虛擬現(xiàn)實在教育中的應用：前景、進步和挑戰(zhàn)

程建山 章 樊

(武漢工程大學外語學院，武漢 430205)

一、引言

許多語言教育者一直考慮在課堂中使用虛擬現(xiàn)實(以下簡稱VR)這種工具。然而，由于VR是一項不斷發(fā)展的技術，其功能、應用程序和教育可供性都在快速變化，因此教師很難準確了解該技術的內涵以及它給課堂教學帶來的好處。在20世紀90年代，VR一詞有著不同的定義。在學術界，VR指的是基于3D虛擬形象的各種交互體驗模式[1]。在消費者領域，VR主要是指頭戴式顯示器 (HMD) 或耳機，使用者通過頭部或身體旋轉和運動進行交互性體驗。從2010年代初開始，新型頭戴式顯示器虛擬產(chǎn)品的出現(xiàn)進一步強化了虛擬技術在流行文化中被當作頭戴式產(chǎn)品體驗的定義，但近年來仍然有些學術論文探討非頭戴式VR體驗。例如，林登(Linden)實驗室的《第二人生》一直是許多關于VR的學術論文的焦點，盡管它是使用鍵盤、鼠標和顯示器的臺式電腦軟件[2]。然而，也許是由于新型VR耳機越來越受歡迎，學術界對VR一詞的使用似乎正在轉向其更流行的消費者定義。自2013年第一款現(xiàn)代頭戴式耳機發(fā)布以來，VR技術經(jīng)歷了一個快速創(chuàng)新的時期。從那時起，每年都有新耳機上市。與以前的設備相比，沉浸式水平不斷提高，進入壁壘不斷降低，價格也有了顯著的下降。對于教育工作者而言，每一項技術創(chuàng)新都使VR更接近于成為一種在世界各地課堂上使用的實用工具。

Lege & Bonner(2018)將VR分為三種不同的類型——高端VR、移動VR和大規(guī)模分布式VR，每種類型都有自己的課堂可供性和活動類型[3]。高端VR集成了最強大的VR硬件，并與功能強大且昂貴的個人電腦相連，提供完全交互式的頭部和手部追蹤體驗。移動VR專注于使用旗艦級品質的智能手機驅動簡單的VR耳機，提供有限的互動游戲和體驗。大規(guī)模分布式VR包括由任何智能手機驅動的一次性紙板耳機，提供被動的360度視頻觀看。到2020年底，移動VR已經(jīng)過時，智能手機驅動的VR耳機的制造商谷歌和三星都在2019年底停止了該設備的生產(chǎn)。此類設備已被獨立VR耳機取代。這些設備提供高端VR的所有沉浸式以及頭部和手部跟蹤體驗，但不需要連接到個人電腦或智能手機，而且價格低于廉價筆記本電腦的價格。

技術的快速變化凸顯了在學習環(huán)境中使用VR的最新需求。隨著硬件的不斷改進和價格的不斷降低，VR在教學中的可供性將不斷提高。實施新技術以滿足課程需求并達到一定的教學效果通常是一個艱難的過程，需要大量的反復試驗。本文搜集了2017-2020年間國外有關VR的學術論文，探究VR在教育領域中應用的真實狀況，深入了解VR給教育領域帶來的好處以及存在的問題和挑戰(zhàn)。

二、VR給教育領域帶來的好處

(一)VR有利于提高學習者的參與性和學習興趣

VR對許多人來說是一項新技術，盡管它在主題公園和旅游景點的流行一定程度上減少了其神秘感。VR在教育中的應用有利于提高學生的學習動機和興趣。許多研究者對VR對學習者動機和興趣的影響進行過測量，研究結果一致表明，VR激發(fā)了參與者對主題的興趣、參與度和積極性[4]。Parong & Mayer(2018)將使用幻燈片放映的課程與使用VR的課程進行了對比，結果發(fā)現(xiàn)使用VR教學時，學生“更快樂、更興奮、興趣更高”[5]。Kavanagh、Luxton-Reilly、Wuensche & Plimmer(2017)在對2010—2017年間VR研究的系統(tǒng)綜述中指出，“在99篇文章中有46篇將VR帶來的沉浸感視為一種激勵要素，它也是最常被提及的因素?！盵6]由此可見，VR對于提高學習者的興趣和參與性起到了至關重要的作用，而這些因素是有效學習的催化劑，其重要性是不言而喻的。

