基于虛擬現實技術的智慧學習環境模型建構與應用

徐鳳婷 曹衛真

摘? 要 虛擬現實技術融入智慧學習環境，可為學習者提供沉浸式、個性化、智能化的學習體驗，成為近年來研究的熱點話題。在分析虛擬現實技術融入智慧學習環境的理論依據、實踐依據、技術支持以及主要原則的基礎上，以虛擬現實技術為主導，融入智慧學習環境要素，構建融合學、教、管、評、創的LTMEC-VR智慧學習環境模型。該模型具備交互性、體驗性、沉浸性、啟發性和智能性，支持學生的“學”與“創”，促進教師的“教”與“評”，便于管理者智能化地“管”，以期為虛擬現實、人工智能、大數據等智能技術融入智慧學習環境，更好地支持教與學助力。

關鍵詞 虛擬現實;智慧學習環境;情境學習;人工智能;教育信息化

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）07-0012-05

1 問題的提出

近年來，虛擬現實技術發展迅猛，以其具有強交互、高仿真、深體驗等特性而逐漸受到教育界的廣泛關注。教育部辦公廳2018年2月印發的《2018年教育信息化和網絡安全工作要點》和2019年3月印發的《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》中都明確提出要推動大數據、虛擬現實、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用。2019年11月，教育部發布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中明確鼓勵利用虛擬現實等技術手段呈現因受時空限制而在現實世界中無法觀察和控制的事物和現象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環境有危害的實驗[1]。

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是以交互式計算機技術為核心，創建與真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化虛擬環境，用戶借助于專業設備與該虛擬環境中的對象進行交互，可產生身臨其境、跨越時空的感受及體驗的科學技術[2]。然而，應用VR技術進行教與學的實踐仍在艱難探索中，國內關于虛擬現實學習環境的相關教學研究和應用還處于探索階段，VR技術不能滿足個性化、智能化學習的問題也日漸凸顯。

隨著5G、人工智能、大數據、云計算、物聯網等新興技術的應用與普及，學習環境作為支撐教與學的重要學習場所，越發趨于智慧化，從而衍生出智慧學習環境。智慧學習環境是一種能感知學習情境、識別學習者特征和提供適當的學習資源及便利互動工具、自動記錄學習過程及評測學習成果，以促進學習者有效學習的活動空間[3]。智慧學習環境能夠支持學生自主學習的構建，并提供及時的學習指導，是數字化學習環境的一種高級形式，能夠很好地彌補VR技術不能提供個性化、智能化學習的不足，但其無法提供生動逼真的真實體驗，信息冗余而學習者注意力難以集中導致的認知負荷超量問題，也成為近年來研究者關注的問題。5G、大數據、人工智能等技術為促進VR與智能技術的融合發展提供了新機遇。VR技術與人工智能技術相結合，促進了教學媒體向學習環境的轉變，學習環境從物理環境延伸至虛擬空間，催生出個性化、智慧化的學習資源與環境。筆者結合虛擬現實技術和智慧學習環境的要素，嘗試構建基于虛擬現實技術的智慧學習環境模型，以期為VR技術更好地服務于教育教學助力。

2 VR技術融入智慧學習環境的依據與原則

基于VR技術的智慧學習環境是指以VR技術為主導，通過物聯網、人工智能、大數據分析等新興技術的融入與支持，為教師和學生提供教與學的智能化服務，有效促進學生學習的智能化、個性化、集成化的數字虛擬學習環境。

VR技術融入智慧學習環境的主要依據

1）理論依據。具身認知理論、建構主義理論、情境認知理論是VR技術融入智慧學習環境的主要理論依據。具身認知理論認為體驗是知識獲取中不可缺少的途徑，環境/情境是保證認知不可缺少的條件[4]。理想的學習環境應該包括情境、交流、協作和意義建構四個部分，而學生的認知活動是一個多元動態且與學習環境主動建構的過程。以VR和人工智能等新技術開展具身學習及個性化學習等教與學的活動，成為教育信息化2.0時代教育發展的新要求[5]。情境認知理論強調個體與真實情境的互動，認為情境是學生的思維認知與行動的基礎[6]。基于VR技術的智慧學習環境中所創設的接近真實情境的場景，能夠促進學生在學習過程中不斷反思與交流互動，提供給教師更多的過程性幫助，幫助教師開展真實評價。建構主義理論主張世界是客觀存在的，但是對于事物的理解卻是由個人所決定，重視個體與環境之間的交互作用所產生的新知識的意義建構，強調情境在促進學生進行意義建構中的重要作用，學習總是與一定的社會文化背景（即情境）相聯系的，學生在實際情境中學習，利用原有的認知結構對新知識進行同化與順應，從而實現有意義學習。基于VR技術的智慧學習環境中的學習情境是復雜的，不僅包含學習環境的設計，還需提供個性化的學習資源服務。

