基于虚拟现实技术下深度学习环境的构建研究

高伟 王昱霖 宋笑迎

摘  要： 基于虚拟现实技术创设下的虚拟情景能够促进学习者的深度学习。在满足促进学习者在真实情景下临场沉浸探究、交互协作下形成个性化具身经验、深度转化下持续意义评价的原则下。构建出虚拟现实技术下深度学习环境的应用模式，以期促进新兴技术下深度学习环境的双向融合创新。

关键词： 虚拟现实技术;深度学习;交互沉浸;深度移情

中图分类号： G434    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.009

本文著录格式：高伟，王昱霖，宋笑迎，等. 基于虚拟现实技术下深度学习环境的构建研究[J]. 软件，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

深度学习是指学习者以高阶思维的发展和实际问题的解决为目标，以整合的知识为内容，批判性地学习新的知识和思想，并将它们融入原有的认知结构中，且能将已有的知识迁移到新的情境中的一种学习[1]，该类研究从2005年起始，于2011年更多地进入人们视野，研究者多将精力投入在深度学习与学习者关系的理论研究，倾向于从教育学视角切入研究，较少有从技术视角对深度学习的环境构建。而虚拟现实（VR）技术在2016年焕发青春后经历了寒冬，鲜有将深度学习与虚拟现实技术并行研究的文章。目前中学生课堂学习环境多采用多媒体技术教学，学习者被动地接受知识，交互性弱，沉浸感低，无法达到高质量的学习效果。因此当下的学习环境显然无法指引学生走向学科深处，使其领悟学科之精髓。鉴于此，随着以学习者为中心的深度学习的迫切需求以及VR技术的逐渐成熟推动了两者的融合——基于虚拟现实技术的深度学习环境。本文借助相关理论基础，在实践中将两者有机结合以促进新兴技术下深度学习环境的双向融合创新。

1  VR技术在教学中的应用及困境

VR技术不仅将扁平的虚拟画面提升到三维立体的虚拟世界，亦将沉寂单一的教室课堂转化为交互沉浸的虚拟课堂，使学习者在虚拟场景环境中实时感知和操控虚拟角色，获得身临其境之感，这种基于虚拟现实技术的教育被称为V-Learning。根据2018年中国虚拟现实市场现状调研与发展前景预测分析报告显示，教育排在虚拟现实热点行业的第三位[2]，随着教育现代化进程的不断推进，VR技术在教育领域占据的份额将会越来越多。各大科技企业也借助VR技术的特点与优势，虚拟化实践教学环境、自由化实践教学时空，进一步激发学习动机和实践兴趣以实现情境化教学。为此，国外的Immersive VR Education公司设计出以虚拟课堂形式教学的APP-Leture VR;谷歌则创造性地提出将远程教育与网上VR课堂相结合[3]。其中国内的北京培新小学创设了由三星Geal VR智能眼镜硬件和VR云课件所打造的“IES沉浸式课堂”，开创了国内真正应用于教学的VR课堂的先河;随后北京汇文中学通过校企合作的方式，建设了“虚拟现实探究实验室”，该实验室涉及众多学科的几百个课件和上千个3D模型，呈现出有效协作学习的新局面。

当前企业与学校愈发重视教学方式与技术的革新固然是好事，然而在实践过程中除了面临着头盔技术难题、感知效果有限、开发技术门槛高、缺乏使用标准等硬性问题，还包括VR教学与传统教学方式相冲突、虚拟环境下的网络秩序管理、VR技术教学资源开发投入、学习者在虚拟与现实间的身份界定等隐性问题[4]。因此单纯地应用VR技术教学较难保证学习者健康、高效的学习，需要在VR技术的支持下寻求构建更加适合学习者的深度学习环境才是长久之计。

2  深度学习的内涵与优势

深度学习（Deep learning）最早是以浅层学习相对应的概念，由美国学者FerenceMarton 和Roger Saljo于1976年提出[5]。Beattie与Collins认为，深度学习方式促使學习者为了理解而学习，主要表现为对学习内容和先前知识经验的联结，强调批判性理解[6]。黎加厚认为，深度学习是指在理解基础上，学习者够批判性地学习新概念和新思想，并将它们融入原有的认知结构中，能够在众多思想间进行联系，并能够将已有的知识迁移到新的情境中，做出决策和解决问题的学习[7]。深度学习改变了当前在教学中低层次思维目标的机械学习现状，旨在有意义学习的基础上，以情境迁移为条件、批判性思维为导向促进学习者的高阶思维发展。复旦大学张学新教授提出的“对分课堂”教学模式实现了深度学习能力维度的整合[8]。在深度学习需要拥有连接真实世界的、面向问题解决的学习任务的前提下，就需要设计一个学习环境以支持深度学习的发生，由此恰好可以通过VR技术能够实现以假乱真的真实世界创设。

