國際虛擬教育研究的熱點(diǎn)透視及發(fā)展趨勢(shì)
——基于2015-2020年WOS核心數(shù)據(jù)庫相關(guān)文獻(xiàn)分析

陳 雨 婷，楊 剛

(1.浙江師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，浙江 金華 321004；2.溫州大學(xué) 教育學(xué)院，浙江 溫州 325300)

隨著第四次教育革命的到來，如何幫助教師與學(xué)生應(yīng)對(duì)新一輪教育背景下的機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。以虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和混合現(xiàn)實(shí)(MR)為代表的虛擬技術(shù)是變革傳統(tǒng)教育并重塑教育生機(jī)的重要著力點(diǎn)。VR是由計(jì)算機(jī)生成的具有交互性的模擬現(xiàn)實(shí)，該技術(shù)通過增加多模態(tài)的感知(如視覺、聽覺、觸覺等)路徑來促進(jìn)學(xué)習(xí)者在虛擬世界中的沉浸性。AR是在真實(shí)環(huán)境的基礎(chǔ)上，將虛擬的場(chǎng)景、對(duì)象等疊加在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，通過豐富物理世界的表征形式來增加學(xué)習(xí)者對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知。MR則是VR與AR的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)通過在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和學(xué)習(xí)者之間搭建交互式反饋的信息回路，來達(dá)到增強(qiáng)體驗(yàn)真實(shí)感的目的[1]。VR、AR和MR這三種典型的虛擬技術(shù)作為優(yōu)化現(xiàn)有課堂的有力工具，為教育領(lǐng)域帶來的應(yīng)用價(jià)值已日益凸顯，并逐漸成為世界各國推動(dòng)基礎(chǔ)教育發(fā)展的重要技術(shù)手段[2]。

2018年以來，我國教育部先后發(fā)布文件——《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》(教高函〔2018〕5號(hào))和《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》(教基〔2019〕16號(hào))，要求現(xiàn)代教育充分利用虛擬技術(shù)對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實(shí)施形式進(jìn)行改革，以拓展教學(xué)路徑并提升教學(xué)深度與廣度[3-4]?；诖?，本研究試圖通過對(duì)Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫中收錄的2015—2020年間，有關(guān)虛擬教育應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行知識(shí)圖譜分析，同時(shí)結(jié)合關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計(jì)分析來充分挖掘和探討國際虛擬教育應(yīng)用的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，為我國未來教育革新與重塑提供借鑒。

一、數(shù)據(jù)來源與研究設(shè)計(jì)

(一)數(shù)據(jù)收集與整理

研究以Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源。將檢索內(nèi)容設(shè)置為“virtual reality”，or “augmented reality”，or“mixed reality”，and“education”，時(shí)間跨度設(shè)置為2015年—2020年。同時(shí)，刪除與本主題明顯無關(guān)的文獻(xiàn)(如征稿啟事、會(huì)議通知等)，并通過精煉出版物，剔除非教育類刊物，以兼顧查準(zhǔn)率。為兼顧查全率，筆者還在Springer數(shù)據(jù)庫中輸入關(guān)鍵詞“virtual reality”，or“augmented reality”，or“mixed reality”，and“education”，時(shí)間跨度依舊為2015年—2020年，最終篩選出729篇文獻(xiàn)和1本書籍作為本研究的樣本。

(二)研究工具與方法

研究采用美國德雷塞爾大學(xué)(Drexel University)陳超美教授研發(fā)的CiteSpaceⅢ軟件對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行定量分析。具體步驟如下：新建兩個(gè)文件夾，分別命名為Data和Project，將從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以Download_xxx格式命名，并將文本文件放入Data文件夾中；將時(shí)間跨度設(shè)置為2015—2020年，間隔為1年；節(jié)點(diǎn)閾值設(shè)置為(2，2，20)。

二、知識(shí)圖譜分析結(jié)果

首先，利用CiteSpace軟件，選用節(jié)點(diǎn)類型為keyword，生成關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計(jì)圖譜(見圖1)。目前，虛擬教育應(yīng)用以學(xué)科(如科學(xué)、醫(yī)學(xué)和高等職業(yè)教育等)應(yīng)用和技術(shù)支持下的新型學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)筑為主，其節(jié)點(diǎn)分支較多，說明VR、AR和MR等與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及5G等新興技術(shù)的有機(jī)結(jié)合豐富了虛擬教育的應(yīng)用路徑。

圖1 關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計(jì)圖譜

其次，通過軟件中的“Export—network summary table”功能，輸出虛擬教育應(yīng)用研究中的高頻關(guān)鍵詞(見表1)。結(jié)合高頻關(guān)鍵詞及相關(guān)文獻(xiàn)梳理發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要體現(xiàn)在沉浸性學(xué)習(xí)研究、學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)研究以及不同學(xué)科教育的應(yīng)用研究三大類。

