三维虚拟学习环境综述

刘革平 谢涛

摘要：以情境性、沉浸性、参与性为主要特征的三维虚拟学习环境能够极大地激发学习者的学习动机，正在成为重要的学习环境。该文在大量前期成果的基础上，给出了三维虚拟学习环境的定义，论述了其特点和对学习的支撑作用；综述了其存在的技术背景；阐述了以社交媒体理论、沉浸理论、情境认知理论等为代表的基础理论；描述了其在虚拟实验、语言学习、情境创设等方面的应用情况；最后提出了几个可能的研究方向。

关键词：三维虚拟学习环境；社交媒体理论；沉浸理论；情境认知理论

中图分类号：C434

文献标识码：A

三维虚拟学习环境是在虚拟现实（Vir工ualReali工v，VR）、面向桌面的虚拟应用以及虚拟世界（Vir工ual World）等技术的基础上发展起来的。这些技术中，虚拟世界对三维虚拟学习环境的发展起推动作用。虚拟世界也称为交互式三维环境，是一种利用计算机模拟现实情境的、用户以化身的方式与他人交互的在线三维虚拟环境[1]。诞生于2003年的SecondLife（第二人生）是虚拟世界的典型代表，其中用户是主动的信息构建者，也是扮演特定角色的演员，他们通过与环境、社会交互来组建赖以“生存”的信息空间；所构建的三维虚拟环境是对复杂物理世界的模仿和简化，通过人可以掌控的方式满足特定的信息需求，使之具有物理世界的保真度、存在感、交互性。

近年来，越来越多的学校、教育机构和教师看到了虚拟世界可以在教育教学领域发挥作用，包括哈佛大学在内的知名大学纷纷将虚拟世界引入到课程教学中。然而，虚拟世界缺乏教与学所需要的特定工具和资源，而传统虚拟学习环境在形象性和沉浸性方面义显薄弱。于是，结合二者特长的“三维虚拟学习环境”（3D Vir工ual Learning Environmen）呼之欲出。

一、三维虚拟学习环境概述

（一）三维虚拟学习环境的定义

关于三维虚拟学习环境的含义，不同的学者持有不同的观点。Daniel等认为三维虚拟学习环境是基于网页的虚拟学习环境和沉浸式虚拟世界的整合体[2]；Jona工han等认为三维虚拟学习环境是在标准的虚拟学习环境中增加了沉浸性，允许学生以白定的步调和时间进行探索和学习[3]； Barney等认为三维造型、平滑的场景变化以及对象间的相互作用是三维虚拟学习环境区别于其它虚拟学习环境最重要的特征[4]； Ma工工hew等认为三维虚拟学习环境有利于增进网络情境中的社会化学习经验[5]。

可以看出，不同的研究者从不同侧面对三维虚拟学习环境进行了解释，但尚未见有完整的、规范的定义。我们认为，三维虚拟学习环境是能够提供三维仿真情境的、支持师生在特定教学模式中自己创建对象的、给予师生现实世界无法获得的体验、允许学习者间以多种形式互动的社会化网络学习环境。三维虚拟学习环境并不是三维环境与普通虚拟学习环境的简单叠加，它是一种拥有独特设计和全新功能的学习环境。

（二）三维虚拟学习环境的特点

1.身临其境的真实体验。在三维虚拟学习环境中生成的交互式人工世界，以三维空间向量形式表示各教学模型形体和位置相对关系，物体及其运动方式均接近或符合真实的情况，使置身于其中的学习者产生身临其境的感觉，学习者沉浸在虚拟的环境中，仿佛进入到现实世界一样。

2.灵活多样的交互方式。三维虚拟学习环境有两种类型的交互：一种是学习者与内容的交互，即学习者可以浏览、使用、控制信息并得到反饋；另一种是学习者与他人的社会性互动，是与作为信息发出者的人的交互。人际交互是由虚拟化身以文字、语音和肢体动作等形式实现的。肢体动作可以模仿人类实际交往情境，如握手、拥抱等，以实现类似“面对面”交流。

