體感技術與教學深度融合：重塑學習體驗

楊萍 史貝貝 姚宇翔

摘 要：為探索體感技術與教育教學深度融合在學習體驗重塑中的作用，挖掘融合過程中相關理論、扮演角色與潛在價值，首先介紹體感技術內涵與類別，然后通過文獻研究法探討體感技術在不同教育環節中的應用，最后借助案例研究法剖析體感技術在教育中扮演的角色與潛在價值。研究發現，體感技術與教育教學深度融合的核心理論是游戲理論，其主要扮演教或學的環境、教具與學具、教或學的內容3類角色，其潛在價值主要是促進學生動覺學習、推動學生同步協作學習、實現游戲化學習。

關鍵詞：體感技術;教育應用;學習交互;學習體驗;游戲理論;動覺學習

DOI：10. 11907/rjdk. 182887 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）009-0211-06

Deep Integration of Motion Sensing Technology and Education：

Reshape the Learning Experience

YANG Ping1，SHI Bei-bei1，YAO Yu-xiang2，WANG Yun-wu1

（1. School of Wisdom Education， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116，China;

2. Information Center， Suzhou Industrial Park， NO.2 senior school， Suzhou 215121，China）

Abstract： In order to explore the deep integration of motion sensing technology and education and teaching to reshape the learning experience and explore the relevant theories， roles， potential values in the integration， this paper firstly introduces the definition and categories of motion sensing technology. Then it explores the application status of motion sensing technology in different fields of education through the literature analysis. Finally， the paper analyzes the roles and potential values of somatosensory technology in education through case study. The study finds that the core theory of the deep integration of somatosensory technology and education teaching lies in game theory. The main roles are the environment of teaching or learning， the tools of teaching and learning， contents of teaching or learning. The potential values are mainly to promote students' kinesthetic learning and synchronous collaborative learning and realize gamification learning.

Key Words： motion sensing technology; education application; learning interaction; learning experience; game theory; kinesthetic learning

0 引言

地平線報告包含高等教育與基礎教育兩種版本，其以“預測引領”為指導理念，經歷了長期定性研究，報告的目的是闡述可能對基礎教育和高等教育教與學、研究與創作產生重大影響的新興技術[1]。本文綜合2010-2017年的報告發現，自然用戶界面（2次）、基于手勢的計算（3次）、虛擬現實（虛擬和遠程實驗室）（3次）、可穿戴技術（4次）、增強現實（4次）、人工智能（機器人）（4次）、創客空間（5次）、基于游戲的學習（游戲與游戲化學習）（8次）等技術術語頻頻出現，從中折射出人機自然交互技術對教育發展的重大作用。被稱作“第三次人機交互革命原點”的體感技術更是不容小覷[2]，給教育注入了新的生機。

1 體感技術內涵與分類

1.1 體感技術內涵

體感技術（motion sensing）又稱體態感知技術、動作感應控制技術、體感交互技術[3]，是虛擬現實技術的一個重要分支，主要指機器通過運動追蹤、運動捕捉、手勢識別、面部表情識別、語音識別等一系列技術精準捕獲、識別、解析人的體態動作（軀體動作、聲音、眼球轉動等）[4]，并在機器端作出反饋，從而實現人機交互，此時，人的身體類似于一個控制器[2]。因此，體感技術是人機交互技術的新形態[4]。

1.2 體感技術分類

體感技術按照其體感方式與實現原理的不同，主要分為3類（見表1[5]）：慣性感測、光學感測、慣性和光學聯合感測，其適用情景與具體價值各不相同[3]。鑒于專利保護，不同商家選取不同的技術。目前，大多數體感設備采用聯合感測。

