虚拟现实重塑在线教育:学习资源、教学组织与系统平台

时间:2020-12-18

来源:中国电化教育

面对二维网络技术支撑的在线教育步入稳定期出现天花板效应的问题,虚拟现实技术作为创新突变奇点将成为占领未来在线教育制高点的支撑技术。该文首先追溯了在线教育的发展现状与趋势,继而从虚拟现实引发在线人机交互的代际变革、实现在线虚拟认知的具身模式和重新定义在线学习发生空间等角度全面论述了虚拟现实重塑在线教育的可行性。然后提出了虚拟现实重塑在线教育的整体方案:重塑在线学习资源结构,将学习内容、学习活动和学习环境融为一体,形成多个类别的资源类型;重塑在线教学组织模式,实现分布式虚拟现实在线教学、虚拟演播室多点同步在线教学和虚拟现实在线仿真实验教学;重塑在线系统平台架构,包括融合虚拟现实的在线课程系统、融合虚拟现实的移动学习系统和融合虚拟现实的游戏化学习系统。

关键词:虚拟现实;在线教育;学习资源;教学组织;系统平台

2020年春,新型冠状病毒疫情导致各级各类学校延期开学,在线教育承担起了史无前例的全学段“停课不停教、停课不停学”重任。在这场“抗疫情、保教学”的战斗中,各类网络教学平台、课程直播平台、视频会议系统纷纷亮相,以不同的应用模式支撑了在线教学活动的开展。看到在线教学取得令人欣慰成绩的同时,我们也需进一步思考:在线教学解决了基本的教学需求之后,还能不能实现同面对面教学同样甚至更优的教学效果?目前,基于二维网络技术的在线教育似乎进入了技术瓶颈期,而能够提供三维沉浸式情景的虚拟现实技术则可以重塑在线教育。

 

虚拟现实何以重塑在线教育

虚拟现实重塑在线教育:学习资源、教学组织与系统平台

(一)在线教育发展现状与趋势

远程教育基于通讯技术发端于针对未能接受学校教育的个人或群体提供的非面对面教育服务。在线教育即第三代的现代远程教育[1],琳达·哈拉西姆根据在线教育模式出现的历史顺序,提出当前共存的三种在线教育模式,即在线协作学习(20世纪80年代至今)、在线远程教育(20世纪90年代至今)和在线慕课(21世纪以来)[2]。基于技术视角追溯在线教育包括三个发展阶段,即规模化培养、单向传播的早期阶段(多媒体技术、Web1.0技术、视听技术等),个性化学习、双向交互的当前阶段(Web2.0技术、云计算、大数据等),体验化学习、智能化学习的可期未来(VR技术、物联网、人工智能等)[3]。

世界未来协会2014年曾预测,随着趣悦性学习和社交网络的推进,正式学习和偶发学习的界限将越来越弱[4],在线教育呈现出面向大众化终身学习、助力智慧教育发展、实现全学段贯通三种发展取向。由于二维网络技术支撑的在线教育形态已然步入发展的瓶颈期,因此寻找下一个创新突变奇点推动在线教育转段升级成为占领未来教育制高点的关键所在。殷宝媛等研究了在线教育自组织系统的科学原理与趋势[5],费少梅等构建了后MOOC时期SCH-SPOC在线教育新模式[6],那么在线教育是否已经摆脱了将线下教育“搬到”线上来的操作模式,慕课是否可以逃脱熊彼得关于远程教育发展命运的二十年循环预言,这要看我们能否把握技术变革周期,能否创设打破传统教学空间镜像和二维空间局限的新一代在线空间。以脑科学为代表深层次揭示学习内在机制的具身认知取向,融合人工智能的虚拟现实技术环境和方法,重新定义了教与学发生的空间场域,能够跨越时空分离障碍,同时又能超越面对面真实时空局限,是在线教育实现转段升级的创新奇点。

 

(二)虚拟现实重塑在线教育可行性

2020年3月,美国高校教育信息化协会发布《2020 EDUCAUSE地平线报告:教学与学习版》,将XR(AR、VR、MR、HAPTIC)作为新兴技术和实践,并预测应用于远程学习者将成为未来发展趋势[7]。赵一鸣等对于虚拟现实教育应用研究聚类出了九大主题,关键词“远程(Remote)”位列九大主题之一[8]。虚拟现实已经发展为4I特征,即沉浸感、交互性、构想性和智能化[9],有利于网络教学系统中缩小师生间的交互影响距离[10],在深层次融合人的认知世界与感知世界,成为实现在线信息技术与教学内容无缝交融的理想技术形态。虚拟现实融合在线教育是现代远程教育发展的再次飞跃,能够实现多终端三维沉浸感知环境的多通道体验式交互,从根本上变革了远程教育的学习场域和教学方式。

