全息技术赋能的学习空间:发展、类别与应用

范文翔,李珂琳,施昌阳,吕佳宸

(杭州师范大学,浙江 杭州 311121)

一、引言

为支持数字时代“学与教”方式的有效变革,学习空间正不断朝着虚实融合、满足个性化需求与支持多场景学习等方向发展[1]。混合现实学习空间作为虚实融合学习空间的典型代表,已取得较好的应用成效[2],但其佩戴头盔显示器引发的视觉疲劳、头疼、恶心等不适感问题,导致学习体验并不够好[3]。鉴于此,不少研究者开始关注全息技术(Holography)。全息技术赋能的学习空间,不仅具有高沉浸感、多场景、多空间、自然交互、虚实融合等优点,更重要的是它无需佩戴辅助设备,就能够将相关学习场景惟妙惟肖地再现,使学习者基于裸眼就能够开展具身化探究学习活动[4]。有学者指出,全息技术赋能的学习空间能够打造出全新的多功能学习环境,很好地满足多场景学习与多元化学习的需要,提供更加舒适的学习体验,已成为教育界的研究热点之一[5]。《2022—2027年中国全息投影行业市场调研与投资前景预测报告》中也指出,全息投影将在教育、工商业与医学等多个领域全面运用,产生不可估量的经济和社会效益,对人类文明的历史也有颠覆性影响[6]。

可见,全息技术赋能的学习空间将成为学习空间进化与发展的重要趋势。尤其是在当前教育新基建的背景下,全息学习空间对推动学校学习空间的变革与重构,意义重大深远。然而,目前不少媒体与大众都滥用“全息”概念,认为只要是视觉震撼的虚拟影像都是“全息”[7],教育界也鲜有聚焦于此讨论。因此,亟需对全息学习空间进行较为系统的梳理,才有利于推进全息学习空间建设与变革。严格来说,全息技术是有狭义与广义之分。学界讨论的全息通常是狭义全息技术,指利用光的干涉与衍射原理,在空中无需介质就能呈现物体的立体影像技术。广义全息技术是能够记录并再现物体真实三维影像的技术总称,其中也包含了狭义全息[8]。由于不少广义全息技术与狭义全息技术所呈现出来的裸眼3D效果较为相似,两者经常被混为一谈。本研究中全息技术取的是广义概念,拟在深入分析全息技术发展历程的基础上,对全息技术赋能的学习空间类别及其教育应用进行梳理,以期帮助读者更加准确地把握全息技术的本质及其学习空间的应用。

二、全息技术的发展历程

全息(Hologram)是一个合成词,源于希腊语Holos(全部)与Gramma(信息)的组合,意指全部的信息。因此,学界将全息技术解读为一种能够记录并重现物体全部光学信息的技术。需要特别指出的是,除狭义全息技术之外的其他广义全息技术,虽然能实现近似的3D立体效果,但是大多无法完整记录并重现物体的全部光学信息,因而也有人将这些全息技术称为“伪全息”。全息技术的发展历程较为复杂,主要以狭义全息技术的发展为主线,大致经历了传统光学全息、数字全息以及计算全息三个发展阶段,其他广义全息随着这几个阶段也在不断发展[9](如图1所示)。

图1 全息技术发展的主要阶段与事件

(一)传统光学全息阶段

传统光学全息是全息技术发展的早期阶段。传统光学全息的起源最早可以追溯至1948年,英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·加博尔(Dennis Gabor)为了提高电子显微镜的分辨率,提出了一种能够包含光波全部信息的波前重建显微术,并将其命名为“全息术”[10]。全息术的原理主要分为波前记录与重现两个部分。波前记录主要是利用干涉原理,使物光波与相干光叠加形成干涉条纹并制成全息图。波前重现主要是利用衍射原理,用参考光波照射全息图时发生的衍射再现物体。丹尼斯·加博尔的全息术能够详细记录物体的光学振幅与相位等信息,实现了当时成像技术的重大突破,他因此还被授予了诺贝尔物理学奖(1971年)。但是丹尼斯·加博尔在提出全息术之初,还缺少合适相干光源的支持,且无法解决因同轴全息衍射波无法分开带来的“孪生像”重叠问题,导致这一时期的全息研究进展十分缓慢。

直到20世纪60年代,丹尼斯·加博尔全息术遗留问题才逐一被攻破。1960年,美国科学家西奥多·梅曼(Theodore Maiman)发明了世界第一台红宝石激光器,其发射的激光光源具有相干性强、频率稳、方向性佳、单色性好、亮度高等优点,完美解决了相干光源问题[11]。1962年,美国科学家埃米特·利思(Emmett Leith)和朱瑞斯·厄帕特尼克斯(Juris Upatnieks)利用激光作为相干光源,提出了离轴全息术,采用具有一偏角的参考光束使再现的虚像与实像的中心在不同的方向上,克服同轴全息的“孪生像”重叠问题[12]。此后,光学全息发展迅速,成为近代光学领域的一个重要研究方向。

