技术应用 | 虚拟现实技术教育应用的进展与挑战

技术应用 | 虚拟现实技术教育应用的进展与挑战

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虚拟现实技术教育应用进展


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虚拟现实技术支持学习环境创设

虚拟学习环境的创设通常有三种基本类型:

1、虚拟仿真环境设计

在虚拟仿真环境中,学生做他们在真实世界中无法做到的事,例如,可以触碰按钮从而改变虚拟森林环境四季的变化,观察环境按照生命线移动的各种变化,也可以学习操作真实环境中危险而不能触碰的大型机器。虚拟现实技术为师生创设了直观的学习环境,便于学生理解和应用知识,便于教师及时调整教学方法。教学计划、教学法都围绕模拟的环境进行设计。虚拟仿真环境适合教师教授程序性知识,使学生应用所学到的技能完成包含多个行为序列的学习任务。

2、建构主义活动设计

建构主义学习理论认为知识的建立和学习发生在已有知识经验的基础上,学习者在一定情境下利用必要的学习资料,通过意义建构的方式获得。学习活动的设计对于建构主义学习理论在教学中的应用至关重要。在虚拟学习环境中,通过学习活动的设计,学生利用工具按照自身经验和兴趣建构虚拟环境,或者在已有虚拟环境当中,通过探究建构知识。例如,“怪物卡车(monster truck)”学习项目中,学生为每个行星设计一个“怪物卡车”,然后驾驶这辆卡车到达星球表面。学生要取得成功,必须先学习了解这个星球的特征(如重力等)和车辆工程学知识。这种基于活动的方法非常有效,因为学生在其中创造性地学到很多知识。

3、学习体验设计

学习体验指用户借助虚拟现实技术进入虚拟学习环境中,对所学知识等产生相应的认识和情感。多用户虚拟学习环境(Multi-User Virtual Environ-ment,简称MUE)是当前教育游戏中较常用的虚拟现实环境。多用户虚拟学习环境运用虚拟现实和增强现实技术,创建的第一人称视角下的虚拟世界,可以为教师和学生提供教学环境。

“第二人生”(Second Life)是早期典型的基于Web3D技术的多用户虚拟环境。雅尔蒙(Jarmon,2009)等对利用“第二人生”多用户虚拟学习环境进行研究生间的跨学科交流学习研究表明,“第二人生”的学习环境使用基于项目的方法能够有效促进学科的发展和交流。研究同时表明,使用创造体验式教学设计,让学生有机会开展社会实践项目,能够正向增强他们的学习体验。

VRChat是当前国际上最流行的虚拟现实应用软件,它克服了Skype与Facetime等即时通讯软件所缺乏的沉浸感,为用户提供线上可视“房间”,用户通过头戴设备把自己映射到“房间”内,与“房间”内的其他用户进行互动。加拿大不列颠哥伦比亚大学利用VRChat开展远程与沉浸式教学,在一定程度实现了虚拟现实技术与教育的结合。

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虚拟现实技术支持技能实训

虚拟实训是利用网络技术、多媒体技术、仿真技术等基于虚拟实训系统的一种新的模拟实训方式。与真实环境下的实训室相比,虚拟实训系统具有改善教学环境、节约办学成本、规避安全风险、激发学生兴趣的优点。虚拟现实技术打破传统课堂中“教师讲课,学生听课”的教学思维,将学生变为主体,给予他们更多的机会探索学习,促进学生主观能动地学习。飞行模拟器训练是虚拟现实技术在职业技能实训中的应用。飞行员在“真实”的飞行环境中进行训练,视觉、听觉、触觉有“真实”的感受,有助于提高飞行技能。

