基于虛擬現實環境的深度學習模型構建

李洪修 李美瑩

摘要：深度學習是一個集認知與運用、結構與非結構性知識建構與遷移、真實問題的解決為一體的學習過程。VR環境有助于學生在仿真的環境中自主探究，獲得認知，實現信息與真實環境無縫對接。在VR環境里，沉浸感為深度學習提供體驗支持;交互功能為深度學習提供情感支持;構想性為深度學習提供情境支持。根據建構主義和具身認知理論，該文嘗試構建了基于VR環境的深度學習模型，并從深度學習的準備、知識遷移與建構和深度學習評價三個階段闡述了基于VR環境的深度學習模型的運行機制。

關鍵詞：虛擬現實;深度學習;模型構建

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

隨著科技的不斷進步，虛擬現實（VirtualReality，VR）已進入與各領域相結合的全方位發展階段。VR通過傳感器和可視化裝備，不僅在視、聽以及觸覺方面為用戶提供了和真實情境高度相似的多維虛擬環境，讓其可以產生身臨其境的體驗，還能使用戶通過語言和手勢等在多維信息空間中進行交互[1]。后來，VR因其沉浸性和可跨時空創設情境的優點被越來越多地應用于教學中。深度學習一直是近幾年來教育研究的熱點，而深度學習的開展，由于要達到培養“深層認知能力”的目標，就要營造符合深度學習目標的“智慧學習環境”，但僅僅靠已有的網絡學習資源和工具與普通的二維教學結合是不夠的，還需要虛擬現實技術搭配相關的學習資源和工具的支持。VR技術使學生在虛擬世界中獲得更全面、更逼真的體驗，促進學生深層認知能力的發展。因此，要想讓學生進行真正的深度學習，需要VR的技術手段和其營造的“智慧學習環境”的支持[2]。

一、VR的含義與特征

20世紀80年代初，美國VPL公司的拉尼爾首次正式提出了VR，即虛擬現實。他指出VR是由計算機網絡技術、仿真技術、顯示技術、多種傳感技術和人工智能等技術生成的多維數字化環境系統。VR通過運用以交互式計算機技術為核心的科學技術，創建一種在視覺、聽覺和觸覺都與真實環境高度相似的虛擬數字化環境，用戶通過使用相關的專業裝備與虛擬環境中的對象進行交互，并可以在數字化環境中產生與親臨真實環境相似且能跨越時空的體驗[3]。在VR這個交互式媒體里，用戶可以感知自己置身于虛擬環境中的位置和手勢，并引起強烈的真實感官反應，從而更能沉浸在虛擬世界中。用戶依托Graphics等技術去感受模擬的物體和人物，使意識浸入數字化的環境中。在體驗時用戶通常會佩戴頭盔顯示器.其內設有處理器和方位跟蹤器還有負責聽覺系統的語音定位、識別器和觸覺等反饋系統的設備[4]。VR具有沉浸感、交互性、構想性等特征，具體如下表所示。

VR具有雙重屬性：它既是一種技術教育現象，又是一種傳播媒介[5]。VR作為教學傳播媒介，最接近“戴爾經驗之塔”理論中最底層的“有目的的直接體驗”[6]。VR因其操作安全、可提供更深層次的探究機會等優點和其功能特征與教育教學理論中的很多觀點比較吻合，而被廣泛應用于教育中，它可以將感知世界和構建知識緊密融合在一起，在學習者和學習內容之間搭建起一座橋梁[7]。而在VR創設的學習環境里，學生憑借與環境的相互作用，根據結果的反饋，做出下一步的操作預判，構建起感知世界與知識間的聯系。VR的虛實結合、實時交互與三維配準等特點可以幫助學生在虛擬環境中探究思考、建構新知，實現虛擬與真實環境的無縫對接。有學者認為，VR技術作為多媒體教學手段的升級版，是適應當下社會發展的一種新型教學手段[8]。

二、VR對深度學習的支持

20世紀50年代，Ference Marton與Roger Saljo根據學習者對知識的獲取和加工方式、認知程度，第一次提出了深度學習和淺層學習的說法[9]。他們認為深度學習是學習者基于認知理解、加工后批判性地習得新知，并能在新情境中完成遷移、最終解決實際問題的一種高層次、高效率的學習方式。在此之后，Eric Jensen與Le Ann Nickelsen從認知層面闡述了其對于深度學習的理解，他們認為深度學習就是對結構性和非結構性知識的建構，并對學習者的先有經驗和獲取的新知進行高效且全方位地加工。因此，深度學習可以被看作是一個集認知與運用、結構與非結構性知識建構與遷移、真實問題的解決為一體的學習過程。它是對學生學習狀態、過程和結果的一種質性描述，是以培養學生高階思維為目的的一種高投人性學習。在深度學習的過程中，學習者往往在身體、情感、審美、道德和精神上達到共同的成長，進入自由共享的狀態，使學習投入達到峰值，充滿強烈的學習動機，并形成批判性思維。