2 體感技術與教學的深度融合

2.1 體感技術應用現狀

由于關于體感技術應用于教育的文獻于2010年才開始出現，本文CNKI檢索時間為2017年10月9日，因此檢索年度范圍為2010-2017年，并以篇名含有或關鍵詞為“體感”進行期刊文獻檢索，共600篇。手動剔除與“體感技術應用于教育”不相關的文章，2010-2017年篇數分別為2、2、11、18、22、44、55、26（2017年不完整），總計180篇。顯然，近3年關于“體感技術應用于教育”方面的研究與過去5年相比有顯著提升，并且應用領域、范圍也在逐漸擴展。除去12篇綜述類文章，對剩下168篇進行細致分析，按照常見教育領域劃分方法進行應用現狀梳理，結果如下：

（1）學前教育，共4篇。相關案例大多根據學齡前兒童學習特點、認知規律、性格特點等，開發基于體感技術的教育游戲、幼兒認知系統、多媒體電子書，增強兒童沉浸感與游戲感，幫助幼兒進行認知訓練與智力開發。比如斯里蘭卡信息技術學院的老師基于Leap Motion開發了一款教育游戲，該游戲可以幫助孩子區分不同的顏色、形狀、阿拉伯數字、英文字母等;在兒童多元智能教育課程中，基于Kinect開發幼兒認知系統，讓孩子沉浸在模擬環境與虛擬現實中進行認知訓練，并借助故事情節讓孩子進行角色扮演。

（2）基礎教育，共34篇。主要是將體感技術應用于中小學課程（物理、體育、天文、地理、幾何、化學、科學、英語、歷史），如表2[3]所示。有少量研究與創客教育融合，如孩子可利用體感控制器和3D打印技術，通過開源語言在空氣中進行3D手繪創作;教師可以將體感技術引入到虛擬機器人組裝系統中，提升孩子對機器人組裝的興趣，培養其實體組裝動手能力;還有基于體感技術制作的教學輔助工具，如基于Kinect的體感式交互電子白板、無線體感輸入設備、體感互動設備、虛擬操作實驗系統、虛擬鼠標等。

（3）高等教育，共43篇。與基礎教育類似，大多數案例將體感技術應用到各專業具體課程中，通常在航海、航空、化學、物理、建筑、計算機、軟件工程、醫學、護理學、英語、舞蹈、農業、采礦工程、機械制造、汽車、體育、新聞傳播等相關專業應用較多，如表3所示;另外，還有一些體感類教學輔助工具，比如可用于林學、動物學等專業的VR體感飛行器、人體動作識別系統、全息投影、隔空多點觸摸設備、電子音樂操作臺等。除了在教學領域的應用，還有應用涉及圖書館與心理健康方面。圖書館內可通過體感控制改進聯機公共檢索目錄展示效果、提升圖書自動分類歸檔能力[6]，利用人臉和體型識別實現讀者進出、書籍快速借還功能，借助語音交互技術與館員和管理系統進行交互;心理健康教育可引入體感式虛擬宣泄系統，實現運動追蹤、虛擬交互和檔案管理。

（4）職業教育，共11篇。主要將體感技術融入于職業技能培訓，通過開發培訓系統、平臺和技術，讓學習者在虛擬情境中進行安全、仿真性學習與操作。如表4所示，相關職業培訓主要包括飛行培訓、舞蹈培訓、汽車發動機裝配訓練、電力安全培訓、消防訓練、京劇訓練、軍事訓練。