 

1.虚拟现实引发在线人机交互的代际变革。 

基于虚拟现实、增强现实等技术,通过语音、体验、手势等多通道交互实现仿真体验交互,提供给在线学习用户仿真现实又超越现实的多感知交互体验,例如动作捕捉、基于手柄的触觉反馈、眼球追踪、手势跟踪以及方向追踪等。未来的人机在线交互将是“交互人”(能和计算机自然交互的人类)和“智能机”(具有人的意图表达和感知能力)之间的交互。

2.虚拟现实支撑在线虚拟认知的具身模式。 

具身认知被认为是与认知主义、联结主义并列的新型认知范式,成为第二代认知科学的核心观念之一[11]。典型的具身学习环境包括感知增强、相称姿态动作和身体参与运动三类,融合体感技术的虚拟现实环境,可以创设学习者完全沉浸的具身学习场景,打造身体、认知和环境高度融合的具身学习系统,例如哥伦比亚大学搭建的虚拟现实力学教学体验空间[12]。虚拟现实提供给在线学习者一种“在场”认知的空间环境:既让学习者投入到在场状态的参与准备,又让学习者真实体验在场行动的学习过程。虚拟现实技术变革在线学习的创新点在于将技术中介透明化,同学习者的身心认知融为一体,真正实现了心灵、身体与环境的无缝衔接。

3.虚拟现实重新定义在线学习发生的空间。

智慧教育驱动学习空间由物化形态到智能形态、由异化到进化、由继承到转型的转变[13]。学习空间研究关注学习者个性化学习诉求,融多样化交互、知识共享、学习体验于一体,聚焦于空间的设计开发与教学应用研究。当前研究存在的主要问题包括认知缺乏共识、活跃性和智能性不足、纽带地位不显著等[14]。虚拟现实技术引入学习空间将会大大增强学习者在线学习体验的空间依赖感、依恋感和认同感,例如靳琰等基于Virtools开发了融合虚拟现实的大学英语虚拟学习空间[15],褚乐阳等基于数字孪生技术融合虚拟现实构建了虚实共生的智慧学习空间,建构在线教师数字孪生体,打造全息创新孪生学习课堂空间[16]。虚拟现实技术实现“认知-身体-环境”深度融合,将开创在线学习空间建设的新方向。

 

基于虚拟现实的在线学习资源

虚拟现实重塑在线教育:学习资源、教学组织与系统平台

(一)虚拟现实在线学习资源的结构

融合虚拟现实场景的在线学习资源已经超出了传统资源界定的范畴,学习资源单纯的学习对象属性消解于具身认知空间中,在线学习资源的学习场域特征得到彰显。“V-Learning”导向的两种资源体验学习方式包括:一是第一人称视角,学习者成为空间场域中的真实参与者,进行主体参与体验式学习;二是第三称人称视角,学习者成为空间场域中的旁观者,进行跟随观摩式学习。资源的场域特征使学习者在情境学习过程中实现知识掌握、技能习得与学习迁移。虚拟现实在线学习资源结构如图1所示,虚拟现实在线学习资源整合学习内容、学习环境与学习活动,将内容具身认知、多感知情境与多通道交互融为一体。

1.立体动态的全息探究内容。

学习内容具体表现为由思维的抽象符号到具身操控过程转变:一是三维可视化具体知识点,目标知识点以立体的逼真形态展示,学习者可以360度旋转、任意缩放知识对象,可以拆装知识对象,探索对象完整细致的组成结构;二是动态演示抽象概念的内在逻辑,科学分解概念组成部分,厘清概念组成各部分相互作用方式,开发作用对象模型与相互作用空间表现映射形态,动态展现抽象概念思维外在显示过程;三是科学探究学科原理的发生机制,将学科原理揭示的客观世界规律用探索学习的方式,在不断试误中发现问题、分析问题、解决问题,体验科学原理的完整发现过程和运行机理;四是容差重复操作技能的模拟训练,学习者能够完全沉浸于技能训练情境,即使颠倒顺序、差错操作,也可以显示对应结果又能规避风险,即使重复多次操作,也可以复位如初节约成本提高效率。