除职业技能培训外,虚拟实验也是当下虚拟现实技术在教育中的应用热点。依据虚拟实验PDR层次模型,虚拟实验通常分三种类型,即模拟性试验、探究性实验、实证性实验。在模拟性试验中,学习者利用化学药品、天平、祛码等实验工具,操作类型多样的化学实验,近距离地观察燃烧、爆炸等化学现象;探究性实验更多的是用来展示物理、化学、生物等课程中特殊的事物,将难以描述的现象以更直观的方式呈现出来。实证性试验强调在实验者和被实验对象分离的情况下开展以解决真实问题为目标的虚拟实验。新加坡国立大学设计开发的基于网络的远程机器人操作系统是其典型代表,学习者可以通过操作该机器人进行试验,完成实验数据的记录。

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虚拟现实技术促进语言学习

技术促进学习(Technology Enhanced Learning,TEL)泛指用技术支持的一切学习活动。技术促进语言学习是技术促进学习在语言学习系统中的应用。相较于技术促进学习,技术促进语言学习更关注技术如何促进人类的语言学习,以及人如何利用技术开展语言学习。

一般的技术在促进语言学习方面存在以下问题:缺乏机会向学习者提供预览所要学习的技能;学生很难灵活地获取资源;无法灵活地改变已经预设好的物理情境以满足多样化的学习需求。虚拟现实技术可以为学习者提供所需的语言环境,在虚拟现实创设的游戏场景中学习语言。

籃玉如教授招募来自台北某小学的132名四至六年级学生,利用虚拟现实技术进行两个单元的英语教学。结果显示,学生在对话和语句方面的学习成效显著。韩国研究者李松俊      (Soojeong Lee,2013)依据量表将60名五年级小学生分为高害羞组和低害羞组。经过六周虚拟现实环境的口语练习,两组学生的“自我表述”成绩均提高,其中高害羞组的成绩提高得更显著。研究结果证明了虚拟现实环境提升了学生的表达能力,尤其是日常生活中容易害羞的学生。

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虚拟现实技术支持特殊儿童教育

自闭症儿童在心理和行为上有多方面的缺陷,其中社会方面的严重缺陷是其最重要的特征,这一缺陷成为教育工作者对自闭症学习者进行教育的阻碍。自闭症儿童社会交往障碍具体体现在社会交流、情感表达、自我认知等方面。有研究表明,使用虚拟现实技术对自闭症学习者进行教学干预,会取得一定的成效。

迪达巴尼(Didehbani,2016)发表了关于虚拟现实技术影响自闭症儿童社交技巧的研究。30个患有自闭症的7-16岁学习者在五周内完成了10次时长为1个小时的社会交流干预学习。研究者分别在前后测中测量自闭症儿童的情感识别、社会归因、注意力和执行功能。经过10次学习后,自闭症学习者在情感识别、社会归因、类比推理的执行功能方面取得显著进步。结果显示,虚拟现实平台是改善社会障碍的一种有效治疗选择。洛伦佐(Lorenzoetal.2016)为7-12岁的自闭症儿童设计一款沉浸式虚拟现实系统,该系统允许学生在结构化社交场合进行社交练习,并且通过计算机视觉系统自动确定孩子们的情绪状态。结果显示,利用虚拟现实系统学习的自闭症儿童情绪能力显著提高。

上述案例可以发现,虚拟现实技术在教育中的应用范围广泛,既适合于基础学科教学又能促进专业技能的学习,优势显著,效果良好。随着虚拟现实元年的到来,我们有理由相信虚拟现实技术的教育应用会有更广阔的前景。

虚拟现实技术促进学习的十大挑战

虚拟现实技术满足了多种教学理论及教学法的需要,因此在教育领域被寄予厚望。近年来的一些相关实验研究,也证实了虚拟现实技术在教学与学习中的积极作用。然而,虚拟现实的教育应用目前仍面临着众多的挑战,围绕着促进学习的核心要素,在产品技术层面、教学应用层面及学习者体验层面上均需要进一步发展和改良(见下表)。