（5）特殊教育與老年教育，共20篇。主要針對不同的特殊人群（盲人、聾啞人、肢體殘缺人、自閉癥兒童、智障兒童等）及老年人康復訓練和教學，利用體感技術設計相應的體感設備、體感游戲，或將其與教學系統、訓練過程相結合。比如盲人群體可以佩戴盲人體感手環，其不僅具有智能手環的一般性功能，更配有觸屏屏幕，可利用盲文觸點獲取信息，還可借助視覺障礙導航輔助系統實現導航功能，還可遠距離精準預判;對于聾啞人群體，可以在手語教學中通過基于體感技術的手語教學平臺進行手語錄入和識別[7];肢體健全的聾啞人可借助基于體感的靜態手語與口語互譯軟件和不懂手語的人進行簡單交流;肢體殘缺的聾啞人可以運用類似于眼動儀的體感設備，利用眼部軌跡活動的方向、距離、時間等因素操控虛擬鍵盤，進行漢字拼寫，再通過語音播放或翻譯成手語實現正常交流;對于肢體殘缺人群，可借助體感接近式傳感器，通過監測頭部和臉部肌肉運動，替代鼠標控制電子設備控制輪椅運動;對于自閉癥兒童，通常針對該類兒童的特點與學習需求設計體感游戲，對其進行干預，目的是提高其感覺統合能力、數理能力、日常生活能力、社交能力，比如在感覺統合訓練中多采用動作類游戲，并且還要對本體覺、前庭覺、觸覺3方面的訓練區分對待[8]。在數理能力訓練中多采用模擬經營類游戲，在日常生活能力訓練中多采用休閑益智類游戲，在社交能力訓練中多采用角色扮演類游戲。同時，還可以在體感游戲中引進虛擬強化物（表演、微笑、鼓掌等），提高兒童興趣。另外，還可利用康復游戲訓練系統V1.0，該系統包含5類康復游戲，可分別訓練兒童認知能力、上肢能力、下肢能力、娛樂能力、空間知覺與一般認知能力;對于智障兒童，也可采取體感游戲對其交流能力、日常行為能力進行干預，還可利用音樂體感活動治愈其情感障礙;對于老年人群，基本上也是利用體感游戲進行康復訓練，比如體感康復游戲系統包含伸展、力量、平衡、精細、腦力5大訓練模式，但是模式的選擇應與醫師建議相結合，具體游戲涉及球類運動、記憶匹配、太極等。

（6）科普與人文教育，共33篇。主要將體感技術與虛擬場景融合，利用體感設備在虛擬場景中進行交互，進行自然科普類與人文藝術類知識展示與傳播，展示模式包括沉浸式主題劇場展示、操作型和體驗型互動展示，以促進全民教育發展。首先，將體感技術運用到不同科普場所的方式各異，比如氣象科普館通過利用面部表情在體感游戲中實現氣象變化，天文館可在體感模擬月球行走展項中重現月球地表結構及形狀;其次，開發基于體感技術與虛擬現實的虛擬展示系統，展示內容包含科技和人文藝術，讓參與者無需佩戴硬件設備便可與虛擬環境交互，系統中加入全景體感瀏覽、多媒體資料體感瀏覽、體感交互問答，森林景觀漫游、工藝設計漫游、水工業遺產漫游、校園漫游、服飾展示、苗侗民居建筑展示、敦煌莫高窟漫游等多種要素;最后，在書法、音樂、舞蹈、戲劇等藝術教育上，常見做法是搭建虛擬系統，學習者可通過模擬動作、手勢、力度實現虛擬表演，系統可自動識別動作是否符合規范。

（7）體育教育，共23篇。主要指非學校體育教育，包括家庭體育、社區體育、大眾體育、軍隊體育、競技體育、體育產業等。通過體感游戲或搭建基于體感的虛擬運動場景，目前已涉及乒乓球、拳擊、射擊、游泳等40多種項目，同時增添動漫與音效，可幫助運動員進行技能訓練，也可促進大眾主動強身健體，即兼顧教育性與娛樂性。在家庭體育中常將體感設備與TV、PC、Ipad、手機等終端相連實現親子體感互動游戲，老人、小朋友等均可參與;社區體育則可將基于體感的健身訓練指導系統與社區健康云服務平臺對接，實現科學健身;在受眾范圍更大的大眾體育中，利用基于Kinect和Unity3D的大眾健身游泳系統，也可利用基于體感技術和云計算高爾夫運動訓練平臺，實現實際姿勢與標準對比;軍事體育則將體感與虛擬現實結合，制作3D模型視頻輔助教學，通過運動跟蹤進行數字評判;競技體育多借助虛擬系統與體感游戲，如沙袋擊打仿真系統、虛擬射擊影院系統、自行車虛擬綜合訓練系統、武術訓練系統、可穿戴式體感信息測試系統等，系統設計有訓練模塊、測試考核模塊、人體捕捉模塊等，可實時監測運動員生命體征及做功情況。

