虛擬現實技術下的學習空間擴展研究

孫志偉 李小平 張琳 姜麗萍 毛旭

[摘? ?要] 為促進虛擬現實技術在教育中的應用，文章在分析“學習空間建設和虛擬現實技術教育應用”的基礎上，系統梳理了學習空間建設和發展的基礎及歷程，聚焦虛擬現實技術在學習空間上的體現方式、功能作用和建設路徑，利用構想性、沉浸性、交互性等特性擴展學習空間。從課堂空間、泛在空間、網絡空間與虛擬現實技術整合的角度提出虛實結合的學習空間連續體，認為虛擬現實技術擴展學習空間的關鍵路徑是技術與現實空間的疊加，是豐富學習環境和信息呈現形式。虛擬現實學習空間可以提升教學活動的真實性，促進情境性混合教育生態的構建。

[關鍵詞] 虛擬現實; 學習空間; 學習環境; 建設路徑

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 孫志偉（1986—），男，山東高唐人。博士研究生，主要從事教育技術、教育數據挖掘、信息技術教育應用研究。E-mail：220zhiwei@163.com。

一、引? ?言

學習空間（Learning Space）是指發生學習行為的場所，包括物理空間和虛擬空間[1]。近年來有關學習空間研究關注的焦點，開始由以教室、實驗室為代表的教學空間的優化轉向以圖書館、會議室、教育場館等非正式學習空間的建設和以網絡技術、智能技術、虛擬現實技術支撐的虛擬學習空間、混合學習空間的建設。

教育理念的更新和新技術的教育應用拓展了人們對學習的認知，以新的教學理念和技術構建的新型教學范式開創了以“技術、教育和空間”匯聚的新型學習空間[2]。虛擬現實技術的教育應用給學習者帶來了“沉浸、交互、構想”的體驗，這種以學習者體驗學習為主的知識獲取方式滿足了學習者的個人需求。研究虛擬現實技術支持的學習空間擴展需要明確以下問題：（1）如何體現虛擬現實技術的教學功能;（2）利用虛擬現實技術構建學習空間的模式有哪些;（3）如何高效地利用虛擬現實技術，充分利用已有資源，構建技術支持的學習空間。

二、虛擬現實學習空間的提出

（一）虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality Technology，簡稱VR）技術是：由計算機生成一種全新的模擬環境，通過傳感設備將用戶投入到該模擬環境中去，從而產生一種沉浸其中的感覺[3]。虛擬現實技術將用戶完整地投擲到模擬的環境中，讓用戶感受到沉浸感、構想性和交互性的特征[4]。虛擬現實技術的發展和市場推廣，使得這種技術在多種不同領域得到應用，“VR+教育”成為新的領域發展熱點。虛擬現實技術下的教學改變了知識的呈現方式和學習交互方式，這種新型的知識呈現和人機交互方式將固化的、僵硬的學習內容靈活地呈現出來[5]。虛擬現實技術通過計算機建模仿真現實環境中難以展示和重現的內容，增強了知識的可視性和學習過程的靈活性。虛擬現實技術的應用突破了客觀環境對教學的限制，提升了學生的學習興趣，促進了教育發展。

（二）學習空間的發展

20世紀90年代以來，相對固定的、封閉的課堂教學空間逐步向開放的、靈活的學習空間轉變[6]。隨著教學和學習理論的發展，以“學”為中心的思潮不斷沖擊著傳統以教師講授為主的教學模式。在這種思潮下，對以“教室”和“實驗室”為代表的學習空間的改造開始關注技術的應用和學生的自主學習需要，并由此出現大量不同類型的學習空間，如“主動學習空間”“協作學習空間”“技術支持學習空間”等[1]。特定的空間設計能滿足學生的心理和學習需要，促進學習行為的發生。