3.动手创造的学习体验。三维虚拟学习环境允许学习者白己创造物品。学习者可以在教学模式和教学内容的框架下，自己进行尝试、探索，逐渐达到教学目标的要求。

4.基于协作的社会学习。三维虚拟学习环境是一个社会化的学习环境，它提倡和鼓励学习者之间开展深层次的互动与交流。虚拟化身可以通过协作来共同完成一项任务、创设学习情境、组织学习和研讨。

二、三维虚拟学习环境对学习的支撑

三维虚拟学习环境提供了不同于传统学习环境的多种条件，对学习者的学习可以起到不同的支撑作用。

（一）情境的创设有利于学生完成意义建构

建构主义认为，适当的学习情境能够帮助学生完成对新知识的理解、促进知识的迁移。借助三维虚拟学习环境所提供虚拟人物、虚拟场景、虚拟事件等功能，可以精心设计接近真实的情境，为学习者提供情境学习的环境，促使学习者顺利地完成意义建构。

（二）良好的交互有利于缩小师生间的距离

在网络学习状态下，由于师生分离的原因，师生之间存在跨越心理空间和物理空间的交互影响距离（工ransac工ional Dis工ance），加强师生交互可有效地缩短这个距离。三维虚拟学习环境所提供的全新虚拟环境和交互方式，可以模拟教师和学生的多种行为，从而大大增进师生交互，有效地缩短交互影响距离[6]。

（三）虚拟的体验有利于相关技能的掌握

传统教学系统中，学习者的动作与技能的培养一直是难题，因为动作技能需要在相关操作的体验中习得，而操作环境和指导教师总是受到限制[7]。三维虚拟学习环境具有很强的仿真功能，可以模拟大量的技能训练环境，学习者在这样的虚拟环境进行技能训练可以获得接近于真实环境的体会与感受。

（四）创新的氛围有利于创造性思维的培养

三维虚拟学习环境鼓励创新，充分保护创造者的权益。借助自己设计、创作的制品，学习者可以获得关注甚至经济效益。在这种机制的指导下，学生在三维虚拟学习环境中学习时，会有更多发挥想象的空间，其创造性将被极大地激发。此外，三维虚拟学习环境提供了3D建模工具和脚本语言，为学习者创造性思维的培养创设了条件，协同建立学习环境的可能性大大增加。

三、三维虚拟学习环境的技术背景

（-）Web 2.0

Web2.0是相对Webl.0（2003年以前的互联网模式）的新一代互联网应用的统称，是将原来自上而下的由少数资源控制者集中主导的互联网体系转变为白下而上的由广大用户集体智慧主导的互联网体系[8]。三维虚拟学习环境能看到Weh2.0的影子，因为它强调去中心化、开放、集体智能和分享。

（_）Web3D

Web3D是在互联网上实现三维图形技术的总称，被视为Web技术与3D技术相结合的产物，实际上也是基于单机的3D图形技术向互联网的扩展。Web3D所包含的技术各有所长，但是在网络环境下一个共同的目标是更高效的三维计算能力、更优化的实时渲染引擎和更快的传输速度，这为三维虚拟学习环境的开发奠定了技术基础[9]。 （三）云计算 云计算（Cloud Compu工ing）是一种按需调用的虚拟化资源池，它将计算任务分布在资源池上，使各种应用系统能根据需要获得各种软件服务、计算能力和存储空间。云计算技术的应用普及，可以为三维虚拟学习环境提供更加灵活、高效的实时运算和三维建模等服务。

（四）移动互联

移动互联，就是将移动通信和互联网二者结合起来，个人智能终端或电脑可以借助移动通讯系统访问互联网。随着终端设备智能化和处理能力的提高，在便携式设备就能完成多媒体传输和3D图形实时渲染，为三维虚拟学习的移动化提供了便利。

