，而這種影響根據(jù)個人體質(zhì)的差別也會不同，有的人在使用設備后經(jīng)過幾分鐘不適感就會消失，而有的長達幾個小時。 時間的延遲效應是造成不適的主要原因，另一個原因是頭戴設備或透鏡都有可能影響平衡導致疲勞，特別是完全沉浸式系統(tǒng)對人的影響更為明顯。盡管如此，依然可以使用某些原則測評虛擬設備的標準，主要包括性能、完成任務的有效性、滿意度、錯誤率、誤差、成效等。因此，虛擬現(xiàn)實設備在推廣時還需要制定安全指南和使用方法，以盡量避免使用設備造成的不適感。

2.挑戰(zhàn)之二——對教師學習能力和教學能力的挑戰(zhàn)

在任何學習層次上，教師總是面臨各種挑戰(zhàn)，如如何為學習提供“真實生活”的環(huán)境、如何有機會“親身體驗”、如何更好地進行教學設計、如何讓學生從體驗中獲得真知。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛使用，對教學實踐者提出了新的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)將對課程規(guī)劃、結(jié)構(gòu)和內(nèi)容產(chǎn)生廣泛影響。第一，教師學習能力的轉(zhuǎn)變，教師不但要了解新技術(shù)，更要善于駕馭新技術(shù)，虛擬現(xiàn)實的出現(xiàn)對教師的學習能力和適應能力是一大挑戰(zhàn)。第二，教師角色的轉(zhuǎn)變，虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入教學設計，教師不再是教學的主角，不再是課堂的主導者，而應轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W活動的設計者、學生學習活動的引導者和合作者。第三，教師教學能力的轉(zhuǎn)變，教師必須根據(jù)教學目標的需求對虛擬現(xiàn)實進行重新的設計和規(guī)劃，還需要及時調(diào)整虛擬環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境的轉(zhuǎn)換，及時總結(jié)、歸納和引導學生體驗后的學習收獲，讓體驗真正高效、又去、有益、有用。

3.挑戰(zhàn)之三——對學校資金投入的挑戰(zhàn)

學校為了適應教育技術(shù)的發(fā)展和教育環(huán)境的變化，必須在硬件和軟件上配備相應的資金。在購買虛擬現(xiàn)實設備時，雖然是一次性購買，但對教師軟實力的培訓也是一筆不小的開支。因此，必須有相應的預算資金來引導和適應技術(shù)的使用。一個學校越能評估教育技術(shù)為學習帶來的益處，越能更好地使用和配置資金。此外，教學設計需要整合技術(shù)的使用，并及時調(diào)整傳統(tǒng)的考試、測試方式以適應新技術(shù)的使用。學生不但可以獲得先進的技能發(fā)展和內(nèi)容知識，也有機會通過創(chuàng)造性和應用性的方式來展示他們基于虛擬環(huán)境所獲得的知識、產(chǎn)品和收獲。

六、結(jié)語

在評估虛擬現(xiàn)實的教學效益時，面臨的最大挑戰(zhàn)是對學生獲得虛擬體驗之后學習成效的評價。雖然新技術(shù)正日益為學生提供一種全新的學習過程和學習體驗，但更大的挑戰(zhàn)是如何鼓勵更多的教師和研究者創(chuàng)新和學習這些技術(shù)，使技術(shù)能夠應用到教學設計中，并最終使學生在體驗中獲得真知。

雖然在課堂中的沉浸式虛擬現(xiàn)實研究很少見，但有些調(diào)查仍顯示出可喜的成果。美國基礎(chǔ)教育工作者委托三星公司的調(diào)查報告中發(fā)現(xiàn)，85%的教師認為虛擬現(xiàn)實技術(shù)會幫助學生理解學習中遇到的概念，促進更多的合作；84%的人認為，技術(shù)會提高學生的學習動機，中國研究人員調(diào)查了關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)對語言學習成績的影響，發(fā)現(xiàn)在測試組中學生的持續(xù)學習率提高了32%[13]。因此，虛擬現(xiàn)實作為沉浸式學習的有效途徑之一，在教育中的應用和推廣依然值得重視和推薦。