基于沉浸理論的未來(lái)課堂虛擬交互研究*

劉勉

（華東師范大學(xué)　　教育信息技術(shù)學(xué)系，上海　200062）

基于沉浸理論的未來(lái)課堂虛擬交互研究*

劉勉

（華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系，上海200062）

在當(dāng)今信息技術(shù)高速發(fā)展的大背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在ICT領(lǐng)域已經(jīng)或者將要掀起波瀾壯闊的大變革，論及虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓用戶著迷的原因，很大程度上可以用沉浸理論來(lái)解釋。虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)同樣意義重大，若運(yùn)用到未來(lái)課堂中必將使未來(lái)課堂的理論與實(shí)踐得到進(jìn)一步的發(fā)展與完善。

未來(lái)課堂；沉浸理論；虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；理論與模型

引言

隨著科技的發(fā)展，信息技術(shù)在教育科學(xué)和學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用日益繁榮，產(chǎn)生了諸如未來(lái)課堂 （classroom of the future）、翻轉(zhuǎn)課堂（flipped classroom）、智慧教育（smarteducation）、慕課空間 （MOOC space）、移動(dòng)學(xué)習(xí) （mobile learning） 等大量新技術(shù)和新名詞，其中，未來(lái)課堂概念的提出則具有較大的前瞻性和實(shí)用性。

當(dāng)今絕大多數(shù)的課堂仍然與一百年前甚至幾百年前的課堂相差無(wú)幾，而根據(jù)教育技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，我們需要重新分析、設(shè)計(jì)和實(shí)施面向未來(lái)的與時(shí)俱進(jìn)的課堂。美國(guó)的《時(shí)代》雜志于2006 年12月18日的封面標(biāo)題為“How to Build a Student for the 21st Century”；ORACLE教育基金會(huì)提出的21世紀(jì)人才應(yīng)具備的技能是批判性思維、創(chuàng)造力、團(tuán)隊(duì)合作、跨文化理解、人際交往能力、技術(shù)素養(yǎng)和自我導(dǎo)向［1］；2015新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告中從趨勢(shì)層面提到影響教育的短期趨勢(shì)是混合學(xué)習(xí)的廣泛應(yīng)用、學(xué)習(xí)空間的重構(gòu)，長(zhǎng)期趨勢(shì)則是推動(dòng)文化變革和創(chuàng)新、日益增進(jìn)的跨院校合作［2］。

通過(guò)大量的分析和研究，能夠應(yīng)用在未來(lái)課堂中的技術(shù)有很多種，而現(xiàn)今虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在信息技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)或者將要掀起波瀾壯闊的大變革，所以筆者認(rèn)為將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到未來(lái)課堂中將是對(duì)未來(lái)課堂從理論到實(shí)踐的極大補(bǔ)充和完善。

一、基本概念與理論

（一）未來(lái)課堂

王鑒先生于2003年發(fā)表在《教育研究》的《課堂研究引論》中提出了“課堂的形態(tài)最少有三種：第一種形態(tài)是指課堂教學(xué)的場(chǎng)所，即教室，這是一個(gè)條件性的理解；第二種形態(tài)是指課堂教學(xué)，就是發(fā)生在教室里的教學(xué)活動(dòng)，即人類專門的知識(shí)傳授場(chǎng)所；第三種形態(tài)是指課堂綜合體，包括教學(xué)環(huán)境、教學(xué)活動(dòng)、課程、師生關(guān)系等，即人才培養(yǎng)專門場(chǎng)所。”［3］而未來(lái)課堂是基于“教育面向未來(lái)”和“國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革與發(fā)展綱要”中“以人為本”、“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”等思想而提出的，它將在人本主義、互動(dòng)、環(huán)境心理學(xué)相關(guān)的理論和信息、智能、人機(jī)交互等技術(shù)支持下，充分發(fā)揮課堂組成各要素的作用，以互動(dòng)為核心，旨在提高課堂主體的主動(dòng)性、能動(dòng)性，創(chuàng)造和諧、自由發(fā)展的教與學(xué)的環(huán)境與活動(dòng)［4］。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）利用信息技術(shù)手段構(gòu)造虛擬3D環(huán)境，形成與某一范圍的真實(shí)環(huán)境完全一致的數(shù)字化環(huán)境，外界的用戶則以某種手段進(jìn)入虛擬環(huán)境中，與虛擬空間中的事物進(jìn)行交互，彼此影響。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality）同樣是利用信息技術(shù)手段進(jìn)行虛擬環(huán)境或者事物的構(gòu)建，但是VR不同的是，AR是將虛擬環(huán)境或事物實(shí)時(shí)疊加到真實(shí)環(huán)境或事物上去，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合，允許用戶既感知虛擬的世界，也看到真實(shí)的世界。

