高沉浸式學習環境：學習環境設計的新視角

摘" "要：2021年興起的教育元宇宙為學習環境的設計提供新視角，為回應對學習過程中沉浸體驗日漸增長的需求，設計與構建高沉浸式學習環境（High Immersion Learning Environment， HILE）。從沉浸式學習環境的發展現狀出發，提出融入XR、數字孿生等技術的一種高沉浸式學習環境，闡述其內涵與特征，并對其架構與應用場景進行設計與分析。HILE的四大特征（融合性、自然性、發展性、人本性）與四層架構（物理層、技術層、功能層、應用層），能實現多情境創設、自然沉浸與自主孿生，支持創設沉浸教室、虛擬遠程教室、虛擬學習社區等10類學習情境，應用范圍涵蓋學科教育、特殊教育、文化場館教育等在內的所有正式與非正式學習場合?；贖ILE的前瞻性研究，對打破目前沉浸式虛擬環境的固有局限性與弊端、促進學習者的高沉浸感學習體驗，具有重要意義。

關鍵詞：高沉浸式學習環境；HILE；沉浸式虛擬環境；教學情境

中圖分類號：G434" " " " "文獻標志碼：A" " " " "文章編號：1673-8454（2023）11-0121-08

DOI：10.3969/j.issn.1673-8454.2023.11.013

作者簡介：曹曉明，深圳大學教育學部教授，博士（廣東深圳 518060）；謝娜，深圳大學教育學部碩士研究生（廣東深圳 518060）

基金項目：2020年教育部人文社會科學研究一般項目“智慧學習環境下基于多模態融合的學習參與度識別機制研究”（編號：20YJA880001）

一、引言

2021年“元宇宙”概念在5G、XR、數字孿生等支撐技術的發展下迅速崛起。自新冠疫情以來，更多教育者切實感受到在線教學中師生缺乏互動、學生缺乏學習存在感等諸多弊端，而具有交互性、沉浸性、多元性等特征的教育元宇宙[1]作為彌補這些缺點的新型教育手段，備受大家的關注與重視，其最突出的優勢就是能夠為教師和學習者提供一種沉浸式的教學互動場域，同步滿足師生在物理和虛擬世界的教與學需求。[2]因此，教育元宇宙的提出不僅是對未來學習場域的美好憧憬，還是當前對增強學習投入度、提升教學質量的沉浸式學習環境迫切需求的體現。

“沉浸”多比喻處于某種境界或思想活動中。美國心理學家米哈里·契克森米哈賴（Mihaly Csikszentmihalyi）提出的沉浸理論（flow theory）認為，當人們進入因聚精會神地投入到某種活動中并完全不受其它因素干擾的沉浸狀態時，其內在動機處于最佳狀態。[3]有學者認為，沉浸式和體驗式的教學模式是新一輪教育改革創新的主流趨勢。[4]沉浸式學習環境發端于20世紀60年代加拿大的沉浸式雙語教育，即教師以第二語言授課，讓學生在第二語言環境中掌握第二語言；[5]而后逐漸發展起來的情境教學法主張基于情境進行教學，讓學生在與情境互動、參與實踐的過程中建構知識，某種意義上，“情境”也是一種沉浸式學習環境；虛擬現實技術的出現與發展使沉浸式學習環境不再停留于圖畫展現、音樂渲染、語言描繪等單一感官體驗的低沉浸感構建方式，而是晉升為結合具身認知理論，利用混合現實、數字孿生等技術實現多通道感知渠道的高沉浸感構建方式，如具身型混合現實學習環境（Embodied Mixed Reality Learning Environments， EMRLE）[6]、基于數字孿生的全息課堂[7]等。本研究通過對比分析目前的沉浸式學習環境，基于XR與數字孿生技術，以學習者獲得沉浸學習體驗為導向，探究HILE的內涵、特征與架構，并對其應用場景進行分析，以促進HILE的構建與應用。