(二)数字全息阶段

传统的光学全息虽有较为震撼的表现力,但由于其记录干涉结果的底片干板等化学材料价格较为昂贵且对环境的要求极高,不仅很难实现动态显示,也难以实现广泛复制与传播。随着光电传感器件的发展,研究者考虑是否可以使用光电传感器(CCD/CMOS)来替代底片干板。数字全息技术正是在这样的背景下应运而生的。数字全息技术对光波信息的记录与重现,来源于对传统光学全息技术原理的继承。数字全息技术是用光电传感器替代底片干板来记录干涉条纹,并转化为数字位图的形式保存至计算机,之后利用计算机的数值计算替代光的衍射,直接实现物体的全息再现。

数字全息技术研究最早可追溯至1967年,美国物理学家约瑟夫·W.古德曼(Joseph W. Goodman)等基于摄像机检测器和PDP-6计算机进行全息成像实验,高质量地再现全息图,揭示了基于光电传感器和计算机的数字全息具有显著的优势[13]。具体而言,相比于传统的光学全息技术,数字全息技术不仅大大降低了实验环境要求、实验操作难度与制作成本,而且还实现了全息的数字化转型,使全息信息的存储、显示、复制与传播更加方便灵活。更为重要的是,数字全息技术成像速度更快,具有更好的灵敏度、测量精度与还原效果。但是,当时光电传感器件的分辨率始终无法超越传统底片干板,使得全息呈现效果还不够理想。加上当时计算机的性能也较为有限,数字全息的研究热度逐渐减退。直到20世纪90年代,计算机的图像处理能力与光电传感器件的分辨率都得到了较大的提升,数字全息技术也随之得到了有效的发展。21世纪初,随着数码相机的普及,数字全息技术逐渐成为光学领域的研究热点,被广泛应用于医学、生物科学、工程学等领域。

(三)计算全息阶段

由于数字全息继承了传统光学全息的干涉处理过程,需要通过拍摄采集实体物体的干涉图,因而仅能高质量地完成实体物体的全息显示,还无法完成现实中不存在物体的全息显示。随着计算机计算能力不断增强,研究者开始通过实验尝试不用干涉原理记录实体物体的光波信息,直接通过计算机编码来模拟物体的光场分布。计算全息技术也就此成为全息领域新兴的独立分支。计算全息技术与数字全息及传统光学全息相比,最大的不同在于其并没有继续继承传统光学全息的原理,不依赖实物制作干涉图,而是直接通过计算机将实体物体或者是现实中不存在的虚拟物体的光波模拟出来,进而完成任意物体的全息显示。

计算全息技术最早可以追溯至1965年,在美国IBM工作的德国光学专家阿道夫·W.罗曼(Adolf. W. Lohmann)基于计算机技术与绘图仪,制作出了世界上第一张二维的计算全息图[14]。但由于当时的计算机技术还不够成熟,计算全息的发展十分缓慢。直到2005年,日本岛本智吉(Tomoyoshi Shimobaba)等用全息摄影的专用计算芯片和三维显示的反射液晶显示器(LCD)面板,开发了能够实现三维真彩色的电子全息摄影装置[15]。这一研究使计算全息不仅突破了现实物体的限制,完成任意实体与虚拟物体的全息显示,而且其再现的三维全息图像直接基于人的裸眼就能形成良好的景深效果。此后,研究者充分认识到计算全息强大的灵活性与简易性,将计算全息技术视为最有前景的三维显示方法,计算全息进入了快速发展阶段并取得了一系列重要的标志性成果。典型案例如,计算全息图的数字再现[16]、周视全息的动态显示[17]、微软公布的可以实现全息通讯的HoloLens[18]、国家健康医疗大数据中心(北方)展出的可视化的“全息数字人”等[19]。

(四)其他广义全息的发展

从图1可以看出,其他广义全息在狭义全息之前就已出现。早在1858年,英国科学家亨利·迪尔克斯(Henry Dircks)就开发了一项命名为“迪尔克斯幻境”(Dircks Phantasmagoria)的舞台技术[20]。这项技术是利用在观众席下布置的灯光和隐藏房间,借助半反半透的玻璃,让演员的身影闪现在舞台上。迪尔克斯的初衷是想揭示骗局,但由于迪尔克斯幻境需要以剧场大幅改造为前提,改造难度大,并没有得到推广普及。英国科学家约翰·亨利·佩珀尔(John Henry Pepper)注意到了迪尔克斯幻境,并将其进行了简化,使其仅利用特定的光源以及与视线成45度夹角的倾斜平坦玻璃,就能够实现物体的突然出现、消失或变形成其他物体。被佩珀尔简化后的迪尔克斯幻境适用于大部分现有剧场,于1862年在剧院表演中被普及,因而简化后的“佩珀尔幻象”(Pepper’s Ghost)技术更为人们所熟知[21]。

