基于虛擬現實技術下深度學習環境的構建研究

高偉 王昱霖 宋笑迎

摘 ?要： 基于虛擬現實技術創設下的虛擬情景能夠促進學習者的深度學習。在滿足促進學習者在真實情景下臨場沉浸探究、交互協作下形成個性化具身經驗、深度轉化下持續意義評價的原則下。構建出虛擬現實技術下深度學習環境的應用模式，以期促進新興技術下深度學習環境的雙向融合創新。

關鍵詞： 虛擬現實技術;深度學習;交互沉浸;深度移情

中圖分類號： G434 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.009

本文著錄格式：高偉，王昱霖，宋笑迎，等. 基于虛擬現實技術下深度學習環境的構建研究[J]. 軟件，2019，40（5）：4246

【Abstract】： The imitated context created by virtual reality technology can promote learners' deep learning. Under the principle of promoting learners' immersive exploration in real situations and forming individualized personal experience and in-depth transformation under interactive cooperation， continuous significance evaluation is achieved. This paper summarized the application mode of deep learning environment based on virtual reality technology，hoping to promote the two-way fusion innovation of the deep learning environment under the emerging technology.

【Key words】： Virtual reality technology; Deep learning; Interaction immersed; The depth of empathy

0 ?引言

深度學習是指學習者以高階思維的發展和實際問題的解決為目標，以整合的知識為內容，批判性地學習新的知識和思想，并將它們融入原有的認知結構中，且能將已有的知識遷移到新的情境中的一種學習[1]，該類研究從2005年起始，于2011年更多地進入人們視野，研究者多將精力投入在深度學習與學習者關系的理論研究，傾向于從教育學視角切入研究，較少有從技術視角對深度學習的環境構建。而虛擬現實（VR）技術在2016年煥發青春后經歷了寒冬，鮮有將深度學習與虛擬現實技術并行研究的文章。目前中學生課堂學習環境多采用多媒體技術教學，學習者被動地接受知識，交互性弱，沉浸感低，無法達到高質量的學習效果。因此當下的學習環境顯然無法指引學生走向學科深處，使其領悟學科之精髓。鑒于此，隨著以學習者為中心的深度學習的迫切需求以及VR技術的逐漸成熟推動了兩者的融合——基于虛擬現實技術的深度學習環境。本文借助相關理論基礎，在實踐中將兩者有機結合以促進新興技術下深度學習環境的雙向融合創新。

1 ?VR技術在教學中的應用及困境

VR技術不僅將扁平的虛擬畫面提升到三維立體的虛擬世界，亦將沉寂單一的教室課堂轉化為交互沉浸的虛擬課堂，使學習者在虛擬場景環境中實時感知和操控虛擬角色，獲得身臨其境之感，這種基于虛擬現實技術的教育被稱為V-Learning。根據2018年中國虛擬現實市場現狀調研與發展前景預測分析報告顯示，教育排在虛擬現實熱點行業的第三位[2]，隨著教育現代化進程的不斷推進，VR技術在教育領域占據的份額將會越來越多。各大科技企業也借助VR技術的特點與優勢，虛擬化實踐教學環境、自由化實踐教學時空，進一步激發學習動機和實踐興趣以實現情境化教學。為此，國外的Immersive VR Education公司設計出以虛擬課堂形式教學的APP-Leture VR;谷歌則創造性地提出將遠程教育與網上VR課堂相結合[3]。其中國內的北京培新小學創設了由三星Geal VR智能眼鏡硬件和VR云課件所打造的“IES沉浸式課堂”，開創了國內真正應用于教學的VR課堂的先河;隨后北京匯文中學通過校企合作的方式，建設了“虛擬現實探究實驗室”，該實驗室涉及眾多學科的幾百個課件和上千個3D模型，呈現出有效協作學習的新局面。

