基于虚拟现实技术的智慧学习环境模型建构与应用

2021-05-23徐凤婷曹卫真

中国教育技术装备 2021年7期

徐凤婷曹卫真

摘要虚拟现实技术融入智慧学习环境，可为学习者提供沉浸式、个性化、智能化的学习体验，成为近年来研究的热点话题。在分析虚拟现实技术融入智慧学习环境的理论依据、实践依据、技术支持以及主要原则的基础上，以虚拟现实技术为主导，融入智慧学习环境要素，构建融合学、教、管、评、创的LTMEC-VR智慧学习环境模型。该模型具备交互性、体验性、沉浸性、启发性和智能性，支持学生的“学”与“创”，促进教师的“教”与“评”，便于管理者智能化地“管”，以期为虚拟现实、人工智能、大数据等智能技术融入智慧学习环境，更好地支持教与学助力。

关键词虚拟现实;智慧学习环境;情境学习;人工智能;教育信息化

中图分类号：G434 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）07-0012-05

1 问题的提出

近年来，虚拟现实技术发展迅猛，以其具有强交互、高仿真、深体验等特性而逐渐受到教育界的广泛关注。教育部办公厅2018年2月印发的《2018年教育信息化和网络安全工作要点》和2019年3月印发的《2019年教育信息化和网络安全工作要点》中都明确提出要推动大数据、虚拟现实、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用。2019年11月，教育部发布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》中明确鼓励利用虚拟现实等技术手段呈现因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验[1]。

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是以交互式计算机技术为核心，创建与真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化虚拟环境，用户借助于专业设备与该虚拟环境中的对象进行交互，可产生身临其境、跨越时空的感受及体验的科学技术[2]。然而，应用VR技术进行教与学的实践仍在艰难探索中，国内关于虚拟现实学习环境的相关教学研究和应用还处于探索阶段，VR技术不能满足个性化、智能化学习的问题也日渐凸显。

随着5G、人工智能、大数据、云计算、物联网等新兴技术的应用与普及，学习环境作为支撑教与学的重要学习场所，越发趋于智慧化，从而衍生出智慧学习环境。智慧学习环境是一种能感知学习情境、识别学习者特征和提供适当的学习资源及便利互动工具、自动记录学习过程及评测学习成果，以促进学习者有效学习的活动空间[3]。智慧学习环境能够支持学生自主学习的构建，并提供及时的学习指导，是数字化学习环境的一种高级形式，能够很好地弥补VR技术不能提供个性化、智能化学习的不足，但其无法提供生动逼真的真实体验，信息冗余而学习者注意力难以集中导致的认知负荷超量问题，也成为近年来研究者关注的问题。5G、大数据、人工智能等技术为促进VR与智能技术的融合发展提供了新机遇。VR技术与人工智能技术相结合，促进了教学媒体向学习环境的转变，学习环境从物理环境延伸至虚拟空间，催生出个性化、智慧化的学习资源与环境。笔者结合虚拟现实技术和智慧学习环境的要素，尝试构建基于虚拟现实技术的智慧学习环境模型，以期为VR技术更好地服务于教育教学助力。

2 VR技术融入智慧学习环境的依据与原则

基于VR技术的智慧学习环境是指以VR技术为主导，通过物联网、人工智能、大数据分析等新兴技术的融入与支持，为教师和学生提供教与学的智能化服务，有效促进学生学习的智能化、个性化、集成化的数字虚拟学习环境。

