虚拟现实技术与慕课融合下的未来学习：内涵、构建和场景

余红宴 徐少卿 武伟刚

摘   要：虚拟现实（VR）技术与慕课（MOOC）已经逐步渗透到人们的工作、生活和学习中，然而将VR技术与MOOC相融合的研究还处于起步阶段。VR技术与MOOC的融合在教育场景中具有广阔的应用空间，日益凸显出未来学习的新内涵、新建构以及新场景。两者融合下的未来学习呈现出远程在线、非接触式、虚拟的沉浸式学习内涵，使得“VR—MOOC”逐渐成为未来教学发展的主流方向。

关键词：VR技术;MOOC;开放性课程;沉浸式学习;未来学习

中图分类号：G434;G64 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）13-0031-04

一、引言

新冠疫情让世界各国教育系统受到了全所未有的挑战和冲击[1]。疫情期间，全球有2亿多学生不能到学校学习，这也迫使传统的学校教育教学模式进行变革。2020年4月1日，经济合作与发展组织（Organization for Economic Cooperation and Development，OECD）教育技术司联合美国哈佛大学发布了《2020应对COVID—19教育指南》[2]。这份指南在新冠疫情之下给各国的决策者全面审视“教”与“学”所面临的挑战和需求，为學校领导、教师、学生更好地开展教学实践，提供了具体有效的行动策略，从而最大限度地降低了疫情对教育教学产生的消极影响。对于我国“后疫情”时期进行教育教学变革、重塑教育教学生态系统，具有重要的参考价值[1]。

二、慕课与虚拟现实技术概述

MOOC作为大型开放式网络课程平台，在这次疫情期间，对各国高等教育“停课不停学”的居家学习起到关键支撑作用。MOOC由美国斯坦福大学教授塞巴斯蒂安·史朗创立，当时他把自己的人工智能课程上传至互联网，吸引了来自190多个国家的16万名学生听课学习。2012年被称为“慕课元年”，多家投资商与顶尖高校构建“以学生为中心、开放的、在线的”课程，从而产生了Coursera、Udacity、edX等大型在线学习平台。在中国，2014年5月，教育部正式开通中国大学MOOC平台。该平台是由网易云课堂承接教育部国家精品开放课程任务，与爱课程网合作推出的在线学习网站。MOOC采用联结主义的教育理念，试图通过教育技术实现教育资源民主化的目标，将优质资源惠及更广泛的人群，是一种成功实现知识共享，使得每一个人可以几乎完全免费获取教育资源的课程平台，这是自印刷术发明之后又一次知识传播方式的飞跃，也是一场教育领域最大的变革[3]。

近年来，随着沉浸式学习以及仿真技术的不断发展，虚拟现实技术在教育、教学中得到了广泛应用。虚拟现实技术是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，在视、听、触觉等方面生成与一定范围真实环境相似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境的对象进行交互作用，相互影响，可以产生亲临真实环境般的感受和体验[4]。虚拟现实技术可以改造传统教室、创新VR课堂教学、建设高校VR教室和虚拟仿真实验室、加强虚拟教学环境的开发、创立虚拟情境教学新模式与虚实结合的学习环境。虚拟现实技术主要通过头显设备与传感设备模拟出仿真的视听触觉世界。用户能够沉浸、引导和执行操作，并显示实时的效果，让学生产生沉浸式学习体验。然而，现有的虚拟仿真实验室仍然延续了教室的建设传统，学生要学习，就必须去实验室或者教室，才能进行虚拟仿真实验的体验学习。例如，新冠疫情期间，大部分实验课程（包括虚拟仿真实验课程）无法开课，为此，我们提出建构一种基于VR技术的MOOC教学平台，充分融合VR技术和MOOC优势，建设线上虚拟教学平台。

三、VR技术与MOOC融合的内涵

MOOC虽然在扩大教育规模、促进教育公平和提高教育教学质量等方面发挥重要作用，特别是新冠疫情期间居家学习的实践中，MOOC显示出巨大的优势。然而，MOOC发展也存在一些问题：实验教学非常少，教学手段缺乏;实验课程资源单一，实验学习方式缺乏创新和实效性;无法进行有效的交流与协作，不利于学生意义建构与创新能力培养。更严重的是，很多实验课程无法开展，即使是学校建设了虚拟仿真实验室，也无法居家操作和学习。据统计，疫情期间，学堂在线、中国大学MOOC、好大学在线等课程平台的实验课程占总课程比例分别为0.5%、2.2%、0.5%。如何为学习者提供学习中的实践和实验教学环节，一直是在线教育面临的一个共同问题和挑战[5]。通过融合VR技术与MOOC优势，可以建立远程线上虚拟实验室，解决在线教育面临的问题。虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上建构的可辅助、部分或全部替代传统实验室真实操作环节的相关硬件和软件操作环境，实验者可以得到与真实环境一样完成各种实验项目的实验体验[5]。线上虚拟实验能够有效解决MOOC环境下实验教学所面临的困境，是未来MOOC学习环境下实验教学的一个重要发展方向。