此后,广义全息技术的类型更为丰富多样。有研究者利用海市蜃楼原理完成了立体影像的呈现,开发出能够自由穿行的全息雾幕[22]与全息空气投影[23]。也有一些研究者利用视觉暂留现象,完成物体影像的立体展示,构建出了360度电子立体全息图和体积显示器[24]、360度全息显示屏[25]以及全息3D智能炫屏[26]。随着计算机技术的成熟与发展,还有研究者尝试用等离子体发光的点阵来打造立体的3D图像[27]。全息技术最大的亮点在于能够呈现裸眼3D效果。目前,狭义静态3D全息影像的记录与还原技术已经比较成熟,但是严格意义上的动态3D全息因需要脱离显示介质,直接在空气中形成360度全方位无死角的动态影像,还难以实现。因此,目前呈现的动态3D全息影像还是以借助介质成像的其他广义全息为主。

三、全息技术赋能的学习空间类别与特点

全息技术赋能的学习空间大体上可以分为狭义全息学习空间与除狭义学习空间外的其他广义全息学习空间这两大类。根据前述全息技术的主要发展历程和主要类别,又可将全息技术赋能的学习空间进一步细化为七种常见样态,即光学全息学习空间、数字全息学习空间、计算全息学习空间、基于佩珀尔幻像的学习空间、基于视觉暂留现象的学习空间、基于海市蜃楼原理的学习空间以及利用等离子体发光的学习空间。

(一)全息学习空间的类别

1.光学全息学习空间

光学全息学习空间主要由全息干板和光源构成,当光源从一侧照射全息干板时,学习者能够从另一侧观看到物体的立体影像(如图2A)。由于全息干板只能记录现实中存在的静态实物,因而在光学全息学习空间中,学习者也只能看到实物静态的影像。基于这一特性,可以在光学全息学习空间中开展一些濒危动植物、著名艺术品、知名建筑、工业产品等实物的展示、观摩与探究活动。但光学全息学习空间因无法展示实物的动态影像,在教学活动中的应用受到了较大的限制,目前也鲜有这方面的教育教学应用案例。另外,因其在存储领域开辟了光学全息储存这一全新路径,光学全息在大数据时代的教育教学领域也大有可为。光学全息储存与目前的存储技术相比,具有超高密度、容量大、速度快的优势,并且其数据读写都是非接触式的,使用寿命、数据的安全性与可靠性均达到较为理想的状况[28]。

2.数字全息学习空间

数字全息学习空间主要由摄像机、计算机、投影设备、话筒、音响等硬件构成,并在5G网络、云技术等支持下进行影像传输(如图2B)。由于数字全息技术实现了全息图制作和影像再现的数字化,因此在数字全息学习空间中,学习者不仅能够在计算机内观看立体影像,还能观看由计算机连接投影设备导出的立体影像。与光学全息学习空间一样,数字全息学习空间下的影像也只能是对现实中存在实物的三维再现。但由于数字全息技术具有波前记录速度快且可实时化的特点,因而数字全息学习空间不仅能够呈现实物的静态影像,也能够展示实物的动态影像,甚至是实物实时变化的情况。由此可见,数字全息学习空间能够实现动态、实时的三维教学全息影像的时空传递,对于推动传统远程教学、同步课堂、异地双师课堂等教学方式的变革与转型升级具有重要意义。

3.计算全息学习空间

计算全息学习空间主要由计算机、绘图仪、投影设备、话筒、音响等硬件构成,通过与光学全息一样的衍射过程呈现全息影像,如图2C所示。计算全息学习空间是直接利用计算机将物体的光波模拟出来,不仅可以呈现现实中真实存在的实物的三维全息影像,还可以呈现出现实中不存在的虚拟物体的三维全息影像,实现了能够显示任意物体三维全息影像的重要突破。这一重要突破,对开展沉浸式情境教学、技能操作与训练等都提供了强有力的学习支持。例如,在计算全息学习空间中呈现各种恐龙日常生活的全息影像,就可以开展有关某种具体恐龙的外观、生活习性、攻击方式、食物来源、繁殖哺育、分类与演化等一系列的探究学习活动。又如,在计算全息学习空间中呈现三维人体及具体器官模型,学习者通过与模型的人机交互体验,可以更深刻地理解相关知识并掌握相关实操技能。