表1 虛擬教育應(yīng)用研究中的高頻關(guān)鍵詞

三、VR、AR和MR教育應(yīng)用研究熱點(diǎn)主題分析

(一)不斷趨向深度沉浸性學(xué)習(xí)：從V-learning和A-learning到M-learning

從virtual reality、augmented reality、mixed reality和education等高頻關(guān)鍵詞可以看出VR、AR和MR等技術(shù)支持下的沉浸性學(xué)習(xí)(immersive learning)將是未來教育的重要發(fā)展趨勢(shì)[5]。哈佛大學(xué)教育技術(shù)專家克里斯托弗·戴德(Christopher Dede)教授也曾指出，VR等技術(shù)支持下的深度沉浸性學(xué)習(xí)可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者保持更長時(shí)間的專注投入狀態(tài)[6]。通過文獻(xiàn)梳理可知，VR技術(shù)支持下的V-learning(虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí))是沉浸性學(xué)習(xí)的典型代表，而AR技術(shù)支持下的A-learning(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí))則以其虛實(shí)融合的特性，進(jìn)一步提升了學(xué)習(xí)者的沉浸性學(xué)習(xí)體驗(yàn)，MR技術(shù)支持下的M-learning(混合現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí))更是為沉浸性學(xué)習(xí)拓寬了發(fā)展路徑。圖2揭示了三種沉浸性學(xué)習(xí)之間的關(guān)系。

圖2 三種沉浸性學(xué)習(xí)之間的關(guān)系圖

V-learning是指學(xué)習(xí)者借助頭戴式顯示器(HMD)在計(jì)算機(jī)模擬生成的3D虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行學(xué)習(xí)。在手持設(shè)備的支持下，學(xué)習(xí)者能夠獲得視覺、聽覺乃至觸覺上的擬真感官體驗(yàn)(見圖3)。這種多感官參與的V-learning可以有效降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷[7]。但V-learning所導(dǎo)致的虛實(shí)分離，會(huì)阻礙師與生、生與生之間的即時(shí)交互，且由于學(xué)習(xí)過程缺乏教師的過程性引導(dǎo)，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)目標(biāo)容易變得模糊。此外，對(duì)教學(xué)過程實(shí)施有效掌控也是V-learning的一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)榻處熾y以辨別學(xué)生的學(xué)習(xí)行為是否發(fā)生[8]。

圖3 V-learning

在V-learning的基礎(chǔ)上，基于AR的A-learning可以在一定程度上彌補(bǔ)V-learning的不足，它是一種通過豐富物理對(duì)象的表征形式來實(shí)現(xiàn)沉浸性學(xué)習(xí)的方式(見圖4)。該學(xué)習(xí)方式能夠?qū)F(xiàn)實(shí)的抽象學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化為3D立體圖像、動(dòng)畫或視頻，不僅鍛煉學(xué)習(xí)者的空間思維能力，還可豐富學(xué)習(xí)者的想象力和創(chuàng)造力。與V-learning不同，A-learning主要在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行，因此在教學(xué)實(shí)施過程中，師與生、生與生之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，且教師通過觀察學(xué)習(xí)者的行為能夠把控課堂節(jié)奏。盡管A-learning在教育中具有明顯的應(yīng)用價(jià)值，但仍然有一定的局限性，如對(duì)教師或AR學(xué)習(xí)資源開發(fā)者而言，教科書或?qū)W習(xí)資料中物理對(duì)象的集成與管理過程過于繁瑣與復(fù)雜[9]。區(qū)別于VR和AR，MR是一種數(shù)字化全息影像技術(shù)，它通過將計(jì)算機(jī)虛擬模型引入和集成到現(xiàn)實(shí)世界中，來搭建虛擬與現(xiàn)實(shí)世界之間的交互式反饋回路，從而建立起虛實(shí)一體的學(xué)習(xí)空間[10](見圖5)。M-learning本質(zhì)上是一種以學(xué)習(xí)者自然感知為基礎(chǔ)的沉浸交互式學(xué)習(xí)，借助混合現(xiàn)實(shí)智能可穿戴設(shè)備，學(xué)習(xí)者可以自然地在現(xiàn)實(shí)世界中與虛擬對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)。因此，與V-learning和A-learning相比，M-learning對(duì)沉浸性學(xué)習(xí)環(huán)境提出了更高的要求。隨著5G、人工智能等新技術(shù)的不斷發(fā)展，未來，MR教育應(yīng)用研究應(yīng)著重為學(xué)習(xí)者提供更加引人入勝的學(xué)習(xí)環(huán)境。

圖4 A-learning

圖5 M-learning

(二)虛擬技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的學(xué)習(xí)環(huán)境轉(zhuǎn)型：由灌輸式學(xué)習(xí)環(huán)境到體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境

近年來，以VR、AR和MR為核心的虛擬技術(shù)改變了信息的呈現(xiàn)方式、傳遞方法和接受效率，其獨(dú)特的沉浸性和交互性改變了傳統(tǒng)單一的媒介展示方式，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)出一種在做中學(xué)、及時(shí)得到反饋、不斷提升理解并建立新知識(shí)能力的學(xué)習(xí)環(huán)境。同時(shí)，虛擬技術(shù)的優(yōu)化與升級(jí)(如“擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)”，簡(jiǎn)稱XR)使得學(xué)習(xí)環(huán)境更加智能化，為實(shí)現(xiàn)從灌輸式學(xué)習(xí)環(huán)境到體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境的轉(zhuǎn)型提供了有力支持。本文根據(jù)對(duì)高頻關(guān)鍵詞environment、interactive learning environment、design、instruction、students和performance相關(guān)文獻(xiàn)的梳理發(fā)現(xiàn)，虛擬技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的學(xué)習(xí)環(huán)境轉(zhuǎn)型具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：課堂教學(xué)設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)型、學(xué)習(xí)體驗(yàn)方式轉(zhuǎn)型和教師教學(xué)方式轉(zhuǎn)型。

