远程虚拟教学空间：“超镜”的日本教育实践与应用辻

众所周知，教学环境是教育中极其重要的一环，广义上来说教学环境包括了影响教育活动的全部条件，而其中的教室布置、教具、教学辅助软硬件设备等则是辅助教学活动顺利开展必不可少的要素。由于信息技术的飞速发展，投影仪、教学辅助系统、计算机、无线网络、机器人等各类软硬件设备已经广泛应用于教学环境中，尤其是面对教育国际化、开放化、多样化的发展趋势，如在线教育和远程教育中大量采用信息技术设备开展辅助教学，教学环境已经发生了巨大的变化，原有的基于电视会议系统和窄带网络的教学环境已经转变为以超高速宽带网、无线网络、高清视频传输系统等为标准的新一代数字教学环境。在此背景下，以“超镜”视频传输系统为基础的远程虚拟教学空间自上世纪90年代末研发开始，开展了多次教育实践与应用研究，作为在远程教育中采用真人等比大小和实施视频信号翻转技术的典范，配合新技术的应用和教育效果的提升，系统也进行过多次更新换代，本文将从“超镜”系统的原理和发展历程对其进行详细的分析与总结。

“超镜”远程虚拟教学空间

“超镜”一词源于“HyperMirror”，意指模擬镜面视觉，使得观看该视频的双方或多方如同看镜子一样，都在一个虚拟空间中，实现了WISIWYS（What I see is what you see）和WYSIWIS（What You see is what I see）。若采用传统的远程视频模式，双方都仅能看到两个不同视频窗口，一个显示自己，一个显示对方，这种不在一个空间的视觉会影响双方的认知判断，容易产生认知分歧（Cognitive Gap），如用手指对方的鼻子，如果是镜面视觉，手指所指点之处，便是对方鼻子所在方位，而传统视频处于两个不同的视频窗口，对方很难理解手指方位。具体来说，如上页图1所示，场景1中，人物A观看人物B正面脸部时，可以感受到对方注意力在自己身上;场景2中，当看到B的侧脸时，就会觉得对方并未看着自己，而是在看别的地方;场景3中，若对面有B和C同时存在，A就会觉得B可能在注意C，觉得对方在一个空间内，而自己却被排除在外;场景4中，当A看到B与C之间互相交流、点头、交换意见等情况时，会完全相信B的视线全部在C身上。根据这一原理，在场景5中，若能将C替换成A的镜面图像（即A与C为同一人物），则能使双方都觉得互相处在同一空间中，且对方的视线和注意力都在自己身上。因此，认知分歧1指的是当实际上A与C是同一人物，C只是A的远程视频图像，即便双方没有视线相对的感受，也能感觉到对方可能是在看自己（即远程传输对方的图像），但容易造成空间认知的不一致性，需要随时自我暗示，以强化共同认知。认知分歧2则指的是画面中C与A存在同一场景中，从而弱化了空间认知的不一致性。根据实验分析得到的数据显示，参与实验者对于认知分歧1的感受远比认知分歧2要强烈，且在场景1到场景4中对空间共同认知反应微弱。因此，“超镜”采用场景5的原理，将双方视频水平翻转后，使得双方均可看到处在同一空间的自我图像与对方图像，以此增强了对空间的共同认知。

“超镜”系统的主要特点在于采用滤镜合成视频图像、实时信号传输以及等比大小显示，以远程连接两点为例，如上页图2和上页图3所示，通过摄像机分别录制双方的场景，然后通过视频延迟设备、视频翻转及合成设备，将两者的视频重叠合成在一个画面中，通过显示器或投影仪等设备实时展示，由此双方可实时同步共享合成画面，等比大小的反转图像具有虚拟的共同空间体验感，可传递手势、姿态、表情等非语言类信息，有助于协调感官，比起头戴式全景VR、局部虚拟AR等虚拟场景更加真实，不会造成头晕、恶心、空间认知错觉等生理反应。同时随着数字技术的发展，系统进行了多次升级换代，由早期的模拟信号改为数字信号，之后逐步提高清晰度，成为高清HD影像，还支持实时背景叠加合成、高清视频、多点远程连接等功能。

教育实践及应用

大阪大学和日本独立行政法人产业技术综合研究所等单位开展合作研究与实践，利用“超镜”多次开展教育远程视频实践，尤其是在国际教育领域，实现了多个“首次”实践。如第67页表1所示，2001年是该系统第一次连接中日高校，也是中国高校首次采用国际远程视频课程，实现了清华大学与大阪大学之间的实时课程互动。随后日本与韩国、阿富汗、肯尼亚、蒙古、美国、泰国、新加坡等多个国家开展远程教育实践。尤其是2010年，首次采用卫星通信开展多点远程视频连线（如上页图4），成功实现了通过卫星通信传输高清影像的研究，验证了卫星通信的稳定性，并通过数据挖掘分析发现，多点对接中视频信号的延迟与参与者空间共同体验感的关联性，高清视频图像与实时合成画面能更为有效说明复杂的物理知识，提高学生学习积极性和参与度。

由于“超镜”的诸多特点，大阪大学、东京大学、东京工业大学等单位多次获得日本政府科研立项，以日本文部科学省和日本学术振兴会的科学研究费助成事业为例（如上页表2），应用“超镜”系统的科研立项从2002年至今已达13次，累计相关科研经费超过2亿日元，涉及信息技术、教育、文化交流、医疗等多个领域，获得多项专利，并以中日英等多国语言发表相关学术论文百余篇，极大推动了国际远程教育合作与信息系统的研发。

后记

“超镜”系统作为日本代表性的远程教育系统，不仅可以传输和合成视频与音频信号，还可以构成远程虚拟教学空间，能够极大提高教学环境的实时性和开放性，跨越地区和国家的限制，参与者无需穿戴任何辅助设备，即可体验到虚拟空间的交互性。日本、新加坡等国家采用该套系统共建国际课程，积极开展文化交流和教育实践活动，下一步该系统将配合360度全景影像环视系统开展远程高清视频实践，预计将会为今后的跨区域远程教育带来新的教学环境体验。

参考文献：

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本论文获得吉林省教育厅“十三五”社会科学研究规划项目重点课题“基于数据挖掘的卓越教师能力结构与培训研究”、吉林省重点科技攻关项目“基于大数据的互联网+长白文化数字博物馆工程”资助。