基于認知彈性理論的礦山救援虛擬現實培訓系統設計

劉鵬 曾棟

關鍵詞：認知彈性理論;虛擬現實;礦山救援培訓系統;設計

1 認知彈性理論概述

認知彈性理論（Cognitive Flexibility Theory）是Rand J. Spiro等學者在20 世紀90 年代初針對結構不良的知識的學習和遷移開展有效教學所提出的一種教育學理論[1]。認知彈性理論期望學習者在認知學習的過程中能夠以多種方式同時對知識進行自動重構，從而獲取對變化的情境做出適宜反應的靈活變通的能力。認知彈性理論綜合了客觀主義以及建構主義學習理論的長處，一方面，將學習環境因素納入影響知識遷移效果的影響因素中，從而強調學習者在學習過程中的主動性和建構性;另一方面，也重視學習過程中的一般概念的重要性和領域知識的系統性，認為教學過程應具有客觀性和規律性[2]。

根據知識變化的多樣性和應用的復雜性，Rand J. Spiro 等學者在教學中將知識劃分為結構良好領域的知識（如佩戴呼吸器、記憶呼吸器的性能指標等）和結構不良領域的知識（如根據救援現場環境、設備使用情況等對呼吸器的正確使用做出判斷），結構不良領域的知識一般難以建立概念知識與情境應用的直接關系，需要多種知識綜合運用來解決實際問題，因此其解決方案、方法和標準往往具有不同的選擇。結構不良領域的知識需要進行高級學習，在掌握基本概念的同時能感悟知識的復雜性，以在多變的復雜現實環境中靈活運用知識。Rand J. Spiro 等學者認為高級學習過程中知識應當以多個事實的形式進行呈現，以便考慮結構不良領域的知識，因此提出隨機通達教學（Random AccessInstruction）的方法，要求在教學過程中結構不良領域的知識應當在不同的情境下進行重新安排，展示知識間的多重關系以及知識與情境的依賴關系，形成情境表征[2]。

在此基礎上，Rand J. Spiro 等學者提出認知彈性超文本（Cognitive Flexibility Hypertexts）工具來實現高級學習，結構不良領域的知識通過詞條、圖片等多媒體的形式呈現，以網絡構架的方式組織知識網絡，通過點擊知識詞條中的超文本關鍵詞進行跳轉，非線性特征的超文本能夠實現從多角度學習概念并建構知識表征，從而改善對復雜知識的掌握。一方面，在認知彈性超文本中，所呈現結構不良領域的知識既包括了教學要求中本身要求的教學內容，也包括了與教學內容相關的背景知識、拓展知識等相關內容，多方位的知識學習提高了結構不良領域的知識學習;另一方面，認知彈性超文本所構建的知識網絡可以通過點擊關鍵詞定向跳轉，不易掌握的結構不良領域的知識及其相關知識在跳轉中的曝光能夠更加契合不同學習者的學習狀態，提高學習效果（如圖1）。

2 礦山救援虛擬現實培訓系統概述

礦山救援虛擬現實培訓系統是虛擬現實（Virtual Reality）技術在礦山應急救援培訓中的運用成果 [3]，通過運用虛擬現實技術，使被培訓者可以直觀地、身臨其境地“沉浸”在所創建的虛擬環境中，依靠感知和認知能力全方位地獲取礦山救援培訓知識和信息，充分發揮主觀能動性在系統中開展漫游式體驗學習，與其中的虛擬事物發生直接自然的交互作用，培訓系統可以根據被培訓者的操作在虛擬場景中產生逼真的反饋[4]。

礦山常見災害包括火災、水災、瓦斯泄漏和冒頂等，造成重大人員傷亡和經濟損失（如圖2）。礦山救援虛擬現實培訓系統主要模擬各類礦山災害，按照救護隊應急預案的流程，設置相應的三維場景、事件，并仿真救援的動態過程，模擬救援過程中的事故出處理與反饋結果[5]。目前，礦山救援虛擬現實培訓系統設計流程采用了系統設計思路，一般先開展培訓需求分析，分析培訓內容與培訓方式;再開展系統總體設計，劃分具體培訓模塊和功能;最終依據開發文檔開展系統開發工作，測試系統有效性[6]。

當前礦山救援虛擬現實培訓系統的學習視角，主要包括第一人稱視角學習和第三人稱視角學習兩大類：在第一人稱視角類礦山救援虛擬現實培訓系統中，被培訓者通常通過佩戴虛擬現實眼鏡和手柄交互的方式來實現對場景的觀看和控制，而第三人稱視角類型的虛擬現實培訓系統則可以通過多種方式呈現，包括桌面屏幕[6]、CAVE 系統[7]、虛擬現實眼鏡等，被培訓者通過第三人稱視角可以更加靈活地觀察環境，因此這類培訓系統更加廣泛地用于多角色礦山救援虛擬現實培訓系統中。基于不同的培訓視角，礦山救援虛擬現實培訓系統所采用的交互方法也有所不同，需要設計開發人員依據不同視角的特點設計適合的交互和培訓方式。