Michael Prosser和Keith Trigwell提出了學生學習的學習環境論，認為學生所處的學習情境與對所處情境的感知都直接或間接地影響著學生深度學習的情況（如圖1所示）。VR的主要功能是能夠為學生的深度學習帶來全方位的學習情境體驗。2002年，Sattahip Singhal與Miachel Zyda發表了虛擬環境的“五要素說”：即空間的共感（環境的同一性）、在場的共感（參與的感知性）、時間的共感（交互的實時性）、溝通的方法（交互的多樣性）、共享的方法（互動的動態性）。VR的出現也滿足了以上所有虛擬教學情境的需求。

（一）沉浸感為深度學習提供體驗支持

首先，VR的沉浸感使學生的學習環境具有實踐性和可操作性。它不只是將學習內容從二維平面變為三維的立體畫面這么簡單，而是讓學生在可視、可聽、可實踐操作的虛擬學習空間中完成知識經驗的加工與建構。在VR沉浸式學習環境中，教師設置虛擬與現實相適應的教學任務，學生通過佩戴VR頭顯、眼鏡等設備進行學習，教師可以使用控制器來和其他學生交流，并能在虛擬的情境中為學生進行導航。在虛擬情境中每個人都有屬于自己的化身，可以通過操作控制器實現對自己化身移動的操作。通過VR的聽覺傳感器，學生可以聽到大自然的溪水聲或鳥叫聲等;佩戴VR頭顯，學生們可以沉浸到長城、古羅馬的三維環境中。而教師在這一過程中可以通過使用IPAD來對學生的VR體驗進行啟動和終止，實現全程監控。VR這種沉浸式體驗能夠把虛擬情境投射到學生的真實體驗中，例如在觀察活火山時，學生可近距離觀察火山噴發的瞬間，這有利于學生建立對抽象物體和地區的具象化的認知。

其次，VR營造的沉浸式學習環境不僅可以讓學習者在虛擬世界中直接操控物體，還能反過來讓學習者沉浸在其中，主動汲取知識完成訓練。正如哈佛大學Dede教授團隊開發的幫助19世紀末的美國小鎮居民擺脫傳染病的項目，該項目是讓學生浸入VR創設的和現實小鎮一樣的虛擬情境中，學生利用已有的生物醫學知識和豐富的互聯網資源調查病源，甚至學生可與鎮上的居民溝通尋求解決問題的方法。VR技術通過多維傳感器“占領”學生的多種感官，切斷與外界的感知聯系，讓學生完全沉浸于交互式學習氛圍中，為學生的高效率學習提供了首要條件。VR沉浸式的學習方式通過背景架構、故事線安排、設置任務、人機交互和深入探究的深層體驗，從根本上激發學生學習興趣，對深度學習提供了豐富的體驗支持。

（二）交互功能為深度學習提供情感支持

首先，VR的交互性特點可以實現學生與設備的1：1交互，使學生的學習環境更加個性化。正如我們所知，深度學習是一種集知識和社會化情感表征為一體的學習過程[10]。而VR的交互性就滿足了深度學習的條件。VR的交互式學習體驗兼具網絡游戲的趣味性與挑戰性，利用逼真的情境與挑戰來引起學生的學習動機。與傳統的計算機設備不同，VR把用戶與設備合看作一個整體，而用戶的體驗界面也不只是傳遞信息的媒介。VR的多維傳感器為VR教學中的交互提供了多種模式。它實現了復雜的隱形數據的可視化操控，增強了人機交互頻率，實現了技術操作便利性的質的飛躍。因此，VR的交互性功能可以激發學習動機，克服學習者的交流恐懼，使學習者獲取信息更加快速方便，為深度學習提供了豐富的情感體驗。

其次，VR的交互性使學生的學習具有社交功能，可以培養學生的合作意識、集體意識和人際交往領域上的能力。例如，在VR教學中設計了可供學習者自由選擇的應用解答和應用創意兩個模塊，學習者必須選擇其中一個作答。其中，應用解答是必須邀請一位伙伴，選擇平臺中的既定題目一起作答，待作品完成之后，可以選擇同步發布到共享平臺，供其他學習者鑒賞。而應用創造則是難度較高的模塊，需要學習者與其同伴一起創造作品，與應用解答模塊不同的是該模塊為學習中搭建了交流平臺，學習者可以在其中隨時隨地交流溝通，共同學習和創造，實現溝通零距離，創造無界限。應用解答和應用創意中某一個子模塊完成后，會對學習者在合作模塊的表現進行階段性評價，以此為根據對學習者提出更好的建議。

