沉浸式学习背景下虚拟现实技术的教育应用*

一、沉浸式学习的教育背景

随着教育技术的发展，教育环境也变得越来越复杂和多样，而学生对不同教育背景下的教育需求也更具个性化。无论是基于项目的学习、基于问题探究式的学习还是基于能力的学习，这些教学法的最终目的都是为学生创造更具实际操作性、更接近真实世界的沉浸式学习(Immersive Learning)体验的环境。英国开放大学在《2018年学习趋势报告》中将沉浸式学习列为未来学习趋势之一，沉浸式学习有助于学习者体验更逼真的场景，从而产生更加真实、更加互动和更难忘的学习体验，学习者通过体验已设计好的模拟真实情景而开展学习和实践，从而加深对学习的理解[1]。

近年来，使用虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术开展沉浸式学习正日益引起人们的重视。《新媒体联盟地平线报告基础教育版》分别于2016年和2017年将虚拟现实技术作为未来2～3年进入基础教育应用的重要技术进展，可见虚拟现实技术在近两年的教育应用中越来越引起教育界的关注。

信息技术支持学习的速度逐渐加快，教育工作者和研究人员从各个角度研究如何将现实生活融入在线学习，为数字媒体进入课堂提供了环境和条件。尤其是“互联网+教育”领域探索和实践越来越深入，虚拟学习环境正在成为强有力的教学和学习工具。近年来，虚拟现实技术取得了显著的进步，允许学习者与虚拟世界进行交互，这些技术支持将传统课堂教学和在线学习结合起来，为学生的学习提供了更多体验的机会，使抽象的学习更为具体可观。

二、虚拟现实的界定及设备

虚拟现实指的是在计算机生成的环境中，模拟实际存在的人或物体并获得身临其境的感官体验，该技术主要以3D图像的形式出现，用户通过计算机界面进行交互和操作[2]。虚拟现实的定义自然地来自于“虚拟”和“现实”的定义，“虚拟”的定义是接近真实的，而“现实”是指人类的真实体验，因此，“虚拟现实”这个术语基本上是“接近现实”的意思，通常指的是一种特定类型的现实仿真。

虚拟现实技术初期主要用于军事和工业领域，例如作战训练和三维可视化，设备的价格不但昂贵，还会令人产生不适之感。今天，技术的发展特别是智能手机的普及为虚拟现实应用迎来了光明的前景，对消费者来说曾经昂贵或不切实际的技术变得极易获取[3]。虚拟现实技术的应用已逐渐从娱乐、旅游、制造等行业向教育行业扩展和延伸(如图1所示)[4]。

图1 虚拟现实技术的应用领域

有些主要的虚拟现实设备，例如谷歌的Cardboard，Daydream View，Oculus Rift，HTC Vive，Samsung Gear VR，Playstation VR和Microsoft HoloLens的出现，解决了虚拟现实设备价格昂贵不易获取的问题，许多人乐观地认为，虚拟现实有望可以改变教育、娱乐、医疗保健、企业培训中的许多问题[3]。这种持续的技术发展为开发出更强大、更直观、更交互、更有效的信息交流模式提供了条件，同时增加了富媒体的集成，并为教师生成和管理高质量的学习内容提供了可能。

先进的虚拟现实技术以多感官界面为特色，允许学习者探索沉浸式环境并与之交互。虚拟现实系统是能够生成3D环境的计算机应用，其中学习者是积极参与者，通过一系列多感官接口与虚拟学习世界进行交互，允许教师将学习者沉浸在真实的环境中，提供一个安全、方便和低成本的环境，从而在其中练习和发展学习中的新的技能和知识。

图2 易携带的虚拟现实设备(图片来源：http://virtualrealityforeducation.com/virtual-reality-educationalpossibilities/)

三、虚拟现实应用于教育的价值分析

有人认为2016年发布的Oculus Rift CV1，HTC Vive等设备是应用于教育领域的开始，有些人认为谷歌几年前发布的Google Cardboard就已经引发了虚拟现实应用于教育领域的猜测[5]。教育领域对新技术的使用十分敏感，如果虚拟现实真的有助于教育领域的进步，它必须有一个成熟的坚实基础。

1.建构主义的教学理论支持

建构主义教学理论认为，学习应以现实生活活动为中心，激发学习者的学习动机。情境是影响学习成绩的重要因素，也是提高学习兴趣和效率的重要因素。学习者积极地与现实世界互动，将知识运用到日常生活和活动中，从而提高学习结果的有效性。在情境中习得知识和技能，并将习得的知识和技能进一步解决现实中的问题，从而促进对知识的进一步理解和应用。虚拟现实为情景教学创造了充分的条件，通过设计先进的虚拟现实学习环境弥合传统课堂上正式教学中理论学习和实际应用之间的鸿沟(如图3所示)，虚拟现实为建构主义学习环境提供了重要的技术支持，为学习者获得真实的学习体验提供了条件。[6]