為促進學習行為的發生，很多國家和地區在研究課堂教學空間的基礎上，專門為新環境下的學習設計了新的空間，如澳大利亞為滿足學生發展需求專門設計了靈活的、協作的、相互連接的和創新的學習空間[7];美國北卡羅來納州立大學構建了SCALE-UP環境，麻省理工學院設立了TEAL項目。具身認知和情境認知理論認為：學習活動必須與具體情境結合，知識是學習者的體驗與情境脈絡協商的結果，如果學習的目標是解決具體環境中的問題，那么學習環境必須介入到具體的學習過程中[8]。泛在學習認為：學習不應只局限在學校內，學習活動是一種無時無刻、無所不在的行為[9-10]。協作學習、基于問題的學習等多種學習模式也打破了講授式教學對學習空間的限定，學習空間走出教室，擴展到其他環境中去，以有教育意義的場館和經過設計的特定環境為主的非正式學習環境成為學習空間的重要組成部分[11]。信息技術和通信技術的發展促進了人們跨地域的交流，新技術的出現及在教育中的應用敦促出現新的教育范式，基于信息技術的教育創新改革將學習搬上網絡，網絡優質教育資源的共享突破了地域對教育資源的壟斷，一種跨時空的網絡虛擬學習空間正在形成。在線教育、網絡遠程教育、數字化教學甚至成為在校學生的學習方式，學習活動也從真實環境蔓延到網絡環境中，網絡學習空間被人們所熟知。隨著“三通工程”建設的逐步深入，網絡學習空間人人通將會使網絡學習空間進一步普及。

（三）虛擬現實學習空間

虛擬現實技術在教育領域的應用，在突破時空局限的基礎上，還提供了交互性、沉浸性、構想性，讓學習者置身“真實”環境中，學生可以深入到原子內部去觀察、可以置身太空去遨游。基于虛擬現實技術，學習空間得到進一步擴展。新技術下的學習空間構建是教育、技術和空間的結合。虛擬現實技術所特有的仿真特性，能夠為學習者創設 “真實”的學習情境，這種基于虛擬現實技術創造的仿真情境與實體學習空間的融合構成了一種新型的復合學習空間——虛擬現實學習空間。綜合具身認知理論、建構主義學習理論等觀點可知，個體學習是學習者與外界環境交互并在交互的過程中完成自身知識意義建構的過程[12]。在虛擬現實學習空間中，借助虛擬現實技術的優勢，重新設計和制作教學內容，搭建虛擬仿真教學環境擴展了學習對象和知識的來源，將此類人工制品應用到教學能有效克服制約學生學習的客觀環境問題，更好地滿足學習者的需要。虛擬現實學習空間作為一種新型的學習空間，是現有學習空間的重要組成部分。從虛擬現實教育應用角度探討學習空間的變革，將教育、技術和空間設計貫穿一體，有利于擴展知識的來源，增強現有學習空間的功能，并可以開闊學生的視野，促進學校教育的進步。

三、虛擬現實學習空間的功能

虛擬現實技術和產業的發展推動虛擬現實產品進入“消費級”，這種“沉浸式多媒體”的教育應用為人們面對未來教育的挑戰提供了新的選擇。虛擬現實技術的教育應用融合了游戲化特征，以更貼近生活的方式為學習者提供了豐富多樣的個性化學習環境[13]，作為發展中、具有深遠潛在應用價值的技術，虛擬現實技術能夠縮小教育與社會之間的差距，改變學習者的思維方式[14]。虛擬現實技術在現行教育體制內的應用正在穩步展開，尤其以情境體驗和模擬訓練最具代表性。學校教育與職后教育的教學對象、教學內容等都存在著明顯不同，虛擬現實技術在其中扮演著迥異的角色，學校教育更強調知識的全面傳遞，關注因材施教、寓教于樂，職后教育關注具體技能的學習，更強調具身認知和體驗學習。虛擬現實技術的應用縮小了學校教育與職業應用之間的距離，逐步構建面向技術應用的“學—練—用”的知識應用連續體。總體來說，虛擬現實技術在教學中的主要作用體現在以下三個方面：

（一）知識呈現

知識是經過篩選、加工和驗證過的正確信息。教學過程通常指知識由施教者向受教育者傳遞的過程。虛擬現實技術以特有的構造性和仿真性呈現傳統教學多媒體難以呈現的內容，沉浸式的多媒體在呈現知識時能夠給學習者不同的學習體驗。不同階段、不同類型的教育在“知識”的類型和專業性方面要求不同，如學校教育與職后教育在對“知識”的關注領域、層次存在較大的區別。學校教育重視具體知識的專業性和科學性，即使在基礎教育階段也要強調培養學生的專業精神和專業意識;社會教育更關注知識的科普需求，強調通過通俗易懂的語言來解釋專業的問題，較少涉及深層次的知識傳遞和再造問題。