1.從定型化走向情境化：優(yōu)化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)模式

定型化的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)指一種基于特定目標(biāo)，向?qū)W習(xí)者傳遞客觀知識(shí)的教學(xué)模式。在此模式下，教師不僅需要事先對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行有計(jì)劃的配置，還需預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)過程中可能出現(xiàn)的各種情況，以形成一個(gè)較為周全的教學(xué)設(shè)計(jì)框架。在這種設(shè)計(jì)框架中，學(xué)習(xí)者作為被控制的對(duì)象，借助外部條件(如教師指導(dǎo))而表現(xiàn)出理想的行為變化。這種刻板化的教學(xué)設(shè)計(jì)是基于教師自身經(jīng)驗(yàn)而建構(gòu)起來的，并不一定契合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求。而虛擬技術(shù)所提供的沉浸式學(xué)習(xí)情境，使得定型化的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)逐漸被情境化的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)所取代。后者充分考慮了學(xué)習(xí)者自身經(jīng)驗(yàn)積累對(duì)知識(shí)建構(gòu)的影響，不注重課堂的嚴(yán)密框架，主要關(guān)注特定情境下師與生、生與生之間的交互及過程性教學(xué)腳本的生成。正如學(xué)者薩爾薩貝爾(Salsabeel)等所指出的，教育不應(yīng)該是封閉定型的教師講授，而是學(xué)生集思廣益地主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，因?yàn)橹R(shí)是不斷發(fā)展的，知識(shí)本身也不應(yīng)該被嚴(yán)密的框架束縛，課堂教學(xué)設(shè)計(jì)也應(yīng)如此[11]。

2.從淺層學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí)：優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)方式

淺層學(xué)習(xí)是指以考試為目的，通過學(xué)習(xí)者對(duì)客觀知識(shí)的簡(jiǎn)單記憶來實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)的習(xí)得，并不注重知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用[12]。杜威強(qiáng)烈譴責(zé)這種僅強(qiáng)調(diào)“吸收事實(shí)和真理”的學(xué)習(xí)形式，呼吁采用體驗(yàn)學(xué)習(xí)的形式來深層塑造學(xué)習(xí)者的心智，即深度學(xué)習(xí)[13]。這種深度學(xué)習(xí)機(jī)制注重學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的主動(dòng)反思，旨在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者在復(fù)雜情境中靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來解決實(shí)際問題的能力[14]。也就是說，深度學(xué)習(xí)的最終目的是促進(jìn)知識(shí)在復(fù)雜情境中的實(shí)際運(yùn)用。虛擬技術(shù)所構(gòu)筑的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，可以豐富學(xué)習(xí)者的社會(huì)性學(xué)習(xí)經(jīng)歷，促進(jìn)其思維發(fā)展和深度學(xué)習(xí)[15]。通過體驗(yàn)參與和知識(shí)交流，不但能幫助學(xué)習(xí)者建立對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)的信心，還能幫助其不斷地進(jìn)行自我反思和調(diào)整，通過對(duì)知識(shí)的深層建構(gòu)來達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的[16]。

3.從規(guī)整劃一到個(gè)體差異：轉(zhuǎn)變教師教學(xué)方式

劃一性教學(xué)是指教師以班級(jí)平均水平為標(biāo)準(zhǔn)，選擇“一刀切”的方式向不同的學(xué)生個(gè)體教授知識(shí)。顯然，這種教學(xué)方式不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，因?yàn)閷W(xué)生之間的差異是客觀存在的。由此，研究者們將目標(biāo)指向了基于學(xué)生自身學(xué)習(xí)需求的差異性教學(xué)。顧名思義，差異性教學(xué)是指根據(jù)不同學(xué)生的認(rèn)知需求或興趣愛好，從多重視角來開展教學(xué)活動(dòng)。在傳統(tǒng)課堂中，教師“一呼百應(yīng)”的教學(xué)方式不但難以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，也難以開展關(guān)注個(gè)體差異的教學(xué)活動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)支持下的沉浸式環(huán)境，通過豐富多彩的場(chǎng)景選擇和呈現(xiàn)，可以在一定程度上契合不同學(xué)生的認(rèn)知水平及學(xué)習(xí)風(fēng)格，從而最大程度地滿足每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。例如：VR所構(gòu)建出的多樣化的教學(xué)用具或耗材(實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材等)，使得學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求來進(jìn)行工具選擇；在AR技術(shù)的支持下，物理對(duì)象能以三維立體的形態(tài)呈現(xiàn)，學(xué)生通過切換視角即可以進(jìn)行更細(xì)致的觀察。