VR技术融入智慧学习环境的主要依据

1）理论依据。具身认知理论、建构主义理论、情境认知理论是VR技术融入智慧学习环境的主要理论依据。具身认知理论认为体验是知识获取中不可缺少的途径，环境/情境是保证认知不可缺少的条件[4]。理想的学习环境应该包括情境、交流、协作和意义建构四个部分，而学生的认知活动是一个多元动态且与学习环境主动建构的过程。以VR和人工智能等新技术开展具身学习及个性化学习等教与学的活动，成为教育信息化2.0时代教育发展的新要求[5]。情境认知理论强调个体与真实情境的互动，认为情境是学生的思维认知与行动的基础[6]。基于VR技术的智慧学习环境中所创设的接近真实情境的场景，能够促进学生在学习过程中不断反思与交流互动，提供给教师更多的过程性帮助，帮助教师开展真实评价。建构主义理论主张世界是客觀存在的，但是对于事物的理解却是由个人所决定，重视个体与环境之间的交互作用所产生的新知识的意义建构，强调情境在促进学生进行意义建构中的重要作用，学习总是与一定的社会文化背景（即情境）相联系的，学生在实际情境中学习，利用原有的认知结构对新知识进行同化与顺应，从而实现有意义学习。基于VR技术的智慧学习环境中的学习情境是复杂的，不仅包含学习环境的设计，还需提供个性化的学习资源服务。

2）实践依据。近年来，VR技术与智慧学习环境在教育教学中的实践研究取得一定的成果。VR技术在教育中的应用使学生进入现实课堂无法实现的更接近教学内容的虚拟场景，帮助学生对所学知识进行意义建构和对已有知识的重组，从而加深对具体情境和特殊内容的真实感知，促进对知识的深刻理解。信息技术与教育教学的深入融合催生出智慧教育，智慧学习环境为实现智慧教育发挥了不可替代的作用。智慧学习环境结合物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术为教育教学的变革助力，提供高效化、强交互、智能化等方面的教学与管理支持服务。VR融入智慧学习环境实现学习环境从单一走向多元、从封闭走向开放，打造更加个性化、公平化、智慧化的学习场所。

3）技术支持。VR、5G、人工智能、物联网、大数据分析等技术是主要的技术支撑。运用VR技术实现物理空间和虚拟空间的延伸和扩展，为学生提供身临其境的强交互、深体验和高沉浸的智慧学习环境。5G作为数字蜂窝网络，强调以用户为中心，其峰值速率与超大网络容量能够有效满足VR的大数据量传输与物联网通信顺畅。人工智能技术的发展使VR技术更加智能化，不仅可以模拟和还原现实世界中的某些情况，并构建智能的虚拟现实模拟教学环境，而且可以大大增强虚拟世界的效果和用户的互动体验，不断为学生提供支持和指导，更自然地反馈用户行为，帮助学生克服困难并大大提高学习效率[7]。通过物联网将智慧学习环境中的智能传感器、智能环控设备等进行连接，实现对环境的温度高低、光线强弱、空气调换、开关声控等智能化调控。智能交互设备为教师和学生提供多通道的展示效果，为开展灵活多样的教与学提供便利。在人工智能技术的支持下，学生的差异可以得到充分尊重，并且支持学生根据自己的实际情况定制学科、课程或知识点，以满足他们的个性化需求[8]。借助大数据分析技术，面部表情特征分析有利于掌握学生的实时情况，迅速作出决策，从而为学生提供适当的学习材料和指导，并满足学生的动态学习需求。随着人工智能、大数据技术的融入与支持，学习环境向更加智能化、数据化以及适应性的智慧学习环境方向发展[9]，实现了实体环境与虚拟学习空间的整合，教学将更加身临其境、互动化、智慧化。