虛擬現實技術呈現出的知識可以突破傳統多媒體空間立體性缺失的局限性，通過轉換到第一視角和創設體驗環境給學習者呈現更直觀的、更真實的信息。利用虛擬現實技術的沉浸性和交互性，學習者可以從第一視角來體驗知識，克服外界條件限制的知識呈現能夠為學習者提供全面、鮮活的知識體驗，促進學習者的整體感知。典型的應用有對于宏觀（宇宙、天體）、微觀（細胞、原子）知識的展現，跨時空界限的情境再現（歷史事件、異域風景、古建筑），特殊場景的模擬呈現（火山、爆炸場景）等。

（二）模擬訓練

利用虛擬現實技術創設仿真實驗環境是對傳統實驗教學的升級。從長遠來看，虛擬仿真實驗環境的建設能擴大受眾，降低實驗投入，同時，因為“虛擬”和“數字化”的特點，實驗過程可以重現，以此來分析技能訓練過程中學習者出現的問題，并給出針對性的訓練指導。動作技能的掌握需要學習者反復訓練為前提，無論學校教育階段的實驗教學還是職后教育的專門技能培訓，強調學習者在真實情境中的動手能力。虛擬現實技術應用從多個方面提升了訓練的效率，降低了訓練的成本。虛擬現實技術克服了傳統訓練對設備數量的要求，一套系統可以同時供給多個學生使用，虛擬環境中的設備更新比真實的更快速、更方便;虛擬現實技術使部分實驗更容易實現，如對于醫學人才培養，虛擬現實技術使手術實驗更普及、性價比更高，解決了對實驗對象的要求。虛擬現實技術在危險實驗領域更有自身獨特優勢，如爆炸實驗、有毒、危險品實驗可以通過虛擬現實技術支持，降低實驗的危險性，為實驗人員提供更全面的安全保護，促進相關專業發展。

（三）環境體驗

虛擬現實技術下的學習是體驗學習，學習者通過對虛擬學習空間中環境所承載的信息和知識進行“順應、同化和遷移”來完成自身知識意義建構的過程。受困于真實場館和環境的時空特性和物理特征，這種情景學習不能為大多數學習者提供學習支持服務。利用虛擬現實技術構建虛擬場館，如虛擬圖書館、博物館，可以打破物理場館的時空局限。利用虛擬現實技術仿真實體難以展示的內容，如微觀粒子、生命系統、生態系統等。虛擬現實學習空間創設的此類學習環境將相關內容形象地展示出來，有利于促進學習者知識的同化，達到促進學習的目的。虛擬現實學習空間的環境建設為學習者搭建“真實”的體驗環境，學習者自身通過自主的在學習環境中的漫游，與虛擬環境中提供的學習資源、外界客體進行交互，同時，還通過文本、語音等方式與環境中的其他參與成員協作，完成自主學習、協作學習的過程。

虛擬現實學習空間的學習環境建設借鑒了教育游戲設計的元素特征，給學習者在體驗環境中設定了對應的身份，通過與外界環境的交互和完成給定的任務來完成學習的過程。

四、虛擬現實學習空間的構建路徑

利用空間環境傳遞非語言信息促進學習行為發生，是一種行之有效的方法。基于虛擬現實技術的學習空間建設在現有空間的基礎上疊加，從實到虛的連續學習空間進一步擴展，將學習引入更深入、更細化、更逼真的環境中[15]。利用虛擬現實技術構建學習空間是未來教育發展的重要趨勢。虛擬現實技術下的學習空間可以將學習活動壓縮到分子內部，也可以將感知活動擴大到太空，這種沉浸的、逼真的情境演示是以往任何學習都無法比擬的。無疑，虛擬現實技術的教育應用將取得顯著的效果。