2）實踐依據。近年來，VR技術與智慧學習環境在教育教學中的實踐研究取得一定的成果。VR技術在教育中的應用使學生進入現實課堂無法實現的更接近教學內容的虛擬場景，幫助學生對所學知識進行意義建構和對已有知識的重組，從而加深對具體情境和特殊內容的真實感知，促進對知識的深刻理解。信息技術與教育教學的深入融合催生出智慧教育，智慧學習環境為實現智慧教育發揮了不可替代的作用。智慧學習環境結合物聯網、人工智能、大數據等新一代信息技術為教育教學的變革助力，提供高效化、強交互、智能化等方面的教學與管理支持服務。VR融入智慧學習環境實現學習環境從單一走向多元、從封閉走向開放，打造更加個性化、公平化、智慧化的學習場所。

3）技術支持。VR、5G、人工智能、物聯網、大數據分析等技術是主要的技術支撐。運用VR技術實現物理空間和虛擬空間的延伸和擴展，為學生提供身臨其境的強交互、深體驗和高沉浸的智慧學習環境。5G作為數字蜂窩網絡，強調以用戶為中心，其峰值速率與超大網絡容量能夠有效滿足VR的大數據量傳輸與物聯網通信順暢。人工智能技術的發展使VR技術更加智能化，不僅可以模擬和還原現實世界中的某些情況，并構建智能的虛擬現實模擬教學環境，而且可以大大增強虛擬世界的效果和用戶的互動體驗，不斷為學生提供支持和指導，更自然地反饋用戶行為，幫助學生克服困難并大大提高學習效率[7]。通過物聯網將智慧學習環境中的智能傳感器、智能環控設備等進行連接，實現對環境的溫度高低、光線強弱、空氣調換、開關聲控等智能化調控。智能交互設備為教師和學生提供多通道的展示效果，為開展靈活多樣的教與學提供便利。在人工智能技術的支持下，學生的差異可以得到充分尊重，并且支持學生根據自己的實際情況定制學科、課程或知識點，以滿足他們的個性化需求[8]。借助大數據分析技術，面部表情特征分析有利于掌握學生的實時情況，迅速作出決策，從而為學生提供適當的學習材料和指導，并滿足學生的動態學習需求。隨著人工智能、大數據技術的融入與支持，學習環境向更加智能化、數據化以及適應性的智慧學習環境方向發展[9]，實現了實體環境與虛擬學習空間的整合，教學將更加身臨其境、互動化、智慧化。

VR技術融入智慧學習環境的主要原則? 基于VR技術的智慧學習環境建設主要包括個性化學習、情境化學習、智能化學習這三方面的原則。根據學生的個體差異進行個性化的教與學是智慧學習環境必不可少的重要原則。隨著智能技術在學習環境中的應用與普及，為實現個性化教與學的教育愿景帶來更多的可能。通過身體器官感知與學習環境的交互，促使學生開展具身體驗、合作交流以及情境交互等活動。借助于智能技術預測學生的狀態，促進學生將身體融入課堂學習，提高學習效率。隨著學習方式日趨多樣化，學習場景日趨多元化，情境化學習成為學習環境設計的重要考慮因素之一。通過創設相應的知識情境，學生在情境學習過程中生成經驗，提高解決問題的能力。這里的情境不僅僅代表真實情境，也包括虛擬情境、抽象化情境等。情境化學習強調人與環境的互動，通過豐富的情境，激發學生的學習興趣與積極性，多感官參與來感知知識。與傳統的學習環境相比，智慧學習環境的構建更注重為學生提供智能化的學習支持服務，包括物理環境、資源推送、數據分析、科學評價等方面。智能化學習的實現最終落地到每位學生的自適應學習與個性化學習中，建設基于VR技術的智慧學習環境能夠在實體設施、教與學資源、管理與評價等方面提供更多的支持。