(三)重塑與發(fā)展：虛擬技術(shù)在教育中的應(yīng)用

從表1中的education、medical education、surgery、gross anatomy education、higher education、science、science education、engineering education等高頻關(guān)鍵詞可以看出，VR、AR和MR等虛擬技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用是當(dāng)前教育領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。該組詞語的中心性偏高，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的文獻(xiàn)出現(xiàn)較早，說明圍繞VR、AR和MR等在教育領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)形成了比較穩(wěn)定的研究群體。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，目前VR、AR和MR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要聚焦于醫(yī)學(xué)教育、科學(xué)教育以及高等職業(yè)教育領(lǐng)域。

1.聚焦醫(yī)學(xué)教育的應(yīng)用研究

據(jù)調(diào)查，目前，記憶式學(xué)習(xí)仍然是醫(yī)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的主流，但這種學(xué)習(xí)方式不僅難以支持醫(yī)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的意義建構(gòu)，還容易導(dǎo)致學(xué)習(xí)倦怠感的產(chǎn)生[17]。為減少記憶式學(xué)習(xí)所帶來的不利影響，有研究者通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了VR促進(jìn)學(xué)生對(duì)三羧酸循環(huán)(TCA)周期這一知識(shí)點(diǎn)理解的有效性。研究結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的長期記憶和短期記憶得分均顯著高于對(duì)照組學(xué)生，這表明VR是改善學(xué)習(xí)者復(fù)雜知識(shí)記憶的有效工具。該研究者還指出，VR技術(shù)存在很大的優(yōu)化空間，長時(shí)間觀察虛擬畫面不但會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)者的眼睛造成傷害且容易誘發(fā)暈動(dòng)癥，不過隨著AR和MR技術(shù)的出現(xiàn)，有望通過技術(shù)的優(yōu)化與融合來克服這些問題，并進(jìn)一步擴(kuò)大VR在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的影響[18]。虛擬技術(shù)與醫(yī)學(xué)教育的有機(jī)融合還將有效提升醫(yī)學(xué)生的手術(shù)技能，如坎普維斯(Kamphuis)等研究者開發(fā)的一款可用于大學(xué)解剖學(xué)技能培訓(xùn)的AR系統(tǒng)[19]。該系統(tǒng)的屏幕上裝有攝像機(jī)，當(dāng)人站在屏幕前時(shí)，人像將顯示在電視屏幕上(如圖6所示)，匿名CT數(shù)據(jù)集的一部分會(huì)擴(kuò)展至用戶的身體，與人像一同顯示在屏幕上，這為受訓(xùn)者提供了一種可以看到病人身體內(nèi)部器官或骨骼的視覺表象，學(xué)習(xí)者可以利用手柄、手套等在該系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)的手術(shù)操作(如解剖、縫合等)。該系統(tǒng)所提供的擬真化手術(shù)體驗(yàn)，能在一定程度上促進(jìn)醫(yī)學(xué)生手術(shù)技能的習(xí)得。就醫(yī)學(xué)教育而言，準(zhǔn)確而即時(shí)的學(xué)習(xí)反饋對(duì)改善醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)效果有著重要作用。而以大規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試為學(xué)習(xí)反饋的方式不僅具有強(qiáng)滯后性，同時(shí)也無法為醫(yī)學(xué)生帶來高水平的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。更有研究表明，為應(yīng)對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)化考試，教師會(huì)局限于教學(xué)目標(biāo)，縮小課程教學(xué)范圍，而這將對(duì)整體醫(yī)學(xué)教育水平造成不利影響[20]。虛擬技術(shù)支持下的學(xué)習(xí)反饋機(jī)制，能夠在一定程度上彌補(bǔ)常規(guī)紙質(zhì)學(xué)習(xí)反饋的滯后性和單一性。斯特蘭德比加德(Strandbygaard)等學(xué)者檢驗(yàn)了腹腔鏡手術(shù)反饋系統(tǒng)所提供的即時(shí)性反饋對(duì)醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響[21]。該系統(tǒng)設(shè)有11個(gè)能夠自動(dòng)反饋的變量(如失血量、卵巢損傷程度等)，醫(yī)學(xué)生在手術(shù)過程中，可以根據(jù)即時(shí)的反饋信息來對(duì)手術(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整(見圖7)。

圖6 基于“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)”的腹腔鏡培訓(xùn)系統(tǒng)

