美國職業(yè)教育虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用及啟示

陳 杰，王 淼

(哈爾濱師范大學(xué) 公共英語教研部，哈爾濱 150080)

在我國，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課堂教學(xué)尚處于初級階段，但美國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)可為我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助職業(yè)院校教學(xué)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)調(diào)整教學(xué)模態(tài)信息、轉(zhuǎn)變職業(yè)院校的教學(xué)生態(tài)，能為學(xué)生構(gòu)建一個以假亂真的虛擬學(xué)習(xí)空間，使學(xué)習(xí)者可以在虛擬情境中進(jìn)行職業(yè)技能訓(xùn)練，促進(jìn)職業(yè)教育從二維屏幕轉(zhuǎn)向全息影像，更加順應(yīng)教育信息化發(fā)展，提升學(xué)生沉浸式、交互式的職業(yè)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)立背景與價值目標(biāo)

1.美國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)立背景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtuality Reality, 簡稱VR)，是借助計算機(jī)設(shè)備模擬產(chǎn)生三維虛擬世界，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，從而幫助使用者產(chǎn)生身臨其境之感。[1]1965年，伊凡·蘇澤蘭(Ivan Sutherland)在IFIP會議上對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了初步的描述。20世紀(jì)80年代，美國虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室研究創(chuàng)始人賈朗·拉尼爾(Jaron Lanier)正式提出“Virtual Reality”概念，指出VR是由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)、顯示技術(shù)、多種傳感技術(shù)和人工智能等技術(shù)生成的多維數(shù)字化環(huán)境系統(tǒng)，通過運(yùn)用以交互式計算機(jī)技術(shù)為核心的科學(xué)技術(shù)，創(chuàng)建一種在視覺、聽覺和觸覺都與真實(shí)環(huán)境高度相似的虛擬環(huán)境，用戶通過使用相關(guān)的專業(yè)裝備與虛擬對象進(jìn)行交互，可以產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境相似且能跨越時空的體驗(yàn)。[2—3]

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的價值目標(biāo)

2020年3月，美國高校教育信息化協(xié)會發(fā)布《2020 EDUCAUSE地平線報告：教學(xué)與學(xué)習(xí)版》，將XR(AR, VR, MR, HAPTIC)作為新興技術(shù)和實(shí)踐，并預(yù)測將其應(yīng)用于遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者會成為未來發(fā)展趨勢。[4—5]在我國，2016年《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要》指出，大力推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新型前沿領(lǐng)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，[6]《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出，堅持不懈推進(jìn)教育信息化，努力以信息化為手段擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面。[7]這大力促進(jìn)了VR技術(shù)在職業(yè)教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。2018年，教育部出臺的“新時代高教40條”中第25條特別提出大力推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，推動VR等現(xiàn)代技術(shù)在教學(xué)和管理中的應(yīng)用。[8]自此，在規(guī)劃文件與政策的支持下，VR技術(shù)在教育領(lǐng)域中得到了迅猛發(fā)展，也反映出VR技術(shù)具有重塑我國職業(yè)教育教學(xué)形態(tài)的重要價值。

二、美國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

美國在教育領(lǐng)域中領(lǐng)先使用了VR技術(shù)，并整合了XML、JAVA等技術(shù)，運(yùn)用了3D效果和頭顯式交互設(shè)備，提高了虛擬環(huán)境的渲染質(zhì)量與知識信息的傳播速度，推動職業(yè)教育進(jìn)入了嶄新的發(fā)展時代。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教師培訓(xùn)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在教師培訓(xùn)領(lǐng)域，教師專業(yè)培訓(xùn)的有效測評與跟進(jìn)指導(dǎo)對教師專業(yè)發(fā)展至關(guān)重要，其關(guān)鍵是為教師、特別是實(shí)習(xí)教師創(chuàng)建良好的專業(yè)技能訓(xùn)練環(huán)境。美國率先將VR技術(shù)運(yùn)用到教師培訓(xùn)領(lǐng)域，最典型的當(dāng)屬佛羅里達(dá)大學(xué)的人類、工程和計算機(jī)學(xué)院的教師聯(lián)合開發(fā)的混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(TeachLivE)。[9]