二、高沉浸式學習環境理論分析

沉浸式學習環境發展至今已有60余年，但學界一直沒有明確的定義，更多的是對能促進學習者學習沉浸感的一種學習環境的描述。例如，有學者認為沉浸式學習環境是指VR創造的一種數字學習環境，學習者身處其中會產生身臨其境之感，并伴隨這種感覺開展學習活動；[8]有學者提出沉浸式虛擬環境（Immersive Virtual Environment， IVE）是由VR構建的一種仿真虛擬環境，對學習者的心流體驗具有積極的影響；[9]有學者提出混合現實學習環境（Mixed Reality Learning Environments， MRLE）是由虛實世界交疊融合而成的一種學習環境，學習者身處其中無法分辨真實與虛假，虛擬學習資源與真實學習資源能相互融合。[10]為與其它沉浸式學習環境區分，本研究將利用沉浸式技術構建的學習環境統稱為“沉浸式虛擬環境”，包括虛擬現實學習環境（Virtual Reality Learning Environments， VRLE）、增強現實學習環境（Augmented Reality Learning Environments， ARLE）和MRLE。情境、沉浸式虛擬環境以及本研究提出的高沉浸式學習環境的對比如表1所示。

從表1可知，本研究提出的HILE是由XR、數字孿生、全息投影等技術構建的一種虛實融合、超智能化的學習環境，能實現多情境創設、自然沉浸與自主孿生。HILE有四個主要特征。

（1）融合性。HILE中虛擬世界與真實世界是相互融合的，能根據教師的教學需求和學習者的學習需求構建高度真實的學習場景，如教師在真實教學場景調取相關虛擬學習資源進行多方位展示與詳細講解、為學生構建虛擬遠程教室或沉浸感課堂回放場景等。

（2）自然性。HILE中教師與學習者的體驗是自然的，包括感官自然與狀態自然。感官自然即教師與學習者不必佩戴過多的設備，能在自然狀態下接受HILE輸出的感官刺激并實現與虛擬對象的交互，實現自然沉浸；狀態自然即HILE中實現數據無感化采集與分析，教師與學習者較少受到數據采集設備的影響，不會產生“被監視”的心理壓力。

（3）發展性。HILE是發展的，包括物理實體的發展和虛擬情境的發展。HILE中遍布數據采集設備，對一切物理實體進行全域感知與自主孿生，如生成教師與學習者的虛擬化身、生成物理設備的數字孿生體。通過大數據、學習分析等技術對其全生命周期數據進行分析，通過決策迭代等方式優化物理實體，實現物理實體的發展；HILE應教學需求生成的虛擬情境是動態的、發展的，而非靜態的表象，學習者置身其中猶如真正進入到該場景中，可與場景中任意對象進行交互，產生連續、真實的體驗。

（4）人本性。HILE中每位學習者都有對應的虛擬化身，學習者在學習過程中的所有數據都被記錄下來，能關注到每一位學習者的個體體驗和學習需求，如記錄學習者學習效率高時的個性化桌椅狀態及燈光明暗度、通過桌面震動提醒注意力集中、即時給予積極反饋等。

三、高沉浸式學習環境架構設計

通過XR、物聯網、人工智能、數字孿生等技術，HILE主要實現對虛實融合、體驗自然、自主發展且關注每個人的學習環境的構建，參考XR技術或數字孿生的技術路線，構建相關沉浸式場所的架構，如XR技術實現預想技術路線[14]、數字孿生與全息技術融合下的未來學習場域架構[15]、全息課堂的系統架構[16]、孿生場館學習空間的五層架構[17]等，本研究設計HILE四層架構，分別為物理層、技術層、功能層和應用層，具體如圖1所示。

HILE包含輸入、處理和輸出三大系統，其中輸入和輸出系統支撐起“人—機”“機—機”“人—人（非現場）”之間的交互，處理系統則是HILE的“大腦”，通過對數據的處理與分析實現HILE的各種教學、學習及管理服務。