（三）構想功能為深度學習提供情境支持

首先，VR的構想性功能不但能夠再現真實情境，還能夠構想客觀不存在的甚至是不可能發生的情境。當學生在使用VR學習后，互聯網便為其提供“感知環境”，虛擬世界變為“體驗場”，現實世界成為了“對照區”，學生將會在虛擬情境中重新建構空間感[ll]。情景學習理論主張學習就是情境和認知相互影響作用的結果，學習者在充滿真實感的情境中主動完成新知的構建。例如，在醫學課程中，通過VR技術創設虛擬的醫療情境和齊全的醫療設備，模擬病癥部位，不僅可以給學習者提供醫療護理實操訓練，還可以即時反饋醫療護理結果;在物理實驗課程中，通過VR技術構建虛擬實驗室，利用多維傳感器感受模擬的物理現象，通過親自操作、觀察虛擬環境實驗后得出結論;在歷史課程中，通過VR技術模擬歷史場景和人物，演繹歷史事件，學習者置身于歷史情境中作為歷史的“參與者”，感受歷史并深入了解歷史。在VR環境中，傳統的系列化課程轉變為形式新穎、場景定制化的教學演出，學習者“現場腦補”的實操和訓練可使抽象的教學內容具體化，從而獲得更全面、更精細的知識經驗，構建更完善的知識體系。因為VR強大的構想功能，在虛擬情境中VR教學建構的可能性是無限的。VR可幫助學習者在定性和定量的學習中獲得對世界的客觀認識，培養學生的創造力和想象力。

其次，VR的構想功能也能為深度學習實現提供跨時空的教學。在傳統實踐課的教學中，會受到時間和空間條件及其它不可控因素的限制，例如實踐危險性較大、場地空間有限、實踐費用高及設備少等。VR的構想性就解決了以上問題，可為學習者提供跨時空的虛擬實踐場地和實驗室、儀器設備等，學習者可在VR環境中感受接近真實情境但更優化的教學實踐。VR創設的虛擬環境打破了實踐場所的限制，規避了設備使用的危險和損耗，增加了學生體驗操作復雜、費用高昂且周期較長的實踐的機會，從而提高了實踐教學的效果。因此，不論學生在任何時間、地點（家里、學校），VR都能提供給學習者真實教學內容與虛擬環境有機組合的深度教學。也就是說，學習者可以隨時隨地并多次進入同一或多種虛擬學習情境中，自己規劃學習進度.完成教學實踐并獲取實際經驗，充分發揮學生學習的自主性和積極性。這樣，VR就能夠讓學生足不出戶地獲得各種場景教學與實驗的真切體驗，收獲更深層的學習效果。VR環境下學生虛實情境的學習交互，如圖2所示。

三、基于VR的深度學習模型的構建

（一）構建依據

模型構建的前提是深度學習能夠真正被激發。激發學習者深度學習的前提條件有四點。第一，在教學準備方面，學生的學習材料必須是依照學生學習特點為其精心設計的、具有清晰教學目標的結構化材料。第二，在教學實施方面，必須按照合理的教學環節科學地實施教學，有目的有計劃地完成教學任務。第三，在氛圍營造方面，要有平等、寬松、合作、安全的互動氛圍。第四，在評價方面，即時根據教學反饋信息對教學環節及活動做出相應跟進調型[12]。

為了滿足以上這些條件，深度學習模型的構建有以下理論依據。

1.建構主義理論

建構主義理論為VR環境下深度學習的模型提供了理論依據。建構主義理論主張學習者應以自身與外界接觸并相互作用下獲得的有意義經驗為內容建構自己的知識體系，即使用自己已有的條件性知識獲取建構后的元知識。這兩者的獲取就是深度學習發生的關鍵性因素之一。因此，為實現學生的深度學習，首先要使用VR技術加強學生對學習內容的多維感知體驗，在體驗中反思學習中的問題和沖突加以具象概括并解決;其次要使用VR增強學習者認知經驗的聚合、聯結和遷移運用，合理使用各種科學技術手段，使學生能夠在不同領域中積極運用在虛擬情境中學習的相關學科知識，促進其條件性知識和元認知的發展;最后使用VR延伸教學空間，創設持續性的學習環境，使學生的學習狀態更加積極高效，從而獲得一種全面的、連續性的學習，達到深度學習的目的。除此之外，建構主義還重視社會性交互在學習中的作用，這也為本模型VR的交互性功能構建的師生學習共同體提供了科學依據。