图2 狭义全息学习空间的成像原理

4.基于佩珀尔幻象的学习空间

佩珀尔幻象(Pepper’s Ghost)最早被用于魔术表演,其核心装置是一面与地面呈45度放置的半反半透镜。佩珀尔幻象学习空间的布置主要如图3A所示,半反半透镜靠近观众一侧是隐蔽的LED屏幕,屏幕中播放的画面经镜面反射,从观众看来仿佛在舞台处成像。半反半透镜后舞台上的演员或布景,经镜面透射直接被观众看到[29]。真实的舞台与虚拟的画面相结合,打造出别具一格的舞台效果。为了达到更优的成像效果,半反半透镜已逐渐被高清晰、耐强光、超轻薄的全息投影膜所取代。利用佩珀尔幻象重现的影像只是一个2D的平面影像。从侧面观察,影像是一层薄薄的“纸片”,从背面是无法观察到影像的。

360度全息投影是在佩珀尔幻象的基础上发展而来的(如图3B),360度全息投影学习空间是由四面全息膜搭建成金字塔或倒金字塔状,重现的影像能从四个方向被观察到。此外,根据搭建全息膜的数量还可形成180度、270度全息投影。美中不足的是,若从两面全息膜的接合处观察,有可能会观察到两个影像。由于360度全息投影只是将单一面的佩珀尔幻象“复制”“粘贴”,因此从四个面观察到的影像都是相同的,本质上仍然是2D的平面影像。

总的来看,佩珀尔幻象学习空间与360度全息投影学习空间的核心原理是一致的,空间主要都是由光源和环绕的透明材质构成。这两种基于佩珀尔幻象的学习空间能够呈现的影像大小具有较好的灵活性,大至舞台展演,小至手机屏幕投影,可以根据实际需要灵活制定。虽然佩珀尔幻象学习空间无法显示物体的三维影像,但是在多面的佩珀尔幻象学习空间中,学习者可以从不同的方向观察影像并通过人机交互面板进行互动(如图3C)。因此,佩珀尔幻象学习空间不仅可以用于开展场馆教育,也可以用于开展数学、物理、化学、生物与地理等课程中大量难以在课堂中完成的实验与现象观察等教育教学活动[30]。

图3 基于佩珀尔幻象的学习空间

5.基于视觉暂留现象的学习空间

2007年,南加利福尼亚大学创新技术学院的Andrew Jones等人制作了360度全息显示屏。360度全息显示屏构建的学习空间(如图4A)由高速投影仪、被全息扩散器覆盖的旋转镜和FPGA电路等组成。当投影仪向旋转镜上投射画面时,倾斜45度放置的旋转镜能将光线反射到周围所有可能的观看位置。由于旋转镜以每秒20次的速度旋转,视觉暂留现象会使人产生在镜子中央有一个漂浮物体的错觉[25](如图4B)。

2017年,东南大学的周全率领其创业团队参加第三届“中国‘互联网+’大学生创新创业大赛”,团队研发的全息3D智能炫屏获全国总决赛季军[26]。全息3D智能炫屏也是利用视觉暂留现象,形成空中漂浮物的影像。全息3D智能炫屏形成的学习空间是由能够旋转的叶片与其上的一连串LED灯组成,形状犹如一个风扇(如图4C)。具体的操作:将要呈现的影像导入装置后,打开开关,叶片高速旋转,同时LED灯根据影像形状在叶片转至特定位置时亮起。由于没有边框限制,叶片在高速旋转时也几乎不可见,影像仿佛凭空出现(如图4D)。

上述两种学习空间都是利用视觉暂留现象完成成像,其组成都主要包含光源和能够高速旋转的介质。其中,360度全息显示屏学习空间的光源是高速投影仪,旋转介质是被全息扩散器覆盖的旋转镜,整体的硬件要求较高。全息3D智能炫屏学习空间的光源是LED灯带,旋转介质是叶片,设备功耗低、携带方便、性价比高,市场应用潜力更大。如果与电脑等设备连接,两种学习空间还能够对全息影像进行缩放、旋转等实时操控,如图4E所示[31]。鉴于基于视觉暂留现象学习空间生动直观的特点,使得其在场馆学习、校园文化墙建设、抽象知识点讲解与各类教学模型展示学习等教育教学场景中都有较大的应用潜力。