圖7 基于“虛擬模擬器”的腹腔鏡手術(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

2.聚焦科學(xué)教育的應(yīng)用研究

科學(xué)教育的難點(diǎn)之一在于該學(xué)科具有許多抽象的科學(xué)概念、原理和公式(如代謝、升華等名詞以及水的電解過程等)。由于缺乏對(duì)此類抽象概念、原理或公式形成過程的可視化感知，學(xué)習(xí)者容易混淆和遺忘已學(xué)過的知識(shí)，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下。為了提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效能，庫洛德(Khulood)等人探究了VR對(duì)沙特阿拉伯中學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的影響[22]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VR支持下的科學(xué)學(xué)習(xí)不僅可以有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的名稱及功能(如酒精燈、試管等)的區(qū)分，同時(shí)，VR還支持學(xué)生進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，因而也在一定程度上解決了中學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)所需資源不足的問題?？茖W(xué)教育的難點(diǎn)之二在于學(xué)生對(duì)生物DNA結(jié)構(gòu)、化學(xué)分子結(jié)構(gòu)以及物理運(yùn)動(dòng)等三維復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的理解。有研究者探究了VR支持學(xué)生理解動(dòng)態(tài)空間關(guān)系的有效性，結(jié)果表明，直觀的空間結(jié)構(gòu)觀察有助于學(xué)生對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的理解[23]。科學(xué)教育的難點(diǎn)之三在于探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在現(xiàn)實(shí)課堂中，出于安全性和成本考慮，大部分實(shí)驗(yàn)以書本知識(shí)教學(xué)和視頻教學(xué)為主，但這種教學(xué)方式與探究性科學(xué)教育的理念相悖。美國加州的Infinite Z公司所開發(fā)的一款名為Zspace的3D顯示屏為支持探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的契機(jī)。學(xué)生通過佩戴非追蹤眼鏡并配備觸控筆，可以隔空控制屏幕上的虛擬物體。該產(chǎn)品深度融合了AR和VR，可以在確保安全的情況下為學(xué)生提供探究性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，對(duì)提升學(xué)生的科學(xué)探究能力具有重要價(jià)值。

3.聚焦高等職業(yè)教育的應(yīng)用研究

高等職業(yè)教育旨在培養(yǎng)具有一定實(shí)踐能力、能夠適應(yīng)并促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的高級(jí)專門人才，因此，高等職業(yè)教育除了向?qū)W生教授課堂理論知識(shí)以外，還需培養(yǎng)學(xué)生良好的工作技能。但大量企業(yè)在招聘應(yīng)屆畢業(yè)生時(shí)發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生缺乏良好的工作技能，對(duì)自己的職業(yè)規(guī)劃也沒有清晰的認(rèn)知，更沒有意識(shí)到自身的價(jià)值。這充分說明，高等職業(yè)教育人才供給與社會(huì)人才需求之間存在脫節(jié)現(xiàn)象。近年來，不少研究者嘗試將虛擬技術(shù)整合到高等職業(yè)教育中，以平衡高校與社會(huì)的人才供需。如張鵬順等開發(fā)了VR導(dǎo)游培訓(xùn)系統(tǒng)[24]，以提升導(dǎo)游專業(yè)學(xué)生的工作技能。該系統(tǒng)共分為3個(gè)區(qū)域，分別是數(shù)字互動(dòng)教學(xué)區(qū)、微實(shí)踐訓(xùn)練區(qū)和教師控制區(qū)。數(shù)字互動(dòng)教學(xué)區(qū)主要由文本、視頻和語音等組成，該區(qū)域分別從視覺、聽覺雙通道呈現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)，能夠有效降低由于記憶容量有限而導(dǎo)致的認(rèn)知負(fù)荷；微實(shí)踐訓(xùn)練區(qū)由虛擬場(chǎng)景和虛擬游客構(gòu)成，可鍛煉學(xué)生的導(dǎo)游技能；在教師控制區(qū)，教師或?qū)熌軌蛴^察并記錄學(xué)習(xí)者的培訓(xùn)結(jié)果。該系統(tǒng)提供了從知識(shí)學(xué)習(xí)到技能培訓(xùn)再到教師指導(dǎo)的完整流程，增強(qiáng)了知識(shí)的運(yùn)用性。為發(fā)展大學(xué)生的協(xié)作能力，學(xué)者加德納(Gardner)與其團(tuán)隊(duì)在2017年開發(fā)的名為MiRTLE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)設(shè)出了一個(gè)在線的MR教室[25](見圖8)。該在線課程的主要目的是支持學(xué)生在線課堂協(xié)作能力的發(fā)展，研究對(duì)象為美國明尼蘇達(dá)州圣保羅學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系的600名學(xué)生。研究歷時(shí)6年，結(jié)果顯示，MR在線教學(xué)環(huán)境可以促進(jìn)學(xué)生協(xié)作能力的發(fā)展。此外，有研究者認(rèn)為，VR通過發(fā)展學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)遷移能力，可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維的發(fā)展。如霍奇森(Hodgson)等研究者開發(fā)的VR施工系統(tǒng)[26](見圖9)，即為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)無風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過該系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)施的有效性，發(fā)現(xiàn)所需材料的物流輸送問題、施工時(shí)可能遇到的技術(shù)壁壘以及安全問題等，從而設(shè)計(jì)出更加可行的工程實(shí)施方案。

圖8 Mixed Reality在線教室

圖9 Virtual Reality施工系統(tǒng)

四、虛擬教育應(yīng)用研究發(fā)展趨勢(shì)

(一)整合5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，提升虛擬沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)感

