虛擬現(xiàn)實(shí)課堂中的沉浸式學(xué)習(xí)助推學(xué)生成長(zhǎng)

黃建平 劉雨佳 宛小昂

（1.蘇州大學(xué)教育學(xué)院 江蘇·蘇州 215123；2.蘇州大學(xué)音樂(lè)學(xué)院 江蘇·蘇州 215123；3.清華大學(xué)社會(huì)科學(xué)學(xué)院 北京 100084）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代和信息技術(shù)的發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的線上學(xué)習(xí)也逐漸成為教育領(lǐng)域中的熱門話題。同時(shí)，2019年末突如其來(lái)的新冠疫情也讓線上教學(xué)成為中小學(xué)以及高校的主流教學(xué)方式。如何在線上教學(xué)過(guò)程中更好的促進(jìn)學(xué)生成長(zhǎng)也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。越來(lái)越多的高校也逐漸開(kāi)始嘗試運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)改革。比如蘇州大學(xué)與華為技術(shù)有限公司簽訂了“云中蘇大”智慧教室的合作協(xié)議，通過(guò)高校和科技企業(yè)在高等教育和信息技術(shù)方面的結(jié)合，可以打造一個(gè)鏡像化、數(shù)字化、智能化的“云中大學(xué)”。其中基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式學(xué)習(xí)也是實(shí)現(xiàn)“云中蘇大”最重要的技術(shù)基礎(chǔ)。虛擬的真實(shí)情景可以激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的興趣和探索的動(dòng)力，即提高了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的創(chuàng)造力。那么基于虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式學(xué)習(xí)如何促進(jìn)學(xué)生的成長(zhǎng)？本文計(jì)劃對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中的沉浸理論以及沉浸式學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的促進(jìn)展開(kāi)介紹。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)中的沉浸理論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠以計(jì)算機(jī)為媒介給參與者提供體驗(yàn)到臨場(chǎng)感的虛擬環(huán)境，這個(gè)虛擬環(huán)境可以提供多感官的信息，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)信息。與使用文本或者圖片刺激的傳統(tǒng)線上教學(xué)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)增加了環(huán)境的真實(shí)感，這種真實(shí)感能夠提高學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中存在的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)也可以根據(jù)其沉浸特點(diǎn)分為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以分為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，比如洞穴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（VRcave），立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（VR cube）和頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)（Headmounted-display VR），或者非沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)，即在電腦桌面上運(yùn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，這也被稱為桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)。相比桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)，在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)中被試可以接受全方位的視覺(jué)刺激。同時(shí)考慮到設(shè)備的便利性以及經(jīng)濟(jì)性，目前在很多線上教學(xué)的實(shí)踐中，頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的更為廣泛。

虛擬現(xiàn)實(shí)中的沉浸理論中包括過(guò)程的流暢、其中活動(dòng)必須要有挑戰(zhàn)、需要個(gè)體的技能、個(gè)體做出反饋以及意識(shí)的投入，需要個(gè)體充分專注于當(dāng)下的任務(wù)。體驗(yàn)沉浸的個(gè)體需要有清晰的目標(biāo)，有效的控制，失去自我的意識(shí)，以及有扭曲的時(shí)間體驗(yàn)。對(duì)沉浸的研究中主要以人際交互模型為主。Chen對(duì)前人的模型進(jìn)行總結(jié)并提出了現(xiàn)下廣為認(rèn)可的沉浸模型[1]，該沉浸模型具有10個(gè)維度，并分為三個(gè)主要因素：沉浸產(chǎn)生的前提、沉浸體驗(yàn)、沉浸帶來(lái)的后果。其中沉浸產(chǎn)生的前提包括：清晰的目標(biāo)、即時(shí)的反饋、潛在控制和意識(shí)與行動(dòng)的融合；沉浸體驗(yàn)包括：注意力集中、臨場(chǎng)感、時(shí)間扭曲、自我意識(shí)的喪失；沉浸的后果包括：積極的影響、流暢的體驗(yàn)。其中學(xué)習(xí)中的沉浸體驗(yàn)所帶來(lái)的積極影響主要集中于個(gè)體流暢的體驗(yàn)、積極的情緒以及創(chuàng)造力的提高。

2 沉浸式學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的多維度促進(jìn)作用

在虛擬現(xiàn)實(shí)中發(fā)生的沉浸式學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程具有多個(gè)方面的促進(jìn)作用：首先是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的促進(jìn)作用。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)沉浸式的課堂教學(xué)環(huán)境，抑或是創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，比如學(xué)生在對(duì)野外生物辨識(shí)的課堂學(xué)習(xí)中，可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將學(xué)生帶入虛擬大自然，更逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境體驗(yàn)可以給學(xué)生帶來(lái)臨場(chǎng)感，在這種虛擬課堂中，學(xué)生可以體驗(yàn)到存在于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中而非自己所在的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的感覺(jué)，這種感覺(jué)極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。另一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)可以滿足學(xué)生的交互特點(diǎn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)中每一位學(xué)生可以通過(guò)手柄或者其他虛擬交互設(shè)備與虛擬場(chǎng)景中的刺激進(jìn)行交互。這也是傳統(tǒng)課堂教學(xué)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。學(xué)生在與虛擬場(chǎng)景的交互過(guò)程中可以保持較長(zhǎng)時(shí)間的高度專注狀態(tài)，而且交互過(guò)程中虛擬環(huán)境可以基于學(xué)生的交互指令給予及時(shí)的反饋，因此這種交互式的虛擬學(xué)習(xí)不僅能夠提高學(xué)生的注意力也可以提高學(xué)生的課堂卷入度，極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