(二)VR使學習者體驗無法接觸的環(huán)境

VR技術允許用戶將虛擬環(huán)境取代他們當前的現(xiàn)實環(huán)境，虛擬環(huán)境可以是任何位置、真實的或想象的。教育者可以利用這種功能來實現(xiàn)因當前物理位置的限制而無法令人滿意地實現(xiàn)的教育目標。在許多情況下，實地考察等活動在時間、距離和成本上都令人望而卻步。然而，Blazauskas、Maskeliunas & Kersiene (2017) 等人開發(fā)的項目使用VR作為進行城市歷史之旅的一種方式，給學習者提供真實的旅行體驗[7]。Hu-Au & Lee (2018) 指出，VR非常適合尋求學習體驗但無法涉足該領域的學校[8]。為此，教育工作者一直在使用VR來實現(xiàn)此目的。英國一所小學的校長Nicolson指出，他們的學校使用VR來教授北極或深海等難以接近的環(huán)境。來自美國德克薩斯州Oak Run中學的Hunt在談到他們的虛擬實地考察計劃時說：“我們希望鼓勵學生不僅僅看到自己的家鄉(xiāng)，而且要意識到外面有一個廣闊的世界可供他們觀看?！惫鸫髮W的Nicole Mills使用VR技術讓法國學生參觀巴黎，并指出VR體驗“體現(xiàn)了巴黎日常文化的一部分，這些文化(如聲音、氛圍等)通常無法用語言來描述”。日本的一所大學使用VR讓學生觀看360度視頻來了解全球事務，如難民營、美國政治集會和宗教朝圣等。他們指出，“與信徒一起去麥加朝覲或在遙遠國度的佛教寺廟的大廳里閑逛，使宗教活動看上去更加真實，這是二維視頻無法實現(xiàn)的?！盵9]優(yōu)質VR硬件和軟件的結合所產(chǎn)生的臨場感可以在任何可以想象到的位置實現(xiàn)強大的體驗。值得注意的是，這些體驗還為行動不便的人提供了一種平等的方式來加入他們同伴的虛擬旅程。但是，應該指出的是，很難通過實證研究和數(shù)據(jù)收集來測量將VR應用于這些類型的體驗的效果。

(三)VR有助于提高參與者的空間記憶能力

提高參與性和激發(fā)動力并不是VR給教育領域帶來的唯一好處。沉浸式VR將學習者置于虛擬空間中允許他們在該空間內自由移動并與空間互動。學習者不僅可以自由移動，而且還可以從多個角度和視角觀察物體和場景。Pollard等人 (2020)推測這種沉浸式體驗可能會增強學習者對這些空間物體和場景的記憶和回憶。Pollard等人設計了一項嚴格的被試內設計研究，調查在低、中、高沉浸感三種條件下的虛擬環(huán)境中的空間學習效果[10]。低沉浸感虛擬環(huán)境使用臺式電腦顯示器和揚聲器，中沉浸感虛擬環(huán)境使用頭戴式顯示器 (HMD)，高沉浸感虛擬環(huán)境使用高端VR系統(tǒng)Oculus Rift。調查結果顯示，與中、低沉浸感虛擬環(huán)境測試組相比，高沉浸感測試組在判斷和多項選擇測試中的表現(xiàn)明顯更好。研究人員推測這種結果可能是高沉浸感虛擬環(huán)境具有的從多個角度觀察場景的功能促成的。