2.虚实融合的再造仿真环境。

虚拟现实环境本质上是基于虚实融合的二次创造,目前为了解决技术发展过程中沉浸感知处理的瓶颈问题,开始聚焦关注混合现实、介导现实、融合现实等虚实融合新模式。具体来说,该学习环境可以作如下阐释:一是依托虚拟构想场景表现真实知识内核,虚拟现实表现的知识是客观、科学的真实知识,同时表现的形式或场景却可以是多模态的;二是基于虚拟交互反馈产生真实感官反应,学习者在虚拟场景中有多种虚拟交互形式,虚拟交互的效果却可以通过视觉、听觉或触觉等真实地反馈给学习者;三是基于全景精细刻画超越真实感官极限,虚拟场景可以表现从微观到宏观的全息镜像,让学习者产生超现实的沉浸感官体验;四是现实主导或虚拟主导的交融情境创生,现实主导即将虚拟镜像融入现实环境,实现真实环境的场景再造,虚拟主导即将现实对象融入虚拟环境,实现更为逼真的虚拟场景再造。

3.身心合一的交互体验活动。

基于虚实融合的再造环境,学习者将身体剥离入重塑的第二身份,完成由现实学习者向“虚拟学习者”的转变,该学习活动的显著特征包括:一是多模态“真实”活动情境,活动情境可以仿真真实活动过程、对于活动过程进行加工再造,此外根据学习者需求可以预设多种类型活动情境供学习者选择;二是多触发自我效能感,活动过程可以设置多种反馈方式,增强学习者的学习动机,同学习者形成良性互动;三是深度逻辑思维证伪,基于演绎思维逻辑,学习者可以设计多种不同的活动形式,多次进入活动,多角度审视概念或原理的普适性。由此,学习者沉浸于虚拟现实场景实现身心交融的学习活动,表现为带给学习者身心合一的深度心理体验,例如“心流体验”,即学习者在虚拟现实沉浸活动过程中实现的完全忘我、投入、专心的状态;“移情感受”,即学习者再次认同自我虚拟化身的新身份,将情感完全映射到学习活动场景中,获得感同身受的心理体验。

 

(二)虚拟现实在线学习资源的种类

虚拟现实在线学习资源扩展了资源作为学习对象的内涵和外延,建构集具身、体验、心流、移情等于一体的知行合一场景,将学习内容、学习环境与学习活动融为一体,既是对于传统在线资源的优化创新,又创生出了在线学习资源的新形态。虚拟现实在线学习资源主要包括以下类别:

1. 虚拟现实微课

微课诞生以来,在数量、质量、应用等方面不断提升,但并未从学习形态方面发生根本性变革。虚拟现实融入微课设计开发,可以从根本上重构知识点的表征呈现、情节叙事与情境创设。虚拟现实微课包括两种类型:

一是单知识点VR微课。此类微课在教学容量、内容安排、目标设置等方面沿用传统微课的基本要求。根据学习者与微课的互动情况,可以分为观摩型微课与交互式微课。观摩型微课制作过程包括:(1)基于3DMax、Maya、SoftImage等建模工具对于知识点涉及到的物体对象进行三维立体建模;(2合理设置基于机械传感器法和图形识别法的摄像机追踪操控;(3)处理运动场景和背景图像进行背景合成;(4)运用抠像技术提取前景所需图像,并且同虚拟三维背景进行深入融合。交互式微课制作过程包括:(1)利用3D摄像机录制微课讲授视频;(2)运用图形处理软件处理采集的图像信息;(3)基于3D建模工具进行知识点对象建模;(4)利用视频编辑工具处理视频信息,并将视频信息与图像进行合成;(5运用Unity3D等开发工具进行综合集成,形成交互式微课[17]。