當前企業與學校愈發重視教學方式與技術的革新固然是好事，然而在實踐過程中除了面臨著頭盔技術難題、感知效果有限、開發技術門檻高、缺乏使用標準等硬性問題，還包括VR教學與傳統教學方式相沖突、虛擬環境下的網絡秩序管理、VR技術教學資源開發投入、學習者在虛擬與現實間的身份界定等隱性問題[4]。因此單純地應用VR技術教學較難保證學習者健康、高效的學習，需要在VR技術的支持下尋求構建更加適合學習者的深度學習環境才是長久之計。

2 ?深度學習的內涵與優勢

深度學習（Deep learning）最早是以淺層學習相對應的概念，由美國學者FerenceMarton 和Roger Saljo于1976年提出[5]。Beattie與Collins認為，深度學習方式促使學習者為了理解而學習，主要表現為對學習內容和先前知識經驗的聯結，強調批判性理解[6]。黎加厚認為，深度學習是指在理解基礎上，學習者夠批判性地學習新概念和新思想，并將它們融入原有的認知結構中，能夠在眾多思想間進行聯系，并能夠將已有的知識遷移到新的情境中，做出決策和解決問題的學習[7]。深度學習改變了當前在教學中低層次思維目標的機械學習現狀，旨在有意義學習的基礎上，以情境遷移為條件、批判性思維為導向促進學習者的高階思維發展。復旦大學張學新教授提出的“對分課堂”教學模式實現了深度學習能力維度的整合[8]。在深度學習需要擁有連接真實世界的、面向問題解決的學習任務的前提下，就需要設計一個學習環境以支持深度學習的發生，由此恰好可以通過VR技術能夠實現以假亂真的真實世界創設。

3 ?基于VR技術的深度學習環境的構建策略

3.1 ?真實情景下的臨場沉浸探究

情境主義理論作為行為主義與認知主義的交叉，認為學習應當根植于情境之中，學習活動在學習者與情境的交互中進行。其中情境學習強調真實情境對學習者在學習過程中的重要性，以及學生與環境的交互和實踐[9]。結合建構主義的觀點來看，有意義的知識建構在真實情境的學習環境中才能發生。陳鶴琴曾說過，大自然，大社會是一本無字的書。然而在如今現代化的社會，城市綠地的減少，學生走進大自然的機會越來越少，因此創設虛擬場景的工作又被推上了日程，而VR技術能夠創設出具有“臨場感”的學習情境。

利用3DsMax建模和可視化技術，實現真實情景的虛擬化、教學時空的自由化，以三維的呈現方式進一步激發學習者學習動機，創設出的情境依存性記憶環境既有助于學習者的編碼記憶又能達到沉浸探究的目的。真實情景的創設不僅意味著還原現實世界，還意味著創設之境源于生活，具有真實意義，在促進沉浸探究的同時，學習者回到現實之中后又不會有太大的反差感。其中黑晶科技VR超級教室就致力于模擬真實學習環境，高沉浸、交互式學習，以改善情感學習環境（心理因素、人際交互性因素）與物理學習環境（課堂的色、光、溫、聲音，教師形象、教室場景建設等）。而Shih和Yang設計出主機版虛擬現實英語學習系統VEC3D，學習者通過操控虛擬角色來進行真實情境下的英語口語練習。

在真實情景創設好的前提下，學習者如何在情景中操控成為首要問題。起源于馬斯洛高峰體驗的沉浸理論認為，個體產生沉浸體驗時會達到內在動機的最高層次并獲得一系列積極體驗。體驗者沉浸在極度的快樂幸福中，擺脫了壓抑，懷疑，緊張和恐懼。同時他們的自我意識也突然消失，不再感知到主題與對象的距離，自覺與客觀世界融為一體。而能夠產生如此的沉浸體驗需要九大前提：清晰的目標、對任務的集中、通過挑戰能夠習得的技能、意識與行動的融合、即時的反饋、控制、自我意識的暫時消失、對時間變化的意識和變為自覺行為的體驗[10]。而利用VR技術特有的3I特性（構想性、交互性、沉浸感）能夠達到深層沉浸之感。不同于桌面式VR的操控方式，若要達到沉浸探究，需要學習者從頭顯中觀察虛擬環境并通過手柄或手勢感應進行交互控制。使學習者放手去做，提升其自主探究意識。

