基于虚拟现实技术的深度学习场域模型构建研究

摘要 虚拟现实技术以独特的全沉浸式和交互性特点，为创建教学情境提供了有力的支持，极大地改变了学生学习方式。 目前虚拟现实技术日渐成熟，虚拟现实技术的教育应用研究成为教育工作者关

　　虚拟现实技术以独特的全沉浸式和交互性特点，为创建教学情境提供了有力的支持，极大地改变了学生学习方式。 目前虚拟现实技术日渐成熟，虚拟现实技术的教育应用研究成为教育工作者关注的热点。 文章通过分析虚拟现实技术支持的学习特征，认为虚拟现实技术在深度学习场域构建上的优势主要体现在情境构造、体验设计、行为引导、学习迁移等方面。 文章采用设计与开发研究方法，构建了一个基于虚拟现实技术的深度学习场域模型，该模型是由一个基石(以情境、交互、体验、反思为核心的学习空间塔)、一个内核(学生投入)、三个支持点(教师、技术人员、需求转化工具)组成的开放场，模型内各组成要素之间协调互助，实现深度学习。 文章基于此模型，以“人体骨骼”虚拟现实学习系统为例展开研究，提出了深度学习场域模型的构建方法与策略，以期对虚拟现实的教育应用研究者有一定的借鉴意义。

　　一、问题的提出

　　21 世纪以来，学生的学习方式逐渐向信息化、数字化、智能化发展[1-2]，然而，基础教育中依旧存在着一些问题，如信息技术与课堂教学融合不够紧密、学生信息化学习方式有待改善等[3]。 同时，在常态化教学中，信息技术在教学中的应用停留在“呈现事实”“创设情境”与“提供示范”等层面，缺乏较高层次的“原理解释”与“设疑思辨”的应用[4]，因此，学生的学习多停留在浅层阶段。 面对学习中存在的效率低下、浅层化等问题，如何实现深度学习成为教育问题解决的有效探寻方向。学习作为一种隐性的空间，运行逻辑符合社会学中的“场域”内涵，学习场域是学生、教师与资源之间的关系网络。 将学习纳入场域范畴进行研究，对观察、理解和深入分析教育现象具有重要的本体论与方法论意义[5]。

　　二、虚拟现实技术支持的学习特征分析

　　虚拟现实技术在教学中是作为技术媒体使用的，其技术功能是塑造其所支持学习特征的重要因素。 虚拟现实技术可以生成一种模拟环境，利用各类传感设备将用户“投放”到该环境中，实现用户与模拟环境的自然交互。虚拟现实技术主要有三类重要功能：(1) 感官模拟：虚拟现实技术可以将人所身处真实环境中的真实感官刺激模拟甚至放大，使用户能够获得听觉、视觉、触觉、力觉等多重感知。 目前，虚拟现实技术的感官模拟主要集中在视觉、听觉、触觉，从技术承载设备方面分析，虚拟现实技术主要有可穿戴设备、模拟舱两种发展方向。 虚拟现实技术的一大发展方向是模拟出人具备的所有感知功能。 (2)造物创世：在创世与造物方面，视频技术已经向我们展现了一定的风采，影视将真实世界与虚拟世界用平面或三维叠加的方式呈现出来， 而虚拟现实技术则在此基础上更加凸显出了 “再现”与“具象化”的魅力。 虚拟现实技术可以模拟真实与设想，跨越时间、空间障碍，将过去与未来、宏观与微观、远方与近处等带到眼前。 (3)交互与反馈：虚拟现实技术不仅模拟了感官和存在， 还模拟了发展，将用户投放到模拟世界中，用户可以对这个模拟世界产生作用，同时，模拟世界也会根据用户的作用进行发展，为用户提供类自然的反馈。

　　三、深度学习场域模型的建构基础

　　(一)学习场域 1935 年勒温类比物理学中的“场”提出“场域理论(Field Theory)”：B=f(P，E)，其中 B 表示行为，P 表示个体，E 表示环境， 强调个人的行为是个体与环境相互作用的结果。 学习场域是学生与学习资源间的一种关系网络，深度学习场域则强调了学生与学习资源的深度交互，目的是实现深度学习。 相对于浅层学习场域而言，深度学习的场域表现出以下特性：(1)具有更高的学习目标、思维层次，更强的学习动机以及更加独立的学习空间;(2)学生学习的主动性更强，与场景的交互性更高，更加注重学生间的协作能力;(3)更注重学习反思，强调文化资本的高利用率;(4)更注重学习效果，强调学生的意义建构。

