基于认知弹性理论的矿山救援虚拟现实培训系统设计

刘鹏 曾栋

关键词：认知弹性理论;虚拟现实;矿山救援培训系统;设计

1 认知弹性理论概述

认知弹性理论（Cognitive Flexibility Theory）是Rand J. Spiro等学者在20 世纪90 年代初针对结构不良的知识的学习和迁移开展有效教学所提出的一种教育学理论[1]。认知弹性理论期望学习者在认知学习的过程中能够以多种方式同时对知识进行自动重构，从而获取对变化的情境做出适宜反应的灵活变通的能力。认知弹性理论综合了客观主义以及建构主义学习理论的长处，一方面，将学习环境因素纳入影响知识迁移效果的影响因素中，从而强调学习者在学习过程中的主动性和建构性;另一方面，也重视学习过程中的一般概念的重要性和领域知识的系统性，认为教学过程应具有客观性和规律性[2]。

根据知识变化的多样性和应用的复杂性，Rand J. Spiro 等学者在教学中将知识划分为结构良好领域的知识（如佩戴呼吸器、记忆呼吸器的性能指标等）和结构不良领域的知识（如根据救援现场环境、设备使用情况等对呼吸器的正确使用做出判断），结构不良领域的知识一般难以建立概念知识与情境应用的直接关系，需要多种知识综合运用来解决实际问题，因此其解决方案、方法和标准往往具有不同的选择。结构不良领域的知识需要进行高级学习，在掌握基本概念的同时能感悟知识的复杂性，以在多变的复杂现实环境中灵活运用知识。Rand J. Spiro 等学者认为高级学习过程中知识应当以多个事实的形式进行呈现，以便考虑结构不良领域的知识，因此提出随机通达教学（Random AccessInstruction）的方法，要求在教学过程中结构不良领域的知识应当在不同的情境下进行重新安排，展示知识间的多重关系以及知识与情境的依赖关系，形成情境表征[2]。

在此基础上，Rand J. Spiro 等学者提出认知弹性超文本（Cognitive Flexibility Hypertexts）工具来实现高级学习，结构不良领域的知识通过词条、图片等多媒体的形式呈现，以网络构架的方式组织知识网络，通过点击知识词条中的超文本关键词进行跳转，非线性特征的超文本能够实现从多角度学习概念并建构知识表征，从而改善对复杂知识的掌握。一方面，在认知弹性超文本中，所呈现结构不良领域的知识既包括了教学要求中本身要求的教学内容，也包括了与教学内容相关的背景知识、拓展知识等相关内容，多方位的知识学习提高了结构不良领域的知识学习;另一方面，认知弹性超文本所构建的知识网络可以通过点击关键词定向跳转，不易掌握的结构不良领域的知识及其相关知识在跳转中的曝光能够更加契合不同学习者的学习状态，提高学习效果（如图1）。

2 矿山救援虚拟现实培训系统概述

矿山救援虚拟现实培训系统是虚拟现实（Virtual Reality）技术在矿山应急救援培训中的运用成果 [3]，通过运用虚拟现实技术，使被培训者可以直观地、身临其境地“沉浸”在所创建的虚拟环境中，依靠感知和认知能力全方位地获取矿山救援培训知识和信息，充分发挥主观能动性在系统中开展漫游式体验学习，与其中的虚拟事物发生直接自然的交互作用，培训系统可以根据被培训者的操作在虚拟场景中产生逼真的反馈[4]。

矿山常见灾害包括火灾、水灾、瓦斯泄漏和冒顶等，造成重大人员伤亡和经济损失（如图2）。矿山救援虚拟现实培训系统主要模拟各类矿山灾害，按照救护队应急預案的流程，设置相应的三维场景、事件，并仿真救援的动态过程，模拟救援过程中的事故出处理与反馈结果[5]。目前，矿山救援虚拟现实培训系统设计流程采用了系统设计思路，一般先开展培训需求分析，分析培训内容与培训方式;再开展系统总体设计，划分具体培训模块和功能;最终依据开发文档开展系统开发工作，测试系统有效性[6]。

当前矿山救援虚拟现实培训系统的学习视角，主要包括第一人称视角学习和第三人称视角学习两大类：在第一人称视角类矿山救援虚拟现实培训系统中，被培训者通常通过佩戴虚拟现实眼镜和手柄交互的方式来实现对场景的观看和控制，而第三人称视角类型的虚拟现实培训系统则可以通过多种方式呈现，包括桌面屏幕[6]、CAVE 系统[7]、虚拟现实眼镜等，被培训者通过第三人称视角可以更加灵活地观察环境，因此这类培训系统更加广泛地用于多角色矿山救援虚拟现实培训系统中。基于不同的培训视角，矿山救援虚拟现实培训系统所采用的交互方法也有所不同，需要设计开发人员依据不同视角的特点设计适合的交互和培训方式。