沉浸式學(xué)習(xí)(immersive learning)是指由一個(gè)或多個(gè)中介組成的環(huán)境通過喚起學(xué)習(xí)者的存在感來調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的一種學(xué)習(xí)活動(dòng)，容易受到學(xué)習(xí)者所處情境以及媒介等因素的影響[27]。其中，沉浸式學(xué)習(xí)可以分為三個(gè)層次：信息沉浸式學(xué)習(xí)、感官沉浸式學(xué)習(xí)和心流沉浸式學(xué)習(xí)。信息的沉浸是沉浸式學(xué)習(xí)的最初階段，主要指學(xué)習(xí)者沉浸在能夠關(guān)注到的信息當(dāng)中，屬于信息收集層面的沉浸；感官的沉浸是沉浸式學(xué)習(xí)的第二個(gè)層次，主要指學(xué)習(xí)者能夠通過感官來切身地感受到所處的虛擬世界，屬于器官或者感官層面的沉浸；而心流沉浸作為沉浸式學(xué)習(xí)的最高級(jí)層次，主要指學(xué)習(xí)者對(duì)虛擬世界的高度沉浸，即學(xué)習(xí)者身上每一個(gè)接受信息的受體都一致認(rèn)為其所處的環(huán)境是真實(shí)的，屬于大腦層面的沉浸。近年來，我國虛擬技術(shù)得到快速發(fā)展，各方面性能也逐步完善，但在支持學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)方面，仍然存在一些關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)與突破問題。這些問題主要可以概括為3個(gè)方面。(1)學(xué)生體驗(yàn)時(shí)的眩暈感亟須緩解。目前市面上投入使用的VR或AR設(shè)備都存在導(dǎo)致學(xué)生眩暈的問題，這與虛擬畫面過度的時(shí)延性有關(guān)。時(shí)延性越低的虛擬設(shè)備，越能夠減輕學(xué)生的眩暈感。(2)學(xué)生體驗(yàn)時(shí)的臨場(chǎng)感有待增強(qiáng)。當(dāng)前的虛擬系統(tǒng)以提供學(xué)生個(gè)人的沉浸式體驗(yàn)為主，暫時(shí)還無法實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)超多用戶實(shí)時(shí)參與體驗(yàn)。(3)學(xué)生對(duì)場(chǎng)景的多元化需求有待滿足。目前，虛擬場(chǎng)景仍以預(yù)設(shè)為主，暫時(shí)無法滿足學(xué)生日趨多樣化的學(xué)習(xí)需求[28]。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，這些問題將在一定程度上得到解決，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是5G技術(shù)在原有通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，納入了大規(guī)模天線陣列、全頻譜接入、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等技術(shù)，使其能夠提供比原有通信網(wǎng)絡(luò)快10倍以上的毫秒級(jí)延遲，這種低時(shí)延性將降低由于畫面延時(shí)而導(dǎo)致的眩暈感，為學(xué)習(xí)者帶來更加身臨其境的感知體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者更高層次的沉浸式學(xué)習(xí)；二是5G技術(shù)的超大帶寬擴(kuò)大了虛擬沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的緩存容量，可以實(shí)現(xiàn)多用戶實(shí)時(shí)參與體驗(yàn)，并為學(xué)習(xí)者提供無縫式的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的臨場(chǎng)感；三是5G的高速率數(shù)據(jù)傳輸能夠滿足多樣化場(chǎng)景的極端差異化性能需求，不但有助于構(gòu)建具有高度沉浸性的學(xué)習(xí)環(huán)境，還有助于生成智能化的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，滿足學(xué)習(xí)者日趨多樣化的學(xué)習(xí)需求，進(jìn)而解決差異性學(xué)習(xí)的問題。

(二)搭建虛擬全納教育社區(qū)，促進(jìn)特殊學(xué)生的社會(huì)性發(fā)展

近年來，如何有效促進(jìn)特殊學(xué)生的社會(huì)性發(fā)展成為新一輪教育革命背景下亟待解決的一大問題。全納教育是促進(jìn)特殊學(xué)生融入主流教育與社會(huì)體系，促進(jìn)其社會(huì)技能發(fā)展的有效方法。就我國而言，隨班就讀政策是發(fā)展和普及全納教育的主要形式，但自該政策實(shí)施以來，提高入學(xué)率成為各地特殊教育實(shí)踐的首要目標(biāo)，特殊學(xué)生在普通學(xué)校中的學(xué)習(xí)質(zhì)量卻長期得不到重視[29]。這說明將特殊學(xué)生納入普通學(xué)校就讀仍然存在諸多問題，因?yàn)橐话愕闹髁鹘逃w系所采用的相關(guān)教育制度以及實(shí)施的教學(xué)實(shí)踐和課堂教學(xué)方式都是針對(duì)普通學(xué)生而設(shè)立的，并不適用于特殊學(xué)生，這也是全納教育大背景下特殊學(xué)生容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)邊緣化的重要原因。因此，為了有效促進(jìn)特殊學(xué)生的社會(huì)性發(fā)展，傳統(tǒng)的全納教育需要由單純的“場(chǎng)所全納性”向“教育全納性”轉(zhuǎn)型，開發(fā)更具包容性、公平性和同理性的數(shù)字化學(xué)習(xí)社區(qū)。虛擬技術(shù)支持下的全納教育社區(qū)(Virtual Inclusive Education Community，VIEC)就具有這些特點(diǎn)。該社區(qū)是指由有一定共同學(xué)習(xí)興趣或愛好的學(xué)習(xí)者和助學(xué)者組成的特定網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間或?qū)W習(xí)共同體[30]。有學(xué)者認(rèn)為，特殊學(xué)生在虛擬全納教育社區(qū)中通過角色轉(zhuǎn)變，可以暫時(shí)擺脫現(xiàn)實(shí)世界中由于不當(dāng)行為或生理、心理缺陷給同伴或教師帶來的“刻板印象”，能夠在一定程度上克服膽怯心理[31]。因此，這種技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的虛擬全納教育社區(qū)使得學(xué)習(xí)者具有更強(qiáng)的互動(dòng)感和體驗(yàn)感，對(duì)特殊學(xué)生來說，這種更具包容性和公平性的學(xué)習(xí)社區(qū)能夠有效促進(jìn)他們的社會(huì)性發(fā)展。