　　(二)深度学习深度学习与浅层学习的根本区别在学习者获取与加工信息的方式上[10]。 与浅层学习不同的是，深度学习强调了学习行为的高投入性与复杂性，追求学习的高目标层次——创新、评价与分析。 Chris Dede 阐述了数字技术在深度学习中的角色， 以 自 设 计 的 EcoMUVE 系统为基础， 对其在科学课上的效果进行评估，同时，结合访谈法对教师的态度与看法进行调查，结果表明，更积极及更多时间的监督能够优化游戏学习效果[11]，因此，在设计的深度学习场域模型中，将教师监督纳入模型中。

　　四、基于虚拟现实技术的深度学习场域模型建构与分析

　　曾明星、李桂平等将情境、交互、体验与反思作为深度学习场域建构的核心构件[17]。 本研究以虚拟现实技术支持的学习特征分析为基础，结合学习场域的相关理念，提出一种基于虚拟现实技术的深度学习场域构建模型，如图 2 所示，该模型是由一个基石(以情境、交互、体验、反思为核心的学习空间塔)、一个内核(学生投入)、三个支持点(教师、技术人员、需求转化工具)组成的开放场。

　　(一)以学生、教师、技术人员、需求转化工具为灵魂的支持系统学生作为学习活动的主体，是基于虚拟现实深度学习场域的最内核的部分。 建立基于虚拟现实的深度学习场域，必须以学生的需求作为根本出发点。 教师既是学习活动的设计者，也是学生学习的指导者与评价者，教师是整个场域中不可缺少的调配师。 技术人员是虚拟现实产品的开发者，是场域物理平台的制作者。 教师与学生是虚拟现实教学系统的使用者，技术人员是虚拟现实学习系统的制作者，两者之间存在供需关系。 师生与技术人员之间存在一定的知识障壁，如何将师生的教学需求转化为软件开发需求是虚拟现实场景学习场域的第一道门槛，这里的需求转化工具可以是人员，也可以是一套标准。 学生、教师、技术人员以及需求转化工具是学习场域模型的灵魂，四者之间应该协调互助、共同努力。

　　(二)以学生投入、教师监督、技术人员开发、需求转化工具设计为中心的场域活动学生的学习投入直接影响到学生的学习效 果。 Fredricks 等 认 为， 学习投入包括行 为(Behavioral)、情 绪(Emotional)和 认 知(Cognitive)等 三 个 独 立维度[18]。 郭继东研究发现，英语学习内在情感投入对学习成绩产生直接的正向预测作用， 外在情感投入通过内在情感投入的中介作用对学习成绩产生间接的预测作用[19]。 学生的学习投入程度是评价场域活泼度、生动度的重要指标，是一个学习场域良性发展的重要因素。沉浸式虚拟现实技术营造了一个虚拟空间，学生在该虚拟空间中探索、产生“学习行为”。 为了掌握学生的学习情况，教师被赋予了新职责，具化为两种化身：一种是以虚拟人物、角色为外衣的虚拟化身，通过局域网多人联机的方式，将教师、学习者、学习同伴等纳入场景中; 一种是以数据库技术为支持的上帝视角， 虚拟现实系统的评价模块是教师化身的一部分，承担起教学评价职责。 另外，教师不仅需要对学生的学习行为进行监督，还需要对开发人员的开发行为进行监督，改善学生与场域基础平台的适配性，同时，帮助学生更快地适应虚拟现实深度学习场域，找到合适的学习方式。