Cho(2018)的研究發(fā)現(xiàn)，VR在用于第二語言學習時可通過產(chǎn)生空間臨場感和更強的沉浸體驗來增加記憶保持?！坝捎谂R場感，如果學習者復制VR模擬中的語言學習，它可以幫助他們更有效地記住單詞?！盵11]因此，VR有可能成為一種有效的新方法，它使用記憶編碼的潛意識機制“位置記憶法”，通過學習促進新詞的習得。Huttner & Robra-Bissantz(2017)進行了一項研究，將VR和筆記本電腦顯示器用于創(chuàng)建記憶宮殿(心理圖像)進行對比。結果顯示，與筆記本電腦相比，VR組的測試分數(shù)提高了5-7%[12]。此外，有些研究者還研究了VR是否能夠促進外語詞匯學習和記憶。Tai、Chen & Todd(2020)通過實驗對比學生在觀看視頻內容后的表現(xiàn)和體驗VR中的內容之后的表現(xiàn)。研究人員對參與者進行了延遲后測，結果發(fā)現(xiàn)“VR學習者表現(xiàn)出比視頻觀看者更強的詞匯記憶能力”，并且“VR 似乎有助于學習者將目標詞存儲在長期記憶中”[13]。這也許是因為VR學習者能夠直接參與內容互動，而視頻觀看者則是被動地接受內容。其他研究者也發(fā)現(xiàn)了類似的結果。Madini 和 Alshaikhi (2017) 的調查結果表明利用VR視頻有助于參與者單詞記憶[14]。此外，Alfadil (2017) 將使用VR背單詞和傳統(tǒng)方法背單詞進行對比，研究發(fā)現(xiàn)使用VR的參與者在學習詞匯方面比使用傳統(tǒng)方法學習詞匯的參與者取得了更好的成績[15]。這也許是因為VR提供的額外空間維度使學習者創(chuàng)建更多的心理聯(lián)系(連接更多的神經(jīng)元)，進而產(chǎn)生更多的記憶保持。

(四)VR有利于培養(yǎng)學習者移情能力

VR不僅能夠使用戶訪問新的世界，而且還能夠讓用戶體驗他人的感受。軟件開發(fā)人員和教育工作者設計了大量旨在培養(yǎng)移情和促進理解的高質量VR體驗，其中一些流行的應用程序包括Anne Frank House VR、Driving While Black、《失明筆記》和斯坦福大學的《成為無家可歸者：人類體驗》。斯坦福大學虛擬人機交互實驗室的 Courtney Cogburn 博士創(chuàng)建了1000 Cut Journey，“一種身臨其境的VR體驗，讓你切身感受黑人男性邁克爾·斯特林(Michael Sterling)在童年、青少年和成年時期所經(jīng)歷的各種種族歧視”。該項目作為移情和換位思考研究的一部分，旨在幫助學生了解種族主義的現(xiàn)狀并促進有效的社會集體行動[16]。教育工作者還利用VR的360度視頻讓學習者通過換位思考來幫助他們增加人生體驗，例如敘利亞難民危機、美國政治集會和麥加朝覲[9]。當以這種方式建立移情時，研究人員發(fā)現(xiàn)，與其他教學媒介相比，VR具有獨特的優(yōu)勢。Stavroulia & Lanitis (2019) 使用VR 幫助受訓教師體驗既是學生又是班級教師的感覺，研究表明VR對于提高教師體驗不同種族或民族學生立場的移情能力具有重要意義[10]。Herrera等人(2018) 進行了一項研究，調查使用沉浸式VR來講授無家可歸者的經(jīng)歷，并將其與第一人稱文本敘事的效果進行對比。參與者在干預后的第二、四和八周接受了后續(xù)調查。研究發(fā)現(xiàn)，剛開始受試者對于無家可歸者的態(tài)度比較相似，但是過一段時間之后，VR環(huán)境中的參與者對于無家可歸者的同情心比非VR環(huán)境中的參與者降低的速度要慢很多[17]。VR的沉浸式功能有利于提高參與者的換位思考能力，這種體驗還可以促進參與者長時間的學習能力。

(五)VR在遠程學習中的應用

VR還具有將學習機會擴展到面對面學習之外的地方和人群的潛力。它使遙遠地方的人們聚集在一起并給他們提供一種沉浸式環(huán)境與他人互動，幫助他們克服當前在線學習和遠程教育實踐的缺點。Chang、Zhang & Jin(2017)概述了VR在遠程教育中的潛在作用，重點是多用戶虛擬校園提供的潛在可供性，學生可以在這里見面并一起學習[18]。Kavanagh等人(2017)在對VR文獻的回顧中發(fā)現(xiàn)，大量論文研究了VR在遠程學習中的應用。這些論文涉及VR對遠程學習帶來的好處或潛力，還有一些研究評估了其在遠程學習實踐中的實際應用[6]。Urueta & Ogi(2020)發(fā)現(xiàn)VR對于基于任務的語言遠程學習很有用，并指出如果使用得當，VR可以提供替代的沉浸式學習方法，并具有高水平的師生互動[19]。Berns等人(2019) 創(chuàng)建了一個專注于人工智能聲控的360度視頻的語言學習VR環(huán)境，為遠程學習者提供了將自己沉浸在真實的第二語言環(huán)境中并與虛擬會話智能體交互的機會[20]。2020年的新型冠狀病毒大流行，將教育的重點轉向遠程教育，成為尋找更有效遠程學習方法的研究和實踐的催化劑。VR可能會因其能提供在當前情況下變得困難的學習體驗的能力而受到更多關注。