3.2 ?交互協作下的個性化具身經驗

在深度學習環境中，如果一味強調學習者與環境之間的交互，那么就喪失了深度學習的初衷。問題解決是深度學習的重要標志，學習者在陌生的虛擬環境中不僅要訓練其獨自批判性地解決問題的能力，更重要的是與其他學習者之間的交互協作以增進學習者的反思與評價，以及通過教師與學習者的互動進而達到記憶與思維的培養。學習者被置于積極的問題解決者的角度，直接面對反應真實世界情景的劣構問題。這就需要在線式學習環境的支持，以及在虛擬環境中設計個性化交互任務與游戲活動。

體驗式學習倡導通過實踐來認識事物本質，使學習者交插互入學習過程中，使學習者真正成為課堂的主角。教師更重要的作用是利用視、聽、感的教學媒體為學生做好體驗開始前的準備工作，讓學習者主動投入學習過程，增加其參與感，有利于直接經驗向抽象概念的轉化。根據學習目標的不同可以分為認知體驗式學習、情感體驗式學習和行為體驗式學習，而無論何種體驗式學習目標，其核心均是要建立一種仿真化的學習環境[11]，學生在逼近真實的環境下才會在交互協作下逐漸形成個性化具身經驗。

通過真實情境中學習者的沉浸探究與交互協作，形成了自身個性化的具身認知，此時學習者身體、認知與環境構成動態的統一體。高沉浸的環境能促進學習者的臨場感，臨場感的形成主要來源于學習者在環境中的認知。根據Donghee Shin的研究，學習者的具身認知由移情程度有關[12]，這也與深度學習以新情境中的遷移為導向、以解決復雜問題和創新為目標的高層次的學習方式相契合，若要達到深度移情，需要受到學習者性格特征以及參與度的雙路徑影響。（如圖1）因此需要教師多角度、多維度。全方位地了解每一位學習者特征，通過提升參與度的方式滿足深度移情之效果。

3.3 ?深度轉化下的持續意義評價

學習者在深度學習環境下根據交互探究下形成的具身經驗進行深度遷移，轉化為對知識的抽象概念，并將其融入原有的認知結構中。然而在深度轉化下，最終目的是要求學習者達到深度移情，訓練學習者在深度學習環境的學習下，脫離該環境后能夠將知識批判性運用到其他環境中，這就需要深度轉化下的持續意義評價。根據深度學習效果的評價分為的兩個階段，第一階段即為新知理解，只有深度理解才是深度學習，其首要前提為抽象概念的轉化。當學習者完成了抽象概念的轉化后，進入了第二階段的內部關聯遷移與外部拓展遷移，學習者在新知識所隸屬的知識結構內部進行高階思維加工，形成更加綜合縝密的思維方式，再脫離其結構遠遷移到真實生活中[13]。雖然VR技術可以提供身臨其境的感覺，但它永遠不會取代能夠對學習者實時有效的評價的教師。現如今在虛擬環境中對學習者進行個性化的有效評價機制還不成熟，因此仍然需要以教師為主導，借以大數據等前沿技術來實時追蹤學習者動態，引領學習者完成持續的量化考核與評價的收尾工作。

4 ?基于VR技術的深度學習環境的應用模式

本文對各理論的深入挖掘以及實踐中的摸索，總結出基于VR技術的深度學習環境應用模式。其中深度學習環境為該理論框架的構建目標與核心要素，由VR技術的各個分支技術作為支撐，以學習者為主體，并將學習活動貫穿于學習環境中，如圖2所示。