二是多知识点VR微课。此类微课基于知识点之间的相互联系,设计完整的虚拟现实场景脚本,开发包含多个知识点的长版微课,学习者根据学习过程有限选择所要学习的知识点进行学习。多知识点微课的制作过程包括:(1)多知识点串联的教学设计,确定微课系统的学习目标、学习活动、知识点关联形式、评价方式;(2)根据单知识点微课制作步骤,在分析每个知识点各自特征和关联特征的基础上,对于每个知识点进行微课制作;(3)利用虚拟现实开发工具,基于设计的制作脚本开发融合触发热点的网络漫游场景;(4)对于微课进行合理的交互设计,包括导航帮助、交互方式、反馈形式等;(5)多知识点微课嵌套入微课系统场景中,嵌套过程要充分考虑知识点的前后关联性和不同学习活动的开展,最终形成在线学习微课系统。

2.虚拟现实课件

虚拟现实课件从课时学习的体量创设仿真场景、关联知识对象、设置交互模式,重构了传统课件的形态,同时也改变了基于课件的在线学习方式。虚拟现实课件资源开发应用受到广泛关注,例如蔡华探讨了工程制图课件[18]、吴强开发了“太空授课”课件[19]、肖扬等制作了医学多媒体课件[20]等,当前研究聚焦在多学科覆盖、课程体系化开发、学科知识交叉设计等方面。

虚拟现实课件设计的基本流程包括:(1)前端分析,包括学习特征分析、学习需要分析、学习目标确定和学习内容组织;(2)场景脚本设计,知识点附着对象设计、知识点表现场景设计、知识点连接方式设计、交互方式设计、评价设计等;(3)运行结构设计,课件导航漫游设计、多通道交互策略设计、提示与帮助策略设计等;(4)课件开发,开发工具包括图形图像处理工具、三维模型建构工具和虚拟现实开发工具等;(5)课件测试,对于课件内容、模型、场景、交互等进行完善修正,最终发布使用

虚拟现实课件开发的主流软件包括:Director、VR-platform和Unity3D等。

3.虚拟现实在线课程

在线课程是开展在线教育的基础和保障。然而,当前的在线课程多是基于课堂实录和演播室录制的形式,仍然未摆脱追求面对面教学精准仿制的窠臼。虚拟现实引入在线课程开发为在线课程建设提供了新的视角。

基于虚拟现实的在线课程开发可以有两种模式,一是利用虚拟现实技术取代传统课程资源的一个或若干组成部分,实现传统课程资源进一步提质增效,例如李小平等基于虚拟现实技术对于精品课程的导航方式和资源的调用交互方式进行了优化,深入挖掘课程内容与AR、VR的结合点,开发出了全方位的漫游式课程教学平台[21]。二是完全开发基于虚拟现实技术的在线课程,形成创新的在线课程建设模式,例如佛罗里达大学开发了面向师范生能力培养的课程TeachlivE,该课程实现了虚实融合的混合学习环境,师范生可以获得真实课堂体验的沉浸感知,能够有效培养师范生的专业教学技能,弥补传统实训的薄弱环节,提高教师培养质量[22]。虚拟现实技术在技能实训类课程、机械类课程等偏向表现、操作型在线课程开发中应用潜力巨大。

4. 虚拟现实在线实

基于虚拟现实的虚拟实验已经成为在线学习资源优势凸显的前沿领域,虚拟实验是“互联网+智能+教育”实践突破的关键领域,具有代表性的虚拟仿真“金课”已成为教育部着力打造的五大“金课”之一。相比当前主流的桌面级虚拟仿真实验,增强现实、完全沉浸式的虚拟实验将成为未来虚拟实验的主攻方向。虚拟实验为学生提供接近真实的体验情境完成预期的实验内容,其自主、交互、沉浸、开放的显著特征解决了在线资源一直难于克服的实践瓶颈问题,由此提供全域课程的在线资源成为可能。伴随5G通讯的兴起和普及,基于虚拟现实实现远程同步实体操控成为可能,例如麻省理工学院实现了利用现成的虚拟现实系统(Oculus Rift)来远程操作机器人,以满足制造业中需要远程操作的工作,福建医科大学孟超肝胆医院基于虚拟现实环境实施了世界首例5G远程外科手术动物实验等,新技术的突破为探索在线虚拟实验的新模式提供了崭新的方向。

 

 