6.基于海市蜃楼原理的学习空间

全息空气投影最早由美国麻省理工学院的研究生查德·达因(Chad Dyner)提出。全息空气投影学习空间是将周围空气中的雾化冷凝物喷射到粒子云中,创造一个不可见、动态、非固体的粒子云幕[23]。其成像原理与海市蜃楼原理基本一致,都是光线发生一系列折射与散射后达到成像效果(如图5A)。如果人为改变云的分子性质就可以改变图像的质量,如亮度和清晰度。此外,还可以通过光学跟踪系统监控图像区域内手指的移动,并转化为光标的移动来实现人机交互[32]。

全息雾幕投影也是利用海市蜃楼原理成像,只不过与全息空气投影相比,全息雾幕投影使用几乎看不见的雾幕代替了粒子云幕[33]。波兰Leia Display公司开发了一系列融入了交互技术的雾幕投影学习空间,使学习者能够触摸影像并与影像互动,甚至从影像中穿行而过,却几乎感觉不到水雾的存在,学习效果与学习体验均要比全息空气投影学习空间的更胜一筹(如图5B)。

上述两种基于海市蜃楼原理的学习空间,虽然成像的介质有略微不同,但是成像的核心原理是一致的,学习空间也都主要由一体式的投影设备构成。与基于佩珀尔幻象的学习空间、基于视觉暂留现象的学习空间相比,基于海市蜃楼原理的学习空间最大的优势是可以直接触摸影像,并且可以直接通过手势与影像内容进行交互,无需借助第三方设备。从理论层面来看,基于海市蜃楼原理的学习空间不仅可以支持呈现与展示常态化教学中相关知识内容与模型,还能够支持开展基于成像内容的交互学习、科学探究等活动。但其成本高、影像质量稍差等问题会严重影响前述教学应用畅想的落地。

图5 基于海市蜃楼原理的学习空间

7.利用等离子体发光的学习空间

2006年,日本Aerial Burton公司、庆应义塾大学与日本国家先进工业科学技术研究所合作,成功实现了由点阵组成的“真实3D图像”的学习空间——利用等离子体发光的学习空间。这一学习空间主要是将激光束聚焦在空气中,使空气电离产生等离子体并发光,随后控制激光束在空间中的焦点位置,即可生成由点阵组成的三维图像(如图6A)。其中的激光束,最开始使用的是纳秒(十亿分之一秒)级别的红外脉冲激光[27]。考虑到在触摸影像时激光可能对人体皮肤造成一定的损害,目前大部分学习空间都用聚焦飞秒(千万亿分之一秒)激光代替纳秒激光,这样学习者触摸全息影像时的皮肤损伤可忽略不计[34]。此外,一些利用等离子体发光的学习空间还具有触控功能,可实现简单的人机交互[35](如图6B)。

利用等离子体发光的学习空间主要由空间光调制器或电流镜、超短脉冲激光器等精密仪器构成,成本高昂,技术性强,目前处于实验室开发使用阶段。尽管其核心技术并不是狭义全息,但它突破了前述三种学习空间的二维成像限制,真正做到了三维空间成像。遗憾的是,利用等离子发光的学习空间的全息图尺寸和工作空间均偏小,但Aerial Burton公司指出尺寸也可以根据光学设备和设置进行缩放[38]。利用等离子体发光的学习空间的成像效果最贴近狭义全息技术的成像效果,有着较理想的应用前景,可应用于知识内容展示、模型学习、实验演示教学、科学观察、技能训练等教育教学场景。

图6 利用等离子体发光的学习空间

(二)全息学习空间的特点

通过上述分析可知,全息技术赋能的学习空间有较多不同的种类。这些全息学习空间作为一种新兴学习空间,无论是与传统物理学习空间相比,还是与同样科技感十足的VR学习空间相比,都有其独到的优势与特点(如表1所示)。

表1 不同类别学习空间的对比

1.裸眼3D立体成像

在传统的物理学习空间中,学习者虽然也能裸眼观看,但是除了实体教具本身就可以三维展示外,其他内容的展示只能是二维平面的。尽管VR学习空间有较好的立体观感,但其需要佩戴眼镜或头显设备,时间稍长可能使学习者产生疲劳、头晕目眩、恶心等不良生理反应。相比而言,全息学习空间不仅支持裸眼观看,而且还有良好的3D立体观感,这种立体观感与人类自身的视觉观感无异,透过全息图看到的影像就如同在真实世界中一样,比VR学习空间中由计算机渲染的影像更加真实和自然。

2.虚实融合的深度沉浸

传统的物理学习空间以实体为主,特定的物理空间也可以给学习者提供初级的沉浸体验。VR学习空间是虚拟的空间,借助眼镜或头显设备能得到一个深度沉浸的学习空间。全息学习空间是虚实深度融合的,是在现实世界的基础上完成虚拟空间的叠加。因此,与普通多媒体学习空间相比,全息学习空间沉浸感会更强些,但又不像VR学习空间是完全沉浸式的。也就是说,全息学习空间不仅具有物理学习空间的直接与便捷性的优点,还可以享受全息投影技术带来的沉浸式学习体验。