　　(三)以情境、交互、体验与反思为核心的学习空间塔 1. 情境情境属于深度学习场域中的显在场域，是依托虚拟现实技术构建的集视觉、听觉、补充嗅觉与触觉在内的多感官体验式学习空间。 在该阶段，需要结合学习内容、学习者特征与学习目的，设计虚拟现实学习情境。 该阶段的设计工作与交互、体验、反思过程是一个统一的过程，应该通过系统化的分析，确定学习情境的设计思路与策略，创设出适宜性、可扩展性与创新性的学习情境。 虚拟现实深度学习情境可以按照学生的体验方式， 划分为游戏化虚拟情境与真实情境，其中游戏化虚拟情境是指通过体验设计，引导学生借助虚拟自我角色，与场景中的任务、画面、声音、物体等进行互动、感知与操作，进而为学生创造身临其境的感受。 真实情境则是与现实生活比较吻合的一种场景，具有较高的整体性，场景与现实生活紧密联系。 真实情景中的活动与资源具有较高的真实性，设置的探索问题与现实生活具有一定的联系，能够引导学生进行预测、假设，从而真正解决问题，为后续的学习迁移的发生提供支持。 2. 交互与体验交互与体验属于虚拟现实深度学习场域中的中间构件，情境需要通过交互作用，激发学生的体验，从而对学习者的学习行为施加作用。 教学交互作为一种基本的教学事件，其核心是学生的主动学习。 在教学交互过程中，可以借助多样化的相互作用，转变学习者行为，实现教学目标。 交互与体验是一个相统一的过程，交互是学生体验的外在形式，体验是交互的内在本质。 体验是学生个体在经历观察、感受、探究等活动，实现认识内省，最终形成生成性的习惯、态度与心理品质。 在体验学习中，强调学生进行反思，应用方式也比较多样化，主要包括游戏、试验、角色扮演等。 在交互与体验模块中，应该完成以下具体任务：(1)设计学生行为预测与引导;(2) 分析学生可能会采取的交互方式与操作策略，设计相关交互环节;(3)设计应该能够引导学生逐步探索，引发学生的深度学习;(4)分层次设计需要为学生提供的用户体验;(5) 注意确保问题的动态生成性，有效应用虚拟时间带来的实时反馈，创造出适应性的模块进阶，为学生提供浸入式的交互与直观性的体验。 3. 反思反思主要包括学习过程、结果、环境与动机等多种内容，属于深度学习的必要条件。 反思本质上是为了改善学生的元认知能力，引导学生对问题进行深度挖掘，从而实现对问题本质的深刻思考，得到科学的认知结论。 虚拟现实技术为学生提供的多感官刺激，可以从多种通道激发知识与经验，有效利用学习过程与学习成果的相关关系，促进学生深化学习。