如何建設和利用虛擬現實學習空間是如今學者面臨的一大難題，技術論者主張利用虛擬現實技術打造完整的沉浸式的學習空間環境，讓學習者沉浸其中完成學習[16]。教育學者關注如何利用技術疊加到現有空間上，輔助現有教學活動進行。心理學者強調以學習者的個體認知差異和學習需要為設計原則，關注是否有良好的體驗和交互[17]。維果斯基提出的活動理論為人類活動定義了一個一般性的框架，它認為活動的基本結構包括主體、客體和中介。把學習過程作為活動來看，學習空間就是其中的“中介”。隨后其他學者對活動理論進行了擴充，關注的主體也從個體擴展到群體，恩格斯更進一步抽取出來活動系統的六要素，即“主體、客體、工具、共同體、規則與分工”。基于空間設計理論、活動理論，學習空間構造也提出了早期的框架，如學習空間的多向設計流程、PST框架等。也出現了基于網絡環境的學習空間的原型，如JISC的電子學檔案引擎。國內也有部分學者根據我國的發展實際，在綜合國外學習空間設計經驗的基礎上，提出了適合國內設計的學習空間設計模型。如許亞峰從空間設計的角度提出了技術增強型學習空間的構成要素，祝智庭構建了面向人人通的學生個人學習空間，景玉慧研究了智慧學習空間的構建路徑。 郭紹青、郭炯、張進良等針對網絡學習空間的內涵與學校發展作了深入研究，并從變革路徑、個性化學習空間、協作學習空間等方面提出了網絡學習空間與學校教育的結合。學習空間研究取得了豐碩的成果，但現行學習空間研究中還存在著理論研究為主，未能指導實踐的問題，同時，依托某種技術構建學習空間也少有涉及，為此本研究綜合其他學者的研究成果，針對現行研究的局限性提出了基于虛擬現實技術的學習空間構建模式。虛擬現實學習空間能滿足更多學習者和更深層次的學習需要，能為更多學習者提供深層次的學習體驗。為了更好地利用虛擬現實技術，打造基于虛擬現實技術的學習空間連續體，是虛擬現實技術下學習空間設計的關鍵，并以此實現虛實空間完美的整合。融合活動理論、空間設計理論，虛擬現實學習空間的基本要素包括主體、客體、工具、情境、活動和共同體，基本結構如圖1所示。

虛擬現實支持的學習空間建設是在以往學習空間上的疊加，按照疊加對象大致可以分為課堂虛擬現實學習空間、場館虛擬現實學習空間和網絡虛擬現實學習空間。在不同類型學習空間構建的過程中需要充分考慮空間構建的物理基礎、學習空間參與的主客體、空間創設的工具情境和以空間活動構建的共同體。

（一）課堂環境中虛擬現實學習空間構建

當前，學校教育仍然是教育活動的主體，課堂教學是最主要的教育形式。在課堂環境（包括教室和實驗室）中，教師是教學活動的組織者和主導者，學習活動是學生在教師設計的特定環境中完成的知識構建。課堂環境下學習空間中的主要學習行為包括：以教師講授和實驗室訓練為主的接受式學習;以小組討論為主的協作學習，以問題、任務導向為主的自主探究學習。學生是學習活動的主體，在此學習空間下，學習內容是由教師組織設計的人工制品，如傳授的知識、設置的問題和任務等。在學校教育框架下，課堂環境下的學習空間主要集中在教室、實驗室內部，少數情況下可以擴展到討論室、自習室。以教室、實驗室為主要載體的課堂學習空間，學習環境封閉固定，學習內容比較局限，資源呈現方式單一，以接受式學習為主，輔助以小組協作學習和探究式學習。此類學習空間教學信息以單向傳播為主，學生的反饋為輔。課堂環境學習空間的優勢在于，面對面的教學有利于教師發現學生學習過程中存在的問題，適當調整教學節奏，保證教學效果。課堂環境下的虛擬現實學習空間以課堂教學為主，通過虛擬現實技術豐富教學資源呈現方式、部分記錄學生學習的過程，促進了課堂與虛擬現實技術的結合，形成課堂虛擬現實學習空間。課堂環境中虛擬現實學習空間如圖2所示。

1. 構建基礎

課堂環境中的虛擬現實學習空間以教室、實驗室結構為基礎，空間布局和功能區劃分不作改變，在設備陳設上增加虛擬現實設施。通常教室配備學生顯示端和教師控制端。實驗室根據實驗內容配備相關設備，如穿戴設備、手持終端、模擬操作臺等。