3 LTMEC-VR智慧學習環境模型建構

智能時代的快速發展對個性化、情境化、智能化等學習方式的需求度逐漸提高，構建基于VR技術的智慧學習環境的重要性日漸凸顯。在分析VR技術融入智慧學習環境的依據與原則的基礎上，本文以VR技術為主導，融入智慧學習環境的要素，構建融合學（Learn）、教（Teach）、管（Manage）、評（Evaluate）、創（Create）的LTMEC-VR智慧學習環境模型，如圖1所示。在該模型中，學習環境能夠實現物理環境與虛擬環境相融合，支持學生個性化的學與創，促進教師的教與評，便于管理者智能化地管，提供給學生自適應和個性化的學習資源服務，支持正式與非正式學習。基于VR技術的智慧學習環境有著交互性、體驗性、沉浸性、啟發性與智能性等特征。

交互性? VR技術使用多種傳感器與多維智能的環境發生交互作用，當學生移動時，整個虛擬視景也隨之移動，這是區別于其他技術媒體的一大特性。不僅僅是虛擬視景作用于人，人也可以對虛擬環境進行控制并交互，實現各種有效而生動的反饋，由學生主動地根據視景進行實時交互。教師從VR教育云平臺的虛擬資源庫中調取相應資源，為學生提供視、聽、觸覺等多維反饋，激發學生積極與虛擬環境進行交互。基于VR技術的智慧學習環境支持多元交互工具，便于生生、師生互動交流，搭建逼真的學習情境幫助學生與虛擬客體進行交互，促進學生深層次認知建構。

體驗性? 有別于課本知識的一維形式、視頻知識的二維形式，虛擬現實技術支持的知識形式是三維立體的[10]。學生在虛擬環境中的學習行為以體驗為主，以第一視角進行體驗，克服外界干擾，促進學習的整體感知。通過虛擬的三維動態視景，學生能夠在虛擬學習環境中獲得全方位、更逼真的“真實”體驗。學生擁有身臨其境的浸入式體驗，對環境所承載的知識或信息進行順應、同化和遷移，從而進行有意義建構，促進學習的發生。

沉浸性? 虛擬學習技術支持的學習環境強調學生的沉浸式學習狀態，通過VR設備構建虛擬的、個體的學習環境，使學生在該環境中進行個體化的學習和感知[11]。學生全身心投入虛擬學習環境中，強調學生的主體作用，通過多感官感知，不僅是視覺的感知沉浸，更是聽覺、觸覺、力覺甚至嗅覺的身體與運動感知沉浸，是更深層次的心靈沉浸，突破以往常規的鍵盤和鼠標發生作用，為學生營造智能的學習環境。VR技術實現多感官參與，打破時空局限，使學生完全沉浸于虛擬的學習情境。

啟發性? VR技術支持的智慧學習環境可以模擬真實世界，跨越時空障礙，呈現過去與現在、遠方與近處的虛擬視景，學生能在體驗、沉浸、交互的基礎上進行啟發性學習。在基于VR技術的智慧學習環境中，學生可以實時與同伴、教師分享感受或疑問，通過分析差異進行頭腦風暴，批判性地掌握結構化知識，實現情境與抽象概念的有機結合。虛擬世界所提供的空間讓學生從定性和定量綜合集成的智能環境中得到深層次的感知和理性認識，深化概念理解與掌握，萌發更多創造性的想法，從而培養想象力和創造力。

智能性? 借助于人工智能、大數據、學習分析等智能技術的支持，基于VR技術的智慧學習環境為學生提供物理環境智能調控和智能化學習支持，能動態識別學生個性學習特征（包括學習風格、學習偏好、學習需求等）和認知情況（包括認知基礎與認知水平）;根據數據分析技術動態提供個性化推薦，支持教師與學生靈活互動、多元評價等。VR技術的引入可以為學生提供真實世界所不具備的學習機會，而智能技術的融入使學生的學習不受時空局限，為培養學生思維和創造力提供更高效的支持[12]。

4 LTMEC-VR智慧學習環境模型的應用

在5G、物聯網、人工智能、大數據等智能技術的支持下，基于VR技術的智慧學習環境能夠為教師、學生、管理者提供新的應用模式，如圖2所示。運用VR技術實現物理空間和虛擬空間的延伸和擴展，為學生提供身歷其境的強交互、深體驗和高沉浸的智慧學習環境。5G技術的高帶寬、低延時、大容量特性為獲取VR教育云平臺的教育教學資源提供支持。物聯網融入智慧學習環境，可實現物物互聯、人人互聯、人物互聯，為教師和學生提供多通道的展示效果，為開展靈活多樣的教育教學提供便利。VR教育云平臺與智能移動終端為教與學提供資源服務，對學生應用VR進行體驗、交互、協作和評價及教師教學全過程的數據進行同步與存儲，便于教師和學生課后進行反思、評價，為管理者對學習環境的實時境況進行智能分析與調整提供支持。