3.兼具学习趣味与成效

物理学习空间的学习资源以实体资源为主,资源较为有限,学习的趣味性与效率也都较为一般。VR学习空间中的学习资源虽然都是特定的VR资源,但是可以很好地突破实体资源的限制,并且学习的趣味性较好,效率也相对较高。全息学习空间可以实现实体学习资源与虚拟学习资源的整合,极大地丰富了学习资源。学习者不仅可以直观观看3D学习资源,还能够与资源进行一定的互动,从而提升学习效果。

4.良好的交互式体验

传统的物理学习空间主要以师生、生生间的人际交互为主,VR学习空间则是以人机交互为主,少数VR学习空间还支持简单的人际交互,但二者的交互体验都较为一般。在全息学习空间中,全息投影技术与感知交互、人工智能等技术的深度融合,不仅使得全息影像能看、能摸,还能提供实时的互动与反馈。此外,全息学习空间还能够让学习者在现实空间中,直接与教师或与同伴进行实时沟通。由此可见,全息学习空间可以实现人机交互与师生交互的双重结合,给学习者提供良好的交互体验。

5.支持多场景学习与个性化反馈

不同学习场景对空间配备的要求不尽相同,因而一般物理学习空间支持的学习场景会相对单一,并且由于其无法捕获与记录过程性数据,所以也难以提供有针对性的学习反馈。VR学习空间可以突破物理空间的限制,在虚拟空间中支持多场景的学习,并且其也可以根据学习者在虚拟情境中的表现,提供一定的个性化学习反馈。全息学习空间完成了虚拟与实体学习空间的深度融合,所以其可以更好地支持多场景学习。并且,它还可以根据学习者在虚拟学习情境中的学习数据,结合物理空间中观察到的表现,提供更加有针对性的反馈指导。

6.使用的安全性较高

正常情况下,使用各种类别的学习空间的安全性都是比较高的。但是针对一些特殊的学习场景,如一些可能爆炸、因操作不当可能会误伤自己或者他人、亦或是因操作不当将产生不可逆的不良影响等试验,物理学习空间是无法规避这些危险的,VR学习空间与全息学习空间则都可以在虚拟情境中保障学习的安全性。但也需要指出的是,由于VR学习空间的学习全部基于虚拟情境,全息学习空间的学习是虚实情境结合的,虚拟内容不可避免地涉及数据安全性的问题,存在一定的数据安全隐患。

四、全息技术赋能的学习空间教育应用

基于前述的分析可知,全息技术赋能的学习空间支持学习者裸眼观看3D影像,既有一定的沉浸体验,又不会带来任何的生理不适,兼具学习趣味与成效,且在提供人机交互的同时又能保证师生交互,还可以支持多场景学习与个性化反馈,使用的安全性还比较高,在教育教学领域具有良好的应用前景。经过调研相关应用案例发现,全息技术赋能的学习空间已在远程教学、同步课堂、双师课堂、医学教育、场馆学习、智慧伴学等领域具有较深的应用。

(一)在远程教学中的应用

传统的录播课与网络直播课虽然可以突破时空限制,但也会产生距离感,临场感与交互体验都不太理想。全息学习空间能通过全息投影技术将教师形象1:1还原在授课现场,拉近远程教学时师生间的距离,增强学生的临场感与交互体验。例如,墨西哥蒙特雷大学爱德华多·卢埃瓦诺(Eduardo Luévano)等在全息学习空间中尝试通过全息投影的方式让授课教师出现在现场,让学生们近距离感受到授课教师的存在,极大地增强了教学临场感[36](如图7A)。除此之外,他们还制作了能够记录教学内容的全息便携机柜,让学生可以根据需要多次播放、学习以前录制的片段,完成了对传统录播视频的3D转化[41](如图7B)。又如,2017年,网龙网络公司与ARHT Media公司联合举办了英国著名物理学家斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)的远程演讲,利用现实增强全息人像技术将身处英国的霍金投影到中国香港科技园展厅发表演讲[37](如图7C)。再如,在2019年的世界计算机大会上,在5G+全息投影技术的支持下,身处福州的教师周坤为长沙雅礼中学高二学生上了一堂以甲骨文为主题的英语公开课[38](如图7D)。通过这些典型应用可以看出,全息远程教学不仅能够与教师进行无障碍交流,在一定程度上解决传统远程教学因物理屏幕相隔带来的临场感差、互动体验不佳的问题,还有益于推动教育资源共享与教育公平,具有较好的应用前景。