线上虚拟实验能够有效解决MOOC环境下实验教学（虚拟仿真）的实施问题。线上虚拟实验解决了学习者众多、地点分散等不能开展真实实验的困境。运用虚拟现实、建模和数据库技术，建立高度仿真、强交互的虚拟仪器和虚拟实验室环境，学习者通过对虚拟实验仪器的操控、实验过程的触发和实现，产生视觉表象、功能和操作的沉浸式学习体验[5]。据斯坦福大学杰里米·拜伦森教授多年研究表明，沉浸式学习能够有效提高学习者的参与度、知识记忆水平以及自我效能感，沉浸式学习是数字化学习的未来[4]。

线上虚拟实验可以解决传统实验协作交流的局限性、跨时空合作的困难性问题。MOOC虚拟实验学习者可以运用各种智能终端设备，在线进行实验进程问题的交流和讨论，并根据各自的优势和特长，进行实验的分工协作，共同完成一个实验项目的设计、开发和学习。基于学习者位置呈现分布式的特点，学习者还可以利用碎片化时间进行泛在的实验操作和实践，充分解放了学习者的学习时间，带来自由安排的便利。

线上虚拟实验可以解决传统实验耗材成本高的现实问题。为了充分理解实验操作过程，学习者需要反复练习。在传统实验中，这会消耗大量实验材料，增加了高校的实验成本。线上虚拟实验允许学习者多次、反复操作实验，直到充分掌握实践技能，不必担心实验耗材问题，有效促进了学习者探究心理的成长，培养了学习者的创新精神和能力。

线上虚拟实验可以解决传统实验室实验数据记录与评价难的问题。因为学习者在线上虚拟实验操作过程的详细数据（如视频）可以被后台服务器如实记录，真实反映学习者实验学习过程中的基本情况，包括实验的掌握情况、数据的处理轨迹、实验的科学态度等都可以得到客观的评价。在线虚拟实验的自动化和智能化评价手段使得评价效率高效，实验结果能够得到及时反馈，促进了学习者实验学习的主动性、自主性发展。

四、 VR技术与MOOC的融合

VR技术与MOOC的融合不仅可以建立线上虚拟实验课程，还可以建立虚拟理论课程。VR技术与MOOC融合所需要的信息技术主要有人机交互技术、人工智能技术、可视化技术和网络技术，还有多媒体技术、云计算技术、大数据分析技术等[5]。VR技术与MOOC融合的教学平台构建由课程设计、课程拍摄以及平台搭建三个部分组成。

1.课程设计

课程设计包括课程视频设计、交互设计以及实验设计三个部分。

（1）课程视频设计

MOOC是一种基于短视频的、以学科单元知识点来组织知识结构的课程。每节视频必须具备较为明确的教学主题，并且时间一般控制在5至20分钟之间。依据VR技术的沉浸式体验、虚拟感知、人机交互等特性，结合MOOC课程建设中的教学目标与课程核心问题，首先MOOC在题材上应选择实践性较强但课堂上无法完全展示应用的课题。另外，在慕课教学视频设计中还应融入人机交互环节，使得课程实现虚拟交流以减轻学生全程观看视频而长期佩戴虚拟现实头盔导致的不适。

（2）课程交互设计

VR技术具备“交互性”的高级属性，可通过键盘或手持设备，使两个或多个个体进行互动交流的内容与结构设计。慕课在运用虚拟现实技术时，应重视创造和建立学习者与课程知识之间有意义的联系。通过人工智能、大数据以及仿真技术构建“教师—智能机器”“学生—智能机器”的交互模式[6]，彻底畅通虚拟空间与显示三维空间的屏障，在实践课程教学中培养学习者的实践、创新、协作等能力。