图3 虚拟购物中心

虽然虚拟现实与模拟环境的交互可以合理且有价值地替代真实世界的体验，但是技术的使用如果建立在适当的学习理论基础上，通过合理的虚拟现实学习系统，可以更加优化课程设计，输出更好的学习结果，提高学习效率。

2.促使向以学生为中心教育观的转变

以学生为中心的学习方式正在日益改变人们的教育观念，传统的以教师为中心的教学强调教师的主导作用，调动学生的积极性和参与性比较难。以学生为中心强调学生在学习中的主动意识，学生是课堂的积极参与者和主导者，而虚拟现实技术正好为以学生为中心的教学提供了一种体验式学习的新工具，增加真实经验的学习、允许移情体验以及将抽象概念具体化的可视化等条件。学生通过在模拟场景中亲自体验获得知识，从而理解抽象感念(如图4所示)。例如，学生通过佩戴虚拟现实眼镜，抬头仰望天空，就会出现天气报告，精确地告诉学生未来天气会发生什么变化，何时发生。基于开放标准的电子工具和服务越来越普遍，这提升了集成和协作工具的功能，与此同时，技术的发展也正在满足更加多样化和专业化的学习需求。

图4 使用Ocutus体验人体机能

3.提升学习动机

对自身能力的评价和认可是解决学习中的困难、提升学习效率的重要因素，具有较高自我认同感的学习者一般会有比较强的学习动机。动机是影响学习结果的重要因素，积极的学习动机可以提高学习效率。虚拟现实技术的一个强大特征就是允许用户实时直观地与3D影像进行交互，从而更真实地体验学习过程，创造高度直观和交互式的用户体验[7]。

虚拟现实学习系统为学习者提供了逼真、沉浸式、模拟的学习环境。虚拟学习这种学习方式改进了知识的获取方式，加强了对知识的理解和记忆，提高学习者感知知识的有用性和易获取性，能够培养学习者的学习兴趣，激发学习动机。

教育工作者应该通过增加学习活动中的交互性提升学习者特别是在线学习者的学习动机，模拟环境和增加学生的现场感是虚拟现实创造更多有吸引力的教育体验的重要贡献之一。例如，通过虚拟现实环境，学生有机会以红细胞的形式在人体的血液中畅游。

4.提升学生的参与感和存在感

虚拟现实有助于提升学生的参与率，持续开展积极的、建构性的学习。虚拟现实作为一种动手、互动、沉浸式的体验，为学生提供了一种新颖的学习方式，为学生提供了传统教学从未接触过的强大的新体验。学生通过沉浸在真实的、多感官的体验中使主题教学活跃起来。例如，Google Expeditions允许教师将学生带到火星、海底等虚拟环境中进行野外旅行，这些环境可以激发学生对主题的新兴趣，为更好参与课堂讨论提供共享的经验，并提高学生整体的参与度[8]。这样的经历提供了独特而新鲜的学习机会，吸引着学生的积极探索和参与，激发他们的学习的兴趣和好奇心。这种新的学习体验成为解决传统枯燥和低吸引力学习主题的途径之一，吸引学生更多地参与和分享。例如，考古学常常被归为冷门学科，而虚拟现实环境通过重构古代的历史现实和场景，还原历史原貌，吸引考古学的学生通过亲临环境现场进行考古发掘，增强学习的真实感和存在感，提升学生的学习兴趣和继续学习的潜力。

5.促进协作与共享

虚拟现实设备的互联特性和移动特性吸引了全球的参与者参与其中，通过游戏的方式来模拟全球危机，参与者以合作的方式寻找应对全球挑战的解决方案[9]。例如，某些国家正在面临贫穷和饥荒的危机，而那些从未真正亲身体验过贫困和饥荒的可以通过虚拟现实的沉浸式环境真实体验其他国家面临的困境和苦难，共同思考提出有效的想法和解决方案。这种合作解决问题的方式为解决人类面临的全球问题提供了一种全新的视角，这也将是未来教育的一种趋势。

虚拟现实技术不仅是个人的体验，而且可以是群体在相同的场景进行的体验——虚拟的和同时的。例如，学生可以在一个班级或小组中不同地理位置访问相同的虚拟环境，这为小组在项目和反馈上提供了互动和协作的机会。由于介入性学习环境已经使用互联网和多媒体及共享媒体技术来干预群体性学习，虚拟现实还可以通过共享虚拟现实来提供丰富的共享学习。

四、虚拟现实的实践探索

世界各国的教育部门都在关注虚拟现实在课堂中的潜力，并急切地希望在课程中试验这一技术。在新加坡，教育部正与当地新开办的生产公司合作，共同创建虚拟的实地考察，目的不是将虚拟现实技术取代人类的旅程，而是在教材中加入虚拟探索的环节，教师们发现学生在访问后所做的学习单比引入虚拟现实工具前更具有洞察力[10]。