其次就是認(rèn)知能力的促進(jìn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境可以給人們提供多感官刺激，通過(guò)這些多感官刺激進(jìn)而可以提升神經(jīng)元的可塑性以及促進(jìn)神經(jīng)生理活動(dòng)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被應(yīng)用在認(rèn)知訓(xùn)練和認(rèn)知康復(fù)的研究中。Plechatá等人的研究中采用桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)和頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造了低沉浸感和高沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境[2]，并且比較了年輕人和老年人這兩個(gè)不同年齡群體在記憶測(cè)評(píng)任務(wù)中的表現(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，年輕群體都能表現(xiàn)出優(yōu)異的記憶表現(xiàn)，但是在頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，兩組被試的記憶任務(wù)表現(xiàn)都受到個(gè)體疲勞程度的影響，通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)個(gè)體對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境具有較好的接受程度，同時(shí)沉浸環(huán)境促進(jìn)個(gè)體記憶表現(xiàn)的過(guò)程中，也需要考慮個(gè)體疲勞程度的調(diào)節(jié)影響。

第三點(diǎn)就是沉浸式學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)思維的塑造。個(gè)體在沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可以產(chǎn)生心流（Flow）體驗(yàn)。同樣，當(dāng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)時(shí)，也能夠獲得到不同程度的心流體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)中的教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)造性能力，尤其是在創(chuàng)意設(shè)計(jì)領(lǐng)域以及創(chuàng)意體驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)揮了重要的作用，該研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程可以從具體的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉此夹杂^察、抽象概念化以及最后的創(chuàng)新應(yīng)用，而在虛擬現(xiàn)實(shí)中表現(xiàn)出的反思性觀察和抽象概念化都是個(gè)體表現(xiàn)出創(chuàng)新思維的決定性因素。

3 總結(jié)和展望

當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實(shí)中的沉浸式學(xué)習(xí)也存在一定弊端，比如在虛擬現(xiàn)實(shí)中學(xué)習(xí)者會(huì)體驗(yàn)到更高的認(rèn)知負(fù)荷。認(rèn)知負(fù)荷是人們?cè)谔幚砭唧w認(rèn)知任務(wù)時(shí)（比如搜尋信息）產(chǎn)生的認(rèn)知加工量，是有效完成認(rèn)知任務(wù)的代價(jià)。Whitelock等人發(fā)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的學(xué)習(xí)會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)者產(chǎn)生額外的認(rèn)知負(fù)荷[3]，對(duì)此他們認(rèn)為在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，高度的沉浸體驗(yàn)可以極大的促進(jìn)學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)，但是也可能分散學(xué)習(xí)者的注意，使得其產(chǎn)生額外的認(rèn)知負(fù)荷。具體而言，對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷包括基于任務(wù)的負(fù)荷和基于學(xué)習(xí)者本身的負(fù)荷?；谌蝿?wù)方面的負(fù)荷是根據(jù)任務(wù)需求產(chǎn)生的，即學(xué)習(xí)者在虛擬現(xiàn)實(shí)中完成學(xué)習(xí)任務(wù)所需要的努力程度，稱之為任務(wù)相關(guān)的心理負(fù)荷；基于學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷是認(rèn)知能力以及學(xué)習(xí)者完成任務(wù)時(shí)所需要的資源，稱之為任務(wù)相關(guān)的心理努力。因此在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)中的沉浸式學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)以避免學(xué)習(xí)者產(chǎn)生不必要的認(rèn)知負(fù)荷；同時(shí)結(jié)合每一位學(xué)習(xí)者的認(rèn)知能力進(jìn)行分階段分難度層次的進(jìn)行沉浸式學(xué)習(xí)。本文對(duì)當(dāng)下學(xué)界和教育技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中都關(guān)注的虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式學(xué)習(xí)進(jìn)行介紹和討論?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式學(xué)習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中非常獨(dú)特的經(jīng)歷，在沉浸式學(xué)習(xí)中可以體會(huì)到臨場(chǎng)感，體會(huì)到心流，這個(gè)過(guò)程中學(xué)生的學(xué)習(xí)卷入程度提高，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)也有大幅的提交。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)中的多感官體驗(yàn)也促進(jìn)了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的認(rèn)知能力和思維模式。因此，在終端顯示技術(shù)、硬件技術(shù)日益成熟的大背景下，構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境將更為便捷，沉浸式學(xué)習(xí)的應(yīng)用和推廣也更值得人們關(guān)注。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠給學(xué)習(xí)者展示出全景式畫面、自然的交互方式，對(duì)于激發(fā)學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)具有積極的作用?；诔两教摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)而構(gòu)建的體驗(yàn)式課堂，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者開(kāi)辟新奇的學(xué)習(xí)空間，在未來(lái)教育中應(yīng)當(dāng)能夠發(fā)揮出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。