三维虚拟学习环境的特点及教学潜能*

□仇晓春

三维虚拟学习环境的特点及教学潜能*

□仇晓春

三维虚拟环境的教学应用已经积累了较为丰富的研究和发展.实践的发展更显现出指导性理论研究的需求.对三维虚拟学习环境区别性特征及其教学潜能的整体分析和例证,将有助于明确其实践价值以及未来的研究方向.

三维虚拟环境;学习;区别性特征;支援性

三维虚拟学习环境(3-dimensional virtual learning environment,3D VLE)与其他虚拟学习环境(如Blackboard、Moodle)相比,其优势在于三维性、时间变化的流畅性和交互性.本文主要关注从家庭或学校通过个人电脑登录的3D VLE,通常称为桌面3D VLE.Jacobson认为,浸入式3D VLE如果设计和使用得当,在提供教学内容方面比二维技术有着更大的教学潜能.[1]但3D VLE的建设成本过高,阻碍其教学推广.近些年,多媒体和网络技术的普及使得以网络为基础的虚拟现实再次受到关注.

虽然桌面三维技术受到关注,但这些技术促进学习的潜能和成果仍存在争议.本文力图通过系统分析相关研究,探讨3D VLE的区别性特征,以及其在学习任务的开展方面所具有的促进作用.这些研究都将为后期研究建立可靠的理论基础,促进三维游戏、模拟、虚拟学习世界的相关教学研究和实践.

一、区别性特征

(一)区别性特征的确认

Hedberg和Alexander认为,3D VLE最重要的特征就是"作为用户直接控制虚拟世界中对象的清晰界面"[2].他们指出,要提高虚拟环境的这种清晰性,需要从三个方面提供良好的学习体验:增加浸入感,提高逼真性和学习者参与程度[3].Whitelock等指出3D VLE的三个特征或维度,即表现的逼真性、控制的即时性和存在感(或临场感).[4]两项研究在这三个方面或维度的意义相似,并都关注单用户虚拟环境的特征,即个人与3D VLE的交互.另一方面, Brna提出的六维框架包含了多用户虚拟环境的社会因素,除了Whitelock等提出的表现的逼真性、控制的即时性和存在感,还有社会逼真性(包括社会熟悉性和社会现实性)、话语的即时性和社会存在.[5]

很多研究者都强调浸入感和存在感的重要性,认为是虚拟环境与其他电脑应用相区别的关键特征. Slater将存在感定义为个人在某场所的主观感觉.浸入感是系统或环境的客观或可测量的特征,存在感正来源于此.[6]浸入感取决于提供感觉刺激的虚拟现实技术的技术能力,而存在感依赖于语境,关注个体对虚拟现实的主观心理反应.正是表现的逼真性和环境的交互性,实现了高度的浸入感和强烈的存在感.所以,浸入感不应被看做独有特征.Hedberg和Alexander指出了浸入感对环境其他方面的依赖,认为"需要仔细分析表现的逼真性与感觉性、概念性和动机性浸入之间的交互,才能确定感觉输入的复杂性,后者对于形成学习成果非常关键"[7].同样,存在感来自于环境的逼真性和交互能力,所以不应该被看做独有特征.

虚拟世界或环境的存在感一直是指用户对"存在于此地"的感知[8],而近来的研究开始关注共同存在感,将其定义为与其他非处一地的用户"共同存在于此地"的感觉,认为是社会存在感的延续[9].值得注意的是,由于三维多用户虚拟环境的逼真性,用户会出现共享的感觉体验,其技术也支持空间性和其他形式的非语言交流,所以很多此类环境都支持高度的共同存在.因此,与存在感相比,共同存在感可以说是虚拟环境不同特征的结果,而不是特征之一.

在三维虚拟环境中,需要注意用户如何通过个人体验式活动和与环境的社会性交互来建构个人在线身份.通常情况下,个人在线身份都表现为头像(avatar),这有助于实现良好地心理浸入,支持深度的交流、互助,建立关系.Dickey指出,用户体验从三个方面有助于在线身份建构:存在(包括存在的物质状态和用户的社会印象)、表现(包括用户头像视觉显现、用户名或自我描述的确定)和体验(包括用户身体动作及动作的社会定位).[10]虽然用户在虚拟环境中建构和描述身份的能力非常重要,但这并不是3D VLE的独有特征,而与存在感和共同存在感相似,来自于环境中表现的逼真性和学习者的交互.