华盛顿领导学院也在使用虚拟现实技术进一步推进科学课程，该学院获得1 000万的补助创建了全国第一个虚拟化学实验室，孩子们可以在那里没有任何风险地使用化学物质如硫酸、汞或铅进行虚拟实验，而成本仅是实体实验室的一小部分[11]。

在中国，由于平台成本较低以及政府的支持，虚拟现实技术在教育领域的应用迅速发展，工业界正在测试自适应学习工具和虚拟现实技术的结合，打造个性化教学，可以检测出令人感到无趣的课程线索，并及时调整课程以提高学生的注意力[12]。

五、虚拟现实面临的挑战

虚拟现实技术引起了人们广泛的兴趣，各类教育机构也积极参与，例如培生(Pearson)出版集团、霍顿米夫林出版公司(Houghton Mifflin Harcourt)分别与谷歌合作，拓展科技巨头在虚拟现实领域的实践与探索，在线教育平台“发现教育(Discovery Education)”正在将虚拟现实技术融入到数字课程组合中[13]。虚拟现实技术供应商的参与带来教育内容的不断丰富，但这一技术能否真正成为学校重要的教育途径还面临很多挑战，也还需要实践的验证。

1.挑战之一——设备给学习者带来的身体不适

每个人对设备的使用都会有不同的感受，设备的质量及设计带来的舒适度也是重要的影响因素。当人们使用虚拟现实设备浏览互动场景之后，头脑中的虚拟景象仍然会保持相当长一段时间，很多虚拟现实系统使用跟踪装置记录人们的头部运动并相应调整图像。因此，使用虚拟现实设备时，部分人群会出现身体不适。

这种不适可能会导致晕眩和恶心，而这种影响根据个人体质的差别也会不同，有的人在使用设备后经过几分钟不适感就会消失，而有的长达几个小时。 时间的延迟效应是造成不适的主要原因，另一个原因是头戴设备或透镜都有可能影响平衡导致疲劳，特别是完全沉浸式系统对人的影响更为明显。尽管如此，依然可以使用某些原则测评虚拟设备的标准，主要包括性能、完成任务的有效性、满意度、错误率、误差、成效等。因此，虚拟现实设备在推广时还需要制定安全指南和使用方法，以尽量避免使用设备造成的不适感。

2.挑战之二——对教师学习能力和教学能力的挑战

在任何学习层次上，教师总是面临各种挑战，如如何为学习提供“真实生活”的环境、如何有机会“亲身体验”、如何更好地进行教学设计、如何让学生从体验中获得真知。由于虚拟现实技术的广泛使用，对教学实践者提出了新的挑战，这些挑战将对课程规划、结构和内容产生广泛影响。第一，教师学习能力的转变，教师不但要了解新技术，更要善于驾驭新技术，虚拟现实的出现对教师的学习能力和适应能力是一大挑战。第二，教师角色的转变，虚拟现实技术融入教学设计，教师不再是教学的主角，不再是课堂的主导者，而应转变为教学活动的设计者、学生学习活动的引导者和合作者。第三，教师教学能力的转变，教师必须根据教学目标的需求对虚拟现实进行重新的设计和规划，还需要及时调整虚拟环境和现实环境的转换，及时总结、归纳和引导学生体验后的学习收获，让体验真正高效、又去、有益、有用。

3.挑战之三——对学校资金投入的挑战

学校为了适应教育技术的发展和教育环境的变化，必须在硬件和软件上配备相应的资金。在购买虚拟现实设备时，虽然是一次性购买，但对教师软实力的培训也是一笔不小的开支。因此，必须有相应的预算资金来引导和适应技术的使用。一个学校越能评估教育技术为学习带来的益处，越能更好地使用和配置资金。此外，教学设计需要整合技术的使用，并及时调整传统的考试、测试方式以适应新技术的使用。学生不但可以获得先进的技能发展和内容知识，也有机会通过创造性和应用性的方式来展示他们基于虚拟环境所获得的知识、产品和收获。

六、结语

在评估虚拟现实的教学效益时，面临的最大挑战是对学生获得虚拟体验之后学习成效的评价。虽然新技术正日益为学生提供一种全新的学习过程和学习体验，但更大的挑战是如何鼓励更多的教师和研究者创新和学习这些技术，使技术能够应用到教学设计中，并最终使学生在体验中获得真知。

虽然在课堂中的沉浸式虚拟现实研究很少见，但有些调查仍显示出可喜的成果。美国基础教育工作者委托三星公司的调查报告中发现，85%的教师认为虚拟现实技术会帮助学生理解学习中遇到的概念，促进更多的合作；84%的人认为，技术会提高学生的学习动机，中国研究人员调查了关于虚拟现实技术对语言学习成绩的影响，发现在测试组中学生的持续学习率提高了32%[13]。因此，虚拟现实作为沉浸式学习的有效途径之一，在教育中的应用和推广依然值得重视和推荐。