基于虚拟现实的在线教学组织

虚拟现实重塑在线教育:学习资源、教学组织与系统平台

(一)分布式虚拟现实在线教学

分布式虚拟现实通过网络创设一种交互式的虚拟现实空间,处于异地的多个终端学习者可以进入同一个虚拟空间,根据场景设置的目标展开资源分享、协作交互、情境体验等活动,其显著优势是可以有效缓解个体学习容易产生的孤独和焦虑情绪,对于学习过程具有良好的调节作用。应用趋向包括:一是社会化的大型虚拟社区空间,代表性的平台包括OpenSim、SecondLife和ActiveWorlds等,例如美国有超过150所高校二次开发SecondLife场景开展教学研究[23]。二是面向专业领域定制开发具体的应用平台,例如曹鹭等开发了面向科学探究的虚拟3D星球[24],夏志鹏等开发了操作指导型虚拟教师系统[25],Andersen等开发了用于外科手术的教学模拟训练系统[26]等。

分布式虚拟现实空间可以提供多样化的交互方式、构想化的教学场景、泛在化的学习体验活动,有助于学生提高学习投入程度、进行高阶思维活动。分布式虚拟现实在线教学的特征包括:一是共享虚拟教学空间,师生同时异地进入同一虚拟现实教学场景,开展相应的教学与学习活动;二是基于化身的心流体验,学习者可以选择系统所提供的虚拟角色,与其他学习者之间以虚拟角色的形式展开交流互动,能够有效消解传统连线的“孤岛”心理和现实交互的隔阂心理;三是互动方式自由可选,既可以是教师安排的多种教学活动,也可以是学生之间自主开展的多种学习活动,教与学空间融为一体实现个性化互动学习。

该教学模式提供给学习者与教师交织穿插的具身学习与教学活动:

     1.学习者进行多场景学习活动。

学习者可以根据学习需要选择空间预设的学习场景,学习方式可以是一对一、一对多和多对多。学习活动包括:探究式学习,学习者在虚拟场景支持下通过进入问题情境、自主探究、协作探究和反思归纳,实现体验式探究、交往式探究和创造性探究活动;协作式学习,学习者在协作式活动场景中展开旨在培养高级思维和能力的协作学习活动;体验式学习,学习者基于具身式情境、反思性情境、概念形成情境和验证性情境,实现深层次的知识生成与知识应用;社会化学习,通过虚拟空间实现社会化场景模拟、社会性角色化身、社会化交流互动,学习者按照学习需求开展社会化学习。

2.教师开展多模态的教学活动。

教师通过资源分享、情境展现与知识讲授完成多种形式的教学,包括讲授式教学、问题式教学、案例式教学和资源式教学等。创新之处在于:一是对于传统教学模式重新建构,主要体现在知识对象模型化、过程展现情境化、教师角色的实质性改变;二是对于教学场景的适应性按需切换,教师既可以使用单一的教学场景,也可以根据教学进程需求切换至所需的教学场景,还可以将教学活动与学习活动融合应用。师生在教学活动中可以获得接近真实的临场感、操纵对象的交互感、视觉和听觉等多通道感知、自由行动的漫游体验。同时,教学与学习活动过程中师生的位置信息、交互信息、学习信息等被记录、保存、分析、可视化展示,既可以作为评价教学成果有效支撑,又能够作为调整场景设计和教学活动的参考。

 

(二)虚拟演播室多点同步在线教学

伴随计算机网络技术的发展,特别是5G通讯的逐渐普及应用,基于固定终端或移动终端的异地双向或多向的泛在化同步视频互动成为主流,虽然当前基于视频画面本身的统计学研究取得了一定的成果,但研究视域的局限让人们开始关注虚拟演播室技术,即探索如何将虚拟现实技术融入在线同步视频教学之中,从而为同步视频教学提供新的在线教学场域。 

演播室教师终端虚实合成有两种方式:一是虚拟背景实时生成,前景摄像机信息传输给工作站,动态生成与之相匹配的三维虚拟背景,实时地将前景与背景无缝融合;二是虚拟背景预设生成,即预先制作三维背景,预先定义前景摄像机参数,主要通过控制虚拟摄像机将前景与背景融为一体。从技术层面来看,实现虚实融合呈现理想教师端画面:一是要注重真实前景的布置,包括蓝箱、灯光系统、教辅物品、教师活动区域等;二是要注重虚拟背景的设置,包括课程教学场景、摄像追踪捕捉、虚拟摄像机等。