四、三维虚拟学习环境的基础理论

（一）社交媒体理论

近年来，社交网络与社交媒体迅速发展并快速普及，已经成为人际交往的重要工具和手段。它们在教育领域中的应用正在引起教学模式和学习方式的变革，其理念与技术对三维虚拟学习环境的构建提供了理论基础。

1.社交网络、社交媒体与社交网站

社交网络（Social Ne工work），亦称社会化网络，社会学家将其定义为由个体组成的团体或组织，他们通过一定的关系相互依赖和联系，通常他们拥有共同的兴趣、信念、目标、职业、政治观念、知识背景和地理位置[9]。社交网络中的个体被称为节点，各节点间构成一定的依赖性，一般称这种依赖的关系为链接。社交网络是由多种链接关系构成的一种社会结构[10]。社交媒体是实现社交网络的工具和载体，是支撑不同层次社交网络显性化的多种业务服务平台的具体展现。社交媒体的本质是将作为物理媒介的互联网变成个人媒体的互联网。万维网的发展催生了组合多种社交媒体来支撑社交网络人际关系组建和群体交流的网络化服务系统——Social Networking Services（SNS）。在传播手段上，社交网站整合了包括博客、个人主页、电子邮件、即时通信、语音视频、文件共享、小组讨论等在内的多种形式；在结果上，则是将网民真实的人际社会关系和活动迁移到互联网上。

2.社交媒体对三维虚拟学习环境的支持

三维虚拟学习环境允许尽量多的学习者参与，是一种社会化的学习环境。社交媒体对三维虚拟学习环境中的教与学产生支撑作用。社交媒体作为传统教育媒体的补充，通过创造性的、接近真实的、弹性的和非线性的学习经历为丰富课程内容和学习过程提供了新的机遇[11]。不同的学习者对不同的社交媒体有不同的价值观和偏好。有些学习者更喜欢阅渎文本，有些学习者更喜欢声音交流。而教师的职责是控制和管理个体的学习使之能满足他们的学习需求；学习者的职责是在一定的社交媒体中构建各种关系，创建个性化的学习环境。

社交媒体对教与学的积极影响主要体现在：（l）有助于学习者社会化。经典社会化理论认为，社会化过程包括社会教化和个体内化[12]。社交网络属于大众传媒范畴，而且更具开放性，因此社交网络交往有助于对学生社会教化功能的实现。社交网络给学习者互动提供了多种选择，他们可以根据个人爱好、性格特点选择进行自由交往，个体在与同龄群体进行网络交往中，能动地完成了个体内化过程。（2）有助于增强自我认同。自我认同需要主体在社会交往中不断与他人互动形成白我意识。因此，交往有助于人们自我认同，在社交网络中，由于交往情境的真实化回归，社会属性的还原，网络成为了真实社会的延伸，人们在交往活动中呈现的是“白我”，更加符合了自己在现实生活中的身份形象。（3）有助于增强交往能力。学习者群体通常处于个人成长的关键时期，自我意识日渐成熟，渴望得到别人的尊重和认同，有强烈的自我展示和社会交往的愿望，社交网络满足了学习者这一特定需求。互联网的超时空性扩大了交往的深度和广度，社交媒体的运用有助于增强个体的交往能力。 （二）沉浸理论 1.沉浸理论概述 沉浸理论（Flow theory）也被翻譯为“心流理论”，是匈亚利裔美国心理学家Mihalv提出的：当人们因为聚精会神地投入到某种活动中而处于完全不受其它因素干扰的状态时，他们会表现出愉悦感，这种状态即为“沉浸”。沉浸状态是人的内在动机的最佳状态，在这种状态下人们完全专注于他们的工作[13]。该理论认为挑战（Challenge）与技能（Skill）是影响沉浸的主要因素，若挑战太高，使用者对环境会缺少控制能力，而产生焦虑或挫折感；反之，挑战太低，使用者会觉得无聊而失去兴趣。研究人员发现当挑战与技能必须控制在一定的程度，沉浸经验才有可能发生，两者均较低时，使用者的心态为无趣；两者均较高时，沉浸体验最可能发生。如下图所示，可以用八种组合来表示“挑战