三、VR在教育環(huán)境中的應用面臨的挑戰(zhàn)

(一)缺乏VR特定的教學法

盡管VR可以強制融入現(xiàn)有的教育范式并取得一定成功，但研究者一致認為，要發(fā)揮其用于學習的潛力，需要與VR相關的可靠教學法。Hu-Au & Lee(2018)認為，如果教育者只是試圖復制“面對面的教學經(jīng)驗”，這只會導致實施中出現(xiàn)問題[8]。Elmqaddem (2019) 指出，“有必要知道如何構建和部署適應這項技術的教育計劃?！盵21]Scavarelli等人(2020)表示使用VR最大的挑戰(zhàn)是“確定如何最好地利用這項技術，以一種不僅僅是重新創(chuàng)建或取代實體課堂的方式更好地提高學生的學習效果”[22]。事實上，在許多當前綜述VR用于教育目的的文章中，一個普遍的批評也是缺乏支持VR使用的知情教學法。這種原因也是造成有關VR研究結果好壞參半的原因之一。如果沒有明確的教學法作為特定活動的教學設計的基礎，則很難評估教學活動，因為方法本身可能不適合在VR環(huán)境中的學習。早在2015年，F(xiàn)owler 就認識到“很難將技術與教學法分開，有些人甚至認為兩者不可能分開”[23]。隨著VR設備價格下跌和市場滲透率的提高，使用VR進行教育的可行性已大大增加。因此，需要直接為VR開發(fā)教學法。認識到這一點，研究者最近在開發(fā)專門針對VR的教學法方面取得了一些進展。Southgate (2020)的《沉浸式學習行動教學法》指導對VR感興趣的教育工作者考慮有關教師、學習者和技術的重要問題[24]。Lege、Bonner、Frazier & Pascucci(2020)開發(fā)了一個用來分析商業(yè)VR應用程序的框架，以幫助教育工作者在課堂上成功使用它們[25]。雖然目前仍然缺少一種專門用于VR的教學法，但現(xiàn)有的文獻中的研究也為VR教學法指明了方向。Kavanagh等人 (2017) 對教育中VR研究的出版物的綜述表明，許多研究把建構主義理論作為VR教學的基礎[6]。建構主義指的是“讓學生從有意義的經(jīng)歷中建構自己的知識”[8]。建構主義學習法專注于提供有意義的體驗，這種方法與專注于死記硬背或考試等傳統(tǒng)的教育模式截然相反，已成為許多實踐教育方法的基礎。Hu-Au & Lee認為使用VR的教育“應該建立在建構主義學習模型上”[8]。事實上，精心設計的VR沉浸式體驗能夠使學習者獲得有意義的體驗，學習者可以利用這些體驗來增強他們對主題的理解。