1.教师基于虚实融合场景设计教学,实现对于虚拟场景的动态掌控:一是操控虚拟模型对象,特别是现实中难于获得或难于表现的对象,实现对于学习对象精细结构的形象化科学解构;二是诠释概念,将抽象的概念内涵具象化,设置虚拟场景中对象的范围更好表现概念的外延;三是探究原理,通过设置匹配场景展现某一原理反映的关系或作用的过程,实现对于原理深层次的理解;四是发现规律,通过设置多模态的虚拟场景,调整事件发生过程变量产生各异结果,启发学习者认识规律、把握规律。

2.师生、生生之间实现更为有效的互动:一是互动方向,既可以是以教师为主的讲授、问题式互动,也可以是以学生为主的协作式、提问式互动;二是互动方式,学生可以选择多种设备,例如台式电脑、笔记本电脑、PDA和智能手机等;三是互动范围,学生可以在不同的地点实现泛在学习参与;四是互动程度,师生可以基于虚拟场景展现的对象或事件进行互动,实现程度更为深入的探讨;五是互动意愿,虚实融合场景更能激发学生的学习动机,增强学生持续学习互动投入的愿望。

 

(三)虚拟现实在线仿真实验教学

VR在线仿真实验教学的显著优势在于实验场景、实验过程、实验指导、实验结果的超越“真实”再现。学习者与虚拟实验场景实现交互融合,即操作交互、信息交互与概念交互融为一体,智能化成为该类教学组织研究的新取向,体现在动态场景的个性化重构,以及学习对象、学习任务、学习路径等个性化引导方面。基于不同的实验目的主要包括三种类型,即面向实验过程的模拟性实验、面向数据处理的探究性实验和面向真实问题求解的实证性实验[27],具体实验项目的开发需要模型对象库、实验场景库、教学策略库等多种数据库的支持。该模式包括四个组成部分:

1. 教学准备。

根据不同课程教学需求在系统中开发设置相应的实验课程,并且在每次实验课程教学前及时发布实验教学信息,在线学习者在安排时间点按时进入实验系统中进行学习,教师在实验教学前进行前端分析,包括学习需要分析、实验内容分析和学生特征分析,以便适应虚拟实验场景需求进行合理的教学设计。

2.教学实施。

学习者进入对应实验类型场景,实验过程是学习者与教师之间、学习者之间、学习者与场景之间多向互动的过程:一是真实教师化身指导,既可以是个性化指导也可以是班级指导;二是虚拟教师辅助,模仿一定的人类教师功能,为实现大规模在线个性化虚拟实验教学提供了可能;三是在线同伴协作,学习者通过合作互助共同完成实验任务;四是智能反馈引导,例如文本提示、语音指导、视觉特征凸显等,实现多感知通道的在线实验学习变得未来可期。

3.教学监控。

该过程主要动态收集、分析学生学习过程数据,一是实验数据分析,对于学习者多步骤实验效果进行综合细致的分析,二是学习行为分析,跟踪记录学习者完成每一实验步骤的操作行为过程,从学习行为的视角对于学习者的学习成效进行综合分析。

4.教学反馈。

通过实验数据分析和学习行为分析,形成学习者达成实验学习目标的整体分析框架,一方面以可视化分析报告的形式反馈给学习者,另一方面分析结果也会智能化地反馈给底层数据库,实现实验场景的智能化完善。

 

融合虚拟现实的在线系统平台

虚拟现实重塑在线教育:学习资源、教学组织与系统平台

(一)融合虚拟现实的在线课程系统

MOOC为核心的在线课程系统进入发展的成熟稳定期,已然成为支撑当前二维在线教育资源的核心组成部分。然而当前在线课程仍然具有认知性存在、教学性存在和社会性存在水平不高的问题[28],从已有的研究来看,提高服务于学习者学习的智能化技术和交互式设计水平成为研究关注的焦点问题,然而在同一技术形态创新存在天花板效应的瓶颈时,探索应用新型技术——虚拟现实,从局部创新突破不失为一个可选的解决方案。  

将基于虚拟现实技术的成熟开发模块应用于在线课程系统,形成融合虚拟现实的在线课程系统成为研究关注的未来趋势:一是虚拟现实课程内容模块,开发专门的面向多学科课程的虚拟现实内容模块,来替代传统二维的文本、课件和视音频资源,形成基于三维场景的新型课程内容开发体系。二是智能化三维虚拟助手模块,基于智能Agent技术和自然语言交互技术,可以创设智能化的虚拟助手,实现的功能包括:学习导航,既可以是学习路径等浅层次的导航,也可以是学习过程中符合学习状态的深层次导航;问题答疑,随时解答学习者提出的课程相关问题;情绪调节,实现一定程度人际间的交流对话。三是体验式的虚拟现实学习社区,有研究表明基于虚拟世界的交互有利于提高学习投入、稳固知识记忆、规避物理危险,基于当前成熟的虚拟现实社区二次开发或重新开发,创设符合课程特征的社交场景,提供虚拟化身角色多样可选,实现交互方式多模态按需选用。