3  基于VR技术的深度学习环境的构建策略

3.1  真实情景下的临场沉浸探究

情境主义理论作为行为主义与认知主义的交叉，认为学习应当根植于情境之中，学习活动在学习者与情境的交互中进行。其中情境学习强调真实情境对学习者在学习过程中的重要性，以及学生与环境的交互和实践[9]。结合建构主义的观点来看，有意义的知识建构在真实情境的学习环境中才能发生。陈鹤琴曾说过，大自然，大社会是一本无字的书。然而在如今现代化的社会，城市绿地的减少，学生走进大自然的机会越来越少，因此创设虚拟场景的工作又被推上了日程，而VR技术能够创设出具有“临场感”的学习情境。

利用3DsMax建模和可视化技术，实现真实情景的虚拟化、教学时空的自由化，以三维的呈现方式进一步激发学习者学习动机，创设出的情境依存性记忆环境既有助于学习者的编码记忆又能达到沉浸探究的目的。真实情景的创设不仅意味着还原现实世界，还意味着创设之境源于生活，具有真实意义，在促进沉浸探究的同时，学习者回到现实之中后又不会有太大的反差感。其中黑晶科技VR超级教室就致力于模拟真实学习环境，高沉浸、交互式学习，以改善情感学习环境（心理因素、人际交互性因素）与物理学习环境（课堂的色、光、温、声音，教师形象、教室场景建设等）。而Shih和Yang设计出主机版虚拟现实英语学习系统VEC3D，学习者通过操控虚拟角色来进行真实情境下的英语口语练习。

在真实情景创设好的前提下，学习者如何在情景中操控成为首要问题。起源于马斯洛高峰体验的沉浸理论认为，个体产生沉浸体验时会达到内在动机的最高层次并获得一系列积极体验。体验者沉浸在极度的快乐幸福中，摆脱了压抑，怀疑，紧张和恐惧。同时他们的自我意识也突然消失，不再感知到主题与对象的距离，自觉与客观世界融为一体。而能够产生如此的沉浸体验需要九大前提：清晰的目标、对任务的集中、通过挑战能够习得的技能、意识与行动的融合、即时的反馈、控制、自我意识的暂时消失、对时间变化的意识和变为自觉行为的体验[10]。而利用VR技术特有的3I特性（构想性、交互性、沉浸感）能够达到深层沉浸之感。不同于桌面式VR的操控方式，若要达到沉浸探究，需要学习者从头显中观察虚拟环境并通过手柄或手势感应进行交互控制。使学习者放手去做，提升其自主探究意识。

3.2  交互协作下的个性化具身经验

在深度学习环境中，如果一味强调学习者与环境之间的交互，那么就丧失了深度学习的初衷。问题解决是深度学习的重要标志，学习者在陌生的虚拟环境中不仅要训练其独自批判性地解决问题的能力，更重要的是与其他学习者之间的交互协作以增进学习者的反思与评价，以及通过教师与学习者的互动进而达到记忆与思维的培养。学习者被置于积极的问题解决者的角度，直接面对反应真实世界情景的劣构问题。这就需要在线式学习环境的支持，以及在虚拟环境中设计个性化交互任务与游戏活动。

体验式学习倡导通过实践来认识事物本质，使学习者交插互入学习过程中，使学习者真正成为课堂的主角。教师更重要的作用是利用视、听、感的教学媒体为学生做好体验开始前的准备工作，让学习者主动投入学习过程，增加其参与感，有利于直接经验向抽象概念的转化。根据学习目标的不同可以分为认知体验式学习、情感体验式学习和行为体验式学习，而无论何种体验式学习目标，其核心均是要建立一种仿真化的学习环境[11]，学生在逼近真实的环境下才会在交互协作下逐渐形成个性化具身经验。

通过真实情境中学习者的沉浸探究与交互协作，形成了自身个性化的具身认知，此时学习者身体、认知与环境构成动态的统一体。高沉浸的环境能促进学习者的临场感，临场感的形成主要来源于学习者在环境中的认知。根据Donghee Shin的研究，学习者的具身认知由移情程度有关[12]，这也与深度学习以新情境中的迁移为导向、以解决复杂问题和创新为目标的高层次的学习方式相契合，若要达到深度移情，需要受到学习者性格特征以及参与度的双路径影响。（如图1）因此需要教师多角度、多维度。全方位地了解每一位学习者特征，通过提升参与度的方式满足深度移情之效果。

3.3  深度转化下的持续意义评价

学习者在深度学习环境下根据交互探究下形成的具身经验进行深度迁移，转化为对知识的抽象概念，并将其融入原有的认知结构中。然而在深度转化下，最终目的是要求学习者达到深度移情，训练学习者在深度学习环境的学习下，脱离该环境后能够将知识批判性运用到其他环境中，这就需要深度转化下的持续意义评价。根据深度学习效果的评价分为的两个阶段，第一阶段即为新知理解，只有深度理解才是深度学习，其首要前提为抽象概念的转化。当学习者完成了抽象概念的转化后，进入了第二阶段的内部关联迁移与外部拓展迁移，学习者在新知识所隶属的知识结构内部进行高阶思维加工，形成更加综合缜密的思维方式，再脱离其结构远迁移到真实生活中[13]。虽然VR技术可以提供身临其境的感觉，但它永远不会取代能够对学习者实时有效的评价的教师。现如今在虚拟环境中对学习者进行个性化的有效评价机制还不成熟，因此仍然需要以教师为主导，借以大数据等前沿技术来实时追踪学习者动态，引领学习者完成持续的量化考核与评价的收尾工作。