VR技术融入智慧学习环境的主要原则基于VR技术的智慧学习环境建设主要包括个性化学习、情境化学习、智能化学习这三方面的原则。根据学生的个体差异进行个性化的教与学是智慧学习环境必不可少的重要原则。随着智能技术在学习环境中的应用与普及，为实现个性化教与学的教育愿景带来更多的可能。通过身体器官感知与学习环境的交互，促使学生开展具身体验、合作交流以及情境交互等活动。借助于智能技术预测学生的状态，促进学生将身体融入课堂学习，提高学习效率。随着学习方式日趋多样化，学习场景日趋多元化，情境化学习成为学习环境设计的重要考虑因素之一。通过创设相应的知识情境，学生在情境学习过程中生成经验，提高解决问题的能力。这里的情境不仅仅代表真实情境，也包括虚拟情境、抽象化情境等。情境化学习强调人与环境的互动，通过丰富的情境，激发学生的学习兴趣与积极性，多感官参与来感知知识。与传统的学习环境相比，智慧学习环境的构建更注重为学生提供智能化的学习支持服务，包括物理环境、资源推送、数据分析、科学评价等方面。智能化学习的实现最终落地到每位学生的自适应学习与个性化学习中，建设基于VR技术的智慧学习环境能够在实体设施、教与学资源、管理与评价等方面提供更多的支持。

3 LTMEC-VR智慧学习环境模型建构

智能时代的快速发展对个性化、情境化、智能化等学习方式的需求度逐渐提高，构建基于VR技术的智慧学习环境的重要性日渐凸显。在分析VR技术融入智慧学习环境的依据与原则的基础上，本文以VR技术为主导，融入智慧学习环境的要素，构建融合学（Learn）、教（Teach）、管（Manage）、评（Evaluate）、创（Create）的LTMEC-VR智慧学习环境模型，如图1所示。在该模型中，学习环境能够实现物理环境与虚拟环境相融合，支持学生个性化的学与创，促进教师的教与评，便于管理者智能化地管，提供给学生自适应和个性化的学习资源服务，支持正式与非正式学习。基于VR技术的智慧学习环境有着交互性、体验性、沉浸性、启发性与智能性等特征。

交互性 VR技术使用多种传感器与多维智能的环境发生交互作用，当学生移动时，整个虚拟视景也随之移动，这是区别于其他技术媒体的一大特性。不仅仅是虚拟视景作用于人，人也可以对虚拟环境进行控制并交互，实现各种有效而生动的反馈，由学生主动地根据视景进行实时交互。教师从VR教育云平台的虚拟资源库中调取相应资源，为学生提供视、听、触觉等多维反馈，激发学生积极与虚拟环境进行交互。基于VR技术的智慧学习环境支持多元交互工具，便于生生、师生互动交流，搭建逼真的学习情境帮助学生与虚拟客体进行交互，促进学生深层次认知建构。

体验性有别于课本知识的一维形式、视频知识的二维形式，虚拟现实技术支持的知识形式是三维立体的[10]。学生在虚拟环境中的学习行为以体验为主，以第一视角进行体验，克服外界干扰，促进学习的整体感知。通过虚拟的三维动态视景，学生能够在虚拟学习环境中获得全方位、更逼真的“真实”体验。学生拥有身临其境的浸入式体验，对环境所承载的知识或信息进行顺应、同化和迁移，从而进行有意义建构，促进学习的发生。

沉浸性虚拟学习技术支持的学习环境强调学生的沉浸式学习状态，通过VR设备构建虚拟的、个体的学习环境，使学生在该环境中进行个体化的学习和感知[11]。学生全身心投入虚拟学习环境中，强调学生的主体作用，通过多感官感知，不仅是视觉的感知沉浸，更是听觉、触觉、力觉甚至嗅觉的身体与运动感知沉浸，是更深层次的心灵沉浸，突破以往常规的键盘和鼠标发生作用，为学生营造智能的学习环境。VR技术实现多感官参与，打破时空局限，使学生完全沉浸于虚拟的学习情境。

启发性 VR技术支持的智慧学习环境可以模拟真实世界，跨越时空障碍，呈现过去与现在、远方与近处的虚拟视景，学生能在体验、沉浸、交互的基础上进行启发性学习。在基于VR技术的智慧学习环境中，学生可以实时与同伴、教师分享感受或疑问，通过分析差异进行头脑风暴，批判性地掌握结构化知识，实现情境与抽象概念的有机结合。虚拟世界所提供的空间让学生从定性和定量综合集成的智能环境中得到深层次的感知和理性认识，深化概念理解与掌握，萌发更多创造性的想法，从而培养想象力和创造力。