目前，礦山救援虛擬現實培訓系統成果包括礦井突水應急救援仿真、礦山冒頂事故救援模擬、井下火災事故模擬和三維礦井仿真與人員逃生可視化等方面，從相關文獻的研究看取得了一定的成效，提高了培訓的效果[7]。但是，現有礦山救援虛擬現實培訓系統的設計方法由于缺少相關的設計方法研究，多是利用計算機圖形學或產品設計方法等來開展系統架構設計，需求分析與設計轉化不明確。因此，現有礦山救援虛擬現實培訓系統多數只是關注于某種事故的類型及其線性發生過程的模擬，被培訓者往往只能按照固定的流程與特定的操作反應開展學習，從而導致被培訓者的學習效果不佳。同時，由于缺少相應的設計標準或規范，培訓系統在設計時將礦山救援知識的全部文字材料學習、視頻資料學習等多項培訓模塊均納入設計范圍。這導致了所設計的培訓系統與現有課堂式教學、多媒體教學等存在大量內容重復的情況，增加了系統設計與開發的工作量。

3 基于認知彈性理論的礦山救援虛擬現實培訓系統設計的意義

在理論方面，認知彈性理論作為教育學理論，已經在課堂教育中取得了廣泛的應用，取得了良好的成效。虛擬現實技術作為一種優秀計算機圖形仿真技術，為礦山救援虛擬現實培訓這類虛擬課堂的實現提供了可行的技術支撐。然而，當前少見有認知彈性理論相關研究應用于虛擬課堂的設計中。因此，基于認知彈性理論探討礦山應急救援虛擬現實培訓系統的設計可以拓展認知彈性理論在包含礦山虛擬現實培訓在內的安全培訓領域的應用，有效提高虛擬安全培訓課堂的培訓效果。同時，由于在礦山救援虛擬現實培訓系統方面開展的設計與研究尚不充足，將認知彈性理論與礦山虛擬現實培訓系統設計相結合，討論礦山虛擬現實培訓系統的設計方法，可以為礦山救援虛擬現實培訓系統設計的實踐提供新的設計思路。

在應用方面，礦山救援虛擬現實培訓系統作為一種現代化虛擬課堂，其教學手段與培訓方式與課堂教育、MOOC 學習等傳統課堂有所不同，其更加具有場景學習的真實感和主動學習的沉浸感。使用認知彈性理論對當前礦山救援虛擬現實培訓系統進行設計指導，改善傳統礦山救援虛擬現實培訓系統的固化教學方法，能夠提高礦山應急救援培訓的效果。同時，基于認知彈性理論進行應急救援虛擬現實培訓系統的新設計，能夠為礦山應急救援培訓提供新的、有效的培訓工具，提高礦山救護隊員開展礦山安全救援培訓的學習效率及在復雜救援環境下的隨機應變的能力，進而提高礦山救護隊員開展應急救援時的生存率和成功率。

4 認知彈性理論視角下礦山救援虛擬現實培訓系統設計原則

4.1 專業性原則

培訓內容篩選應具有專業性。由于結構不良領域知識具有概念復雜性和情境可變性，因此在設計時應當靈活提取認知結構和相關經驗，幫助被培訓者掌握相關知識的復雜關系，進而運用到具體情境中。對于結構不良領域的知識應當開展篩選，組織專業人士評估在虛擬現實系統中實現的可能性，對其在虛擬現實場景中的表征方式進行有效規劃，根據培訓目標進行培訓內容、方法等模塊的設計，在培訓過程中保證知識的完整性和關聯性，從而促進知識的多樣化運用。例如，設計人員通過組織專家評價，采用李克特量表設計礦山救援知識篩選問卷，邀請礦山應急救援培訓專家開展評估，依據測量情況篩選在虛擬現實培訓系統中的培訓知識。

4.2 簡潔性原則

培訓系統開發應具有簡潔性。虛擬現實培訓系統并非理論學習、實訓演習等傳統礦山救援培訓方式的完全替代，而是利用虛擬現實技術模擬真實災難場景開展模擬訓練，是對傳統培訓方式進行重要補充。培訓系統應當易于管理和維護，根據作業環境及其系統的變化不斷完善更新，滿足用戶需求，以便系統的普及和推廣。例如，設立虛擬現實開發需求問卷，邀請礦山應急救援培訓專家與虛擬現實設計人員開展評估，依據所篩選的結構不良領域知識的最佳培訓方式進行評估以獲取核心開發需求。

