虚拟和现实结合的学习

张渝江

引子

如果你非常羡慕钢铁侠的头盔给主角带来的丰富的视觉信息，那么微软在今年最新发布的全息眼镜则逐步将这一梦幻体验变成了现实。戴上全息眼镜，你可以为空旷的房间增加各种物件，如装饰画、电视机等。更惊奇的是，你还可以与这些虚拟出的物体进行交互，比如你可以真的通过虚拟的电视屏幕观看节目。置身于全息眼镜创建的3D世界，你可以轻松调试机械装置或观察到人体结构的内部，甚至可以到达火星的表面进行探索。如果将这一切运用于教育教学一定会极大地激发学生的学习兴趣，因此全息眼镜的出现让教育工作者对未来的教育场景充满了期待。

虚拟世界的学习场景

虚拟世界是一种极具沉浸感和高度扩展性的三维环境。用户以自己的替身（虚拟世界中的个人形象）身临其境，或步行，或飞翔，还可以完成更多复杂的动作，并与其他人互动交流等。美国军方早在二十年前就设计出虚拟世界利用其模拟战争场面来训练士兵，如驾驶飞行器、跳伞等。这种沉浸式的模拟环境极大地降低了初级训练的危险性，减少了设备和弹药成本，而训练成效却得到了大幅提升。后来，英国的伯明翰大学则用相应技术来设计虚拟病房，以此来培训护士和医疗应急人员，避免了缺乏经验的初级人员参与抢救而导致医疗事故的发生。

在虚拟世界中，受训人员面临的环境与现实世界一样真实，他们可以展现自己的各种技能而不会产生紧张的心理，同时还可以随时变化场景使受训者能够针对各种复杂情况做出应变且从容面对。

威斯康星大学麦迪逊分校Constance Steinkuehler教授的一项公开发表在Journal of Science Education and Technology的研究表明，虚拟世界的教育培训能够增强学习者的批判性思考技能和集体思维能力。也就是说在面临全新状况和高压力环境时，虚拟环境可以让学习者避免焦虑的心理和其他情感因素的干扰，阅读场景的能力得到明显提高，甚至会产生出新的技能，这些正是缘于批判性思考技能和集体思维能力的增强。电影《安德的游戏》讲述了通过虚拟环境训练的年轻人完成了久经沙场的将军们无法完成的战争任务。这也从另一个角度诠释了这个研究结论。

最早专门用于教育的虚拟世界要追述到2003年发布的“第二人生”（Second Life）。这个三维世界给现实的教育工作者和学习者提供了一个全新的环境。它与真实世界的学校一成不变、反复循环的环境和行为不同的是，孩子们可以在不断变化的虚拟环境中学习、玩耍、创造，并且永远不会关闭。很多大学都在“第二人生”世界中开设课程进行教学，而模拟出的与教学内容匹配的场景让学生的学习变得更加生动有趣。

随着3D视频游戏的流行，一些教育工作者不断地尝试把商业游戏应用到课程中。基于游戏的学习也成为未来教育发展的重要方向。“我的世界”（Minecraft）被誉为目前最好的用于学习的虚拟世界之一，也是一款青少年喜爱的游戏。游戏中，每个玩家在“我的世界”设计的三维空间中自由地创造、破坏直至生存下去，玩家的相关能力在玩耍中得到快速地提升。

2007年《地平线报告》提出中期技术趋势论述了虚拟世界对教育的作用。虚拟世界能创建出非常有效的学习空间。它作为广义的学习环境适用于任何学科，并为这些学科的学习和研究创建各种条件，包括已有的物件和材料，以及现实世界没有的工具，大可以是宇宙空间，小可以深入到纳米世界。置身于社会化的虚拟世界中，学习者通过扮演不同的角色来完成现实世界的挑战，并承担相应的后果。这让虚拟世界有了更真实的学习意义。

基于虚拟世界的学习应用更真实的案例是虚拟实验室和语言学习环境。这是2013年《地平线报告》基础教育版远期技术趋势所论述的。虚拟实验室中，学生可以模拟开展真实实验室的操作，它能让学生在使用真实物理设备前，“安全”地开展实验并不断熟练。无论学生身处何处，通常都可以获得全天候使用虚拟实验室的机会，并可反复开展同一实验。一些新近开发的虚拟实验平台还可以为学生提供包含实验结果的报告模板，学生和教师可以很容易地检查结果。目前，基于iPad的3D虚拟实验室已成为孩子们喜爱的热门学习应用，而且以虚拟替身形象参与语言学习和交流也成为现实生活中羞于开口的学习者们的最爱。

增强现实的教育机会

增强现实（Augmented Reality）是虚拟世界的升级版，它把真实的环境和虚拟的物体实时叠加到了同一个画面或空间，被誉为现实和虚拟结合的典范。这种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，其原理是把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息（视觉、声音、味道、触觉等信息），通过计算机等科学技术模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

例如，你眼前是一座现实世界中的古代遗迹，当你戴上具有增强现实功能的眼镜后，立即在眼前呈现出这座遗迹在古代的恢宏场景和发掘时的场景。就像电影《银河护卫队》开始时，星爵扫描外星遗迹时出现以前文明生活的场景的镜头。那么，这会为教育带来怎样的变化呢？