TeachLivE是將VR、人工智能和計算機(jī)動畫相結(jié)合而創(chuàng)設(shè)的一種虛擬實(shí)驗(yàn)室，主要利用VR技術(shù)模擬實(shí)際課堂教學(xué)場景，向?qū)嵙?xí)教師提供具體的教學(xué)策略、課堂管理技巧與家校溝通等方面的教師技能訓(xùn)練，從而提高教師專業(yè)化水平，重塑教師技能訓(xùn)練與實(shí)踐環(huán)境。該系統(tǒng)可向?qū)嵙?xí)教師提供初中和高中水平的虛擬學(xué)生各5名，且每名學(xué)生按照不同的性格層次劃分為0—5級，例如，0級表示比較穩(wěn)定，5級表示完全失控。在實(shí)訓(xùn)時，教師可根據(jù)訓(xùn)練的需求設(shè)置適合的學(xué)生性格層次，同時，TeachLivE還可為教師提供4名代課教師或?qū)W生家長的虛擬角色，以便教師進(jìn)行模擬家長會或與家長溝通等練習(xí)。

目前，TeachLivE系統(tǒng)已取得了較好的研究成果，訓(xùn)練對象從師范生擴(kuò)展到在職教師，訓(xùn)練學(xué)段從一年級擴(kuò)展到高年級，訓(xùn)練領(lǐng)域從基礎(chǔ)教育拓展到特殊教育，訓(xùn)練學(xué)科從數(shù)學(xué)與科學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎所有學(xué)科，逐步成為培養(yǎng)高質(zhì)量師資隊伍、提高教師專業(yè)技能發(fā)展的有力工具。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人工智能領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來，隨著智能語音技術(shù)的快速發(fā)展，語音助手、智能管家等軟件能夠更加便捷高效地整合到學(xué)習(xí)產(chǎn)品中來，例如，利用微軟智能語音技術(shù)的Alelo Enskill及美國佐治亞理工學(xué)院使用IBM Watson等虛擬教學(xué)助手。[10]在人工智能領(lǐng)域，北卡羅來納州立大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院James C. Lester教授團(tuán)隊將機(jī)器學(xué)習(xí)、虛擬環(huán)境和人工智能技術(shù)結(jié)合，創(chuàng)建出基于虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的自主角色——虛擬教學(xué)代理(Pedagogical Agents)，可作為學(xué)生線上學(xué)習(xí)的虛擬導(dǎo)師，以自然、似人類的方式與學(xué)習(xí)者進(jìn)行豐富的、面對面互動，使學(xué)習(xí)變得更容易、更有動力和吸引力，可增強(qiáng)線上教學(xué)的沉浸感、交互性、構(gòu)想性及智能化。[11]

虛擬教學(xué)代理是一種新穎的交互式學(xué)習(xí)輔助工具，通過情感表達(dá)、非語言反饋、凝視和手勢動作、對話信號、交互式演示與學(xué)習(xí)者進(jìn)行互動學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者在與教學(xué)代理的深層次融合中認(rèn)知世界與感知世界，形成三維空間情境與教學(xué)內(nèi)容的無縫交融的學(xué)習(xí)場域和教學(xué)方式。同時，虛擬教學(xué)代理突破了傳統(tǒng)教師教與學(xué)生學(xué)的教學(xué)方式，學(xué)習(xí)者可與教學(xué)代理進(jìn)行角色扮演，向教學(xué)代理介紹新知識的概念，并解釋概念之間的關(guān)系，可以引起學(xué)習(xí)者的自我解釋效應(yīng)，[12]通過知識整合與心理模型的完善來促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，與此同時，教學(xué)代理還能引起學(xué)習(xí)者的親代效應(yīng)。[13]另一方面，學(xué)習(xí)者與教學(xué)代理的互動角色并不是固定的，教學(xué)代理可根據(jù)學(xué)習(xí)者的能力水平進(jìn)行調(diào)節(jié)，低能力的學(xué)習(xí)者可以通過觀看教學(xué)代理的演示進(jìn)行轉(zhuǎn)承式學(xué)習(xí)；中等能力的學(xué)習(xí)者可以與教學(xué)代理進(jìn)行輔導(dǎo)對話；高能力的學(xué)習(xí)者可以在交互式學(xué)習(xí)場景和游戲中，向教學(xué)代理進(jìn)行知識傳授并與其探討，扮演參與者的角色。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在美國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域教育資源的開發(fā)與建設(shè)方面，哈佛大學(xué)教育研究院的克里斯·德迪(Chris Dede)教授團(tuán)隊可作為該領(lǐng)域的引領(lǐng)者，他們通過多用戶虛擬環(huán)境(MUVEs)打造虛擬生態(tài)教學(xué)環(huán)境，創(chuàng)設(shè)沉浸式生態(tài)課程——ecoMUVE。[14]該課程借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營造出VR立體式自然環(huán)境，并為學(xué)生設(shè)定虛擬角色，使他們成為課程背景中的“居民”，同時對學(xué)生提出“如何幫助小鎮(zhèn)居民擺脫傳染病”的議題，使學(xué)生浸入到VR創(chuàng)設(shè)的虛擬生態(tài)環(huán)境中，學(xué)生通過運(yùn)用已學(xué)的生物醫(yī)學(xué)知識與學(xué)習(xí)資源在VR環(huán)境中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，調(diào)查傳染病源以尋求問題解決方案。隨后，Dede教授團(tuán)隊在ecoMUVE課程的基礎(chǔ)上，將VR技術(shù)與移動技術(shù)相結(jié)合建設(shè)ecoMOBILE課程，創(chuàng)造出更具交互性與幻想性的高品質(zhì)課程。[15]