2.沉浸理论与三维虚拟学习环境

我们认为，沉浸能给用户带来更好的体验，深入的体验义能促进沉浸的发生。在沉浸理论指导下，三维虚拟学习环境能使学习者完全沉浸在所学内容中，取得更高的学习效率。三维环境下的学习通常是围绕一定的课题或任务展开的，适宜于采用建构主义的教学模式，应为学习者创设贴近真实情境的问题，并提供丰富的实例以便让学习者始终处于沉浸状态。学习环境系统需要根据学习者的现有水平设计有挑战性的任务，并根据学习者的学习情况实时做出反馈与调整。其中，要解决的关键问题就是如何让学习者保持沉浸状态并最终完成学习。

在设计三维虚拟学习环境时，应尽量设法扩大学的“沉浸区域”：一方面，从极简单的任务到很复杂的解题都应覆盖。应该让不同类型的学习者在不断地挑战适当的难度的过程中达到沉浸。这些不同的沉浸性选项应该被学习者所感知，从而让学习者可以在学习开始时找到适合自己的学习体验并投入其中；另一方面，三维虚拟学习环境要让学习者带着情感进入学习，在活动中个体身份与角色的确定会让学习者形成强烈的责任感，在与他人的交流、协作甚至竞争中都会产生人与人之间交往的认同感，这都是沉浸学习发生的很重要条件。

三维虚拟学习环境中构建适应不同学习者的个性化沉浸，学习者不是像一张白纸一样进入情境，而是以他们自己的需要去学习的。不同学习者的学习风格、认知习惯、情感结构、已有的经历等不一样，从而生成自己对事物的情感感受、领悟和意义也不一样。由此可见，沉浸式学习的过程是因人而异的、个性化的，对同一个事物、不同的人获得不同的感受和经验。在学习中每个人的沉浸域也各不相同。因此，三维虚拟学习环境需要构建适合不同学习者的沉浸域。

（三）情境认知理论

1.情境认知理论概述

情境认知（Situated Cognition）认为，在语言学习中词语和句子不是孤立的，它们总是存在于一定的交际场合和说话情境之中。而所有的知识和语言一样都是人的活动和情境互动的产物[14]。情境认知理论是对信息加工理论的一种修正，它试图纠正仅仅依靠符号运算、规则描述、推理思考而忽视文化和物理背景的认知理论，它认为，学习不仅植根于某个特定的情境中，它还应该发生于复杂的社会情境中[15]。情境认知非常注重真实活动在学习中的意义，并认为，真实的活动可以简单地定义为文化的日常实践[16]。

2.情境认知与三维环境下体验式学习

情境认知理论强调社会情境对知识建构的帮助作用，而三维虚拟学习环境则可以从情境创设、社会关系等方面提供对应支持，从而为学习者提供体验式学习的体会。体验式学习的实质是让个体亲身融人到一定的情境，通过主动的思考、尝试展开学习。尽管体验式学习是20世纪80年代兴起的学习方法，它还是被应用到许多教学方法和活动中[17]。

真实的经验是很重要的，而由于身体和特定环境的限制，学习者不可能获得所有的真实经验。使用数字媒体模拟的经验与真实世界的经验类似，而且在构建被模拟的经验时具有非常大的灵活性。因此，学习者可以积极地参与到活动中去，接收逼真的、能感觉到的感官刺激。三维虚拟学习环境提供了独特的尝试，使个体能够跳出身体和先前经验的制约，在接近于现实世界的环境中体验各种状态的变化（如气候变化、景物变化等等）、获得相应的经验（如驾驶经验、社交经验等等）。此外，三维虚拟学习环境能增大人类身体的感知能力，例如，可以不借助任何工具飞行、同时将目光关注到不同的人、同一时间访问到不同的地点等。这些都为体验式学习的开展提供了条件。