2.2 體感技術與教育融合核心理論——游戲理論

從直觀上看，體感技術和教育融合的方式主要借助于體感游戲，皮亞杰最早提出針對兒童的游戲理論（游戲認知發展階段理論）。游戲的本質在于體驗。維果斯基也曾認為玩耍是一種強有力的學習方式，通過該方式，學生可以發展新技能、參與新的社交環境、擔任新的社會角色。游戲與學生在學校中學習的一般方式截然不同。因為游戲會讓學生積極地體驗，深刻地思考，最終讓學生成為知識生產者，這對于學習至關重要，但在學校學生通常只是被動地接受信息;同時，游戲中的場景大都比學校場景生動，因此借助體感游戲可以提高學生能力與技能。比如搭建虛擬環境可讓學生安全地練習技能，避免真實世界的潛在危險;有特殊需求的群體（如自閉癥兒童）可以練習社交技巧，降低可能的社交失敗帶來的負面影響。因此，游戲中虛擬世界的作用強大，可以開發情境理解，進行有效的社會實踐。

體感游戲可以作為教師教學方法創新的工具。MacFarland提出了3種基于游戲的學習辨別方式：①學習是通過游戲內容刺激實現的;②知識是通過游戲內容獲得的;③技能因玩游戲而提升[9]。游戲本身不能單獨教授任何東西，需要教師尋找一種創造性方法將游戲的虛擬世界融入到學習活動中去[10]。因此，對游戲內容的選取至關重要，其往往取決于教師對游戲在教育中應用的理解與創造。

3 體感技術在教育融合中的典型案例

通過對應用現狀的分析，可以發現體感技術在教育領域的應用方式雖然多樣，但其扮演的角色最終可歸納為3種：教或學的環境、教具與學具、教或學的內容，有時會承擔多個角色。體感技術在學前教育的應用有所欠缺，但隨著國家對學前教育給予越來越多的關注，且體感游戲對于幼兒階段的發展必不可少，因此，體感技術在學前教育領域有廣闊的應用前景。下文分別借助3個學前教育典型案例，闡述體感技術與實際教學的融合方式。

3.1 《HEYHA安全課》——教或學的環境

一切活動的發生須借助于特定環境，教與學也是如此。基于體感技術的教學環境可為學習者提供更逼真、具有沉浸感和增強現實功能的空間，提高學習興趣。另外，由于環境限制，有些教學內容無法在課堂中展開，需借助體感技術在虛擬環境中進行，使學習者成為環境的中心，促使其全身心地、安全地進行操作、解決問題。本部分分析對象為一個利用體感技術搭建教與學環境的案例——《HEYHA安全課》課程（見圖1）[11-12]。該課程分為兩種版本：課堂版和家庭版。課程內容為一系列體感安全教育，目的是樹立幼兒安全意識，培養幼兒安全行為習慣與自我保護能力。因家中是兒童意外傷害最常發生的地點，所以補充家庭版課程。課程內容來自與幼兒生活息息相關的各個方面，目前包含有《如何安全過馬路》、《一起去滑冰》、《小心井蓋》和《快來刷刷牙》4個內容。后期將陸續推出《有電》、《這個不能吃》、《走！游泳去》等課程內容，并且結合幼兒園安全教育推出防震、防火等更貼近幼兒生活的內容。