2005年、2006年、2010年和2011年《地平线报告》高等教育版中，都提出增强现实将成为重要的教育应用，并逐渐变为现实。增强现实在真实世界的基础上叠加了丰富的信息层，包括真实的信息，如位置、距离、温度等；同时，还有虚拟的信息，如过去面貌、内部机构等状态，这些信息都与真实的世界相关。过去教育场景中，这些信息被教师掌握并传递给学生，现在却让学生能快速获得，并且可以再生成和创建。这样的现实颠覆了传统以传递知识为主的教学，教师的作用发生了巨大变化。例如，面对一架真实的飞机或飞机的图片，学生通过增强现实穿戴设备可以获取到飞机的型号、生产厂家、用途等信息，进而学生还可以观察到虚拟出的飞机飞行时的场景、发动机运转时的状态，甚至发动机内部构造等。教师则省去了传递这些基本信息的时间，转而帮助学生理解更深刻的原理和解答学生的疑问。进而学生可以对增强现实提供的信息层用自己的发现和理解来进行反馈补充，甚至对飞机内部的缺陷进行修改等。

虚拟现实的真实体验

虚拟现实（Virtual Reality）是利用视觉、听觉以及其他感觉输入（如触觉和触觉反馈，甚至嗅觉和味觉等）综合构建的一种沉浸式计算机环境。虚拟现实可以模拟出完全虚幻的想象世界，也可以是现实世界（博物馆、历史地点）的数字化复制品。虚拟现实的目的是让用户对虚拟世界有更真实的体验。如果配上3D头戴设备和触觉手套等，完全覆盖了视觉、听觉和触觉，阻断用户与真实世界的接触，人们便会进入如《黑客帝国》电影中呈现的训练的场景，或者如《明日世界》中的那个独特徽章营造的未来可触摸的世界。

2015年，知名教育媒体Educause上业界熟悉的专栏“你应知道七件事情”发表了虚拟现实头戴设备将成为构建下一代学习环境的重要工具的论述。目前，虚拟现实被广泛应用于医疗、工程、科学、考古以及未知领域的探险。2016年被预测为虚拟现实元年，相关民用产品将普及。随着成本的降低，结合虚拟现实的可穿戴设备教育应用也将进入到普通学校。Google Cardboard就是这样一件产品，纸盒和配件，再加上安卓智能手机及相关应用，这一切就能组合成廉价的虚拟现实眼镜。2015年9月谷歌宣布将在美国六个州的学校开展试点，学生戴上Google Cardboard结合地图和街景就可以进行虚拟的实地考察。“遨游全球、飞上火星、潜入珊瑚礁或回到过去，即通过虚拟现实的探险来帮助学习理解抽象概念，让学生更深入地理解课堂之外的世界。”

虚拟和现实的争议

不管是增强现实（AR）还是虚拟现实（VR），相对于传统的教学而言新技术带来了更丰富的场景、更多的信息呈现、更深入的沉浸感、更人性化的互动接口。现在这些技术已经逐步进入到高等教育，更多针对基础教育的应用也正在被开发出来。学生面对的不再是单一的学习材料和单向传递的信息，打开书本全世界就在眼前不再是想象，而是真实可及。

当前AR和VR技术更多地通过类似于头盔/眼镜等头戴式设备来实现。为此一些神经科学家提出了相应的疑虑：他们认为长期的近距离3D投射会给青少年带来神经功能暂时或持久的变化，进而导致某些神经功能缺损。同时，其他一些研究者也提出了另外的担心，如虚拟世界对现实世界的隔离，这与人类感知外部世界的方式有冲突，或者说在纯虚拟环境中获得的某些技能未必能顺利迁移到真实的世界中。

在实际应用中，也出现了增强现实和虚拟现实两种技术之间的混淆和争论。增强现实强调在真实场景中信息层的叠加，而虚拟现实则强调利用相关数据的运算形成可交互的人造场景。二者都有虚拟的内容，也都与现实相关，只是侧重不同。由于有教学理念和学科范畴的区分，这种不同也带来了一些争论。对不能真实参与的教学场景而言，虚拟现实的用处更大，而对于能真实参与的教学场景，增强现实则带来更丰富的信息。

维基百科上的描述可能帮助我们更清楚地认识到这一点，“1994年保罗·米尔格拉姆（Paul Milgram）和岸野文郎（Fumio Kishino）提出了现实-虚拟连续统（Milgram’s Reality-Virtuality Continuum）。他们将真实环境和虚拟环境分别作为连续统一的两端，位于它们中间的被称为混合实境（Mixed Reality）”。其中靠近真实环境的是增强现实，靠近虚拟环境的则是虚拟现实。

现实和虚拟的结合正成为教育研究者的主题。2015年，卡内基梅隆大学研究人员Nesra Yannier博士等公开发布的研究文章Learning from Mixed-Reality Games： Is Shaking a Tablet as Effective as Physical Observation？中指出，结合虚拟和现实场景的学习成效是传统方式的五倍。近几年的《地平线报告》基础教育版都在倡导基于实景的学习，而当一些实景学生无法真实接触到时，通过虚拟世界就可以弥补这一不足。

显然，“混合实境”才是未来学习发展的方向。