由此可知，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所營造出的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境向教師與學(xué)生們展示出了一個超越現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境限制的自由空間，通過“沉浸—交互—構(gòu)想”的探索過程，使用戶參與到情境選擇和探索中來，從而增強(qiáng)感知的具身性與真實(shí)性，增強(qiáng)學(xué)生對知識理解與記憶的深刻程度。

綜上所述，虛擬教學(xué)代理應(yīng)用于職業(yè)教育的線上教學(xué)中，既為學(xué)習(xí)者提供了一種“在場”的認(rèn)知空間環(huán)境，又增強(qiáng)了在線教學(xué)的監(jiān)督與輔助功能，將教育技術(shù)中介透明化，使學(xué)習(xí)者瞬間投入到在場狀態(tài)的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備當(dāng)中，讓學(xué)習(xí)者的身心認(rèn)知融為一體，真正實(shí)現(xiàn)了心靈、身體與環(huán)境的無縫銜接。

三、美國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用對我國職業(yè)教育發(fā)展的啟示

在我國，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚處于起步階段，現(xiàn)階段的VR產(chǎn)品多以概念的塑造與模仿為主，主要應(yīng)用于軍事、航天等高端領(lǐng)域。因此，美國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用與建設(shè)對我國職業(yè)教育的發(fā)展具有重要的啟示意義。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國職業(yè)教育培訓(xùn)領(lǐng)域中的建設(shè)發(fā)展

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行充分開發(fā)與建設(shè)并應(yīng)用于職業(yè)教育培訓(xùn)課程系統(tǒng)中，形成融合虛擬現(xiàn)實(shí)情境的在線課程系統(tǒng)將成為未來職業(yè)教育領(lǐng)域研究中所關(guān)注的主要話題與發(fā)展趨勢。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠針對職業(yè)教育注重課外實(shí)踐的特點(diǎn)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生打造具有沉浸感的體驗(yàn)式職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)課程，可通過動作捕捉、眼球追蹤、手勢跟蹤等多通道交互途徑實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)式互動學(xué)習(xí)與實(shí)際操作訓(xùn)練，為學(xué)習(xí)者提供高度模擬的實(shí)戰(zhàn)環(huán)境，打造超越現(xiàn)實(shí)環(huán)境的多感知交互式體驗(yàn)學(xué)習(xí)方式。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)符合職業(yè)教育特征的實(shí)訓(xùn)場景，為學(xué)習(xí)者提供各種虛擬化身角色，學(xué)習(xí)者通過佩戴VR眼鏡或頭顯式設(shè)備便可進(jìn)入虛擬場景中進(jìn)行探索式實(shí)踐訓(xùn)練。由此可知，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的職業(yè)教育訓(xùn)練有利于彌補(bǔ)傳統(tǒng)職業(yè)教育中“重理論、輕實(shí)踐”的弊端。VR技術(shù)打造的虛擬實(shí)訓(xùn)場景，可使學(xué)習(xí)者的認(rèn)知圖式將虛擬場景默認(rèn)為實(shí)際場景，從而幫助學(xué)習(xí)者作出與實(shí)際場景相同的反應(yīng)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的反應(yīng)機(jī)制并增加對實(shí)踐訓(xùn)練的投入量，穩(wěn)固知識記憶，達(dá)到對所學(xué)知識更深層次的理解與內(nèi)化，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的職業(yè)技能。

隨著我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，VR技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域中的逐步運(yùn)用將使未來的職業(yè)教育課程和職業(yè)技能培訓(xùn)發(fā)生改變。因此，VR技術(shù)在未來的職業(yè)教育領(lǐng)域中仍具有極大的發(fā)展空間與前景?？梢灶A(yù)見，未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將更加廣泛地應(yīng)用于職業(yè)教育領(lǐng)域，未來高校職業(yè)課程的設(shè)計與實(shí)施也將具有更加鮮明的VR意識。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能相結(jié)合促進(jìn)我國職業(yè)教育的建設(shè)發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能相結(jié)合可融合虛擬仿真環(huán)境、語言識別、圖像識別及專家系統(tǒng)打造集虛擬性與學(xué)習(xí)性于一體的沉浸式職業(yè)教育課程，該課程重新定義了職業(yè)教育培訓(xùn)的發(fā)生空間與學(xué)習(xí)場域，遵循職業(yè)技能學(xué)習(xí)與訓(xùn)練的內(nèi)在機(jī)制，讓學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行職業(yè)技能訓(xùn)練的同時，能夠得到虛擬導(dǎo)師的及時指導(dǎo)與幫助，將書本知識以實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)的方式更加簡單直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)習(xí)者在情景化實(shí)訓(xùn)中實(shí)現(xiàn)更全面、更廣泛、更有應(yīng)用價值的反應(yīng)機(jī)制。