图7 全息学习空间在远程教学中的应用

(二)在同步课堂中的应用

同步课堂是助力教育均衡的一种重要形式,其在信息技术的支持下,将优质中小学或者高校的优质教学资源同步到薄弱学校。但这种形式下,远端学生的学习主要以看视频直播为主,远端学生学习的临场感与沉浸效果并不好,普遍存在课堂参与度低、学习疑惑很难实时解决、学习成效不佳等问题[39]。针对远端学生体验与效果不佳的问题,有个别学校尝试借助全息投影技术将授课教师“分身”投影到远端,开展全息技术支持的同步课堂。如,北京邮电大学将裴晓军老师在沙河校区现场授课的影像通过“5G全息课堂”同步至西土城校区,实现两校区学生同上一堂课[40]。为保障成效,北京邮电大学对沙河校区的教室进行了多媒体改造,通过高清4K大屏实现与远端教学会场的学生同步交互(如图8A)。西土城校区则搭建了包含高清激光投影与舞台纱幕的全息系统,不仅能将教师投影到远端现场,还能将课件内容也实时呈现出来,能够很好地增强远端学生的现场感与课堂氛围感,提高学生的参与度和学习成效(如图8B)。

图8 全息学习空间在同步课堂中的应用

(三)在双师课堂中的应用

双师课堂能够整合优质教师资源、提高教育质量,已在教育领域有较广泛的应用。双师课堂从最初的两位线下教师逐步发展到以线上“名师”+线下“教辅教师”为主。但是有学者指出,由于线上名师与线下学生之间缺乏临场情感交互,导致线下学生的学习成效并不理想[41]。鉴于此,有研究者尝试在线下教室中搭载全息系统,借助全息学习空间让线上名师与线下学生面对面,这样可以大大增强线上“名师”的真实感,提升师生的互动体验。例如,在华中师范大学第一附属中学举办的“5G+智能教育”行业应用发布会上,身处武汉的苏航老师联手福州的蒋大桥老师共同上了一节“光与通信的奇妙旅程”公开课,蒋老师借助全息投影技术为武汉学生远程讲解光的直线传播、反射和折射原理,苏老师则现场演示了利用光纤传播文字和声音信息的过程,充分发挥了双师课堂线上与线下结合的优势[42](如图9A)。又如,英国帝国理工学院商学院利用全息投影技术将世界各地的讲席嘉宾投影到学校会场,与现场主持教师一起完成授课。在授课过程中,讲席嘉宾也能看到现场学生,并通过手势和眼神进行真正的互动[43](如图9B)。由此可见,全息双师课堂用全息学习空间替代传统双师课堂的视频录播或直播,具有更好的临场感和交互体验,更有助于提升教学成效,助力教育公平。

图9 全息学习空间在双师课堂中的应用

(四)在医学教育中的应用

在医学学习中,三维建模可以更好地呈现复杂的人体结构。虽然传统的三维建模能够包含人体的三维结构内容,但是因其只能显示二维的空间关系,不能显示投影方向上的深度关系,故无法与图像进行深度的人机交互。而全息学习空间可以很好地突破传统三维建模的不足,能够为医学学习、训练或者诊断提供逼真的3D医学图像,精准显示人体结构的深度关系,还具有自然、精确的交互功能。如,以色列RealView Imaging公司旗下的HOLOSCOPE产品采用计算机生成的实时数字全息技术,可根据任何医学3D体积数据在空中生成全彩色、高分辨率、动态和交互式的3D全息图像[44](如图10A)。HOLOSCOPE形成的3D全息图像无需借助介质,使用者也无需额外佩戴眼镜,并且全息图像还可以根据需要自由旋转、缩放、切片、标记、测量等(如图10B)。由此可见,全息学习空间应用于医学学习,不仅能够加深学生对复杂的人体解剖和动态生理过程的直观理解,而且还能很好地助力学生完成医学实验,提升手术过程的自信心与准确性。

图10 全息学习空间在医学教育中的应用

(五)在场馆学习中的应用

场馆学习作为学校学习的重要补充,已成为一种重要的学习方式。为了提升学习者的学习体验与成效,不少场馆积极吸纳虚拟现实与全息投影等各种新兴技术,创新展示方式与知识传播方式,增加沉浸感与互动性。目前,已有一些场馆将全息投影技术与场馆学习融合,打造全新体验的全息学习空间,创新物品的展出形式与讲解形式。例如,目前不少场馆都使用360度全息投影展示展品,这种展演方式制作简便、成本低廉,实物还原度高,有利于妥善保存珍贵展品,免于失窃(如图11A)。又如,深圳育才中学的防震减灾科普馆将教师全息影像投影在纱幕上来讲解地震知识,学习者可以通过互动屏控制教师讲解节奏,具有更好的现场感与学习交互体验[45](如图11B)。再如,沈阳故宫博物院制作的全息影像短剧不仅逼真,而且还与宫殿环境十分契合,高度还原了历史场景,为游客带来深度的参观体验[46](如图11C)。总而言之,在全息学习空间中开展场馆学习,可以打造全新的物品展览与知识讲解服务,能够让学习者有沉浸式的学习体验,更容易实现场馆学习的预期目标。