智能性借助于人工智能、大数据、学习分析等智能技术的支持，基于VR技术的智慧学习环境为学生提供物理环境智能调控和智能化学习支持，能动态識别学生个性学习特征（包括学习风格、学习偏好、学习需求等）和认知情况（包括认知基础与认知水平）;根据数据分析技术动态提供个性化推荐，支持教师与学生灵活互动、多元评价等。VR技术的引入可以为学生提供真实世界所不具备的学习机会，而智能技术的融入使学生的学习不受时空局限，为培养学生思维和创造力提供更高效的支持[12]。

4 LTMEC-VR智慧学习环境模型的应用

在5G、物联网、人工智能、大数据等智能技术的支持下，基于VR技术的智慧学习环境能够为教师、学生、管理者提供新的应用模式，如图2所示。运用VR技术实现物理空间和虚拟空间的延伸和扩展，为学生提供身历其境的强交互、深体验和高沉浸的智慧学习环境。5G技术的高带宽、低延时、大容量特性为获取VR教育云平台的教育教学资源提供支持。物联网融入智慧学习环境，可实现物物互联、人人互联、人物互联，为教师和学生提供多通道的展示效果，为开展灵活多样的教育教学提供便利。VR教育云平台与智能移动终端为教与学提供资源服务，对学生应用VR进行体验、交互、协作和评价及教师教学全过程的数据进行同步与存储，便于教师和学生课后进行反思、评价，为管理者对学习环境的实时境况进行智能分析与调整提供支持。

对于学生（学—创）学生在课前明确学习目标，基于VR教育云平台上的学习资源进行课前预习、自主探究，将新知识与原有的认知结合进行整合，提出问题并带到课上去解决。VR技术在课堂教学中提供了情境交互、虚拟体验以及情感共识等支持，帮助学生在虚拟学习环境中构建新的知识体系。例如，学生通过VR提供的虚拟角色、实验过程、操作演练等体验，真正地身临其境，促进意义建构和知识迁移。在虚拟学习情境中，学生通过体验、观察、动手操作、自我反思、协作分享、多元评价等方式获得具体经验，从而完成学习目标[13]。学生在情境交互和虚拟体验过程中随时随地和教师、同伴分享感受和疑问，并得到即时回应，提高学习效率。在这种沉浸式、体验式的学习过程中，学生对学习内容进行批判性思考、吸收，掌握复杂的概念与情境结合的非结构化的知识或技能，并将这种知识或技能用于新的情境使学习效果发生迁移或质变，实现触类旁通的学习效果[14]。借助虚拟技术，可以扩展和加强学生的认知，在保持内部结构不变的基础上，扩大微观世界中肉眼无法观察到的材料，使学生清楚地看到和理解其结构的特征。虚拟技术以其动态、多维、全面地模拟现实世界的优势，增强了学生的直观感觉，使他们获得学科世界无法体验的感觉。

基于VR技术的智慧学习环境提倡在“在体验中学”“在体验中创”。通过创设逼真的虚拟情境、沉浸式的体验、多重感官的刺激、动态交互式的学习环境，有效激发学生轻松、愉快的积极情绪，培养学生的高阶思维。在VR技术支持下的智慧学习环境中，教师借助VR教育游戏，在游戏中设计结构化与非结构化的问题，融入寓教于乐的教学理念，激发学生思考、分析、协作、探究并解决问题，在这一过程中促进学生高阶思维的形成，有利于学生在解决问题时逐步提高创新创造能力。