（三）沉浸理論

沉浸理論最早是由美國(guó)芝加哥大學(xué)Mihaly Csikszentmihalyi博士于1975年提出［5］，沉浸體驗(yàn)的發(fā)生通常伴隨著以下九個(gè)因素：（1）明確的目標(biāo)（2） 迅速的反饋（3）挑戰(zhàn)與技能之間平衡關(guān)系（4）行為與認(rèn)識(shí)相結(jié)合（5）消除干擾（6）失敗無(wú)不良后果（7）自我意識(shí)消失（8）對(duì)時(shí)間的感覺(jué)發(fā)生改變（9）帶有目的的行動(dòng)。當(dāng)九個(gè)要素全都具備，沉浸感覺(jué)最強(qiáng)，沉浸時(shí)間持久也最久。更多的時(shí)候只需要滿足其中幾個(gè)要素，也可能產(chǎn)生沉浸感覺(jué)。隨后，Mihaly Csikszentmihalyi構(gòu)筑了（見(jiàn)圖1）所示的模型。該關(guān)系認(rèn)為若挑戰(zhàn)和技能處于相對(duì)平衡狀態(tài)，則用戶就容易產(chǎn)生沉浸感，否則會(huì)出現(xiàn)焦慮或厭倦情緒。

圖1　　挑戰(zhàn)與技能關(guān)系模型

二、虛擬交互教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)是在教學(xué)理論的指導(dǎo)下，基于教學(xué)對(duì)象（特定學(xué)習(xí)者）的特征，組織教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源，設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)和學(xué)習(xí)環(huán)境，最終支持學(xué)習(xí)者有效達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)的系統(tǒng)活動(dòng)。教學(xué)設(shè)計(jì)模型雖然從設(shè)計(jì)序列和關(guān)注對(duì)象來(lái)看都各有不同，但是都可以歸納總結(jié)成ADDIE模型，ADDIE模型又稱通用教學(xué)設(shè)計(jì)模型（generic instructional design model）。

現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)正快速進(jìn)入醫(yī)學(xué)、工程、航天等多種行業(yè)，而在不久的將來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)也將大量的進(jìn)入教學(xué)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式將不可避免的進(jìn)一步受到新技術(shù)新媒體的挑戰(zhàn)。筆者通過(guò)研究分析虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)及運(yùn)用在教學(xué)上的可能性，結(jié)合通用模型ADDIE，形成了虛擬交互教學(xué)流程設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）。

圖2　　虛擬交互教學(xué)設(shè)計(jì)流程

首先進(jìn)行的是課程分析，分析該課程是否可使用虛擬交互方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)虛擬情境，而開(kāi)發(fā)虛擬情境更多的是采用已有的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具軟件，如 Virtool、Unity3D、VRML等。接下來(lái)就進(jìn)入實(shí)施階段，用戶依靠某種技術(shù)手段，進(jìn)入該虛擬情境中。在虛擬情境中，用戶會(huì)遇到精心設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，若用戶具備挑戰(zhàn)所要求的技能，通過(guò)了挑戰(zhàn)，則表明其形成基于此挑戰(zhàn)的知識(shí)建構(gòu)；若用戶不具備通過(guò)挑戰(zhàn)所要求的技能，則可以通過(guò)幫助系統(tǒng)，搭建認(rèn)知腳手架，幫助他通過(guò)挑戰(zhàn)，也能夠形成基于此挑戰(zhàn)的知識(shí)的建構(gòu)。然后系統(tǒng)對(duì)是否進(jìn)行下一個(gè)挑戰(zhàn)進(jìn)行判定，即判定用戶是否建構(gòu)起該門課程的完整認(rèn)知，若已完全建構(gòu)完整認(rèn)知，則退出情境，若未完全建構(gòu)，則進(jìn)行下一個(gè)挑戰(zhàn)，直到建構(gòu)完整認(rèn)知。用戶退出情境后，研究者或開(kāi)發(fā)者可以基于用戶在該虛擬情境中的表現(xiàn)，利用后臺(tái)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工具，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的分析，對(duì)使用者提供完成性評(píng)價(jià)，并對(duì)該虛擬交互系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與完善。

三、未來(lái)課堂虛擬交互設(shè)計(jì)探索

未來(lái)課堂是以自主探究為教學(xué)手段，充分發(fā)揮空間中各要素的特性，包含豐富、多元化的交互方式，以人為本的新型的教學(xué)模式，而虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則恰好滿足未來(lái)課堂的相關(guān)理念，因此，在未來(lái)課堂中引入VR/AR構(gòu)成的虛擬交互活動(dòng)是具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

