基于虚拟现实技术的具身认知教学模式设计研究

刘 洋

(东北师范大学信息科学与技术学院，吉林长春130024)

0 引言

教学设计的理论发展以及实践研究一直深受心理学对人类认知和学习的影响。20世纪80年代开始，以具身性和情境性为特征的第二代认知科学开始兴起，“具身认知”作为其主要代表开始频繁出现在视野之中。具身认知理论认为，身体与认知密不可分，身体不仅参与并且影响认知的过程与结果。心智存在于身体，身体存在于环境，三者构成我们了解世界的一个有机体。其强调身体在认知过程中的重要作用，更强调身体的处境性，即身体不是孤立存在的，而是与周围物理、社会环境进行互动的有机体[1]。在此之前，传统认知科学受到西方哲学家柏拉图“身心二元论”的影响，认为认知仅发生在个体内部的头脑活动之中，与包括身体在内的其它因素均不能起到影响作用，“身”与“心”是彼此独立、互补相关的。因此，在教学中便出现了“离身”性这一概念。而具身认知的出现，带来了教学从“离身”一步步向“具身”的转变。具身认知为教学设计提供了一种新的理论基础，逐渐成为继客观主义和建构主义之后教学设计研究范式的新转向。

虚拟现实技术近些年取得了飞速发展，其出现为教学走向“具身”带来了更多机会。虚拟现实技术综合了如计算机图形学技术、立体显示技术、传感技术、网络技术、数据传输技术、立体声技术、语音识别技术等多种先进技术来制造出一种虚拟的三维空间，并且模拟身处其中的用户的感受，与用户互动，使用户产生身临其境的感觉，将现实与虚拟环境进行融合。虚拟现实由于其想象性、交互性、沉浸性的三大特征已被运用于多个领域，越来越多的教育工作者也开始尝试利用这项新技术来改善教育教学。虚拟现实为学习者带来了生动直观的交互界面以及包括视觉、听觉、嗅觉等在内的多通道感知体验；为学习者创设真实的学习情境，加强学习体验，提高临场感以及心流体验；帮助学习者创设现实生活中无法接触到或根本不存在的场景。

具身认知理论强调心智、身体、环境三者是统一的有机体，身体在环境中的体验是认知发生的必要条件。具身学习是在具身认知理论基础上发展形成的一种新型学习方式，其研究者认为，要充分调动身体的感官和动作，使身体参与学习[2]。在虚拟现实技术的支持下，学习者处于真实的学习情境中，并且可以将感知觉体验、肢体动作等身体要素融入教学过程中，产生身临其境的学习体验，由此实现技术与教学的整合，即具身学习。因此，将虚拟现实技术与具身学习相结合并且运用于教学设计具有相当大的发展潜力。

1 具身认知理论介绍

1.1 具身认知的发展

梅洛·庞蒂、贝特森、瓦雷拉等人的观点是具身认知理论形成的重要基础。梅洛·庞蒂从知觉现象学出发，主张身体的知觉是行为产生的基础。我们关于世界的认识是通过身体这一中介实现的,是身体使我们与世界产生关联[3]。贝森特、瓦雷拉等人认为认知依赖于主体经验的种类,而这些经验乃是出自于具有各种感觉运动能力的身体，这些感觉运动能力本身植根于或嵌入于一个更广泛的生物的、心理的和文化的情境中[4]。由此衍生出的具身认知理论强调身体对于认知的重要性，认知的内容来自于身体。认知存在于大脑，大脑存在于身体，身体存在于环境，这三者密不可分。