2.具身認知理論

具身認知理論也是將VR技術與深度學習結合的基本理論依據。深度學習強調學習者的學習需要親自去感受、體驗和實踐，在認知和實踐相互作用的過程中實現高階思維和問題解決能力的培養。而具身認知理論主張學生學習要在深度理解知識的前提下，把知識遷移應用到不同的情境中，以實踐的形式來發展自身的解決實際問題的能力[13]。首先，具身認知觀認為“體驗”是獲取知識的重要途徑，學習者以自身對外界的感知和體驗來獲得對事物的認識，以此來構建自己的知識體系。而傳統的灌輸式教學不利于學生真正理解和把握知識。所以，深度學習需要身心融合的體驗式教學。其次，情境是影響學習質量與效率的關鍵性因素。教師能否創設出逼真生動的教學情境極大程度影響著學生具身效應的激活和具身體驗的獲得[14]。因此，以具身認知理論為基礎，VR的沉浸性和構想性就滿足深度學習的情境需要，從虛實情境兩方面為深度學習提供沉浸式的情境體驗。

（二）基于VR環境的深度學習的基本模型構建

本文著眼于深度學習理論和VR技術在教育中的應用，關注學習者在VR環境中深度學習的過程，同時也研究VR在這一過程中所扮演的角色與作用。本文從深度學習的準備、知識建構與遷移和深度學習的評價三方面來剖析學生在VR環境下的深度學習，提出以下學習模型，如圖3所示。

1.深度學習準備階段

準備階段是深度學習的基礎。首先，在教師方面，教師要先準備教學資源、激活學生的先有經驗為新知的接納做準備，繼而引起學生的認知沖突。了解學生的先有經驗和自身的認知水平是教師準備階段的基礎和前提。而學生的學習投入、激情保持程度則是深度學習的根本保障[15]。其次，在學生方面，學生應明確學習目標，在提出問題后在VR學習環境中自主探究。深度學習意味著學生要深入了解和掌握知識的本質，并建構起自身的知識體系，才能實現新舊知識間的遷移，以此完善認知結構[16]。教師在準備教學資源時要注意教學內容的呈現要有銜接性;反饋的知識點要有獨立性;教學材料要具有跨學科的統整性和條理性。

VR為深度學習的準備階段提供網絡平臺和資源支持。VR通過計算機技術為深度學習提供了海量的資源與情境。深度學習的實現就需要教師在全面了解教學內容的前提下，利用VR提供的資源與平臺，針對不同的教學層次，提出個陛化的教學要求，最后通過不同模塊的知識整合，列出課程統整的框架，便于學生在VR創設的虛擬環境中，通過新舊知識的相互作用完成認知的建構，使知識體系中的認知內容更具有銜接性。這里的整合不僅指要把教學內容系列化、模塊組合系統化，還要跨學科、跨領域。在此過程中，要找出多學科的最佳整合要素，把它作為推進整體課程整合的關鍵性要素，為學習者提供更全面的教學內容。例如，在地理學科的教學中，通過虛擬現實技術模擬三維地理環境，并結合GIS功能，為學生提供大量有關自然與人文地理兼具的綜合性課程資源和數據，并整合地理學科中分支學科方面的教學內容，為學生呈現出跨學科多領域的資源支持。

2.深度學習知識建構與遷移階段

深度學習的知識建構與遷移階段是深度學習的核心階段，包括前一階段引發認知沖突后的深層理解加工、進行概念轉換、對新知進行遷移創造進而建構個體知識。其中，遷移有內部和外部之分。內部關聯遷移即在原有知識結構不發生改變，也不超出當前學習階段的單元或學科的前提下，在學習者的認知結構內完成新問題的解決。外部拓展遷移的主要表現是知識在認知結構的聯結程度上發生了改變，如跨單元、跨學科的知識遷移，這些都使得知識脫離原始單一層次而發生更全面的成長。此階段的創造即深度學習的最高境界，則表現為把深度學習升華成知識生產與創新的一種特殊性價值。內部遷移是對已有經驗與能力的進一步強化或深化。而外部遷移則是在此基礎上獲得更全面的能力和素養[17]。“遷移與應用”不僅僅是對學生學習結果的一種最終檢驗，更是一種學生進行深度學習的學習方式。“遷移”即內部知識擴展并提升為外部經驗，“應用”即把內部知識消化并外顯于解決問題的過程，這是把間接經驗轉化為直接經驗、把抽象符號轉為具象化知識的過程[18]。