(六)在智慧伴学中的应用

目前,基于智能学伴的智慧伴学已成为提升学习者自主学习效率与效果的重要抓手。在5G、人工智能、大数据、ChatGPT等智能技术的支持下,智能学伴已经能够较好地实现智能答疑、智能推送资源、智能规划与调整学习路径、智能诊断与学习成效评估等诸多功能,为学习者自主学习阶段的预习、新知学习、测评与复习提供强有力的学习支持。近年来,随着元宇宙、虚拟数字人等技术的发展与成熟,智能学伴的形象开始从二维平面发展为三维的全息智能数字人。全息智能数字人不仅有普通智能学伴的基础功能,而且还可以提供学伴、监伴与同伴等不同身份的全程陪伴与指导,让学习者有高仿真的人机交互体验。有些企业已经根据不同的需求打造出300多个虚拟卡通、拟人化角色、二次元、虚拟真人的全息数字人虚拟IP[47](如图12A)。全息AI教师还可以随时通过线上或线下为学习者提供问答讲解、培训讲座等智慧伴学服务[48](如图12B)。实际上,全息数字人除了可以应用在智慧伴学方面,也将在航空航天、汽车、机械、家具、服装、电信、医疗等领域产生积极影响并且有广泛应用[49]。

图11 全息学习空间在场馆学习中的应用

图12 全息学习空间在智慧伴学中的应用

全息技术赋能的学习空间不仅可以应用于线下的常规教学、实操训练与场馆学习,也可以支持线上的远程学习,还可以开展线上与线下混合的同步课堂、双师课堂与智慧伴学。全息技术赋能的全息学习空间可以有效支持裸眼3D直观地展示真实或者虚拟的物和人,在即时反馈系统的支持下,还可以支持人机协同交互学习。由此可见,全息技术赋能的学习空间极大地拓展了学习空间应用的深度与广度,可以支持开展各种类型的教学,在教育领域有较广阔的应用前景。

需要指出的是,在上述六种全息技术赋能的学习空间教育应用中,只有医学教学领域应用的是狭义全息投影技术,其他均为衍生的广义全息。其中,场馆学习应用中的物品展览是基于佩珀尔幻象原理。虽然远程教学、同步课堂、双师课堂与智慧伴学的应用都有涉及数字全息技术,但是他们均借助全息投影膜来完成影像投影,尚未摆脱介质的束缚,都属于衍生的广义全息。由此可见,尽管狭义全息学习空间呈现效果更好,但目前的技术水平还无法摆脱介质的束缚,实际应用也并不多见。目前全息技术赋能的学习空间教育应用,主要还是以衍生的广义全息为主。

五、展望

从理论层面与已有应用案例的实践经验来看,全息技术赋能的学习空间具有裸眼立体3D显示的特点,能够将抽象内容直观化、形象化,提供新鲜有趣的视觉体验、高沉浸感的学习情境与深度的交互体验,还能够突破时空限制,降低教学成本,提升教学质量,在教育领域有较大的应用潜力。尤其是狭义全息技术赋能的学习空间,能够直接在空气中形成360度全方位的动态影像,且影像的立体观感不会受观察角度与距离的影响,给未来课堂带来了无限可能。

然而,由于全息技术相关的设备与软件的投入成本高,大批量采购需要花费的数额较大,在全息学习空间的投入成本没有下降之前,推广和普及全息学习空间还较为困难。另外,目前全息学习空间的资源还比较匮乏,与全息技术赋能的学习空间配套的教育教学资源较少且不够系统,急缺全息技术相关的专业团队深入设计与开发。此外,全息技术赋能的学习空间对学校的基础硬件与网络宽带也提出了较高的要求,也需要学校夯实好基础建设。

随着全息技术不断地发展与成熟,全息技术赋能的学习空间必将对教育教学的变革产生重大影响。在教育新基建的背景下,通过建设与发展全息学习空间来推动学校学习空间的变革与重构,使之能够成为学校和教育主管部门的重要规划内容。当然,仅有技术的发展和愿景规划还是远远不够的,还需要有更多的全息专家与研究者投入到全息学习资源的开发与应用实践中,这样才可能真正推动全息学习空间的高质量应用与发展。