以具身认知的视角来探究学习、知识和学习环境这三个要素，可以产生具身认知的学习观、知识观和学习环境观[5]。具身认知的学习观认为学习并不是单一的大脑中的信息加工，也不是环境对于身体的作用，而是将心智植根于身体，身体植根于环境，是一个身心一体的综合训练过程。产生于身体的具身经验能够促进学习的发生。基于具身认知的学习观带来了一种新的学习方式——具身学习。罗琳·克拉克最先提出了具身学习的概念，具身学习是指当身体受到刺激后，由感知觉体验引发个体心理和情感水平的变化，并通过身体对这种变化作出反应[6]。简而言之，具身学习是以具身认知理论为基础的，通过身体与环境在交互过程中的身体体验来进行学习的学习方式。具身教学设计也为越来越多的研究者所关注。贾丽娜等人在分析具身学习本质的基础上，提炼出了具身教学的要素，进一步提出了具身教学设计的框架[7]。李海峰等人以具身认知理论为基础，进行在线学习环境的设计，并提出了设计开发框架，清晰地呈现了在线学习环境中认知、身体以及环境之间的关系[8]。

1.2 具身教学

虚拟现实的快速发展为其在教学中的应用提供了多种可能性。虚拟现实技术能够为用户带来多重感官体验，使用户产生身临其境之感。在虚拟现实技术中，多方面涉及到用户的身体体验，具身学习强调的正是身体体验在学习过程中的重要性。因此，将具身学习与虚拟现实技术相融合能为促进教学带来更广阔的发展空间。

目前已有越来越多的研究者将注意力转向具身学习与虚拟现实相结合的新方向。李海峰、王炜基于具身认知理论，提出了“具身认知在线学习环境开发框架”和相应的设计原则，并依据开发框架和设计原则进行了小学英语虚拟学习社区学习环境的设计、开发和教学实验研究[8]。郭楠提出了虚拟现实支持下的具身学习设计框架并以设计框架为基础，以《消防安全知识》课程为例，面向中学生开展了教学实践，并对学习者的学习结果、兴趣，技术接受度等方面的数据加以分析，验证了虚拟现实支持下的具身学习设计框架的有效性[2]。但是放眼国内外，此类研究的数目仍是凤毛麟角。本研究期望以具身认知理论为基础，在虚拟现实技术的支持下，创设出一种新型的教学模式，为教学带来更多的可能性，从而促进教学的发展。

2 基于虚拟现实技术的具身教学模式构建

2.1 基于具身认知的抛锚式教学

以具身认知理论为基础的教学设计，核心内容包括学习环境、学习内容、学习过程的设计。并且更加注重学习者在整个过程中的中心地位，以学习者为主体，强调学习者在学习过程中的主体经验以及主导地位[9]。本文以抛锚式教学模式作为基础，在融合了具身认知理论以及虚拟现实技术的基础上构建了一种新型教学模式。

抛锚式教学模式为学生提供有意义的真实情境，学生在此情境中合作学习解决真实问题并从多角度探索学习内容，学习与教学应该围绕着一个“锚”来设计[10]。“锚”作为抛锚式教学中的核心，可以以视频、音频、图片等形式来呈现，其目的是将学生置于课堂之外的真实情境中，来实现知识的迁移。而虚拟现实技术可以为用户带来具有多重感官体验的虚拟仿真环境，使用户产生身临其境的感受。如果二者相结合，以虚拟现实技术为依托创设真实环境，为身处其中的学生抛出核心“锚”，将为学生带来更为真实的学习体验。从具身教学的角度来看，身处虚拟现实环境中的学生身体与真实环境产生互动，可加深身体体验，从而进行学习。以著名的抛锚式教学案例贾斯珀系列中《邦尼牧场的救援》为例，课程原本的教学设计是教师通过播放录像的方式为学生呈现一个历险故事——主人公遇到了一只受伤的鹰并希望对其进行救助，以主人公在历险过程中遇到的困难提出问题，如怎样设计路线才能花费最短的时间到达救援点等，之后进行自主学习、合作学习解决问题。在融入了具身认知理论以及虚拟现实技术之后，我们可以将录像中的内容以真实场景呈现，学生们可以借助虚拟现实设备身处历险环境之中，并且以自己在虚拟场景中的虚拟化身作为历险故事的主角，亲身体验对受伤的鹰的救援过程。在自主学习与合作学习的过程之中，学生可以通过相应设备与环境进行互动，通过亲自体验路线来确定最佳救援方案。从第三人称视角到第一人称视角的转变，从纸笔画图到亲身体验的跨越，这一改变能够为学生们带来更加生动有趣的身体体验，从而有效促进学习。

