虛擬和現實結合的學習

張渝江

引子

如果你非常羨慕鋼鐵俠的頭盔給主角帶來的豐富的視覺信息，那么微軟在今年最新發布的全息眼鏡則逐步將這一夢幻體驗變成了現實。戴上全息眼鏡，你可以為空曠的房間增加各種物件，如裝飾畫、電視機等。更驚奇的是，你還可以與這些虛擬出的物體進行交互，比如你可以真的通過虛擬的電視屏幕觀看節目。置身于全息眼鏡創建的3D世界，你可以輕松調試機械裝置或觀察到人體結構的內部，甚至可以到達火星的表面進行探索。如果將這一切運用于教育教學一定會極大地激發學生的學習興趣，因此全息眼鏡的出現讓教育工作者對未來的教育場景充滿了期待。

虛擬世界的學習場景

虛擬世界是一種極具沉浸感和高度擴展性的三維環境。用戶以自己的替身（虛擬世界中的個人形象）身臨其境，或步行，或飛翔，還可以完成更多復雜的動作，并與其他人互動交流等。美國軍方早在二十年前就設計出虛擬世界利用其模擬戰爭場面來訓練士兵，如駕駛飛行器、跳傘等。這種沉浸式的模擬環境極大地降低了初級訓練的危險性，減少了設備和彈藥成本，而訓練成效卻得到了大幅提升。后來，英國的伯明翰大學則用相應技術來設計虛擬病房，以此來培訓護士和醫療應急人員，避免了缺乏經驗的初級人員參與搶救而導致醫療事故的發生。

在虛擬世界中，受訓人員面臨的環境與現實世界一樣真實，他們可以展現自己的各種技能而不會產生緊張的心理，同時還可以隨時變化場景使受訓者能夠針對各種復雜情況做出應變且從容面對。

威斯康星大學麥迪遜分校Constance Steinkuehler教授的一項公開發表在Journal of Science Education and Technology的研究表明，虛擬世界的教育培訓能夠增強學習者的批判性思考技能和集體思維能力。也就是說在面臨全新狀況和高壓力環境時，虛擬環境可以讓學習者避免焦慮的心理和其他情感因素的干擾，閱讀場景的能力得到明顯提高，甚至會產生出新的技能，這些正是緣于批判性思考技能和集體思維能力的增強。電影《安德的游戲》講述了通過虛擬環境訓練的年輕人完成了久經沙場的將軍們無法完成的戰爭任務。這也從另一個角度詮釋了這個研究結論。

最早專門用于教育的虛擬世界要追述到2003年發布的“第二人生”（Second Life）。這個三維世界給現實的教育工作者和學習者提供了一個全新的環境。它與真實世界的學校一成不變、反復循環的環境和行為不同的是，孩子們可以在不斷變化的虛擬環境中學習、玩耍、創造，并且永遠不會關閉。很多大學都在“第二人生”世界中開設課程進行教學，而模擬出的與教學內容匹配的場景讓學生的學習變得更加生動有趣。

隨著3D視頻游戲的流行，一些教育工作者不斷地嘗試把商業游戲應用到課程中。基于游戲的學習也成為未來教育發展的重要方向。“我的世界”（Minecraft）被譽為目前最好的用于學習的虛擬世界之一，也是一款青少年喜愛的游戲。游戲中，每個玩家在“我的世界”設計的三維空間中自由地創造、破壞直至生存下去，玩家的相關能力在玩耍中得到快速地提升。

2007年《地平線報告》提出中期技術趨勢論述了虛擬世界對教育的作用。虛擬世界能創建出非常有效的學習空間。它作為廣義的學習環境適用于任何學科，并為這些學科的學習和研究創建各種條件，包括已有的物件和材料，以及現實世界沒有的工具，大可以是宇宙空間，小可以深入到納米世界。置身于社會化的虛擬世界中，學習者通過扮演不同的角色來完成現實世界的挑戰，并承擔相應的后果。這讓虛擬世界有了更真實的學習意義。

基于虛擬世界的學習應用更真實的案例是虛擬實驗室和語言學習環境。這是2013年《地平線報告》基礎教育版遠期技術趨勢所論述的。虛擬實驗室中，學生可以模擬開展真實實驗室的操作，它能讓學生在使用真實物理設備前，“安全”地開展實驗并不斷熟練。無論學生身處何處，通常都可以獲得全天候使用虛擬實驗室的機會，并可反復開展同一實驗。一些新近開發的虛擬實驗平臺還可以為學生提供包含實驗結果的報告模板，學生和教師可以很容易地檢查結果。目前，基于iPad的3D虛擬實驗室已成為孩子們喜愛的熱門學習應用，而且以虛擬替身形象參與語言學習和交流也成為現實生活中羞于開口的學習者們的最愛。

增強現實的教育機會

增強現實（Augmented Reality）是虛擬世界的升級版，它把真實的環境和虛擬的物體實時疊加到了同一個畫面或空間，被譽為現實和虛擬結合的典范。這種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，其原理是把原本在現實世界的一定時間和空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺、聲音、味道、觸覺等信息），通過計算機等科學技術模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。

例如，你眼前是一座現實世界中的古代遺跡，當你戴上具有增強現實功能的眼鏡后，立即在眼前呈現出這座遺跡在古代的恢宏場景和發掘時的場景。就像電影《銀河護衛隊》開始時，星爵掃描外星遺跡時出現以前文明生活的場景的鏡頭。那么，這會為教育帶來怎樣的變化呢？