对于教师（教—评） VR教育云平台为教师课前准备提供了丰富的教学资源与智能平台。教师在课前需要准备教学设计，充分把握教学内容，运用智能平台对学生进行学情诊断，了解学生已有的认知基础与水平，设计适当的教学资源，预测课堂情况及可能会出现的问题。教师在全面把握教学内容的情况下利用VR资源及其云平台，针对不同水平的学生设计个性化的教学准备，统筹整体的教学情况，为学生对新知识进行意义建构做好准备。在课堂授课阶段，教师为学生创设适当的虚拟学习情境，根据学生的体验情况，提供即时的跟踪指导与反馈。设置具有一定挑战性的学习任务，利用VR技术分配不同的角色，安排学生进行分组协作，让学生在虚拟情境中获得真实体验的同时也围绕教学目标和任务进行针对性的思考与学习。在这个虚拟的世界中，学生可以“进入”现实生活的“真实”情境，将学科知识与情境感知进行有效对接，在教师的指导下参加各种实践活动，并通过个人体验活动学习各种技能，提高实践能力[15]。

创设虚拟情境是为了帮助学生更好地认识现实世界，虚拟现实技术在这一过程中充当着学生认知的中介或工具。在学生自主探究体验和小组合作结束后，教师利用VR智能云平台对学习结果进行展示，引导学生进行头脑风暴。采用问卷调查、项目学习、试题测评等评价方式，以生生互评、师生互评等评价为主，基于学生在VR教育云平台中的学习时长、发帖数量与质量、小组协作的频次、测试分数与系统评估等评价内容，对学生的学习结果进行诊断，从而指导学生进行创新实践。基于VR技术的智慧学习环境可实现教学环境虚拟化、教学内容可视化、教学过程交互化、教学管理智能化、教学评价客观化、教学反思具体化，为教师提供科学智能的体验与服务，有效地节省备课、批改作业等教学管理时间，提高教学效率。

对于管理者（管）在5G、物联网、VR、人工智能、大数据分析等技术支持下，促进管理者的智能“管”，提供智能识别、匹配、推送、评价等服务，融入人工智能、大数据等技术，对学习环境中教与学全过程数据进行采集、处理、分析、管理、存储等，为教师与学生提供科学精准的诊断与反馈，有效提高教、学、管的质量与水平。管理者可以对基于VR技术的智慧学习环境进行智能管理，包括物理环境、虚拟空间、学生情况、学习资源与学习设备等方面，利用物联网识别技术为教师与对应的课室进行关联授权，实现智能管控教学设备[16];通过了解学生出勤情况、兴趣偏好、知识水平和交互方式等进行学习风格预测，整合学生的行为表现、认知动向进行统筹分析，刻画学生的学习肖像，从而为学生推送适当的学习资源，支持个性化的学习指导。管理者通过设备记录学生的学习全程，建立学习档案，同步学习中的体验结果、交互及测试情况、生生评价、师生评价等数据，便于课后、期中或期末系统科学地进行分析与评估，为教师、学生、家长提供可参考的学习效果诊断，有效地提高管理效率与水平。VR教育云平台与智能移动终端为教与学提供资源服务，对学生VR体验、交互、协作和评价及教师教学全过程的数据进行同步与存储，便于教师和学生课后进行反思、评价，为管理者对学习环境的实时境况进行智能分析与调整提供支持。

5 结语

学习环境集资源、技术和服务为一体，是实现教与学的基础保障。本研究结合虚拟现实技术和智慧学习环境的要素，构建集学（learn）、教（Teach）、管（Manage）、评（Evaluate）、创（Create）的LTMEC-VR智慧学习环境模型。由于资源、设备及场地的限制，关于该模型的应用效果还有待深入探索，如何在实践中逐步完善是后续研究进一步探究的问题。VR作为一种新兴技术，在教育教学中的应用方兴未艾，如何将VR技术应用于教育教学还存在一定的挑战。未来，VR与人工智能、大数据分析等技术的深度融合，构建智能化的虚拟学习环境，满足教与学的需求，将是教育信息化和智慧教育的重要发展方向。■

参考文献

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