對于學生（學—創）? 學生在課前明確學習目標，基于VR教育云平臺上的學習資源進行課前預習、自主探究，將新知識與原有的認知結合進行整合，提出問題并帶到課上去解決。VR技術在課堂教學中提供了情境交互、虛擬體驗以及情感共識等支持，幫助學生在虛擬學習環境中構建新的知識體系。例如，學生通過VR提供的虛擬角色、實驗過程、操作演練等體驗，真正地身臨其境，促進意義建構和知識遷移。在虛擬學習情境中，學生通過體驗、觀察、動手操作、自我反思、協作分享、多元評價等方式獲得具體經驗，從而完成學習目標[13]。學生在情境交互和虛擬體驗過程中隨時隨地和教師、同伴分享感受和疑問，并得到即時回應，提高學習效率。在這種沉浸式、體驗式的學習過程中，學生對學習內容進行批判性思考、吸收，掌握復雜的概念與情境結合的非結構化的知識或技能，并將這種知識或技能用于新的情境使學習效果發生遷移或質變，實現觸類旁通的學習效果[14]。借助虛擬技術，可以擴展和加強學生的認知，在保持內部結構不變的基礎上，擴大微觀世界中肉眼無法觀察到的材料，使學生清楚地看到和理解其結構的特征。虛擬技術以其動態、多維、全面地模擬現實世界的優勢，增強了學生的直觀感覺，使他們獲得學科世界無法體驗的感覺。

基于VR技術的智慧學習環境提倡在“在體驗中學”“在體驗中創”。通過創設逼真的虛擬情境、沉浸式的體驗、多重感官的刺激、動態交互式的學習環境，有效激發學生輕松、愉快的積極情緒，培養學生的高階思維。在VR技術支持下的智慧學習環境中，教師借助VR教育游戲，在游戲中設計結構化與非結構化的問題，融入寓教于樂的教學理念，激發學生思考、分析、協作、探究并解決問題，在這一過程中促進學生高階思維的形成，有利于學生在解決問題時逐步提高創新創造能力。

對于教師（教—評）? VR教育云平臺為教師課前準備提供了豐富的教學資源與智能平臺。教師在課前需要準備教學設計，充分把握教學內容，運用智能平臺對學生進行學情診斷，了解學生已有的認知基礎與水平，設計適當的教學資源，預測課堂情況及可能會出現的問題。教師在全面把握教學內容的情況下利用VR資源及其云平臺，針對不同水平的學生設計個性化的教學準備，統籌整體的教學情況，為學生對新知識進行意義建構做好準備。在課堂授課階段，教師為學生創設適當的虛擬學習情境，根據學生的體驗情況，提供即時的跟蹤指導與反饋。設置具有一定挑戰性的學習任務，利用VR技術分配不同的角色，安排學生進行分組協作，讓學生在虛擬情境中獲得真實體驗的同時也圍繞教學目標和任務進行針對性的思考與學習。在這個虛擬的世界中，學生可以“進入”現實生活的“真實”情境，將學科知識與情境感知進行有效對接，在教師的指導下參加各種實踐活動，并通過個人體驗活動學習各種技能，提高實踐能力[15]。

創設虛擬情境是為了幫助學生更好地認識現實世界，虛擬現實技術在這一過程中充當著學生認知的中介或工具。在學生自主探究體驗和小組合作結束后，教師利用VR智能云平臺對學習結果進行展示，引導學生進行頭腦風暴。采用問卷調查、項目學習、試題測評等評價方式，以生生互評、師生互評等評價為主，基于學生在VR教育云平臺中的學習時長、發帖數量與質量、小組協作的頻次、測試分數與系統評估等評價內容，對學生的學習結果進行診斷，從而指導學生進行創新實踐。基于VR技術的智慧學習環境可實現教學環境虛擬化、教學內容可視化、教學過程交互化、教學管理智能化、教學評價客觀化、教學反思具體化，為教師提供科學智能的體驗與服務，有效地節省備課、批改作業等教學管理時間，提高教學效率。