（3）实验设计

MOOC虽然可以传播课程的基础理论与知识，但是教师无法真正使学生在未来实践中深入应用来源于书本的课程知识。学生只掌握书本知识而缺少实践动手能力是现阶段的课堂教学的痛点，在MOOC设计时应充分考虑实验环节设计。VR技术包含了3DMAX、EZP、P2V、KAG等软件与系统，应以相关软件与系统作为技术应用基础，开发基于学科门类课程的虚拟实验环境平台，将虚拟现实技术与MOOC的优势整合起来，建设与之相适应的操作体系与运行载体，提升课程的效能和质量。

2.课程拍摄

课程拍摄包括3D全景录制和古腾堡原则与场景搭建。

（1）3D全景录制

随着VR技术商业化的不断推进，VR拍摄的技术与设备已经逐渐普及，如未泰克影像公司的曼富图360 VR、三星公司的Gear360、理光映像的THETA—SC2全景相机以及配套软件等。采用高效的录制设备与软件，可以打造出色的基于虚拟现实技术的慕课教学视频。

（2）古腾堡原则与场景搭建

古腾堡原则[7]是由14世纪西方活字印刷术的发明人约翰·古腾堡提出，他认为人的阅读方式应该是遵循某种习惯进行的，就像读书一样，由左到右，从上到下。MOOC课程在视频中加入的交互环节，如知识点答题、课程交流等采用古腾堡原则构建学习者习惯的阅读方式，提升了用户与VR课程的融合度。部分慕课课程视频录制时，天空、宇宙、深海等环境需要采用CG动画与3D模型来增强课程的虚拟仿真属性，采用“全景+绿布抠像技术”可以完善VR课程的整体录制。

3.平台搭建

平台搭建主要包括Website—VR与APP—VR两种方式。

（1）Website—VR

采用Web网页形式浏览VR课程，降低了平台研发的成本，同时慕课的“公开性”使学习大众易于接受，满足了慕课大型、在线、公共的属性要求。平台搭建的方式众多，前端采用HTML5、CSS、JS、UtoVR SDK（VR视频播放器）等工具，后端可以采用PHP+MYSQL等方法。运用UtoVR Web-SDK 软件开发工程包可以开发出高效、低成本、与VR课程更契合的慕课学习网站平台。

（2）APP—VR

APP手机应用程序是现阶段用户进行课程视频学习时采用的最便捷的一种学习方式。APP—VR模式对于学习者的VR设备要求较低，通常使用手机内置式头显设备与手持操作柄即可进行MOOC课程学习。也可以采用第三方VR视频播放APP，如上海优土视真公司的UtoVR APP，通过上传已录制好的“VR—MOOC”视频就可以为学习者提供良好的学习平台环境。

五、VR技术与MOOC融合的场景

学习场景是人类教育教学的微观单元，通过时、空两个因素，人们对学习场景进行感知，而技術条件决定着人类场景感知的方式，一个个场景组成了人们的日常学习生活[13]。VR技术与MOOC融合的应用非常广泛，不仅适合内容抽象的理论课程，也适合操作复杂的实验课程。接下来简要介绍几类VR技术与MOOC融合的场景。

1.思政类

思政教育是大学生的必修课。然而，学生认为思政课程理论知识内容抽象，导致学习兴趣不高。可以将虚拟现实技术融入思政教育中，将概念教学采用现代文化传播的方式，变革传统教学中理论知识教学运用PPT讲授、观看视频的单向传播方式[8]。通过虚拟现实技术、动态环境建模技术、3D场景显示技术、虚拟传感器技术、HLS网络直播技术的结合[3]，让思政课堂活跃起来。“沉浸式学习”可以深入学生内心，促进知行合一，增加课堂的真实性和情感性，达到培养学生情感、态度和价值观的学习目标。

2.医学类

在现阶段医学类课程中，通常采用多媒体教学。教师使用PPT开展日常教学活动，学生通過平面的图像、视频进行学习。在医学类课程中，从基础概论再到手术、解剖等实践环节都需要VR技术的支持，通过人体的虚拟现实模型，结合跟踪球、HMD、感觉手套等专业设备，学习者可以进入虚拟的医学教学环境。VR三维成像模块针对的对象是三维体数据。医学类院校一般需要建设线上虚拟实验室，学习者可以更好地进行各种解剖与手术练习，同时可以减少对于标本、场地的依赖以及仪器费用的投入，降低教育教学成本[9]。

3.艺体类

在艺术、体育门类课程的教学中，课程通常依赖于实地场景进行实地教学，一般是通过教师现场示范，学生练习来组织完成教学活动。然而，实地教学受到场地、气候、时间、疫情等不确定因素的影响，常常不能如期进行。基于VR技术的沉浸式学习方式对于学习者艺术、体育实践技能的形成和规范有着较大推动作用，学习者可以“居家”进行交互式、分布式、智能调整、图文结合的教学活动[10]。同时，VR技术可以在学生参加竞赛前提供虚拟比赛场地，提前模拟比赛的动作技巧训练，可以有效提升参与者的获胜率。