　　四、全沉浸式人体骨骼深度学习场域构建实例

　　笔者研究团队，根据本文提出的基于虚拟现实技术的深度学习场域构建模型，借助 VIVE 虚拟现实设备，开发了应用于人体骨骼学习的辅助系统。

　　(一)情境 1. 模块设计：虚拟场景设计本次研究中选择的案例为苏教版小学科学三年级上册“认识人体骨骼”课程，为了更系统化、高效化地创建适合学生特点的教学情境，对该课程章节的学习内容、学习者、学习目的与教学媒体等进行分析。 “认识人体骨骼”的教学目标从知识、能力与情感三个维度划分。知识目标：(1)知道人体骨骼的数量与结构;(2)了解骨骼的基本功能。能力目标：能够正确拼接人体骨骼。情感目标：(1)激发学生对自己身体构造的兴趣;(2)增强学生保护骨骼的意识;(3)引导学生养成在日常生活中保持正确坐姿、行走姿势的良好习惯。学习者特征分析：(1)年龄阶段为 8~9 岁，具有较高的好奇心与可塑性;(2)思维发展处于具体运算阶段，思维带有明显的符号性与逻辑性。教学重点与难点：教学重点：人体骨骼的构成与作用;教学难点：拼接人体骨骼。人体骨骼作为一种学生拥有但却无法直观感知的系统，它的学习主要借助教学媒体。 传统的教学过程中， 教师一般采用的媒体为：(1) 人体骨骼实物模型，多是棉纱制作，质感较假，在使用中容易发生碰撞、磨损，直接影响教学效果;(2)视频、动画、图片、挂件等，这些媒体通常只能为学生提供单一的或较少的感官体验，不利于学生获得对人体骨骼的全面、细致的了解。 虚拟现实技术所具有的沉浸性、多感官性与构想性，能够为学生提供拟真的学习环境，提供的人体骨骼模型真实性高、可交互性强。为了让学生更深刻地认识人体，研究团队根据场域构建模型的相关指导， 开发人体骨骼的学习场景。根据学习内容分析，结合教学重难点，设计了四个教学情境：(1)骨骼学习，提供知识学习服务，帮助学生获得各个骨骼的基本信息;(2)骨骼观察，提供多角度的观察体验， 借助刺激性的视觉体验与空间感体验，激发学生对身体构造的兴趣;(3)骨骼拼接，为学生提供拼接骨骼的机会，设置一定的容错性，每块骨骼拾取时呈现相应的骨骼功能信息，帮助学生建立起骨骼位置与骨骼功能的联系;(4)习题测试，提供知识的检验与引导迁移功能，通过巧妙的习题，设置疑问，帮助学生对所学知识进行深度加工， 引导学生展开思考，促进学习迁移。 2. 学生的学习行为：学习适应若用户的头部转动或身体移动，场景会模拟现实环境进行视觉调节，从而实现第一人称视角的转向和位移。 为了减少无谓的认知冗余，该平台设计简单的交互方式，追求易操作效果。 在该阶段中，学生的学习行为主要体现为学习适应，具体是指学生在接触虚拟现实场景时，需要掌握一定的基本操作技能，同时，需要获得对该学习情境的基本情况的认知，例如，学习情境设计的目的及学生应该达到什么学习效果。 学生可以借助已有的知识及经验，探索虚拟现实构造的学习情境。 学生通过对简单操作方式的学习，获得如何与学习情境发生交互的基本认知。 该阶段的学习属于浅层学习，是深层学习的基础。

　　(二)交互 1. 模块设计：学习行为预测与引导设计交互是指人与机器发生相互作用。 该系统使用虚拟头盔与虚拟手柄等设备作为交互工具。 头盔将人对外界的视觉与听觉进行封闭，左右眼屏幕分别显示左右眼图像，有差异信息被人眼获取，脑海中会产生立体感，使用户产生一种身临其境的感觉。 手柄是 HTC Vive 手柄，内置捕捉动作的传感器。用户佩戴头盔，接收到虚拟场景中的各种信息， 获得多种感官刺激，通过手柄实施多种动作，与虚拟现实场景发生交互。为了降低系统的无关信息冗余，减少学习者的认知负荷。 通过对学生学习行为的预测，本研究团队将交互方式集中设计为三种交互指令：“点击， 按键提示”，用于开启或关闭手持控制器的按键提示;“点击，用于交互”， 与软件系统中的 UI 进行交互;“点击，用于移动”，用于移动到绿色射线所指示的位置。2. 学生的学习行为：意义建构在虚拟现实技术的支持下，学习交互与体验的深度与广度加大，提高了学生学习的自主性。 基于虚拟现实技术的多感知性、存在感、交互性与自主性特征，学生在人体骨骼虚拟现实学习系统中，首先进入的是浅层学习阶段，该阶段中学生获得视觉、听觉感官体验，并通过置身情境方式，与场景进行适应性交互，该阶段的思维发展处于低级水平。 然后，学生进入概念的中层次交互阶段，学生与场景所蕴含的“骨骼功能” “骨骼结构”“骨骼数量”等学习内容发生概念交互，逐步建构知识体系。

　　(三)体验 1. 模块设计：学习体验设计系统为学生设计了有层次的感官体验，引导学生逐步了解人体骨骼。(1)第一个场景设计为浅层次的浏览。 首次接触骨骼模型的学生，对骨骼本身是有恐惧感的。 为了避免学生产生抵触心理，这一场景的体验方式为“模型的分解浏览”。 学生可以利用手柄发出的射线碰触骨骼的各部位，各部位骨骼以及知识介绍会放大在视野的正前方， 旋转的骨骼为学生提供更全面的观察角度，慢慢消除学生对骨骼的恐惧，激发学生的学习兴趣(如图 3 所示)。(2)在对学生学习行为与探索路径的合理预测基础上，将第二个场景设计为近距离观摩人体骨骼。 因此，系统设计出一些可抵达的、多角度观察平台。 学生在人体骨骼基础知识学习后，可以选择进入骨骼多角度观察阶段。 学生进入该场景，可以看到螺旋上升的圆盘，用户可以利用“点击，用于移动”按键，实现移动。 在该阶段中，学生可以通过位置的移动，实现对人体骨骼组成的全方位观察(如图 4 所示)，获得更直观的视觉体验，有助于帮助学生建立直观经验，获得对人体骨骼细节处的深度学习。