（一）物理層

物理層是構成HILE的空間基礎，包含采集各類數據的輸入系統設備、處理數據的處理系統設備、產生反饋的輸出系統設備，以及在三個系統間必不可少的高速傳輸網絡。輸入系統設備包括泛在傳感器（如監控設備、傳聲器、定位器、光學跟蹤器等）、實體控制器（如燈光亮度調節器、桌椅調節器、自定義快捷功能按鈕等）以及腦電信號采集設備（如腕帶、頭環等）；處理系統設備包括支持數據存儲與運算的高性能計算機和云服務器；輸出系統設備包括全息屏、觸感設備、三維聲場音響、味覺/嗅覺模擬器等。其中輸入與輸出系統設備需放置于真實學習環境中，處理系統則主要使用云端計算資源。

（二）技術層

技術層是HILE的構建實施路徑，如5G、物聯網、云計算等元技術驅動HILE的運轉；3D游戲引擎為創建HILE學習資源提供開發平臺；XR技術與全息技術為教師與學習者提供沉浸空間環境；數字孿生實現教師、學習者以及環境的發展等。其中，XR技術和數字孿生技術是HILE的重要實現技術，XR技術是構建外顯沉浸式環境的關鍵，而數字孿生是支撐環境內部機理發展的核心。HILE主要應用技術及其功能與作用如表2所示。

（三）功能層

功能層是HILE的工作機理。輸入系統主要用于采集HILE內所有實體的全生命周期數據以實現全域感知，采集到的數據包括環境數據（如空間明亮度、室內溫度、空氣濕度等）、硬件設施數據（如位置數據、狀態數據、運作動態數據等）、教師與學習者的行為數據（如空間位移數據、交互數據、教學/學習行為數據等）以及學習者在學習過程中的腦電數據，以此觸發HILE的各種服務應用，形成空間感應、交互感應與意識感應的超智能學習空間。

處理系統主要用于識別、分析輸入系統采集到的數據，生成相關衍生數據以提供相關服務應用，HILE提供的相關服務應用包括但不限于：①生成虛實融合沉浸學習環境中數字對象/虛擬學習資源的動態定位；②根據環境內設備已使用情況預測設備故障程度以調整設備的使用；③即時配備教學/學習資源或情境響應教師與學習者在教學活動中的需求；④通過學習者行為數據與腦電數據分析學習狀態并給予相關建議或贊賞、鼓勵等積極反饋；⑤對學習者課堂/一學段/一學年的所有學習數據進行分析并生成課堂/學段/學年評價。

輸出系統主要用于呈現沉浸式學習環境，利用視、聽、觸、味、嗅五感為教師與學習者打造一個較為封閉的學習空間，為學習者的沉浸學習提供充分條件。為提高HILE的體驗自然性，采用全息影像、三維虛擬聲音等技術，教師與學習者無須佩戴繁雜的設備即可進入HILE創設的情境，獲得最貼近真實的感官體驗。

（四）應用層

應用層是集合HILE所有功能支持創設的10類學習情境。其中，虛擬非日常環境、虛擬實驗室、虛擬實訓室、沉浸式文化活動場所等，都是VR等沉浸式技術在教育中的常見應用場景，其余部分學習情境在VRLE、ARLE和MRLE的應用構想甚至實踐中也不少見，如學生通過虛擬現實的仿真火災培訓獲得消防安全技能[18]、在博物館的巡回考古展覽中使用虛擬現實技術[19]、在MR環境下完成“多模態+人機協同”的保險絲熔斷實驗教學[20]等。然而，盡管VRLE、ARLE和MRLE的應用場景可能性是多樣的，實際開發的系統卻只能支持一種學習情境或一類學習情境，HILE的優勢在于能基于真實學習環境，根據教學需求或學習需求智能創設學習情境，在任意學習場景充分利用沉浸式技術開展沉浸式教學。