(三)創(chuàng)設(shè)數(shù)字孿生課堂，構(gòu)建虛實(shí)共生的無縫式融合學(xué)習(xí)空間

隨著學(xué)習(xí)型社會(huì)的到來，知識(shí)更新?lián)Q代的速度逐漸加快，以學(xué)校為中心的傳統(tǒng)課堂已無法滿足學(xué)習(xí)者日益增長的學(xué)習(xí)需求。因此，如何創(chuàng)設(shè)一個(gè)不受特定地點(diǎn)或時(shí)間制約的無縫式融合學(xué)習(xí)空間，成為當(dāng)下研究者需要思考的一個(gè)重要議題。無縫式融合學(xué)習(xí)空間也被稱作無所不在的學(xué)習(xí)空間，旨在利用現(xiàn)代化技術(shù)或設(shè)備為學(xué)習(xí)者提供一種智能化、不受時(shí)間和空間限制的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過梳理國內(nèi)學(xué)習(xí)空間的相關(guān)研究可以看出，目前有關(guān)學(xué)習(xí)空間的設(shè)計(jì)和建設(shè)已經(jīng)打破傳統(tǒng)物理學(xué)習(xí)空間的限制，開始更加關(guān)注學(xué)習(xí)者的多樣化學(xué)習(xí)需求，并逐漸向虛實(shí)結(jié)合的無縫式融合學(xué)習(xí)空間轉(zhuǎn)型[32]。虛擬技術(shù)通過支持?jǐn)?shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)時(shí)互聯(lián)、互通，構(gòu)建起數(shù)字孿生(Digital Twins，DT)課堂以支持無縫式融合學(xué)習(xí)空間的創(chuàng)設(shè)。所謂“數(shù)字孿生課堂”，是指一種由人、事、物構(gòu)成的復(fù)雜課堂系統(tǒng)的數(shù)字拷貝，通過準(zhǔn)確模擬課堂的基本運(yùn)營模式，可以實(shí)現(xiàn)智慧化的課堂管理[33]。同時(shí)，它還具有虛實(shí)共生、高虛擬仿真和高實(shí)時(shí)交互等特點(diǎn)，這些特性能夠彌合物理空間和虛擬空間之間的鴻溝，為學(xué)習(xí)者帶來更加真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。簡(jiǎn)單來說，數(shù)字孿生課堂就是利用數(shù)據(jù)可視化的方式來管理更為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，它可以通過虛擬對(duì)象來表征實(shí)體，通過為學(xué)習(xí)者提供更加個(gè)性化的學(xué)習(xí)支持，來進(jìn)一步增強(qiáng)并拓展學(xué)習(xí)者對(duì)虛實(shí)融合課堂的資源感知能力以及問題解決能力和批判性思維能力，從而為學(xué)習(xí)者提供更加高效、實(shí)時(shí)和智能化的課堂服務(wù)。顯然，這種基于虛擬技術(shù)的數(shù)字孿生課堂更加適用于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，因?yàn)閷W(xué)習(xí)者通過對(duì)孿生對(duì)象的了解和觀察，可以更加清晰地明確自己的學(xué)習(xí)問題、進(jìn)程及目標(biāo)，有利于通過“對(duì)癥下藥”來優(yōu)化自己的泛在學(xué)習(xí)內(nèi)容與方式，使定制化和情境化的泛在學(xué)習(xí)成為可能。

(四)打造虛實(shí)融合的智慧教師，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)

