教育领域,虚拟现实技术的应用潜力及进展

虚拟现实技术也被称为“沉浸式多媒体”或“计算机模拟现实”,被认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一,是一种综合了计算机图形学、人机接口技术、传感器技术以及人工智能技术等多领域成果的新技术,目标是提高人机交互的功能,达到真实的视觉、触觉、听觉和嗅觉体验效果。虚拟现实和可视化技术是虚拟现实学习环境的核心技术。通过对数据的可视化表达和人机交互的分析,虚拟现实学习环境能够增强用户在计算机虚拟现实中的沉浸感。

一、虚拟现实情境认知模型

虚拟现实能够通过计算机、图形工作站以及其他相关设备生成逼真的三维多感官环境,使参与者感觉身临其境,同时环境也会对参与者的行为产生相应反馈,从而达到人与环境的深度融合和交互。

将虚拟现实的3个重要特征:

1)沉浸性:指逼真、身临其境的感觉。用户借助特殊的输入/输出设备,与虚拟世界进行自然的交互,虚拟现实技术为用户提供视觉、听觉、触觉等感官模拟,用户如同身临其境一般。

2)交互性:指用户感知与操作环境。传统的人机交互通过鼠标键盘与计算机交互,虚拟现实的交互通过传感器与虚拟环境的任何物体以最自然的方式进行交互。用户对虚拟环境内的物体进行操作体验,如在真实环境一样。例如,用户可以真实感受到物体的下落;手握虚拟杠铃,用户会感受到重力和握力。

3)想象性:也指创造性,指用户能在虚拟环境中根据自己与物体的交互行为,通过联想、逻辑推断等思维过程,对未来进行想象的能力。虚拟环境的创建也是由设计者想象出来的,既可能是真实现象的重现,也可以是自身想象的结果。

二、虚拟现实技术教育应用的潜力

沉浸感、交互性、想象性三大特征极大地克服了传统教学环境的限制,有利于激发学习者的学习动机,增强学习体验,实现情境学习和知识迁移。

(一)激发学习动机,增强学习体验

一般来说,学习动机分内部动机和外部动机。内部动机源于学习者对活动本身产生的愉悦感及满意度。虚拟现实技术通过呈现个性化特征、丰富多彩的媒体形式和刺激性的对话促进学习者的学习动机。大量案例证明,虚拟现实可以给学习者带来放松、愉悦、感兴趣等积极情绪,激发学习内部动机。

学习动机不仅受学习者个体内部因素影响,还受学习环境等外部因素影响。虚拟现实技术可创设逼真的场景,提供动态的高交互设置,学习者在其中显示出较高的学习动机和参与度。无论是虚拟仿真校园、模拟飞行空间,还是数字博物馆,虚拟现实技术都能将学习者置身于解决真实问题的情境中。除问题解决外,学习者在虚拟现实中学习,往往伴随着角色扮演(Role Playing)。学习者被赋予明确的角色,如进行手术的主刀医生等。学习者尤其是青少年学习者常习惯于这种自我表征方式,且会通过角色表达所思所想所感。更重要的是,这种学习体验会激发学习者的创造力和想象力。

(二)实现情境学习,促进知识迁移

情景学习理论认为知识是学习者在一定情境中主动建构的,强调知识与情境之间动态地相互作用。根据赫林顿和奥利弗的认识。

情境学习环境有以下特点:

1)提供反映知识可以运用于真实生活的情境;

2)提供真实的活动;

3)为学习者提供获知专家思考和解决问题过程的机会;

4)提供多角色以及多视角选择;

5)支持知识的协同构建;

6)关键时刻提供学习支架;

7)对学习环节进行针对性反思;

8)清晰地表达;

9)对基于任务的学习进行综合评估。

传统教学备受批判的主要原因,是传统教学脱离具体真实的情境,导致学生知识迁移能力不足,迁移率低、迁移意识不强。情境学习致力于解决这种挑战,通过设置与生活情境类似的情境,促进学习的发生。虚拟现实技术支持情境学习的发生。虚拟现实技术能够提供丰富的感知线索以及多通道(如听觉、视觉、触觉等)的反馈,帮助学习者将虚拟情境的所学迁移到真实生活中,满足情境学习的需要。虚拟现实能解决教学内容和知识的可视化,增强学习的沉浸感,増加师生、生生及学生与环境之间的交互。

三、虚拟现实技术教育应用进展

虚拟学习环境的创设通常有三种基本类型:

1)虚拟仿真环境设计

在虚拟仿真环境中,学生做他们在真实世界中无法做到的事,例如,可以触碰按钮从而改变虚拟森林环境四季的变化,观察环境按照生命线移动的各种变化,也可以学习操作真实环境中危险而不能触碰的大型机器。虚拟现实技术为师生创设了直观的学习环境,便于学生理解和应用知识,便于教师及时调整教学方法。教学计划、教学法都围绕模拟的环境进行设计。虚拟仿真环境适合教师教授程序性知识,使学生应用所学到的技能完成包含多个行为序列的学习任务。

2)建构主义活动设计

建构主义学习理论认为知识的建立和学习发生在已有知识经验的基础上,学习者在一定情境下利用必要的学习资料,通过意义建构的方式获得。学习活动的设计对于建构主义学习理论在教学中的应用至关重要。在虚拟学习环境中,通过学习活动的设计,学生利用工具按照自身经验和兴趣建构虚拟环境,或者在已有虚拟环境当中,通过探究建构知识。例如,“怪物卡车(monster truck)”学习项目中,学生为每个行星设计一个“怪物卡车”,然后驾驶这辆卡车到达星球表面。学生要取得成功,必须先学习了解这个星球的特征(如重力等)和车辆工程学知识。这种基于活动的方法非常有效,因为学生在其中创造性地学到很多知识。

3)学习体验设计

学习体验指用户借助虚拟现实技术进入虚拟学习环境中,对所学知识等产生相应的认识和情感。多用户虚拟学习环境(Multi-User Virtual Environment,简称MUVE)是当前教育游戏中较常用的虚拟现实环境。多用户虚拟学习环境运用虚拟现实和增强现实技术,创建的第一人称视角下的虚拟世界,可以为教师和学生提供教学环境。

虚拟现实技术在教育中的应用范围广泛,既适合于基础学科教学又能促进专业技能的学习,优势显著,效果良好。随着虚拟现实元年的到来,我们有理由相信虚拟现实技术的教育应用会有更广阔的前景。