四、高沉浸式學習環境應用場景分析

HILE的應用場景基本囊括所有學習場景，包括正式學習與非正式學習。HILE支持的10類學習情境及其對應的應用場景如表3所示。

（一）學科教育

自教育教學改革以來，枯燥、師講生聽的學科教學課堂成為改革的首要任務之一。IVE的出現為情境教學、游戲化教學、協作式教學等新型“以學生為主體”的教學方法提供新的開展思路與實施渠道。例如，有學者利用VR技術構造的宇宙情境開展小學三年級數學課“認識年月日”的教學，[21]有學者開發VR英語學習游戲用于訓練學生的英語聽說能力，[22]等等。虛擬實驗室是針對部分學科教育中實驗教學的高成本、危險或無法開展等問題提出的新型解決方案，沉浸式技術構建的實驗室場景，以及模擬仿真用戶與實驗設備的交互能讓學生充分動手實驗，直觀但無安全隱患地感受學科魅力。即便目前虛擬現實相關教育應用研究開展火熱，但都避不開實踐成本高與學生認知負荷重的通性問題。[23]例如，設備昂貴，教師與學生需要花時間學習與磨合設備、學生由于設備復雜的使用方式導致的認知負荷重，以及長時間佩戴設備導致的眩暈感，等等。HILE中對用戶體驗的自然性設計則能有效規避以上大部分問題。

在經過新冠疫情學?！巴Ｕn不停學”應用實踐后，遠程教育現有的同異步教學方式短板凸顯，教學效果與線下授課相差甚遠。基于HILE的虛擬遠程教室同步在線教學能在真實教室的數字孿生體中進行，教師與學習者通過虛擬化身開展教學活動并相互交流，獲得如線下一般面對面的學習體驗；異步在線學習時教師同樣能通過虛擬化身在真實教室的數字孿生體中進行課程的錄制，包括問題的提出、回答與預測給學習者的反饋，學習者則通過虛擬化身投身于錄播課虛擬環境中，參與學習活動并回答問題，虛擬遠程教室會智能識別學生的回答，進行判斷并給予教師反饋，為學習者最大程度還原真實上課體驗。

基于HILE的沉浸教室是通過關閉窗門、隔聲、視覺、聽覺營造課堂氛圍等方式打造一個較為封閉的物理空間，減少外界因素分散學習者注意力的可能，創造學習者全身心投入學習活動的外部條件，適用于任何教學的講授環節。

教學是一個復雜的過程，往往由多種環節構成，課堂上也需要隨時根據實際情況進行調整，HILE能夠在不同的學習情境進行切換，有足夠的包容度支撐教學的全過程。

（二）德育

“以人為本”教育理念下的德育是“生活化”德育，即生活是學校德育的出發點、行進點和歸宿點。[24]德育方法要貼近生活，因此，沉浸式技術支持下的情境教學應是德育的常態化開展方式，但IVE在德育領域的應用研究較少，少有的應用實踐也僅僅是在教學中利用沉浸式設備創設一個或幾個生活場景讓學習者觀看以達到體驗的目的。[25]HILE則能實現任意生活情境的創設與調用，讓學生獲得多感官的沉浸體驗與交互反饋，真正發揮情境教學在德育中的作用。

游戲化學習是目前較為流行的教學理論，采用游戲化的方式開展教學活動，能充分提高學習者動機、增添學習趣味性，有利于培養學習興趣。[26]在HILE中，教師能利用已有的虛擬學習資源組成游戲場景，自行設計游戲機制、設置游戲獎勵等，基于HILE的游戲化學習能有效改善課堂呆板枯燥、效率低下的狀況，低中年級的德育課堂尤其如此。

（三）心理健康教育與特殊教育

IVE在心理輔導教育甚至是心理治療領域的應用研究并不少見。例如，有學者利用開發的虛擬現實心理放松訓練系統實現對大學生焦慮情緒的有效干預，[27]等等。對于生理或心理有不同程度障礙的特殊兒童，沉浸式技術能為他們提供康復訓練及掌握生活基本技能的沉浸、仿真環境[28]，彌補傳統特殊教育與治療方式的不足，且特殊兒童對其接受度較高。[29]