具體步驟如下：首先，游戲開始部分以朗朗上口的兒歌形式，將知識點展現給幼兒;然后，幼兒通過具體的體感運動游戲將知識點加以鞏固，即每個體感游戲均呈現出相應的虛擬界面，使幼兒通過簡單的肢體動作實現在虛擬環境中過馬路、滑冰、刷牙等行為，在游戲的同時了解與掌握安全知識內容。

該課程體感游戲為幼兒提供了貼近具體學習內容的虛擬場景，為幼兒搭建了一個體驗知識點的平臺，且游戲場景、角色采用受幼兒歡迎的卡通造型，可吸引幼兒主動、積極學習，掌握相關安全知識點。

3.2 “N-show體感學習機”——教具與學具

教與學的過程中有時需要一些輔助性工具，同時用戶不希望工具帶有復雜的技術操作。體感技術的應用則可讓用戶對技術的抗拒意識降到最低，增加其沉浸感，進而專注于學習內容本身[13]。本部分分析對象為一個基于體感技術的教具與學具案例——“N-show體感學習機”（見圖2）[14-15]，由廣州新節奏智能科技股份有限公司針對3-12歲生性好動的兒童研制而成，以體驗式學習理論、情景學習理論和自身認知理論為基礎，融入“寓教于樂”的教育理念，最初是為了輔助家長對子女進行安全教育及好奇心培養，之后拓展到幼兒園課堂教學。目前，N-show體感學習機課程內容主要包含《自然認知》、《邏輯思維》、《人際交往》等9大類體感教育課程，涵蓋安全、科學、社交、語言等多個領域，其核心覆蓋基于兒童素質教育的多個層面。根據不同年齡及知識接受度，分為初級、中級、高級3個階段，并按照不同年齡段兒童心理及行為習慣，進行針對性策劃。該學習機最佳操作距離是2m～4m，對兒童視力影響極小。每個課程教案均十分詳盡，包括多領域主題活動設置、合理的活動目標設定、獨特的體感操作說明與建議、豐富的提干拓展及詳細的教學步驟。

具體步驟如下：①借助故事、謎語、觀察、游戲等方式激發幼兒的學習興趣，完成N-show體感課程活動的引入環節;②課程活動主體環節是結合體感互動、繪本閱讀、討論、觀察等方式幫助幼兒進行探索、學習、認知;③教師總結環節是教師歸納、總結幼兒活動表現、活動知識點，鞏固幼兒認知。除此之外，還需注重活動延伸拓展環節，使活動與幼兒生活有機聯系，延伸教學內容，進一步深化幼兒認知，并充分利用活動中的體感課件，開展區角活動或課后特色活動，輔助實現主題活動教學目標的達成。

本案例中的體感學習機是教師的輔助性教具、學生學習的小助手。學生在學習過程中，并沒有過多地關注學習機，更多的是投入到課程內容學習與課程活動互動中。教師在整合體感課程時，因N-show體感課程附有體感操作說明與建議，教師無需進行繁瑣的技術操作。

3.3 “神筆畫畫”——教或學的內容

體感游戲本身也可作為教學或學習的內容。許多以教學或學習目標為主開發的游戲直接包含了與課程標準緊密相連的學習者需學習和掌握的內容。同時，體感游戲可為學習者提供一個非常逼真的場景，使學生擺脫書本枯燥的文字，走進虛擬場景開展更真實的活動、游戲、技能訓練[13]。本部分分析對象為體感游戲中涵蓋教與學內容的案例——“神筆畫畫”游戲（見圖3）[16]。它是深圳市睿云科技發展有限公司針對3-12歲幼兒、兒童自主開發的基于體感技術與虛擬現實的大型墻面互動投影游戲。目前該游戲包含3種主題：海洋奇夢、森林奇夢、奇幻世界，兒童在每個主題中均可自由創作。以“海洋奇夢”主題為例，具體步驟如下：①兒童自己設計并為海洋、海底植物和水生動物涂色;②給小動物們進行配音，并可團隊合作配音編排一段海底小故事;③二維的圖畫通過系統在大屏幕上瞬間“活”起來，體驗者通過輕拍墻面，即可探索不同角色的個性，比如小丑魚會眨著眼睛與人互動，章魚哥會調皮地噴出墨汁等。