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产品技术层面

1、控制设备成本与增强便携化

总体来说,目前虚拟现实相关设备的成本还比较高,尤其是借助于头盔的完全沉浸式的虚拟现实设备。高精度的输出设备,例如虚拟现实头盔的重量较大,也不便于长时间携带。随着越来越多虚拟现实产品的开发,这一技术的使用成本也在不断降低。不过,要想真正在教育实践中大规模地推广和应用这一技术,还需要开发更加便携、廉价的设备,并将虚拟现实设备与手机、Pad等现代通讯终端相连,从而应用于移动学习(MobileLearning)等领域。

2、改善环境拟真度

虚拟现实技术高度沉浸性的特点对其营造的学习环境拟真度提出了极高的要求。只有在场景设置和操作体验上均提升虚拟现实环境的拟真度,学生才会在一个近乎真实的学习环境中实现自然语义状态下的深层次理解。目前,一些用户在使用虚拟现实产品时仍可能会出现眩晕的情况,特别是较长时间的使用后,这主要是由于虚拟视觉刺激与用户自身的本体感觉刺激之间出现了不匹配。所以,虚拟现实产品的精度和反应速度需要进一步提高,尽量减少视觉刺激更新的延迟。此外,目前大多数虚拟现实系统仍然仅停留在对于视觉和听觉信息的提供上,只有呈现来自触觉、力觉、嗅觉等多个通道的反馈信息,学生才能够对学习对象不同方面属性产生临场感受,虚拟环境的综合拟真度才能得以提高。

3、提升交互体验

尽管交互性是虚拟现实技术的另一显著特点,然而,目前虚拟现实学习系统的交互体验仍有待提高。一方面在技术层面需进一步提升用户与系统之间的交互体验,允许用户以更自然的方式对虚拟环境及其中的物体进行操纵、控制。另一方面,目前在虚拟学习系统中,用于人与人之间社会沟通方面的工具还比较单一,主要以传统文本形式的言语信息为主。虽然在一些系统中,可以通过虚拟化身的肢体动作、面部表情等呈现非言语信息,但是这些沟通方式的有效性仍然不如真实环境下的社会互动。所以,虚拟现实技术除了提高人与设备及环境之间更为自然的交互外,还需要进一步拓展方便实时沟通的社交工具,为多用户之间的合作提供支持。

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教学应用层面

1、明确系统内容及教学策略

在教学应用中我们首先需要考虑的是,可以运用虚拟现实技术来教什么以及如何教的问题。虽然虚拟现实技术在许多学科领域的教学中都具有应用潜力,但只有明确了适用范畴和教学对象,弄清虚拟现实环境的呈现及建构原则,发展和设计出更丰富的、符合教学要求的虚拟现实系统内容,才能充分发挥这一技术的优势,实现学习效果的最优化。另一方面,运用虚拟现实技术进行教学,目前仍缺乏相对系统、成熟的方法论指导。传统纸质教材上的知识内容在虚拟现实环境下应该如何呈现,学生在虚拟现实环境中如何进行自主学习,教师如何在虚拟现实环境中对学生进行指导,这些都需要进一步探索虚拟环境下有效的教学内容及策略。

2、避免认知负荷超载

虚拟现实环境中存在的大量多渠道信息载体会在瞬间将多元信息传递给使用者,如设计不当,很容易引起认知负荷超载,影响学习效果。虚拟世界拥有的众多功能和丰富的模拟场景可能会分散学生的注意力,干扰学习者对目标学习内容的注意。多元的信息通道会增强学生的临场感,但也可能会造成信息传递的重复和冗余,耗费认知资源。虚拟现实学习环境的构建与其他用于游戏和娱乐的拟真环境不同,它的根本目的在于传递知识,让学生把有限的认知资源投入到与学习对象直接相关的活动中去。因此,虚拟现实学习环境的构建需要充分考虑认知负荷这个重要元素,其场景的设计、学习材料的呈现和组织方式都应该顺应学生的认知加工过程,避免学习中造成认知负荷超载,例如,设计时应充分考量虚拟环境中包含事物的数量及布局,多元媒介(声音、文字、图形、动画等)的组织和呈现方式以及学习者的先备知识水平等对于学生认知历程和学习效果的影响。