 

(二)融合虚拟现实的移动学习系统

基于虚拟现实的移动学习研究聚焦的领域包括:一是虚拟现实教学视频,可以摆脱移动端二维屏幕视域与实际范围限制,跟踪人的脖颈和眼睛方位移动,实现沉浸式虚拟现实教学视频学习;二是创建、调整和分享三维学习对象,例如Prajapati等基于智能手机开发了可多人共享观看操控的病理学对象三维模型,添加了案例注释和解剖注释[29];三是同现实环境实时融合,增强对于现实环境的理解或创造一种新的学习情境;四是移动学习教材,让静态教材融入“魔法世界”,例如全国首个可AR识别课本,学生只需要利用手机就可以让课本上的人物动起来,学习标准口语等。

1. 习者基于辅助的AR/VR眼戴、头戴设备开展移动学习。学习者在虚拟或虚实融合的场景中可以不受时间、地点和范围的限制进行多种方式的交互,包括基于手势、语音、眼动等身体参与的多模态互动,有助于充分激发学习者动机、增加学习者投入、维持学习者兴趣。学习者体验(融入现实的)沉浸式学习场景,开展符合个体特征的个性化学习、符合学习内容展开场景的情境化学习以及随心所欲的泛在化学习。

2. 学习过程依托移动设备平台,比如智能手机或AR/VR眼戴、头戴设备等,支撑技术包括:跟踪注册,既需要使用者的空间定位跟踪,也需要虚拟物体在真实空间中的定位,完成虚拟信息与真实环境在三维空间位置中配准注册,实现虚拟信息与真实场景的无缝叠加;融合显示,除了硬件显示器的选取之外,还要注重实时渲染、视频压缩等技术的应用,融合的关键是合理处理真实事物与虚拟事物的相互关系,具备的条件包括几何一致、模型真实、光照一致和色调一致;交互技术,辅助虚拟对象在真实场景中更好的呈现,主要交互方式包括点位选取交互、基于特定姿势或状态交互和基于特制工具的交互。

3.移动设备配置内容包括:一是适于开展移动学习的APP应用,主要是适于开展基于AR/VR移动学习的课程、视频、实验等应用,也可以是游戏等生活娱乐类应用;二是附属应用,比如陀螺仪、加速度计、蓝牙等辅助定位及显示;三是基于Android/IOS操作系统,随着软硬件集成技术的发展,基于Windows操作系统的AR眼镜(Hololens)代表了当前发展的前沿。

 

(三)融合虚拟现实的游戏化学习系统

虚拟现实教育游戏是身体、认知、环境的动态统一,伴随生理检测技术教育应用的逐渐成熟,基于认知神经科学视角开展游戏化学习研究成为重要研究方向,例如李海峰等构建了具身认知教育游戏开发框架[30]等。此外基于增强现实技术的移动游戏学习,以新颖的游戏关卡为动力、融合二维码技术让学习泛在便利化,具有的虚实融合的显著迁移特性、三维模型场景互动、适时作用的持续沉浸,使其成为升级移动学习的创新模式,例如田元等提出了移动增强现实教育游戏分层设计模型[31],叶强等设计开发了“运动吧”体感游戏[32]等。

虚拟现实基于现实又超越现实的特性,使其天生具有游戏元素的内在秉性。虚拟现实教育游戏研究的逐步聚焦与实践效益的日渐显现,设计开发专门的虚拟现实游戏化学习系统创生在线教育生态成为必然的研究趋势。虚拟现实游戏化学习系统开发可以有两种思路:

一是将专门开发的面向特定功能的虚拟现实教育游戏融合入现有的课程学习系统,用以替代对应课程学习系统的部分功能,例如曲茜美等针对MOOC辍学率高等问题,运用情境故事的方式,进行了MOOC游戏化模型设计,并且在“游戏化教学法”MOOC中进行了实证,取得了预期的教学效果,同时指出将虚拟现实或增强现实技术融入模型中是未来发展趋势[33]。