4.1 ?學生端手機VR+教師端主機VR的環境創設

相較于傳統教學總是把設定好的問題角度拋給學習者，致使學習者片面地思考問題，無法培養學生的批判性、創造性思維。基于此原因，VR技術的深度學習環境的創設由學生端手機VR一體機、教師端在線主機VR+大屏組成。在投入成本有限的情況下，有效保證了學習者觀察問題與實踐的第一視角。其中360 VR作為學生端手機VR的子設備，為學習者提供了一種模擬的試聽教材，學生可以360地查看周圍的虛擬環境[14]。360 VR設備的架設使得學習者能夠在全景圖片與全景視頻中享受第一人稱的觀看體驗，發掘自適應視角。學習者人手一臺手機VR一體機，用于觀看全景視頻與圖片，同時手機中配有課前準備好的教學課件與開源的3D模型供學習者創作與修改。

考慮到應用到教學當中的設備成本，為每位學習者提供一臺主機VR是不現實的，為此該應用模式僅為教師端提供主機VR，并通過投影機投射教師在頭盔中看到的圖像，教師儼然變為一名虛擬導游的角色。學生在臺下可以使用手機進行在線彈幕互動，而彈幕也會投射到大屏幕中，既解決了教師頭戴頭盔無法觀察學生學習狀況的情況，同時又增加了學習的趣味性與交互感，有效地解決了教學效益邊際化問題。

4.2 ?臨場沉浸+交互協作式學習活動

學習活動的設計分為學習者端以及教師端。學習者通過佩戴手機VR設備在課前預習階段以及課上自我探索階段，以第一人稱的角度在虛擬環境中學習之前準備好的課件或教育游戲。學習者不會像一張白紙一樣進入虛擬環境中學習，沉浸前因是沉浸的先決條件，因此學習者端活動的設計需要尊重學習者的先前經驗，并且任務的走勢也需要視學習者的學習情況而進行變通。同時為了保證學習者個性化學習，允許學習者對自身的課件進行修改與添加，并根據學習者的答題效果來對下一步的學習內容進行有效推薦，以此保證學習內容的持續性與延展性。基于360 VR所創設的情景，學習者可以自由地在線與虛擬環境中的NPC或其他學習者所操控的虛擬角色交互協作完成任務。

研究發現，在VR條件下長時間沉浸在仿真情境會預知學習活動的發生與發展，大腦會處于相對抑制的狀態。因此本文在為學習者配備手機VR設備的基礎上，為教師配備了主機VR+大屏，以配合傳統教學與VR教學有效對接。其中課前導入階段需要教師借助主機VR與大屏幕，創設出能夠使學生沉浸的物理學習環境，在交互協作階段，除了在學生端的生生交互、生境交互，教師端還創設了師生交互的情感學習環境條件，支撐起以完成共同的學習任務為載體，以促進成員全面成長為目的的，以相互作用式的學習觀作指導，通過人際溝通、交流而相互影響促進的學習共同體[15]。

4.3 ?深度移情+個性評價體系

根據美國國家研究委員會對深度學習能力劃分的三個維度：認知領域、人際領域和個人領域。認知領域中要求學習者理解學科知識，并能順利遷移到其他情景中，能夠利用技術與（思維）工具發現并解決問題;人際領域強調團隊協作與有效溝通能力;個人領域引導學生能夠監控、指導自身學習，形成積極學習態度[16]。作為深度學習環境下的主體要素，學習者需要與學習環境、學習任務之間進行動態的交換，主要經歷三大轉變過程。首先，由學習者的具身經驗轉向對學習活動的深度移情;接著，根據原有的認知結構形成對新知識的抽象概念促使對概念的意義建構;最后，教師在收集學習者反饋與建議的前提下引導學習者進行交互的個性化評價，暢談感受，做到教師與學習者同步調地深度反思。

5 ?結語

深度學習環境離不開學習者的沉浸與批判性思考，而虛擬現實技術則是深度學習環境構建的支架與情景創設的必要條件，而創設的環境與學習活動的質量又會影響學習者的深度學習效果。要想將該框架付諸實際，需要研究者深入把握虛擬現實技術的特點與深度學習的內涵，夯實教師的理論功底與VR軟件操作能力，同時政府與校方應當加給予政策上的支持與硬件設施上的投入，以便對該框架進一步的實踐探究，探索出更加豐富有效、符合中國國情的深度學習策略與應用模式。

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