在教學(xué)過程中，教師與學(xué)生的角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，真正地使學(xué)生成為了職業(yè)教育知識學(xué)習(xí)的實(shí)踐者、探索者，而教師則成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者、幫助者。同時，職業(yè)教育的目標(biāo)從對書本知識的熟練掌握轉(zhuǎn)變?yōu)橛?xùn)練學(xué)生具有識別和處理問題的一般能力，如處理多樣性、敏感性和開放性問題的能力，使學(xué)生能夠在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間建立聯(lián)系，同時可培養(yǎng)學(xué)生一些必備的職業(yè)技能思維，如“對話式”思維。與傳統(tǒng)“黑板+粉筆+PPT”式的職業(yè)教育課堂相比，VR與人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用在職業(yè)教育教學(xué)中可使學(xué)生保持思維的復(fù)雜性，培養(yǎng)學(xué)生的“反復(fù)”思維以及“全息”思維，以整體知識帶動學(xué)生對局部知識的深度挖掘，實(shí)現(xiàn)知識的深度學(xué)習(xí)，以此提高學(xué)生處理實(shí)際問題的能力及應(yīng)對突發(fā)狀況的能力，為未來職業(yè)發(fā)展奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能技術(shù)為我國探索出一種全新的職業(yè)教育形式，豐富了知識的輸入與輸出途徑，促進(jìn)了教育技術(shù)與職業(yè)教育的深度融合化發(fā)展。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國醫(yī)學(xué)職業(yè)教育領(lǐng)域中的建設(shè)發(fā)展

我國醫(yī)學(xué)職業(yè)教育對專業(yè)人才培養(yǎng)的實(shí)踐性與技能性具有極高的要求，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在醫(yī)學(xué)職業(yè)教育中占據(jù)十分重要的地位。然而，受實(shí)驗(yàn)成本高及醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價格昂貴、更新速度快、容易損壞等因素的制約，當(dāng)前我國很多醫(yī)學(xué)職業(yè)院校學(xué)生可用實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)素材的平均占用率非常低，[16]這無疑影響了我國醫(yī)學(xué)職業(yè)教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

然而，美國將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的案例可為我國醫(yī)學(xué)職業(yè)院校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來一定的啟示。首先，通過VR技術(shù)創(chuàng)建虛擬的三維實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)素材和虛擬患者，可以解決醫(yī)學(xué)職業(yè)院校設(shè)備不足的問題，降低醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的成本，提高醫(yī)學(xué)職業(yè)教育水平。其次，利用VR技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以突破醫(yī)學(xué)職業(yè)教育時間與空間的局限，學(xué)生登錄系統(tǒng)即可多次進(jìn)行虛擬臨床實(shí)驗(yàn)，拓寬醫(yī)學(xué)生進(jìn)行模擬練習(xí)的渠道，提高學(xué)生進(jìn)行醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的主動性與積極性，增強(qiáng)醫(yī)學(xué)生的臨床實(shí)踐技能。最后，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)職業(yè)教育中真正地實(shí)現(xiàn)了將醫(yī)學(xué)教育與現(xiàn)代技術(shù)手段相結(jié)合，創(chuàng)新傳統(tǒng)職業(yè)教學(xué)模式，促進(jìn)我國職業(yè)教育順應(yīng)教育信息化發(fā)展。

四、結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新與變革，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也將隨之不斷地發(fā)展。目前美國在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展程度及創(chuàng)新研究已成為當(dāng)今世界的典范，其中，將VR技術(shù)與職業(yè)教育領(lǐng)域的結(jié)合更是為我國未來職業(yè)教學(xué)的發(fā)展帶來了巨大的啟示意義與研究價值。如今，我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也在如火如荼地發(fā)展，校企合作使得VR技術(shù)發(fā)展更加高效，云渲染、云服務(wù)使得用戶終端通過Web直接接入訪問資源，從而滿足學(xué)習(xí)者的虛擬學(xué)習(xí)需求?？梢灶A(yù)見，未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會在我國職業(yè)教育領(lǐng)域中發(fā)揮出更加重要的作用，成為推動“互聯(lián)網(wǎng)+教育”向前發(fā)展的強(qiáng)大動力之一。