　　五、基于虚拟现实技术的深度学习场域模型构建策略

　　虚拟现实技术构建的深度学习场域模型，在学习者的学习迁移与意义建构中具有重要的应用意义。 教育工作者应该在教学活动过程中充分利用虚拟现实技术， 不断促进学生学习环境与学习方式的创新，同时，应该注意利用深度学习场域构建有效策略，有效控制认知负荷，避免冗余效应等。 虚拟现实技术支持的深度学习， 需要加大对反思与总结环节的重视，从问题出发，激发学生注意到行为关键点，从而抽取规律，改善思维层次，达到深度学习的目的。深度学习场域模型为虚拟现实在教学领域中的应用提供了有效的支撑和指导，结合有效策略能够最大程度上改善学生与场域的深度交互，提升学生的学习体验，促进深度学习的发生。 笔者结合全沉浸式人体骨骼深度学习场域模型构建的经验，提出以下有效建构建议：

　　(一)设置故事情境，激发学习者的学习动机在深度学习中，强调学习者的主动性。 在虚拟现实技术的应用中，需要设置良好的问题情境，同时，应该注意为学生提供足够而不过量的感官刺激，避免干扰到学习者的思维过程，产生负面影响。 虚拟场景与情节设置，应该根据 ARCS 动机激励模型，引起学习者注意， 设置情境应该与学习目标具有较高的相关性，注意培养学生的自信心，引导学生正确归因，提高学生对虚拟场景的自我效能感与满意度。

　　(二)给予策略引导，支持学生主动意义建构深度学习作为一种学习的深层次阶段，需要符合先行组织者策略， 应该与学生原有的知识结构相链接。 虚拟现实技术构造的虚拟情境中，通过给学习者提供策略或者知识指导，引导学习者建立正确的心理表征，进而促进学生进行主动意义建构，到达最近发展区。 周玉霞、李芳乐、谢永祥等学者通过实证研究，得出在有无提示问题时，学习者学习迁移的程度存在很大的差异，说明，在虚拟现实情境中，设置相关提示问题，建设引导性情境，有助于促进学习迁移[20]。 在虚拟现实系统的应用过程中，需要在恰当时机呈现提示问题，激发学生进行更深一步的意义抽象，获得去背景化的知识，在潜移默化中实现学习迁移。

　　(三)结合交互层次，强化学习者的认知加工在学习者的认知加工过程中，需要重点分析注意与知觉。 深度学习支持自上而下的建构知觉形式。 在注意呈现环节中，虚拟现实技术建构的学习场域应该考虑注意的选择性问题。 而在知觉的刺激环节中，虚拟现实场景应该注意结合建构知觉策略，减少学习者的认知负荷，促进知识的有意义建构。 另外，需要根据交互层次，促进认知的深度加工，通过概念交互与体验， 引导学习者从深度学习场域中迅速提取相关信息，促进概念与知识的迁移与建构。

　　[参考文献]

　　[1] 王运武，朱明月. 学习方式何以变革：标准与路径[J]. 现代远程教育研究，2015(3)：27-35.

　　[2] 李本友，李红恩，余宏亮. 学生学习方式转变的影响因素、途径与发展趋势[J]. 教育研究，2012(2)：122-128.

　　《基于虚拟现实技术的深度学习场域模型构建研究》来源：《电化教育研究》，作者：何聚厚， 梁瑞娜， 韩广欣， 肖 鑫， 梁玉帅

转载请注明来自：http://www.lunwenhr.com/hrlwfw/hrkjlw/17834.html