4.3 靈活性原則

培訓方式設計應具有靈活性。靈活可變的培訓系統契合認知彈性理論的高級學習模式，提高被培訓者解決問題的能力。在開展系統設計時，應注意設置具有多樣性的教學環境，以適應不同被培訓者的個體差異性和多變性，所設計的培訓系統可以按照培訓實際要求從任意環節進入，按照任意順序進行，畫面應具有實時性和流暢性，被培訓者可以從各個場景方位中進行自由瀏覽，以保證查看信息的完整性。例如，在針對培訓場景設計時，將場景設計為靈活可變的場景，場景的模型位置、照明環境、氣體成分等可以在一定范圍內變化重組，使被培訓者每次進入的環境都與上次培訓不同，在此基礎上，通過遺傳算法等方式提高環境對被培訓者的適應度，提高被培訓者在不適應環境中的培訓概率，提高培訓效果。

4.4 真實性原則

培訓場景渲染應具有真實性。認知彈性理論要求在教學過程中盡可能布置真實復雜的學習環境，以提高培訓效果。因此針對礦山救援虛擬現實培訓系統中的模擬災難場景進行設計時，系統內的人員、器械、現場環境等要素渲染應當具有真實感，以幫助被培訓者快速進入實際狀態，在虛擬環境中開展交互式學習，從而提高培訓效果和培訓質量。例如，建模時盡可能還原模型細節，模型導出時應提高導出模型的精細度，在渲染現場環境、模型等時應采用模型細節添加與實拍貼圖等方式，使得渲染的環境最大程度還原現實礦山災難環境，讓被培訓者在使用相關模型開展救災模擬訓練時更有沉浸感。

5 基于認知彈性理論的礦山救援虛擬現實培訓系統設計流程

依據認知彈性理論教學內容、教學方法和教學工具的相關關系，結合目前礦山救援虛擬現實培訓產品設計特點和流程，根據總體設計思路，基于認知彈性理論的礦山救援虛擬現實培訓系統設計流程如下：

5.1 礦山救援知識研究

應用認知彈性理論，首先需要篩選結構不良領域知識，通過調查《礦山救援規程》等相關礦山救援培訓材料，組織礦山救援專家歸納在礦山救援中的高級知識，結合訪談法、問卷法等篩選出適合在虛擬現實場景中訓練的內容并進行需求分析和分級，依此進行模型準備與場景構建。

5.2 培訓機制設計與評估

隨機通達教學策略要求被培訓者能夠在高級學習中對結構不良領域的知識進行情景變換學習，據此提出培訓策略與方法。針對總結出的訓練方式，提出符合隨機通達教學策略的虛擬現實培訓機制。由于培訓機制的有效性尚待驗證，因此采用原型測試的方法開發評估原型，與傳統的培訓方法進行對比分析培訓后被培訓者的知識留存情況，以此評估培訓機制的有效性。

5.3 模塊設計與細節完善

認知彈性理論中的認知彈性超文本工具是隨機通達教學方法的有效技術呈現，用戶使用該工具可實現有效高級學習。結合礦山救援虛擬現實培訓開發環境，對系統相關的功能模塊進行細化。同時結合相應視角的虛擬現實培訓系統要求，明確系統相關硬件模塊與軟硬件模塊。對提出的培訓原型進行進一步包裝完善，通過草圖設計、低保真構建、高保真驗證等設計方法建立虛擬現實培訓系統的模塊組成框架，完善人、物、環境和界面等細節設計。

5.4 系統開發

在設計完成后依據設計文檔開展系統開發工作。使用3ds Max、Blender 等三維建模軟件建立培訓系統所需虛擬場景模型和相關動畫，使用Unity、Unreal 等虛擬現實開發引擎實現各個系統模塊，撰寫系統開發程序，開發系統中預先制定的相關功能，完成系統開發工作。在系統開發的過程中逐步驗證相關功能，并在確保使用并進行細節完善后，發布所開發的虛擬現實培訓系統。

5.5 可用性和用戶體驗分析

開展可用性和用戶體驗分析可獲取用戶在操作時的原有印象和主觀感受，以幫助設計人員進一步完善系統。因此組織被培訓者開展可用性評估，通過對比使用前后的成績、認知彈性變化情況和可用性價值感受（SUS），獲取培訓系統可用性，并圍繞臨場感、愉悅度等指標開展調查問卷，獲取培訓系統用戶體驗情況與系統改進意見，進一步完善系統。

6 結語

文章基于認知彈性理論對礦山救援虛擬現實培訓系統設計進行研究，將認知彈性理論中結構不良領域知識、通過隨機通達教學、使用認知彈性超文本工具的系統教學方法引入到礦山救援培訓虛擬現實培訓系統設計中，據此提出的設計原則和流程能夠幫助設計人員有計劃地開展救援虛擬現實培訓系統設計。未來將根據所提出的設計原則和流程進一步豐富相應的設計方法，從而為開展礦山救援培訓虛擬現實培訓系統設計實踐提供一定的參考借鑒。