总之,表现的逼真性和学习者交互是3D VLE的独有特征,而身份建构、存在感和共同存在感是学习者体验的特征,学习体验又来源于环境特征.表现的逼真性包括单用户和多用户环境的特征,以及Brna的社会逼真性.同样,学习者交互应该包括个体的、协作的和交流的活动及Brna的话语即时性.

(二)十项区别性特征

在3D VLE中,表现逼真性的视觉表现主要是环境的真实性展示、视野变换和对象动作的流畅展示.使用真实视角和透视,以及真实和光照来展示对象,就可以体现出真实的图像质量.同时足够的帧速率也能保证动作的流畅性,增加体验的真实性.表现逼真性的第三个方面是对象行为的一致性,包括它们对用户动作的反应方式及其自动的行为方式.第四个方面是用户表现,这涉及用户头像.用户借助此头像可以形成和投射在线身份.用户的这种描绘是表现逼真性的重要成分,有助于在虚拟环境中创设共同存在感,这反过来使社会交互更为丰富.

三维虚拟环境的应用研究主要关注视觉表现方面,但常常局限于高端实验室.最近,提供声音空间感知的"三维音频"技术在三维虚拟环境应用中得到推广,通过提供多种引导和远距离暗示效果,可引导用户的关注点,提高虚拟体验的真实性.触觉技术包括动觉和触觉的力量反馈和空间音频等表现逼真性的特征,允许用户在虚拟环境中感觉力量和压力,这在电视游戏器方面尤为普及.

在学习者交互方面,三维虚拟环境首先能够帮助学习者开展体验动作,包括视野控制、导航和对象管理.Dall'Alba和Barnacle认为,传统的(以网络为基础的)在线学习环境旨在辅助体验式学习和认知,这与强调语境知识和体验知识的现有认知理论相悖.[11]三维虚拟环境能够通过用户表现和体验行动来解决这个问题.其次,多用户三维环境帮助用户通过用户头像,参与体验式语言交流(通过文本和声音)和非语言交流(姿势和面部表情).这种体验能够进一步通过书面或口头语言将姿势和动作结合起来.再次,学习者能够控制环境特性和行为,包括修改时间和重力参数.最后,学习者可以利用三维虚拟环境的拓展性,建构对象、为对象行为编写脚本,从而自我建构虚拟场所或对象.

总之,3D VLE的表现的逼真性和学习者交互可以细分为表1中的十项区别性特征.

表1 3DVLE的区别性特征

二、促进学习的潜能

教育研究中的支援性,有时涉及教育干涉与开展学习的学习者之间的关系,而有时涉及信息和交流技术对特定教学和学习方式的促进作用.Bower提出将学习任务的支援性要求与信息交流技术的支援性潜力相匹配,用于了解和开展技术选择和学习设计.[12]本文总结了相关研究提出的3D VLE的理论学习价值,提出该环境在学习上的五种潜能.本文选择潜能的概念,是因为技术本身并不直接引发学习,而是促进特定学习任务.这些任务本身实现学习或引发特定学习.对学习产生影响的是技术所支持或辅助的任务、活动和支持性教学策略.

潜能1:3D VLE可以通过模拟真实,发展所探索领域的空间知识表现.

模拟一直是计算机辅助学习的主要内容,如模拟城市(SimCity).以真实场所和对象为基础建立的模拟三维环境与非三维环境相比,具有更强的真实感和存在感.经常成为真实地点的替代.在3D VLE中,学习者能够自由移动、选择各种视角、管理其中对象,从而发展对真实环境的空间知识(如Google Earth),这将超越非三维环境,包括那些使用图像或视频材料或全景图像技术的环境(如QuickTime VR).中国已经有了较为成熟的虚拟现实的公司,如微澜虚拟等,在商务开发、教学等方面已有了较大的发展.