2. 主客體

課堂環境中的虛擬現實學習空間以教師和學生作為主體和客體。與課堂教學中的師生角色保持一致，教學過程以教師講授為主，學生根據教師的講授識記并掌握知識。

3. 工具情境

祝智庭教授按照工具的功能將SPLS中的工具分為管理工具與學習工具。在課堂虛擬學習空間中，虛擬現實技術是主客體之間進行信息交流的“中介”，內容包括主體為達到教學目的組織的教學資源、提出的教學問題和設置的教學情境。教師可以對全部教學內容進行整理和組織，學生可以通過學習工具完成知識的掌握，也可以通過部分管理工具管理自己的學習過程并解決學習過程中的問題。學生的管理工具權限需要教師根據需要分配。課堂虛擬現實學習空間的學習情境虛實結合，教師在控制教學過程中根據需要實時地使用。

4. 共同體及活動

課堂教學中由教師和學生共同構成學習共同體。在分組教學中，小組內部成員之間的交流活動更多，相互之間信息交流和內部活動更為頻繁，通過共享資源、協同解決問題組成關系更為緊密的共同體。學習活動由教師組織，并掌控學習活動的整體進度，協調共同體成員之間的關系。教師根據需要為學生提供學習支持，包括知識講授、資源提供、反饋交互和工具使用。

虛擬現實技術與課堂教學空間的結合可以在保證教學空間優勢的基礎上，擴展知識的呈現形式，增加了課堂中的情境感知，并將學習環境納入到學習資源中去，學生可以通過頭戴式VR設備體驗知識[5]。虛擬現實技術與課堂教學空間疊加構造的“虛實混合式課堂”，將教師的講授、真實情境的渲染和學生自主的沉浸式探究完美地結合在一起。在封閉的物理空間中，虛擬現實設備擴展了知識的體驗對象，相對穩定的師生結構和教學模式突出體現了教師的主導作用，有利于教師把控教學節奏和掌控教學效果。但是在這種空間中沒有照顧到學生的學習自主性和個體之間的差異，在離開課堂環境、遇到真實問題時，學生難以有整體的感受和把握。

（二）泛在環境中虛擬現實學習空間

非正式學習環境通常是指由學習者自我發起的“非正式的、自我調控、自我負責”的學習形式[19]。近年來，這種非正式學習環境的教育功能引起國內外學者的關注，并開始針對教育需要專門設計這種開放環境，非正式的學習空間逐漸形成了“日常生活空間、設計空間和基于項目的空間”三種類型[20]。相對于傳統課堂教學空間的封閉和固定的學習流程，這種非正式的學習空間沒有邊界的限制，學習環境相對寬松和自由。學習者可以在自由的環境下通過跟同伴、教師等進行放松的思想碰撞和交流來完成學習過程，也可以通過對環境、人工制品的觀摩體驗，通過具體項目與其他學習者交流建立起“共同體知識”。非正式學習空間受外界環境因素的限制，特別是場館學習空間，如博物館、藝術館、圖書館等會受到地域、開放時間、空間容納程度的限制。非正式學習空間學習目標性和針對性較差，為提升對非正式學習空間的利用，通常需要教師明確學習任務，讓學習者帶著任務和問題去體驗。泛在環境下的虛擬現實學習空間構建過程中要統籌場館、展品和技術之間的相互作用，通常可以利用虛擬現實技術將空間環境和展品的背景情況和深層含義展現出來。泛在環境下的虛擬學習空間給學習者呈現更多的信息，深入挖掘了實體背后的知識，同時，呈現方式更能滿足學習者的體驗需要。基于功能結構的泛在環境下的虛擬現實學習空間結構如圖3所示。

1. 構建基礎

因為環境的“泛在”特征，泛在環境下學習空間設計很難給出確定的框架模式，通常以人為設計的場館和移動學習作為泛在學習環境的代表。泛在環境下的虛擬現實學習空間以場館為基礎，在場館環境和展品的基礎上進行信息的疊加。在物理設備方面通常包括場館裝備模擬體驗廳和展品的數字化體驗設備。