（四）建构主义理论

1.情境是学习的必要前提

建构主义认为，学习任务和学习环境的“真实性”对学习起支持作用。所谓“真实性”是指认知要求的真实性，它并不是指把所有学生都送到实验室去做真的实验，而是要求在设计学习任务与环境时应提出与实际课题类似的认知要求，即要求认知活动是“真实的”。基于这一观点，设计能体现“真实”认知活动要求的学习情境将对知识的建构起帮助作用[18]。

建构主义分为内源性建构、外源性建构和辨证性建构。内源建构强调个体知识的内部建构过程，教师的角色应该是学生学习的推动者；外源建构主要发生在正式学习中，需要与学习者认知活动相结合，将有利于学习者形成完善的知识表示；辨证建构是内源性建构与外源性建构的折衷，该观点认为，一方面学习结果通过真实的经验取得，同时学习者需要教师提供各种通信方式和脚手架工具。

2.建构主义与三维虚拟学习环境

三维虚拟学习环境可以提供接近于真实世界的情境，可以帮助学习者创建为解决实际问题而营造的内部心理情境。三维虚拟学习环境对学习情境的模拟与建构主义的内源性解释是一致的，通过构建符合学习者认知特征的三维环境来帮助学习者发现知识，模拟接近真实的情境，其交互性使用户的输入可以看到即时的结果。

对建构主义的外源性解释强调通过外部直接的指引来帮助学习者形成他们自己的思维模式，通过活动使学习者能够白观测并能调整他们对知识的建构过程。在三维虚拟学习环境中，外源建构与内源建构的不同之处在于外源建构支持传统学习资源的设计，在学习活动顺序的选择上通常具有更大程度的可控性。

（五）社会建构主义理论

社会建构主义的教学观认为，学生是积极参与意义建构过程的主动学习者，知识是在个体与社会的互动、个人适应社会的过程中逐渐建构起来的。教学应从学生所处的真实生活环境中追寻问题情境，让学生感受到不足或与其已有的认知相互矛盾之处，以激发其学习动机；要根本变革教学模式，要从“独白”走向“对话”、从“个体式学习”走向“合作式学习”[19]。

三维虚拟学习环境支持学习者之间以化身的方式进行文字、语音、肢体语言等多种形式的沟通和交流，具有天然的社会性，是学习者实现社会化建构的良好平台。学习者可以通过：观察学习、模仿学习等方式来实现与社会学习群体之间的交流与合作；借助三维环境的化身功能，可以实现学习者态度和情感的变化与表达。

五、三维虚拟学习环境的应用

2006年，哈佛大学法学院教授Charles Nesson在三维虚拟环境中开设了一门名为CyberOne： Law inthe Court of Public Opinion的课[20]。此后，斯坦福大学、俄亥俄大学、南加州大学等高校紛纷进行了尝试建设自己的三维虚拟学习环境，实施虚拟图书馆、虚拟校园、虚拟课堂等项目。三维虚拟学习环境的应用主要有：虚拟实验、语言学习、情境创设等。

（一）虚拟实验

利用三维虚拟学习环境的仿真、模拟和参与等功能，可以构建虚拟实验环境[21]，让学生在这样的实验环境中反复探索、尝试，以弥补传统实验在设备套数、操作时间上的不足。Huber等借助虚拟现实环境研究了对不同汽车速度的判断和反应[22]。在国内，张淼等研究了三维虚拟环境下的初中力学虚拟实验的设计与实现，详细阐述了虚拟实验及环境的内涵、特点和构成要素，提出了三维环境下虚拟实验环境和虚拟实验活动的设计方案[23J；谭文武进一步研究了初中电学虚拟实验的实现方法，并以开源平台Aurora- si出为基础，开发了可实际运行的电学实验平台[24]。 （二）语言学习 最早尝试开展语言教学的多为语言培训机构，比如西班牙的Consultants-E公司的英语培训、德国歌德学院的免费德语课程。研究者从2007年开始尝试将三维虚拟环境运用到中文教学中。如，美国密西根州立大学孔子学院在三维虚拟环境中建立了虚拟学院，开设中文课程；澳大利亚蒙纳士大学中国研究系自2008年以来在三维虚拟学习环境中进行中文辅助教学；中国烟台大学、西南大学与美国佐治亚州立大学等学校多次联合开展了利用三维虚拟环境进行英语学习的实验，证明三维虚拟环境对中国学生的英语学习具有明显的积极影响[25]。