4  基于VR技术的深度学习环境的应用模式

本文对各理论的深入挖掘以及实践中的摸索，总结出基于VR技术的深度学习环境应用模式。其中深度学习环境为该理论框架的构建目标与核心要素，由VR技术的各个分支技术作为支撑，以学习者为主体，并将学习活动贯穿于学习环境中，如图2所示。

4.1  學生端手机VR+教师端主机VR的环境创设

相较于传统教学总是把设定好的问题角度抛给学习者，致使学习者片面地思考问题，无法培养学生的批判性、创造性思维。基于此原因，VR技术的深度学习环境的创设由学生端手机VR一体机、教师端在线主机VR+大屏组成。在投入成本有限的情况下，有效保证了学习者观察问题与实践的第一视角。其中360 VR作为学生端手机VR的子设备，为学习者提供了一种模拟的试听教材，学生可以360地查看周围的虚拟环境[14]。360 VR设备的架设使得学习者能够在全景图片与全景视频中享受第一人称的观看体验，发掘自适应视角。学习者人手一台手机VR一体机，用于观看全景视频与图片，同时手机中配有课前准备好的教学课件与开源的3D模型供学习者创作与修改。

考虑到应用到教学当中的设备成本，为每位学习者提供一台主机VR是不现实的，为此该应用模式仅为教师端提供主机VR，并通过投影机投射教师在头盔中看到的图像，教师俨然变为一名虚拟导游的角色。学生在台下可以使用手机进行在线弹幕互动，而弹幕也会投射到大屏幕中，既解决了教师头戴头盔无法观察学生学习状况的情况，同时又增加了学习的趣味性与交互感，有效地解决了教学效益边际化问题。

4.2  临场沉浸+交互协作式学习活动

学习活动的设计分为学习者端以及教师端。学习者通过佩戴手机VR设备在课前预习阶段以及课上自我探索阶段，以第一人称的角度在虚拟环境中学习之前准备好的课件或教育游戏。学习者不会像一张白纸一样进入虚拟环境中学习，沉浸前因是沉浸的先决条件，因此学习者端活动的设计需要尊重学习者的先前经验，并且任务的走势也需要视学习者的学习情况而进行变通。同时为了保证学习者个性化学习，允许学习者对自身的课件进行修改与添加，并根据学习者的答题效果来对下一步的学习内容进行有效推荐，以此保证学习内容的持续性与延展性。基于360 VR所创设的情景，学习者可以自由地在线与虚拟环境中的NPC或其他学习者所操控的虚拟角色交互协作完成任务。

研究发现，在VR条件下长时间沉浸在仿真情境会预知学习活动的发生与发展，大脑会处于相对抑制的状态。因此本文在为学习者配备手机VR设备的基础上，为教师配备了主机VR+大屏，以配合传统教学与VR教学有效对接。其中课前导入阶段需要教师借助主机VR与大屏幕，创设出能够使学生沉浸的物理学习环境，在交互协作阶段，除了在学生端的生生交互、生境交互，教师端还创设了师生交互的情感学习环境条件，支撑起以完成共同的学习任务为载体，以促进成员全面成长为目的的，以相互作用式的学习观作指导，通过人际沟通、交流而相互影响促进的学习共同体[15]。

4.3  深度移情+个性评价体系

根据美国国家研究委员会对深度学习能力划分的三个维度：认知领域、人际领域和个人领域。认知领域中要求学习者理解学科知识，并能顺利迁移到其他情景中，能够利用技术与（思维）工具发现并解决问题;人际领域强调团队协作与有效沟通能力;个人领域引导学生能够监控、指导自身学习，形成积极学习态度[16]。作为深度学习环境下的主体要素，学习者需要与学习环境、学习任务之间进行动态的交换，主要经历三大转变过程。首先，由学习者的具身经验转向对学习活动的深度移情;接着，根据原有的认知结构形成对新知识的抽象概念促使对概念的意义建构;最后，教师在收集学习者反馈与建议的前提下引导学习者进行交互的个性化评价，畅谈感受，做到教师与学习者同步调地深度反思。

5  结语

深度学习环境离不开学习者的沉浸与批判性思考，而虚拟现实技术则是深度学习环境构建的支架与情景创设的必要条件，而创设的环境与学习活动的质量又会影响学习者的深度学习效果。要想将该框架付诸实际，需要研究者深入把握虚拟现实技术的特点与深度学习的内涵，夯实教师的理论功底与VR软件操作能力，同时政府与校方应当加给予政策上的支持与硬件设施上的投入，以便对该框架进一步的实践探究，探索出更加丰富有效、符合中国国情的深度学习策略与应用模式。

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