2.2 虚拟现实技术支持的抛锚式教学模式构建

以具身认知理论及虚拟现实技术为基础的教学模式包括前期分析(分析具身教学的目标、分析学习者特征、分析学习内容的具身特征)、创设具身性教学环境、开展具身性学习过程、学习评价、反思修正几个要素，见图1。

图1 以具身认知理论及虚拟现实技术为基础的抛锚式教学模式

2.2.1 前期分析

(1)分析具身教学的目标。教学目标对整个教学过程起导向作用，引导课堂的走向。具身学习注重学生们的身体体验，从而提高学习效果。因此，具身教学目标即不同教学目标中与身体体验相关的部分。比如，语言类课程中的具身教学目标是在听说读写的总目标下，着重培养学生将发音、手势、表情相互配合以完整进行表达和交流，而不是“复读机”式地语言表述。技能类课程中的具身教学目标是培养学生动手解决问题的能力，从而能够在各种真实情景中应用此项技能，而非死记硬背课本中的动手步骤。分析具身教学目标除了要考虑学习目标中身体体验相关的部分，同时应考虑可利用的教学环境和教学时长等。

(2)分析学习者特征。学习者特征包括学生的认知水平、学习动机、情绪状态和个体差异等多种因素。首先，学生们存在先前的身体经验、知识背景与储备、能力水平及个性方面的个体差异。因此课堂中的具身活动设计应以学生们先前的知识水平作为参照，难度适中，难度大的活动只适合成绩优异的少部分学生，而难度小的活动会使大部分学生缺乏动机，心流状态较低。其次，不同年龄不同阶段的学生在注意力时长、集中程度、记忆力等认知方面均存在差异。通过对学习者特征的分析能够设计出更加符合学习者认知水平的教学活动，并且在教学活动中能够提高的调动学习者的身体参与度，从而增加身体体验。例如，相较于以意义记忆为主，注意力时长较长的大学生相比，小学生注意力时长较短且多以机械记忆为主，因此在设计小学生的具身教学时，应设计时间较短的具身活动并具有较强的趣味性，能够吸引其注意力。

(3)分析学习内容的具身特征。学科差异会带来具身教学活动设计的差异，同一学科中的不同学习内容也会产生设计差异。例如，数学学科中关于几何体体积表面积计算的学习内容可以采用虚拟实物操作的具身教学活动，关于追及问题的学习内容可以通过与虚拟设备的交互来进行学习。而语文学科中关于语句的理解应创设虚拟现实情境进行语句训练。不同学习内容的具身特征能够帮助我们在具身教学设计选择组织具身活动的方式。

2.2.2 创设具身性教学情境

抛锚式教学模式强调有意义的真实情境的创设，具身学习强调身体与环境在交互过程中的身体体验，虚拟现实技术为加强学生在真实情境中的身体体验提供了途径。因此，在本文构建的教学模式中，创设具身性教学情境以虚拟现实技术作为依托，将学生放置于虚拟现实环境之中，学习过程将始终在虚拟现实环境中进行。学生的身体是否自由、是否参与都将由不同的教学情境来决定。因此创设合适的教学情境能够调动学生身体参与的动机。在物理情境方面，充分的身体体验必然需要充足的身体活动空间，虚拟现实设备的设计应用应符合身体体验的需要。在仿真情境设计方面，应根据学习内容进行创设，同时兼顾生动性与趣味性。例如，语言类课程中进行购物内容学习的英语课可以通过沉浸式虚拟现实技术设备，使学生身处以英语为母语的国家的商场的真实情景中，通过虚拟化身与商店店员的对话练习来进行学习。数学课中的排列组合内容可以通过桌面式交互系统来实现，从而使学生在与设备的交互中了解真实存在的问题并解决问题。社会情境注重的是人与人之间的社会关系，会影响到学生的情绪，从而影响身体参与的动机。师生之间的实时交互属于低层次的具身学习，而同时出现在多人交互虚拟现实系统中的师生交互、生生交互则是较高层次的具身学习。以虚拟现实技术为依托的真实教学情境的创设将增强学生的身体体验，从而促进学习。