3、监测与评估学习效果

在实际应用中,借助头盔营造的完全沉浸式虚拟学习环境下,教师无法通过传统的行为线索和反应(比如走神、困惑时的表情)来辨别学生的学习状态,难以对教学过程进行实时监控。所以,虚拟现实系统需要增加更多的辅助技术来更好地追踪、记录和评估学习行为表现,从而为学生和教师提供学习效果的反馈。在教学研究方面,需要进行严格的实验控制,选取有效的效果指标,在涉及不同学习对象和运用不同教学方法的情境下,针对虚拟现实技术的教学效果开展实证性研究。并且开展时间跨度更长的追踪研究来考察虚拟学习环境的长期效果,以及探讨虚拟环境下所学的知识技能是否能够迁移到真实环境下的任务中。

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学习者体验层面

1、减少技术使用困难

作为一种较为复杂的新技术,用户在使用时需要适应虚拟现实系统中特定的操作方式,由此可能遇到一些困难。为了保证虚拟现实技术在课堂中的顺利使用,需要先为教师提供技术应用方面的培训,使其能够对学生进行有效的指导,随时解决学生在使用中遇到的问题。同时,学生在使用虚拟现实系统之前也应该接受相关的培训课程和练习,保证其在学习中的顺畅操作,减少技术应用对学习带来的额外负荷。此外,由于目前大多数的虚拟现实产品的可拓展性较差,用户无法根据需要对其中的内容进行自主编辑和调整,在实际应用中也造成了诸多不便。

2、适应身份转换及促进身份认同

在虚拟现实环境中,学生所建立的“虚拟身份”可能与其真实身份之间存在一定的差异,进而降低学生身份认同感。身份认同感影响社会环境中的学习动机。虚拟现实学习环境是具有高度交互性的拟真社会环境,尤其在多用户虚拟平台上,身份认同感的缺乏导致学生无法以虚拟身份完成学习任务,与他人进行交互。因此,在虚拟环境的人物角色设计上,应该考虑如何帮助学生更好地适应这种身份转换,并且通过提升身份认同感来进一步激发其参与虚拟学习活动的兴趣。未来可以进一步探究学习者对虚拟化身的使用规律,以及这种虚拟身份究竟会如何影响学习效果。例如,学生倾向于使用更接近真实自我还是更接近理想自我的虚拟化身,虚拟人物的表征(例如身高等外貌特征)如何影响学生与其的社会互动,以及对其所传达信息的感知等。

3、提高用户隐私保护及数据安全

个人数据的隐私问题是K-12领域的教育者在应用虚拟现实技术时较为关注的问题。[62]在大规模开放的虚拟现实平台中,如何维护个人信息安全,尤其是年纪较小的未成年用户的信息安全,需要引起广泛的重视。虚拟现实技术产品开发和开放的行业标准以及其相关教育产品的标准,目前尚未得到较好的解决。

综合以上三个层面的问题,虚拟现实技术教育应用的最后一个挑战,即为实现虚拟现实技术集成,增加虚拟现实技术与其他教育技术之间以及虚拟现实环境与真实学习环境之间的兼容性。“虚拟现实+教育”并非一种新的教学方法,而是一种教育工具;不是为了分离于传统课堂教学,而是为了贡献于传统教学模式。目前的虚拟现实产品开发仍然缺乏开放设计的标准,这为想要整合其他教育技术和教学资源的使用者带来困难。虚拟现实技术如何与其他的教育技术结合使用,虚拟现实环境如何实现与真实学习环境无缝连接,虚拟现实内容如何覆盖不同学科,都是非常值得探讨的问题。我们对于虚拟现实技术的探讨和研究,是为了更好地满足教学要求,围绕具体教学目标,灵活地综合运用各种技术和手段来开展教学,从而打造一个最优的智慧学习环境。

本文转自教育技术学,侵权删。


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