未來(lái)課堂是一個(gè)靈動(dòng)的教學(xué)空間，學(xué)生在未來(lái)課堂中學(xué)習(xí)所感受到的應(yīng)該是舒適與快樂(lè)，在未來(lái)課堂中的虛擬交互設(shè)計(jì)也應(yīng)充分體現(xiàn)出趣味性。學(xué)生進(jìn)入具有豐富表現(xiàn)力的虛擬情境，沉浸在趣味的學(xué)習(xí)中，充滿了正面的情緒，自我得到滿足，從而建構(gòu)起相應(yīng)的知識(shí)。在未來(lái)課堂中部署多種先進(jìn)的信息技術(shù)，泛網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境足以支持虛擬交互的數(shù)據(jù)采集與分析，而在未來(lái)課堂中引進(jìn)最新的VR/AR設(shè)備，則能夠完全構(gòu)建起基于沉浸理論的未來(lái)課堂虛擬交互教學(xué)模式。根據(jù)上述解釋，可以用基于沉浸理論的未來(lái)課堂虛擬交互模型來(lái)表示（見(jiàn)圖3）。

圖3　　基于沉浸理論的未來(lái)課堂虛擬交互模型

該模型將未來(lái)課堂中虛擬交互方式分為三個(gè)維度，即情境、挑戰(zhàn)和技能，三個(gè)維度的相交區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)生沉浸區(qū)域，而三個(gè)維度都應(yīng)包含在未來(lái)課堂技術(shù)環(huán)境中。在未來(lái)課堂富技術(shù)泛網(wǎng)絡(luò)的課堂環(huán)境中，構(gòu)建虛擬而有趣的情境，創(chuàng)設(shè)有針對(duì)性的挑戰(zhàn)，學(xué)生具備或引導(dǎo)具備相應(yīng)的技能，就能真正創(chuàng)造出基于沉浸理論的虛擬交互學(xué)習(xí)環(huán)境。得益于高速的寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將虛擬交互設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)讲渴鹪谠贫说木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器中教學(xué)統(tǒng)計(jì)與分析軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)性或定量分析，得到科學(xué)而有效的分析結(jié)果，再反饋回課堂中，幫助設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員對(duì)虛擬交互系統(tǒng)進(jìn)行完善。學(xué)生也從傳統(tǒng)的枯燥乏味的教學(xué)模式中解放出來(lái)，進(jìn)入虛擬交互空間學(xué)習(xí)后，自我得到快樂(lè)和滿足，從而對(duì)知識(shí)的認(rèn)知和建構(gòu)起到事半功倍的效果。

四、結(jié)語(yǔ)

沉浸理論是普適性的心理學(xué)理論，該理論中最有價(jià)值的觀點(diǎn)就是挑戰(zhàn)與技能的平衡關(guān)系，如何完美的把握兩者之間的平衡是值得研究人員繼續(xù)進(jìn)行認(rèn)識(shí)與探索的。將基于沉浸理論的虛擬交互設(shè)備引入未來(lái)課堂，對(duì)未來(lái)課堂的改進(jìn)與發(fā)展具有重要意義，因?yàn)槲磥?lái)課堂是一個(gè)以人為本，由泛在技術(shù)支持，以互動(dòng)為核心理念的教學(xué)環(huán)境，所以在課堂中部署虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的教學(xué)設(shè)備，符合新課程特質(zhì)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求，能夠充分調(diào)動(dòng)人與技術(shù)、環(huán)境的協(xié)調(diào)性，建立起和諧的、生態(tài)的、互動(dòng)的真正意義上的未來(lái)課堂。

［1］21世紀(jì)學(xué)習(xí)技能［DB/OL］.http：//skystar1314.blog.163.com/blog/static/479480242009224 4520259/［2009-10-05］.

［2］新媒體聯(lián)盟2015地平線報(bào)告［R］.高等教育版.

［3］王鑒.課堂研究引論［J］.教育研究，2003（6）.

［4］陳衛(wèi)東，張際平.未來(lái)課堂的定位與特性研究［J］.電化教育研究，2010（7）.

［5］R.M.加涅等著.皮連生，龐維國(guó)等譯.教學(xué)設(shè)計(jì)原理［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，1999.

［責(zé)任編輯周個(gè)妹］

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1008-7656（2016）02-0031-03

上海市高峰學(xué)科建設(shè)計(jì)劃華東師范大學(xué)教育學(xué)課題“未來(lái)課堂中的教與學(xué)變革：基于視頻分析視角”的階段研究成果

2016-05-20

劉勉，華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)講師，在讀博士，研究方向：泛技術(shù)環(huán)境下的課堂教學(xué)研究。