2.2.3 开展具身性学习过程

(1)提出问题。在创设的虚拟现实仿真情境中导入新课后，教师根据情境提出恰当的问题或具有较强的实用性事例作为教学活动的核心，也就是学生在学习中需要解决的问题，问题可以是一个也可以是一系列，这些问题就是“锚”，教师确定这些问题的过程就是“抛锚”。教师提出的问题需要具有实用性，在真实情境中解决具有实用性的问题更能够促进学生知识的迁移。教师提出问题，学生进行思考的过程，其实也就是师生互动交流过程。而在具身学习过程中，师生交流不仅包括语言的交流，更是身体以及情感的交流。例如，在《邦尼牧场的救援》中，学生以第一视角目睹了鹰的受伤过程之后，由教师提出问题：怎样才能用最短的时间将受伤的鹰送到救援点？

(2)自主解决问题。自主学习是在提出问题之后，学生根据自己已有的知识储备以及所掌握的学习资料，在教师的引导下，一步步寻找解决问题的方法的过程。在具身学习中，学生是课堂的主体，不再由教师进行陈述性知识讲解，而是由学生利用虚拟现实设备身体力行的参与其中解决问题。教室从原来知识的讲授者变为协助者，从旁引导，在多人互动虚拟现实环境中与学生进行交流，协助学习。例如，在《邦尼牧场的救援》中，学生通过头戴式虚拟现实设备实现身体与环境进行互动，学生手臂的动作可以在虚拟环境中勾画出行走路线并且体验路线中所遇到的问题，经过多次的尝试确定最佳路线。

(3)合作学习。学生在进行自主学习之后，也许会存在较为复杂的难以解决的问题。合作学习可以通过学生之间的语言、情感、身体交流，凝聚集体的智慧，实现观点的修正与改进。合作学习可以是实时的生生交流互动，也可以是存在于多人互动虚拟现实系统中的虚拟化身之间的交流互动。例如，在《邦尼牧场的救援》中，每人确定了一条线路之后，合作讨论交流将各个路线在虚拟环境中进行演示，从而确定最佳路线。

2.2.4 学习评价

学习评价是对教学的过程和结果进行价值判断的过程，学习评价对于整个学习具有指导、反馈、激励的作用。具身学习中的主体是学生，因此学生应该参与到评价过程中，而不是仅由教师进行评价。学生自评、小组互评等方式，有助于激发学习的主动性和积极性、增强合作意识，可有效发挥评价的激励和导引作用。

3 结语

基于虚拟现实技术的具身学习环境是一个统一、能动、有机的复杂系统，学习者的身体、心理与环境持续交互，动态生成[11]。近些年，随着具身认知理论和虚拟现实技术的不断发展，其在教学方面的应用受到了研究者们的不断关注，然而对于虚拟现实技术与具身学习相结合的实践研究仍是凤毛麟角。以具身认知理论作为哲学基础，在抛锚式教学模式的框架之上，引入虚拟现实技术，构建了一种新型教学模式，希望能为未来其在教学中的应用带来更多的可能性。总而言之，未来的学习应脱离“离身”的模式，采用将学生的认知、身体、环境相结合的学习方式，促进学生的高效学习。