4.地理类

在国情教育的大背景下，国家对于地理课程的教学要求逐渐提高。在地理学科的教育中，要求教师积极利用身边日常生活中的教学资源，促使学生实践应用能力得到有效提升。VR技术与GIS地理信息系统（Geographic Information System，GIS）[11]的融合，使学习者通过Website平台就可以远距离进行“遥操作”与“遥显示”。教师可以结合VR技术，将教材中与人类生活密切的案例加以提炼，并融入MOOC教学设计中，使学习者对于地理学科的学习更高效、更专注，沉浸式地领悟自然奥秘，获得更好的学习业绩以及能力提升。

5.建筑类

在建筑类课程教学过程中：VR技术的现代化应用为建筑空间设计教学带来了最直观化的展示，使得教学更加仿真和高效; VR技术能够充分展现设计者的思路，以及其想要传递的设计内涵;VR技术能够提高学生对设计的主动性[12]。VR技术在三维立体空间感中的优势，使得静态建筑得到动态化展现，突破以前二维平面的设计方式，有效避免了平面设计的缺点。由此可以看出，VR技术在建筑空间设计仿真化教学中有着较好的应用前景。

六、结语

VR技术与MOOC融合下的线上虚拟MOOC， 可以让学习者产生沉浸式学习体验，不受时间、空间和场地限制，节省大量的空间、时间和资源消耗。立足于个性化、大众化、兴趣化、现代化为特征构建的“VR—MOOC”课程，具有很强的延展性、适用性，是未来泛在学习的一个重要方向。将VR技术与MOOC融合，设计教学任务、过程和细节，嵌入VR技术应用体系，整合教学过程和教学细节，提升学习者在线虚拟课程学习中的自主能力和感受能力。虚拟现实的MOOC教学环境必定促进学习者在个人知识生成、创新、实践、研究等方面能力的提升。目前，VR技术与MOOC的融合应用尚处于初级阶段。未来，VR技术将与5G网络、人工智能、虚拟直播、全息摄影等技术携手并进，必将共同推动“沉浸式”虚拟现实技术与MOOC的融合。

参考文献：

[1]田蕊，熊梓吟，Normand Romuald.疫情之下全球教与学面临的挑战与应对之策——OECD《2020应对COVID-19教育指南》解析与思考[J].远程教育杂志，2020，38（4）：3-14.

[2]OECD.A Framework to Guide an Education Response to the COVID-19 Pandemic of 2020[Z].

[3]姜强，赵蔚.MOOCs：从缘起演变到实践新常态——兼论“创客”“互联网+”时代的发展机遇与挑战[J].远程教育杂志，2015，33（3）：56-64.

[4]陈凯泉，吴志超，刘宏，等.扩展现实（XR）支撑沉浸式学习的技术路径与应用模式——沉浸式学习研究网络国际会议（iLRN 2020）探析[J].远程教育杂志，2020，38（5）：3-13.

[5]谢绍平，刘强，谌贻波.虚拟实验：MOOC环境下实验教学的重要发展方向[J].中国教育信息化，2018（23）：74-79.

[6]张艳丽，袁磊，王以宁，等.数字孪生与全息技术融合下的未来学习：新内涵、新图景与新场域[J].远程教育杂志，2020，38（5）：35-43.

[7]林珲，黄凤茹，鲁学军，等.虚拟地理环境认知与表达研究初步[J].遥感学报，2010，14（4）：822-838.

[8]唐智，董文明.VR技术支持下高职思政课教学问题及其应对[J].职业技术教育，2020，41（5）：64-67.

[9]宋林锐.基于VR的医学图像智能分析系统研究与应用[D].成都：电子科技大学，2018.

[10]孙华飞.基于VR技术的沉浸式学习在体育教学中的实践研究——以跆拳道课程为例[J].大理大学学报，2019，4（6）：95-100.

[11]王春.基于VR/GIS一体化城市微观交通虚拟仿真系统的研究与应用[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[12]傅冰，余陈亮.VR虚拟技术在文化艺术教学活动中的应用[M].北京：冶金工业出版社，2019.

[13]王晶莹，张永和，宋倩茹，等.计算教育学：研究动态与应用场景[J].开放教育研究，2020，26（4）：59-66.

（编辑：王晓明）