（三）情境创设

刘革平研究了基于SecondLife的情境学习系统，提出应从“情境创设、安排活动、实施学习、支持学习”等方面设计情境学习系统[26]；谢涛等对三维学习环境做了较系统的研究，探索了在SecondLife中实现基于问题的情境化学习环境的构建过程[27]；李学孺研究了基于SecondLife的体验式学习环境构建，实现了以虚拟图书馆为环境的体验式学习[28]。

六、结语

随着硬件技术的飞速进步，终端的显示技术发展迅猛，这为需要在显示设备上进行快速渲染的三维虚拟学习环境的推广奠定了设备基础。可以預见，具备良好情境性和沉浸性的三维虚拟学习环境将很快为学习者所广泛接受，成为一种重要的学习工具。对三维虚拟学习环境的研究尚处于起步阶段，其基础理论、构建原则和应用模式还需要深入地进行研究。当前可能的研究方向有：

（1）3DVLE学习分析。在三维虚拟学习环境中对学习者的学习行为进行分析，深入了解学习过程、交互模式、信息处理和解释学习绩效提供首选、可信的方法。利用系统运行日志可以发现系统错误、资源请求和处理是否合理；利用用户使用日志可以挖掘学习者的使用习惯、偏好、关联规则和时态规则等，从而为学习者提供个性化服务和信息推荐。

（2）3D教育叙事。三维虚拟环境用于场景还原、现象仿真，容易获得时间和空间信息，因此可以作为叙事媒体。与其他叙事媒体相比，三维虚拟学习环境叙事所传达的对象本身也是故事中的一员，主动地完成故事特定的小插曲，角色从观察者转变为演员。

（3）基于能力的虚拟空间白适应性。基于能力的知识空间理论在认知心理学领域受到很大关注。我们认为在三维虚拟学习环境中环境所提供的信息应具有伸缩性，程度应该与用户知识结构相适配。关键问题在于如何白适应地获得学生知识状态的评估，并且环境如何能自动调整知识呈现逻辑，这依赖于特定的课程设计和应用模式。

（4）动画Agen工的智能化及其应用。智能Agen工的深度应用将成为三维虚拟学习环境不可缺少的元素，它的作用在于为虚拟用户提供路径指引、答疑、制定事件计划并提醒，可以增强系统的人性化、缩短交互距离。参考文献：

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作者简介：

刘革平：教授，信息中心主任，研究方向为网络与远程教育（liugp@swu edu.cn）。

谢涛：在读博士，研究方向为eLearning学习环境、t-Leating技术（247103210@qq.com）。

A Review on three Dimensional Virtual Learning Environruent

Liu Geping'， Xie ta02

（l.lnformation Center， Southwest University， Chongqing 400715；2.the School of Electronic and Information Engineering， Xi'an Jiaotong University， Xi'an Shanxi 710049） Abstract： 3D Virtual Learning Environment（3DVLE） which is characterized by situation. flow and participation can arouse learners' motivation greatly. It is becoming an important learning environment. Based on lots of research results. this article has defined the term of 3DVLE and discussed its features and supporting for learning. In addition. the technology background of 3DVLE has been summarized. the basis theories have been expounded， such as Social media theory， Flow theory and Situated Cognition theory.Subsequently， the applications of 3DVLE have been described. the work ends with proposing some possible research directions.Kevwords： 3D Virtual Learning Environment （3DVLE）； Social media theory； Flow theoW； Situated ognition theory

收稿日期 ： 2015年6月8日

责任编辑：宋灵青