由于心理治療與生理治療的復雜性，IVE僅作為一種研究工具使用，還未能廣泛應用于實踐中。除了一般基于IVE創設虛擬生活情境與虛擬非日常情境用于相關治療與干預外，HILE情境的發展性與開放性還支持復雜的治療與康復訓練設計，對需要控制外界環境的治療方法有絕對性的優勢。例如，進行系統脫敏治療時，教師能通過HILE控制學生承受的焦慮或恐懼刺激，降低系統脫敏治療的實施成本；HILE中的虛擬化身能降低特殊兒童的心理戒備，幫助他們參與正常社交活動，甚至能夠提供更多的教育機會，讓他們可以與普通學校的學生共同上課，實現教育公平。

（四）學前教育與職業教育

AR技術目前已經較為廣泛地應用在學前教育的幼兒讀物中，通過呈現某個三維具體事物讓幼兒獲得更加直觀的認識，但很少用于故事型繪本，為單單一本或一個系列的故事繪本開發故事虛擬情境的成本較高，并且也無法讓幼兒每次在讀故事書時都佩戴沉浸式設備。HILE會通過智能識別故事繪本，調出對應的主人公模型與相關場景模型，創立書中小世界，小世界會隨著幼兒的朗讀進度推進情節進展，以此增強故事體驗的深刻性。

虛擬實訓室主要是IVE在職業教育的應用，用于培養學生的實踐操作技能和應用素養。基于HILE的虛擬實訓室僅能在簡單的交互環境下為學習者提供接近真實訓練的體驗，如在汽車/飛機/輪船的模擬駕駛器創設虛擬路況、海面或空中場景；HILE還能在真實的實訓室內提供虛擬信息或指引輔助學習者，提高訓練效率、降低操作危險度。

（五）非正式學習

在非正式教育場合，VRLE、ARLE和MRLE的相關應用研究相對缺乏。[30]基于HILE的虛擬學習社區是根據學習者的興趣愛好所建的類似社區的虛擬場景。學習者在進修自己的興趣愛好時通過虛擬化身“上線”虛擬學習社區，虛擬學習社區不僅能提供相關學習資源，還能記錄學習者學習情況、與其他學習者進行交流。HILE能創設沉浸教室或投射虛擬學習社區支持小學課外活動課或興趣課的開展。

基于HILE的沉浸式文化活動場所主要應用在博物館/科學館等文化活動場所的教育中， HILE能幫助博物館/科學館實現高沉浸式展覽，在展覽文物、技術或事跡時具現化文字描述，使學習者獲得更明確的認知、更深刻的體驗以及更震撼的情感觸動，而場館的數字孿生體也能豐富博物館/科學館的教育形式，使學生跨越時間與空間，在學校游博物館/科學館，豐富社會實踐活動，增長見識。

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High Immersion Learning Environment：

A New Perspective on Learning Environment Design

Xiaoming CAO， Na XIE

（Faculty of Education Shenzhen University， Shenzhen 518060， Guangdong）

Abstract： The Educational Metaverse， which emerged in 2021， provides a new perspective for the design of Learning Environment. In response to the growing demand for immersive experience in the learning process， High Immersion Learning Environment （HILE） is designed and constructed. Based on the development status of Immersion Learning Environment， this paper proposes a kind of HILE incorporating XR， Digital Twins and other technologies， expounds its connotation and characteristics， designs and analyzes its architecture and application scenarios. HILE’s four characteristics （fusion， naturality， expansibility， humanity） and four layers architecture （physical layer， technical layer， functional layer， application layer） can realize multi-situation creation， natural immersion and autonomic twinning， and support the creation of 10 types of learning situations， including immersive classroom， virtual remote classroom and virtual learning community， which can be applied to all formal and informal learning occasions， such as subject education， special education and cultural venue education， etc. The prospective research based on HILE is of great significance to break the inherent limitations and disadvantages of the current immersive virtual environment and to promote a highly immersive learning experience for learners.

Keywords： High Immersion Learning Environment; HILE; Immersive Virtual Environment; Teaching Scenarios

編輯：王天鵬" "校對：王曉明