二是依托成熟的游戏开发平台或原型,打造专门的游戏化学习系统,例如较为成熟的专门发布和售卖VR应用的平台Steam VR,不仅提供分布在该平台上的VR游戏的标准,而且还提供了开发VR游戏的软件开发工具包。当然,融合虚拟现实的游戏化学习平台不仅仅是技术实现问题,在线教学设计、学习方式、教学方式、交互方式、开发标准等一系列“软”问题需要理论研究与实践研究的深入推进,可以预见的是基于虚拟现实的游戏学习将是新一代学习生态的重要组成部分,相应的游戏平台开发将会是研究关注的聚焦领域。

 

结束语


虚拟现实重塑在线教育:学习资源、教学组织与系统平台

智慧教育推动学校教育改革如火如荼开展的同时,在线教育需不需要加快发展提质增效?能不能成为智慧教育时代教育改革的突破口?

虚拟现实在重塑学习资源结构、教学组织模式和系统平台架构等方面应用效益显著、发展潜力巨大。虚拟现实重塑在线教育的深入推进还需要在以下方面做出努力:

(一)开发虚拟现实在线学习资源体系,推动虚拟现实在线学习资源广泛应用

虚拟现实在线学习资源形态完全不同于传统的在线资源,目前开发成本和技术难度成为制约其广泛应用的首要因素。虽然虚拟现实在线学习资源已经创生出了不同的类别,但是模仿二维资源痕迹明显、资源的集聚效益尚不显著。因此,需要采取以下措施:一是设计开发资源新类别,改变传统在线资源被动供给的固有认识,向主动智能化服务于学习者的思路转变;二是创设简易化、模块化开发环境,充分借鉴较为成熟的商业化开发平台,专门打造面向教育领域的虚拟现实在线学习资源开发环境;三是探索资源服务体系架构,从资源服务全过程的宏观战略视角对于虚拟现实在线学习资源的整合发展进行谋篇布局;四是鼓励校企合作共同开发,充分借鉴企业的技术优势,扶持高校设立专门的工程中心,及时将最前沿的技术运用于资源开发之中。

 

(二)创新虚拟现实在线教学组织模式,推动虚拟现实在线教学设计理论建构

从已有的虚拟现实在线教学案例研究来看,利用技术的场景创新占据主导形式,虽然大多基于传统的教学设计框架,但是仍表现出了未来可期的应用潜力。同时不无担心的是经过了表现形式的新奇阶段后,会不会依然落入传统在线教学的窠臼?这就需要在大量实践的基础上,建构与之相匹配的教学设计理论体系。因此,需要采取以下措施:一是打造示范性的虚拟现实在线教学组织模式,集中当前前沿的技术力量、汇聚理论专家进行科学设计,形成可操作可推广的实践模式,发挥示范引领作用;二是建设探索性的虚拟现实在线教学示范区,示范区可以采取分级建设统筹管理的思路,在示范区中规模化推广应用虚拟现实在线教学;三是不遗余力地进行理论探索与创新,从虚拟现实环境的全新特征出发,打破传统在线教学设计的固有思维,形成基于虚拟现实环境的在线教学设计理论框架。

 

(三)研究虚拟现实在线系统平台架构,推动虚拟现实在线系统平台标准研制

传统在线系统平台主要发挥资源的汇聚效应,方便学习者快速找到所需的学习内容,而虚拟现实系统平台主要体现资源的融合效应,消解不同学科之间存在的天然屏障,实现在线教学全方位的变革。虚拟现实在线系统平台研究属于前瞻性探索,需要由易到难、由局部到整体分阶段逐步建立全新的在线教育生态。因此,需要采取以下措施:一是基于传统系统平台升级改造,“另起炉灶”模式无疑是对于已有资源的巨大浪费,需要研究传统系统平台以及承载资源在升级过程中的最大化利用方式;二是借鉴成熟的商业化虚拟现实平台技术架构,引导具有技术优势的企业向在线教育系统平台研发方面聚焦,探索融合在线教育的系统平台改造架构模式;三是从可推广应用的宏观层面研制虚拟现实在线系统平台标准,标准的制定既要考虑国外最新的研究成果,也要符合我国在线教育发展现状与未来需求。

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