VR在這一過程中全程提供體驗、情境和情感支持，幫助學生在虛擬情境中完成新知建構與遷移。首先，VR可以為學生提供“SR”沉浸式體驗f真實的訓練活動、真實的學習過程、真實的學習條件、真實的角色安排和真實的學習壓力），教師依據教學目標并在與舊知關聯基礎上，在VR資源區調取合適的課程資源，提出問題并設置能夠給予學生足夠思考機會的學習任務，利用VR設備的技術手段賦予學生不同角色，為學生設置虛擬的教學情境，使學生獲得真實的體驗圍繞問題進行有針對性的學習。例如，在飛機駕駛的技能學習中，虛擬現實技術為學生提供無風險的“SR”沉浸式體驗讓學生通過實踐來完成操作理論知識的建構與遷移。教師可在虛擬環境中為學生設置暴雨、臺風等惡劣天氣為學生提供高難度的情境訓練，學生可以通過反復練習操作設備，最終達到在各種天氣情況下都能熟練駕駛的目的。其次，VR的交互性功能為學生的深度學習提供豐富的情感體驗。教師在學生知識建構過程中設置靈活性的問題引導師生、生生間的討論與交流。在VR全程體驗中，學生可以即時和教師及同伴分享實時信息、疑問或感興趣的內容，激發思維碰撞的火花，實現對知識的深度把握。在VR沉浸式教學中，學生既能實現對學習情境的深入理解，并在類似情境中分析差異并完成“舉一反三”的遷移運用[19]，又能批判性地理解和吸收結構化知識，實現對抽象概念與情境結合的非結構化知識的掌握，將這種深度加工建構知識的能力不斷運用到新情境中，實現學習結果的質的飛躍，達到觸類旁通的學習目標[20]。

3.深度學習評價階段

評價階段是深度學習的成果驗收階段，它貫穿于深度學習過程的始終。根據前文提到的學生學習環境論可知，學習者的先有經驗不同，那么學生所處情境的認知就呈現出多樣化的結果。VR沉浸式學習環境中評價學習者深度學習的特點大致分為評價方式多樣化、評價標準定制化和評價反饋靈活化，充分發揮評價對于學習者深度學習全程的反饋作用。例如，在VR體驗學習項目中，通過設置關卡的方式來評價學習者的深度學習進展程度;體驗結束后，也可采取頭腦風暴、師生生生互評和撰寫評價報告等交互性評價方式來驗收學習結果。

在VR的學習系統中教師可以實現對學習者訓練的合理性管理，更科學地規劃其自學和訓練時間、內容、人員等信息，并即時且準確地分析學習者的學習，通過了解學習者的學習習慣偏好、交互情況等，將信息綜合處理，為學生篩選出適當的方法，從而實現服務個性化和信息推薦人性化。教師也可以利用虛擬現實設備創建出數字化的多維評估體系，實現教育目標的有效性。在學生的整個學習過程中，平臺終端會建立起專屬于每個學生的電子學習檔案，不僅可以記錄學生在平臺學習的進度和效果，還可以通過同步學生的觀看記錄、測評成績以及自我評價和教師同伴評價記錄等完成對學生自主學習的引導與激勵，培養學生的自我控制能力。

在完成一階段的學習后，平臺會根據學習者在學習系統中的表現作出綜合性的評估，并從認知領域、人際領域以及個人領域三個維度對其進行全方位的評價，并給予適當的鼓勵，激勵學習者并提高其學習動機。當在課下使用VR學習時，VR可以將人文情境和自然環境真實地呈現在學生眼前，多維感官參與的沉浸感使學生排除干擾百分百地投入到學習項目中[21]。虛擬情境中學習者情感與認知的投入程度和自我管理約束程度，既是深度學習時學習激情的保持和知識的加工建構與高階思維的培養的內源動力保障，也是衡量與評價深度學習的關鍵因素。

四、結語

深度學習是近幾年來教育研究的熱點，而深度學習的開展，需要VR技術搭配相關的學習資源和工具的支持。VR為深度學習提供體驗支持、情感支持和情景支持，有助于學生在仿真的環境中自主探究，獲得認知，實現與真實環境無縫對接。本文構建了基于VR環境的深度學習模型，并從深度學習的準備、知識遷移與建構和深度學習評價三個階段闡述了基于VR環境的深度學習模型的運行機制。

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