潜能2:3D VLE可用于开展在真实世界中不宜进行的体验学习任务.

模拟的最重要潜力在于学习者与虚拟对象的交互.通过对动态对象的模拟,学习者可以认知建构主义的学习方式开展探索和实验,建立和完善个人知识标准.模拟也允许学习者练习技能或开展体验学习任务,尤其适于那些成本高昂、风险较高的任务.比如,三维模拟培训已用于培训核电站工作人员、宇航员、驾驶员等.北京航空航天大学等多单位合作开发的分布式虚拟环境基础信息平台(DVENET)可实现包含远程的数十个武器虚拟平台在同一块逼真地形下进行协同作业或对抗演练.参演人员(即用户)可通过不同交互方式控制真实或虚拟的武器仿真平台在虚拟战场环境中进行异地协同与对抗战术演练[13].

潜能3:3D VLE可用于理解抽象概念,实现内在动机和参与.

有时,知识概念比较抽象,与现实物体无法建立直接联系."微观世界"常用于抽象概念的环境模拟.当能够表现出无法正常感知的概念和原则时,虚拟环境的价值就得到极大体现.Ruzic认为虚拟环境包含了两种对象:可接触的对象(称为感官传感器)和不可接触的认知对象(称为认知传感器).[14]三维微观世界教学应用案例包括几何学教学、机械制图等等.而且,三维微观世界可允许学习者建构自己的三维环境和对象,以明确表述自己的空间模式或对特定抽象概念的理解.目前已经出现大量三维概念图工具,比如Nele-ments、Topicscape等等.

这些三维微观世界和抽象模拟都有一个共同点:都能够支持学习任务,建立空间知识表征;利用空间知识模拟学习,帮助学习者理解目标域中的概念.另一方面,三维微观世界和抽象模拟中,学习者能够就个人目标做出决策,从而产生高度的个性化以及随之而来的鼓励性和吸引力.游戏和叙述为基础的方式也同样有助于提高学习者动机和参与性.

潜能4:3D VLE通过学习的情境化,加强知识和技能向真实情景的迁移.

大量研究发现,学习者在漫游超媒体环境中存在困难,如"超空间迷路".但又很难提供一个界面,既能实现轻松地漫游,又能保持对资源的整体结构和观点之间联系的感觉.三维环境使得信息表现变得清晰,允许学习者接触到"第一人称、非符号性"的体验.而大多数情况下信息是作为"第三人称、符号性"的体验而编码和表现的.此类应用都是利用学习者业已发展的空间认知能力,帮助他们漫游信息空间[15].此类的应用进一步说明了前文提出的空间知识表现潜能.通过开发模拟环境而建立学习者对信息空间的空间认知模式,从而促进其探索的效率和对学习领域的概念理解.

同时,这也表明,如果以知识的应用语境为基础建立学习环境,新掌握的知识和技能将更易于有效应用到现实世界.由于3D VLE的表现逼真性、真实性和学习者交互性,学习者更易于将其与对应的现实环境建立联系.Ruzic强调了虚拟环境学习的情境性和向真实环境的迁移,认为以虚拟现实为基础的远程教学的优势在于实现个性化、交互的和真实的学习[16].

潜能5:3D VLE可用于多用户任务,实现更丰富而有效的协作学习.

Dede分析了虚拟环境的潜力与以计算机为媒介的交流工具的潜力的结合,认为这有助于促进分布式虚拟空间中的协作学习.[17]现在的多用户、分布式三维环境,包括MMOGs和虚拟世界,都允许身处异地的用户同时在线,通过头像彼此可见,进行文字或语音交流,如北京航空航天大学的分布式飞行模拟.这种环境可以作为教师远程支持的媒介,也可以作为社会学习和计算机支持的协作式学习的工具.由于能够利用空间和非语言线索,这种交流有助于提高团体内的亲密感和更丰富的交流.怀疑的自愿推迟和情绪真实性[18]鼓励学习者参与探索、调查、承担风险.