對于管理者（管）? 在5G、物聯網、VR、人工智能、大數據分析等技術支持下，促進管理者的智能“管”，提供智能識別、匹配、推送、評價等服務，融入人工智能、大數據等技術，對學習環境中教與學全過程數據進行采集、處理、分析、管理、存儲等，為教師與學生提供科學精準的診斷與反饋，有效提高教、學、管的質量與水平。管理者可以對基于VR技術的智慧學習環境進行智能管理，包括物理環境、虛擬空間、學生情況、學習資源與學習設備等方面，利用物聯網識別技術為教師與對應的課室進行關聯授權，實現智能管控教學設備[16];通過了解學生出勤情況、興趣偏好、知識水平和交互方式等進行學習風格預測，整合學生的行為表現、認知動向進行統籌分析，刻畫學生的學習肖像，從而為學生推送適當的學習資源，支持個性化的學習指導。管理者通過設備記錄學生的學習全程，建立學習檔案，同步學習中的體驗結果、交互及測試情況、生生評價、師生評價等數據，便于課后、期中或期末系統科學地進行分析與評估，為教師、學生、家長提供可參考的學習效果診斷，有效地提高管理效率與水平。VR教育云平臺與智能移動終端為教與學提供資源服務，對學生VR體驗、交互、協作和評價及教師教學全過程的數據進行同步與存儲，便于教師和學生課后進行反思、評價，為管理者對學習環境的實時境況進行智能分析與調整提供支持。

5 結語

學習環境集資源、技術和服務為一體，是實現教與學的基礎保障。本研究結合虛擬現實技術和智慧學習環境的要素，構建集學（learn）、教（Teach）、管（Manage）、評（Evaluate）、創（Create）的LTMEC-VR智慧學習環境模型。由于資源、設備及場地的限制，關于該模型的應用效果還有待深入探索，如何在實踐中逐步完善是后續研究進一步探究的問題。VR作為一種新興技術，在教育教學中的應用方興未艾，如何將VR技術應用于教育教學還存在一定的挑戰。未來，VR與人工智能、大數據分析等技術的深度融合，構建智能化的虛擬學習環境，滿足教與學的需求，將是教育信息化和智慧教育的重要發展方向。■

參考文獻

[1]教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見[A/OL].

（2019-11-22）[2020-10-05].http：//www.moe.gov.cn/src

site/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

[2]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（F輯：信息科學），2009（1）：2-46.

[3]黃榮懷，楊俊鋒，胡永斌.從數字學習環境到智慧學習環境：學習環境的變革與趨勢[J].開放教育研究，2012（1）：

75-84.

[4]殷明，劉電芝.身心融合學習：具身認知及其教育意蘊[J].課程·教材·教法，2015（7）：57-65.

[5]任友群，馮仰存，鄭旭東.融合創新，智能引領，迎接教育信息化新時代[J].中國電化教育，2018（1）：7-14，34.

[6]賀平，武法提.論學習環境設計的理論基礎[J].現代教育技術，2006（6）：36-39.

[7]劉進，鐘小琴，李學坪.教育人工智能：前沿進展與機遇挑戰[J].高等工程教育研究，2020（2）：113-123.

[8]余亮，魏華燕，弓瀟然.論人工智能時代學習方式及其學習資源特征[J].電化教育研究，2020（4）：28-34.

[9]塔衛剛.學習科學視野下學習環境設計研究[J].現代教育技術，2018（6）：5-10.

[10]何聚厚，梁瑞娜，韓廣欣，等.基于虛擬現實技術的深度學習場域模型構建研究[J].電化教育研究，2019（1）：

59-66.

[11]趙一鳴，郝建江，王海燕，等.虛擬現實技術教育應用研究演進的可視化分析[J].電化教育研究，2016（12）：26-33.

[12]嚴曉梅，高博俊，萬青青，等.智能技術變革教育的發展趨勢：第四屆中美智慧教育大會綜述[J].中國電化教育，2019（7）：31-37.

[13]鐘正，陳衛東.基于VR技術的體驗式學習環境設計策略與案例實現[J].中國電化教育，2018（2）：51-58.

[14]康淑敏.基于學科素養培育的深度學習研究[J].教育研究，2016（7）：111-118.

[15]辛繼湘.當教學遇上人工智能：機遇、挑戰與應對[J].課程·教材·教法，2018（9）：62-67.

[16]胡沛然，王宜之.智慧學習環境的設計、構建和管理研究：以上海交通大學“智慧教室”為例[J].實驗室研究與探索，2018（7）：286-290.