之所以倡導(dǎo)個(gè)性化學(xué)習(xí)，是因?yàn)閷W(xué)生具有不同的先驗(yàn)知識(shí)水平和不同的學(xué)習(xí)方式與需求。盡管個(gè)性化學(xué)習(xí)理念被眾多教育工作者借鑒和參考，但當(dāng)前我國教師工作依舊繁重且復(fù)雜，除了需要完成日常的課程教授與班級(jí)管理工作以外，教師還需完成家長反饋、作業(yè)批改等智力投入較低且重復(fù)性較強(qiáng)的工作[34]。重復(fù)性工作占據(jù)了教師大量的時(shí)間與精力，導(dǎo)致教師更加難于關(guān)注到學(xué)生個(gè)體的個(gè)性化差異與學(xué)習(xí)需求，最終使得大班制教學(xué)中的個(gè)性化學(xué)習(xí)浮于表面，甚至引發(fā)學(xué)生個(gè)體關(guān)注缺失問題[35]。因此未來，我國教育應(yīng)當(dāng)思考如何將人類教師從“傳道、授業(yè)、解惑”的傳統(tǒng)教學(xué)中解放出來，從“教的專家”變?yōu)椤皩W(xué)的專家”，同時(shí)借助虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能技術(shù)等現(xiàn)代教育技術(shù)，打造虛實(shí)融合的智慧型教師，以進(jìn)一步推動(dòng)有助于學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。智慧型教師由虛擬教師和現(xiàn)實(shí)教師共同構(gòu)成，其中虛擬教師的價(jià)值主要體現(xiàn)于：(1)人工智能技術(shù)支持下的虛擬智能教師可以幫助人類教師處理傳統(tǒng)教育中的高重復(fù)性工作，從而減輕人類教師的工作負(fù)荷；(2)虛擬智能教師通過突破人類教師的有效記憶容量來降低知識(shí)的錯(cuò)誤率，并通過一對(duì)一個(gè)性化輔導(dǎo)來有效拓展學(xué)習(xí)者的知識(shí)面，以解決大班制教學(xué)中個(gè)體關(guān)注不足的問題。人類教師則主要承擔(dān)以下工作：(1)利用相應(yīng)的技術(shù)工具在已有教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與創(chuàng)新，設(shè)置跨學(xué)科融合、包容性更強(qiáng)的立體化課程；(2)承擔(dān)更為精細(xì)和復(fù)雜的個(gè)性化輔導(dǎo)或教學(xué)工作(如心理輔導(dǎo)、情感陪護(hù)、個(gè)性化學(xué)習(xí)規(guī)劃等)，以降低問題學(xué)生的比例，同時(shí)更加深入地挖掘?qū)W生的個(gè)人潛質(zhì)?？偠灾搶?shí)融合的智慧教師不僅為學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)提供了可能，而且更有可能實(shí)施精準(zhǔn)教學(xué)，幫助學(xué)生即時(shí)解決學(xué)習(xí)上的困難。

(五)加速區(qū)塊鏈與虛擬現(xiàn)實(shí)的深度融合，形成智能教育新生態(tài)

在傳統(tǒng)教育中，學(xué)校一直是學(xué)生進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所，因而逐漸形成了以學(xué)校為中心的傳統(tǒng)教育模式。但顯然，傳統(tǒng)教育囿于地域、資源和時(shí)間的限制，已經(jīng)無法滿足當(dāng)代學(xué)習(xí)者日益增長和個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。以去中心性、開放性和高信任性為核心特征的區(qū)塊鏈技術(shù)可以優(yōu)化傳統(tǒng)教育，實(shí)現(xiàn)教育資源分布更加均衡、教育時(shí)間和地點(diǎn)更加開放的分布式學(xué)習(xí)[36]。然而，僅有區(qū)塊鏈技術(shù)所形成的分布式學(xué)習(xí)空間無法為學(xué)習(xí)者提供真實(shí)的學(xué)習(xí)參與感，而真實(shí)參與感的缺失將無法促進(jìn)學(xué)習(xí)者保持較高的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)助力現(xiàn)代教育發(fā)展還需思考如何保持學(xué)生的學(xué)習(xí)參與感。虛擬技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)的深度融合有望較好解決這一問題。兩者的結(jié)合將建立起一個(gè)可實(shí)時(shí)交互的虛擬分布式學(xué)習(xí)空間，進(jìn)而形成新的智能教育生態(tài)(見圖10)。具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。(1)形成教育資源新生態(tài)，實(shí)現(xiàn)教育資源共享化。虛擬分布式學(xué)習(xí)空間的建立將有效打破各個(gè)教育機(jī)構(gòu)或?qū)W校之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)跨機(jī)構(gòu)、跨學(xué)校和跨地區(qū)的教育資源共享，突破傳統(tǒng)的地域教育資源壟斷限制，進(jìn)而在一定程度上緩解教育資源分配不均的問題。(2)形成學(xué)習(xí)同伴新生態(tài)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)同伴多樣化。虛擬分布式學(xué)習(xí)空間通過整合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將來自不同地區(qū)、不同國家、不同城市的學(xué)習(xí)者聚集在一起，使學(xué)習(xí)者能夠體驗(yàn)到不同地域之間的教育文化差異。同時(shí)，與虛擬同伴之間的實(shí)時(shí)交互，也能夠有效激發(fā)學(xué)習(xí)者的參與感。(3)學(xué)習(xí)記錄新生態(tài)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)記錄透明化。虛擬分布式學(xué)習(xí)空間能夠同時(shí)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)成績，并將這些數(shù)據(jù)保留在云端區(qū)塊鏈公共數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，由于每一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換都需通過數(shù)字簽名技術(shù)的驗(yàn)證，因而這種學(xué)習(xí)記錄方式能夠保證數(shù)據(jù)的高度真實(shí)性。

圖10 智能教育新生態(tài)