本案例的體感游戲以美術教學目標為設計依據，但通過兒童自主或團隊配音編排小故事，可進一步鍛煉其語言表達能力、拓展團隊合作能力、培養創新創造能力。

4 體感技術在教育融合中的潛在價值

（1）促進學生動覺學習。體感技術使學生借助肢體動作、手勢、面目表情等與學習體驗進行交互，促進學生動覺學習。皮亞杰提出感覺運動系統是認知發展的重要組成部分和內驅力。而體感技術讓學生在肢體動作的交互過程中更直觀地進行學習，且學生對于學習內容的思考與理解也可借助肢體動作生動地表現出來。研究表明：記憶聯系的追蹤頻率、強度與記憶聯系成正比。因此，全身反應法結合動作記憶對兒童來說，成功率最高。同時，非語言溝通（如手勢和體態）是學齡前兒童幾何思維發展的重要因素。比如，通過在體感游戲中使用虛擬教具，幼兒有可能通過調整自己的語言及非語言行為建立對基本幾何操作的理解[17]。

（2）推動學生同步協作學習。計算機支持的協作學習（CSCL）一直備受關注，學術界不但成立了CSCL研究共同體，還創設了與它同名的定期國際會議（每年舉辦兩次）。CSCL研究共同體認為協作是促進學習的首選方式，計算機技術可支持協作學習[17]，并強調同步協作的重要性。近年來，體感技術正在為同步協作學習提供全新機遇。通過體感技術可創設在線虛擬協作環境，使多個學生在線實時交互。比如化學專業的學生進行危險性實驗時，可借助體感方式操控機械手接觸危險品，并借助多人在線虛擬實驗系統，將單人操作實時同步到其他實驗者的實驗環境中，其他人也可參與該實驗。實踐表明，這種在線虛擬實驗系統對學習有重要價值。同時，在家庭教育中，每個家庭成員均可借助各種終端進行親子體感同步互動與協作游戲。

（3）實現游戲化學習。體感技術與教育融合的核心理論是游戲理論。因此，最終課堂呈現的是一種游戲化學習方式。老師根據教學需要與學生特點選擇體感游戲，體感游戲成為師生交流互動的平臺，在該平臺上，信息更加生動，可激發學生學習興趣，學生主動性的呈現方式多種，不單局限于口頭語言，更多的是肢體動作。雖然一般游戲化學習的面向對象是7-12歲的兒童，但現實中在基礎教育和高等教育中應用最為廣泛。同時，有研究顯示，目前游戲玩家平均年齡段并非是青少年階段，而是35歲;玩家中女性玩家占比四成[18]。因此，體感游戲學習的面向對象不單局限于青少年，還應包括他們的父母、家人，從而進一步拓展和促進職業教育、老年教育與家庭教育發展。

5 結語

體感技術與教育教學的深度融合有利于重塑學習體驗。本文著重探討了體感技術與教學融合過程中的相關理論、應用現狀、扮演角色和潛在價值，以期為體感技術深度融入學習、革新教育教學提供一定理論指導。目前，在融合道路上存在兩股阻力：①技術應用不足，如多數體感設備與一般教育軟件不兼容，精確度不夠，感應識別能力較弱，導致多數體感類平臺沒有良好的觸覺反饋體驗，且部分體感游戲未能在游戲內容設計中承載豐富的教育意義等;②教學融合困難，如在課堂教學中，通常需要劃定較大的游戲區域，并放置多臺電視機與體感設備，與有限的教室空間形成矛盾。因此，體感技術與教育融合還需借助新的教學模式指導、硬件設備創新及算法優化等逐步改善不足之處，實現與教育教學的深度融合。

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（責任編輯：江 艷）