目前，矿山救援虚拟现实培训系统成果包括矿井突水应急救援仿真、矿山冒顶事故救援模拟、井下火灾事故模拟和三维矿井仿真与人员逃生可视化等方面，从相关文献的研究看取得了一定的成效，提高了培训的效果[7]。但是，现有矿山救援虚拟现实培训系统的设计方法由于缺少相关的设计方法研究，多是利用计算机图形学或产品设计方法等来开展系统架构设计，需求分析与设计转化不明确。因此，现有矿山救援虚拟现实培训系统多数只是关注于某种事故的类型及其线性发生过程的模拟，被培训者往往只能按照固定的流程与特定的操作反应开展学习，从而导致被培训者的学习效果不佳。同时，由于缺少相应的设计标准或规范，培训系统在设计时将矿山救援知识的全部文字材料学习、视频资料学习等多项培训模块均纳入设计范围。这导致了所设计的培训系统与现有课堂式教学、多媒体教学等存在大量内容重复的情况，增加了系统设计与开发的工作量。

3 基于认知弹性理论的矿山救援虚拟现实培训系统设计的意义

在理论方面，认知弹性理论作为教育学理论，已经在课堂教育中取得了广泛的应用，取得了良好的成效。虚拟现实技术作为一种优秀计算机图形仿真技术，为矿山救援虚拟现实培训这类虚拟课堂的实现提供了可行的技术支撑。然而，当前少见有认知弹性理论相关研究应用于虚拟课堂的设计中。因此，基于认知弹性理论探讨矿山应急救援虚拟现实培训系统的设计可以拓展认知弹性理论在包含矿山虚拟现实培训在内的安全培训领域的应用，有效提高虚拟安全培训课堂的培训效果。同时，由于在矿山救援虚拟现实培训系统方面开展的设计与研究尚不充足，将认知弹性理论与矿山虚拟现实培训系统设计相结合，讨论矿山虚拟现实培训系统的设计方法，可以为矿山救援虚拟现实培训系统设计的实践提供新的设计思路。

在应用方面，矿山救援虚拟现实培训系统作为一种现代化虚拟课堂，其教学手段与培训方式与课堂教育、MOOC 学习等传统课堂有所不同，其更加具有场景学习的真实感和主动学习的沉浸感。使用认知弹性理论对当前矿山救援虚拟现实培训系统进行设计指导，改善传统矿山救援虚拟现实培训系统的固化教学方法，能够提高矿山应急救援培训的效果。同时，基于认知弹性理论进行应急救援虚拟现实培训系统的新设计，能够为矿山应急救援培训提供新的、有效的培训工具，提高矿山救护队员开展矿山安全救援培训的学习效率及在复杂救援环境下的随机应变的能力，进而提高矿山救护队员开展应急救援时的生存率和成功率。

4 认知弹性理论视角下矿山救援虚拟现实培训系统设计原则

4.1 专业性原则

培训内容筛选应具有专业性。由于结构不良领域知识具有概念复杂性和情境可变性，因此在设计时应当灵活提取认知结构和相关经验，帮助被培训者掌握相关知识的复杂关系，进而运用到具体情境中。对于结构不良领域的知识应当开展筛选，组织专业人士评估在虚拟现实系统中实现的可能性，对其在虚拟现实场景中的表征方式进行有效规划，根据培训目标进行培训内容、方法等模块的设计，在培训过程中保证知识的完整性和关联性，从而促进知识的多样化运用。例如，设计人员通过组织专家评价，采用李克特量表设计矿山救援知识筛选问卷，邀请矿山应急救援培训专家开展评估，依据测量情况筛选在虚拟现实培训系统中的培训知识。

4.2 简洁性原则

培训系统开发应具有简洁性。虚拟现实培训系统并非理论学习、实训演习等传统矿山救援培训方式的完全替代，而是利用虚拟现实技术模拟真实灾难场景开展模拟训练，是对传统培训方式进行重要补充。培训系统应当易于管理和维护，根据作业环境及其系统的变化不断完善更新，满足用户需求，以便系统的普及和推广。例如，设立虚拟现实开发需求问卷，邀请矿山应急救援培训专家与虚拟现实设计人员开展评估，依据所筛选的结构不良领域知识的最佳培训方式进行评估以获取核心开发需求。