(二)學習者認知負荷增加

就其本身而言，VR還遠遠不能解決教育領域的需要和需求，在教育領域應用VR也存在一些獨特的挑戰(zhàn)。VR的沉浸式能力雖然是其最大的優(yōu)勢，但也是導致其難以有效使用的一個因素。Pollard等人(2020)評論說：“更高的沉浸感有時并不能提高學習成績?！盵10]Parong & Mayer (2018)解釋說，在沒有無關輸入的情況下學習效果更好，并指出沉浸式VR的復雜性會導致“無關認知加工”，從而降低了利用媒體促進對特定概念的學習能力。用他們的話說，“沉浸式VR可能會產(chǎn)生太多無關的認知加工，以至于學習者沒有足夠的認知資源來學習課程中的基本材料”[5]。Makransky、Terkildsen & Mayer(2017)觀察到，當參與者使用VR時，工作記憶的處理需求會增加，從而導致知識獲取減少[26]。因為人腦可用于完成一項任務的資源有限，在使用VR教授特定概念時，就會出現(xiàn)認知負荷增加這個潛在的問題。實驗結果表明，使用頭戴式顯示器(VR)的學生比使用桌面顯示器(個人電腦)的學生在科學模擬學習中獲得的臨場感更強，但是學到的內容卻更少，使用腦電圖測量的學生的認知負荷明顯更高。這表明，盡管VR具有激勵特性，但VR可能會使學習者超負荷并分散他們的注意力，從而導致學習結果測試表現(xiàn)較差。教育工作者可以采用支架式教學法來緩解這個問題。Parong & Mayer (2018) 通過在使用VR教學過程中引入?yún)R總型任務，從而使得實驗組取得與對照組相同的學習效果，同時保持VR帶來的其他積極影響，例如參與度和動機[5]。因此，在規(guī)劃VR教育體驗時，仔細考慮學習者的認知需求和學習效果非常重要。

(三)沉浸感破壞

雖然認知負荷可以通過教學設計在一定程度上得到控制，但還有其他因素會使VR對教育無效。VR體驗的沉浸的程度取決于VR硬件和軟件所產(chǎn)生的復雜因素。如果這點做得不好，VR的沉浸感優(yōu)勢可能會因視覺畸變或低質量3D設備等破壞視覺的元素而降低。Kavanagh等人 (2017)在對教育中VR相關科學研究的回顧中發(fā)現(xiàn)，如果VR體驗不夠真實，“這可能會減損學習體驗”[6]。但是，這并不意味著每一種體驗都需要逼真、超現(xiàn)實主義的視覺效果，而是指這種體驗必須始終如一，并且沒有其它視覺元素干擾。VR設備和技術在保持沉浸感方面有著很大的局限性。尤其是在大規(guī)模分布式VR體驗中，低分辨率顯示器會使視覺效果顯得模糊或持久完全失焦。由復雜視覺環(huán)境引起的視覺畸變和卡頓會讓使用者感到惡心，尤其是當使用者轉頭太快時。另外，長時間使用導致的高溫、潮濕和耳機不適也會導致出汗、鏡片起霧和刺激皮膚，從而破壞沉浸感。

四、結論

技術的快速發(fā)展不斷改變人們的日常規(guī)范并影響人類生活的方方面面。即使只是了解最新的技術創(chuàng)新也可能令人生畏，而應用該技術則更是如此。教育領域通常比其他領域更慢地適應變化，但總是不可避免地轉變以接受或適應變化。一旦那些精通技術的教師掌握了這些先進技術，新技術往往成為主流教學范式的一部分。通過視頻會議軟件進行數(shù)字化教學曾經(jīng)也是一項教育新技術，但現(xiàn)在已成為一種常規(guī)的教育方式。現(xiàn)在，VR已經(jīng)開始從教學中的邊緣技術逐漸過渡到主流技術，教育工作者應跟上技術的進步，而不應將VR視為僅僅適用于“技術教師”的一種小工具。VR是一種成熟的技術和工具，不僅在理論上可以用于教學目的，而且對實際教學有很大的作用。隨著VR成本下降、大量上市和沉浸式能力的提高，VR在教育領域的實用性將不斷增強。雖然現(xiàn)在圍繞VR開發(fā)了大量的應用程序和教學法，但該技術仍然存在一些重大問題和挑戰(zhàn)。VR應用于課堂教學仍然是一個新鮮事物，初次使用時，教師可能會觀察到學生的高度參與性和積極性，并將其視為該技術的主要好處。然而，教師不能僅僅滿足于此，更需要關注的是將VR成功地應用于教學的教學法及其體驗。如果沒有明確的教學理由和學習效果，VR很可能會成為一種消遣或娛樂的方式。

2020年的新型冠狀病毒大流行，也凸顯了全球問題對教育模式的巨大影響。在當前情況下，學生佩戴VR設備會使衛(wèi)生成為一個嚴重的問題；這可能會使在教室里使用VR耳機的概念過時。但是，VR作為遠程教育和家庭學習的工具將受到廣泛的關注。VR可能會成為后設備時代的關鍵參與者，“多樣化數(shù)字技術的使用將打破筆記本電腦、平板電腦和智能手機的主導地位”[27]。