2005年、2006年、2010年和2011年《地平線報告》高等教育版中，都提出增強現實將成為重要的教育應用，并逐漸變為現實。增強現實在真實世界的基礎上疊加了豐富的信息層，包括真實的信息，如位置、距離、溫度等；同時，還有虛擬的信息，如過去面貌、內部機構等狀態，這些信息都與真實的世界相關。過去教育場景中，這些信息被教師掌握并傳遞給學生，現在卻讓學生能快速獲得，并且可以再生成和創建。這樣的現實顛覆了傳統以傳遞知識為主的教學，教師的作用發生了巨大變化。例如，面對一架真實的飛機或飛機的圖片，學生通過增強現實穿戴設備可以獲取到飛機的型號、生產廠家、用途等信息，進而學生還可以觀察到虛擬出的飛機飛行時的場景、發動機運轉時的狀態，甚至發動機內部構造等。教師則省去了傳遞這些基本信息的時間，轉而幫助學生理解更深刻的原理和解答學生的疑問。進而學生可以對增強現實提供的信息層用自己的發現和理解來進行反饋補充，甚至對飛機內部的缺陷進行修改等。

虛擬現實的真實體驗

虛擬現實（Virtual Reality）是利用視覺、聽覺以及其他感覺輸入（如觸覺和觸覺反饋，甚至嗅覺和味覺等）綜合構建的一種沉浸式計算機環境。虛擬現實可以模擬出完全虛幻的想象世界，也可以是現實世界（博物館、歷史地點）的數字化復制品。虛擬現實的目的是讓用戶對虛擬世界有更真實的體驗。如果配上3D頭戴設備和觸覺手套等，完全覆蓋了視覺、聽覺和觸覺，阻斷用戶與真實世界的接觸，人們便會進入如《黑客帝國》電影中呈現的訓練的場景，或者如《明日世界》中的那個獨特徽章營造的未來可觸摸的世界。

2015年，知名教育媒體Educause上業界熟悉的專欄“你應知道七件事情”發表了虛擬現實頭戴設備將成為構建下一代學習環境的重要工具的論述。目前，虛擬現實被廣泛應用于醫療、工程、科學、考古以及未知領域的探險。2016年被預測為虛擬現實元年，相關民用產品將普及。隨著成本的降低，結合虛擬現實的可穿戴設備教育應用也將進入到普通學校。Google Cardboard就是這樣一件產品，紙盒和配件，再加上安卓智能手機及相關應用，這一切就能組合成廉價的虛擬現實眼鏡。2015年9月谷歌宣布將在美國六個州的學校開展試點，學生戴上Google Cardboard結合地圖和街景就可以進行虛擬的實地考察。“遨游全球、飛上火星、潛入珊瑚礁或回到過去，即通過虛擬現實的探險來幫助學習理解抽象概念，讓學生更深入地理解課堂之外的世界。”

虛擬和現實的爭議

不管是增強現實（AR）還是虛擬現實（VR），相對于傳統的教學而言新技術帶來了更豐富的場景、更多的信息呈現、更深入的沉浸感、更人性化的互動接口。現在這些技術已經逐步進入到高等教育，更多針對基礎教育的應用也正在被開發出來。學生面對的不再是單一的學習材料和單向傳遞的信息，打開書本全世界就在眼前不再是想象，而是真實可及。

當前AR和VR技術更多地通過類似于頭盔/眼鏡等頭戴式設備來實現。為此一些神經科學家提出了相應的疑慮：他們認為長期的近距離3D投射會給青少年帶來神經功能暫時或持久的變化，進而導致某些神經功能缺損。同時，其他一些研究者也提出了另外的擔心，如虛擬世界對現實世界的隔離，這與人類感知外部世界的方式有沖突，或者說在純虛擬環境中獲得的某些技能未必能順利遷移到真實的世界中。

在實際應用中，也出現了增強現實和虛擬現實兩種技術之間的混淆和爭論。增強現實強調在真實場景中信息層的疊加，而虛擬現實則強調利用相關數據的運算形成可交互的人造場景。二者都有虛擬的內容，也都與現實相關，只是側重不同。由于有教學理念和學科范疇的區分，這種不同也帶來了一些爭論。對不能真實參與的教學場景而言，虛擬現實的用處更大，而對于能真實參與的教學場景，增強現實則帶來更豐富的信息。

維基百科上的描述可能幫助我們更清楚地認識到這一點，“1994年保羅·米爾格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）提出了現實-虛擬連續統（Milgram’s Reality-Virtuality Continuum）。他們將真實環境和虛擬環境分別作為連續統一的兩端，位于它們中間的被稱為混合實境（Mixed Reality）”。其中靠近真實環境的是增強現實，靠近虛擬環境的則是虛擬現實。

現實和虛擬的結合正成為教育研究者的主題。2015年，卡內基梅隆大學研究人員Nesra Yannier博士等公開發布的研究文章Learning from Mixed-Reality Games： Is Shaking a Tablet as Effective as Physical Observation？中指出，結合虛擬和現實場景的學習成效是傳統方式的五倍。近幾年的《地平線報告》基礎教育版都在倡導基于實景的學習，而當一些實景學生無法真實接觸到時，通過虛擬世界就可以彌補這一不足。

顯然，“混合實境”才是未來學習發展的方向。