4.3 灵活性原则

培训方式设计应具有灵活性。灵活可变的培训系统契合认知弹性理论的高级学习模式，提高被培训者解决问题的能力。在开展系统设计时，应注意设置具有多样性的教学环境，以适应不同被培训者的个体差异性和多变性，所设计的培训系统可以按照培训实际要求从任意环节进入，按照任意顺序进行，画面应具有实时性和流畅性，被培训者可以从各个场景方位中进行自由浏览，以保证查看信息的完整性。例如，在针对培训场景设计时，将场景设计为灵活可变的场景，场景的模型位置、照明环境、气体成分等可以在一定范围内变化重组，使被培训者每次进入的环境都与上次培训不同，在此基础上，通过遗传算法等方式提高环境对被培训者的适应度，提高被培训者在不适应环境中的培训概率，提高培训效果。

4.4 真实性原则

培训场景渲染应具有真实性。认知弹性理论要求在教学过程中尽可能布置真实复杂的学习环境，以提高培训效果。因此针对矿山救援虚拟现实培训系统中的模拟灾难场景进行设计时，系统内的人员、器械、现场环境等要素渲染应当具有真实感，以帮助被培训者快速进入实际状态，在虚拟环境中开展交互式学习，从而提高培训效果和培训质量。例如，建模时尽可能还原模型细节，模型导出时应提高导出模型的精细度，在渲染现场环境、模型等时应采用模型细节添加与实拍贴图等方式，使得渲染的环境最大程度还原现实矿山灾难环境，让被培训者在使用相关模型开展救灾模拟训练时更有沉浸感。

5 基于认知弹性理论的矿山救援虚拟现实培训系统设计流程

依據认知弹性理论教学内容、教学方法和教学工具的相关关系，结合目前矿山救援虚拟现实培训产品设计特点和流程，根据总体设计思路，基于认知弹性理论的矿山救援虚拟现实培训系统设计流程如下：

5.1 矿山救援知识研究

应用认知弹性理论，首先需要筛选结构不良领域知识，通过调查《矿山救援规程》等相关矿山救援培训材料，组织矿山救援专家归纳在矿山救援中的高级知识，结合访谈法、问卷法等筛选出适合在虚拟现实场景中训练的内容并进行需求分析和分级，依此进行模型准备与场景构建。

5.2 培训机制设计与评估

随机通达教学策略要求被培训者能够在高级学习中对结构不良领域的知识进行情景变换学习，据此提出培训策略与方法。针对总结出的训练方式，提出符合随机通达教学策略的虚拟现实培训机制。由于培训机制的有效性尚待验证，因此采用原型测试的方法开发评估原型，与传统的培训方法进行对比分析培训后被培训者的知识留存情况，以此评估培训机制的有效性。

5.3 模块设计与细节完善

认知弹性理论中的认知弹性超文本工具是随机通达教学方法的有效技术呈现，用户使用该工具可实现有效高级学习。结合矿山救援虚拟现实培训开发环境，对系统相关的功能模块进行细化。同时结合相应视角的虚拟现实培训系统要求，明确系统相关硬件模块与软硬件模块。对提出的培训原型进行进一步包装完善，通过草图设计、低保真构建、高保真验证等设计方法建立虚拟现实培训系统的模块组成框架，完善人、物、环境和界面等细节设计。

5.4 系统开发

在设计完成后依据设计文档开展系统开发工作。使用3ds Max、Blender 等三维建模软件建立培训系统所需虚拟场景模型和相关动画，使用Unity、Unreal 等虚拟现实开发引擎实现各个系统模块，撰写系统开发程序，开发系统中预先制定的相关功能，完成系统开发工作。在系统开发的过程中逐步验证相关功能，并在确保使用并进行细节完善后，发布所开发的虚拟现实培训系统。

5.5 可用性和用户体验分析

开展可用性和用户体验分析可获取用户在操作时的原有印象和主观感受，以帮助设计人员进一步完善系统。因此组织被培训者开展可用性评估，通过对比使用前后的成绩、认知弹性变化情况和可用性价值感受（SUS），获取培训系统可用性，并围绕临场感、愉悦度等指标开展调查问卷，获取培训系统用户体验情况与系统改进意见，进一步完善系统。

6 结语

文章基于认知弹性理论对矿山救援虚拟现实培训系统设计进行研究，将认知弹性理论中结构不良领域知识、通过随机通达教学、使用认知弹性超文本工具的系统教学方法引入到矿山救援培训虚拟现实培训系统设计中，据此提出的设计原则和流程能够帮助设计人员有计划地开展救援虚拟现实培训系统设计。未来将根据所提出的设计原则和流程进一步丰富相应的设计方法，从而为开展矿山救援培训虚拟现实培训系统设计实践提供一定的参考借鉴。