最重要的,多用户三维环境允许学习者共同开展任务.合作和协作式学习活动应包括参与者之间的积极互赖.三维虚拟环境允许学习者同时参与协作任务,这就为真正协作性的体验铺平了道路,进一步促进学习小组内部的积极互赖(如Second Life).

3D VLE的区别性特征以及促进学习的潜能可总结为图1,其中的身份建构、存在感、共同存在感是3D VLE学习体验的特征,来源于其十项区别性特征,并与其共同作用于3D VLE的潜能.

三、结语和建议

3DVLE需要研究者共同系统地研究其教学潜能和应用.

一方面,未来研究需要涵盖实证研究,对相关设计假设进行验证.很多三维虚拟环境学习研究都是以计算机制图和多媒体等技术为基础,认为其能够辅助认知任务.但这种假设建立在对三维环境认知和学习的假设之上,也取决于对3D VLE的区别性特征与学习价值预期之间关系的假设,这就需要深入实证研究.

另一方面,未来研究需要具体分析3D VLE在教学实践中的价值.这也取决于对教学假设的实证研究.现阶段,此类设计和发展研究很大程度上取决于研究者的直觉和常识,而没有经过研究论证的模式和框架的支持.同时,也要关注3D VLE使用过程中学习者的心理状态,尤其是过度浸入的问题,避免网瘾现象的再现.

[1]Jacobson,M.J.,Kim,B.,Lee,J.,Lim,S.H.&Low,S.H.An intelligent agent augmented multi-user virtual environment for learning science inquiry:preliminary research findings[Z].Paper presented at the 2008 Annual Meeting of the American Education Research Association,2008:24.

[2][3][7]Hedberg,J.&Alexander,S.Virtual reality in education: defining researchable issues[J].Educational Media International, 1994,31(4):215;218;217.

[4]Whitelock,D.,Brna,P.&Holland,S.What is the value of virtual reality for conceptual learning?Towards a theoretical framework[C]. In P.Brna,A.Paiva&J.A.Self(Eds),Proceedings of the European Conference on artificial intelligence in education(EuroAIE)[A]. Lisbon:Edicões Colibri,1996:137.

[5]Brna,P.Collaborative virtual learning environments for concept learning[J].International Journal of Continuing Education and Lifelong Learning,1999,9(3/4):320.

[6]Slater,M.How colourful was your day?Why questionnaires cannot assess presence in virtual environments[J].Presence, 2004,13(4):486.

[8]Schroeder,R.&Axelsson,A.Avatarsatworkandplay: collaboration and interaction in shared virtual environments[M]. London:Springer-Verlag,2006.

[9]Garau,M.The impact of avatar fidelity on social interaction in virtual environments[Z].Unpublished PhD thesis,Department of Computer Science,University College,2003.

[10][18]Dickey,M.D.Three-dimensionalvirtualworldsand distancelearning:twocasestudiesofActiveWorldsasa medium for distance education[J].British Journal of Educational Technology,2005,36(3):439;461.

[11]Dall'Alba,G.&Barnacle,R.Embodied knowing in online environments[J].Educational Philosophy and Theory,2005,37 (5):719-744.

[12]Bower,M.Affordance analysis-matching learning tasks with learning technologies[J].Educational Media International,2008, 45(1):3-15.

[13]赵沁平.DVENET分布式虚拟环境[M].北京:科学出版社,2002.

[14][16]Ruzic,F.Thefutureoflearninginvirtualreality environments[C].In M.Selinger&J.Pearson(Eds),Telematics in education:trends and issues[A].Amsterdam:Pergamon,1999: 189;188.

[15]Liang,H.-N.&Sedig,K.Characterizingnavigationin interactivelearningenvironments[J].InteractiveLearning Environments,2009,17(1):53-75.

[17]Dede,C.The evolution of constructivist learning environments: immersionindistributedvirtualworlds[J].Educational Technology,1995,35(5):46-52.

责任编辑 池塘

G424.1

A

1009-458x(2012)08-0074-04

*本文所属基金项目:西安邮电学院教学改革项目"基于课堂观察的校本教研活动研究"(项目编号:108-2002).

2012-02-25

仇晓春,讲师,硕士,西安邮电学院外语系(710121).