趙瑞斌 范文翔 楊現(xiàn)民 諶志霞 張文

（1.江蘇師范大學 智慧教育學院；2.江蘇師范大學 徐州市智能教育工程研究中心，江蘇徐州 221116；3.杭州師范大學 教育學院，浙江杭州 311121）

一、EMRLE 緣起背景

學習環(huán)境是促進學習者發(fā)展的各種支持性條件的統(tǒng)合，通常包括學習空間、學習資源、輔助技術(shù)等[1]。從不同的認知理論出發(fā)，利用不同的技術(shù)設備和物理資源，可以構(gòu)建出不同類型的學習環(huán)境，例如，建構(gòu)主義學習環(huán)境、虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境等。不難理解，學習環(huán)境的設計與構(gòu)建受到認知科學研究進展、信息技術(shù)發(fā)展趨勢，以及教育教學改革需要等多種因素的影響。作為一種新型的學習環(huán)境，EMRLE 的緣起背景，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

第一，認知科學研究范式由“離身”到“具身”的轉(zhuǎn)型。受傳統(tǒng)西方哲學特別是笛卡爾（Rene Descartes）身心二元論的影響，早期認知心理學家一般認為認知和身體是分離的[2]。外界信息經(jīng)人體感知器官進入大腦之后轉(zhuǎn)變?yōu)槌橄蠓?，而認知就是大腦對這些抽象符號的加工運算。由于認知對象是抽象的符號表征，其加工運算過程可獨立于其所承載的身體，即認識是“離身的”或“非具身的”。自上世紀末以來，隨著現(xiàn)象學哲學、認知心理學、認知語言學、神經(jīng)生物學等領域研究的推進，人們越來越強烈地認識到身體對認知具有重要意義：一方面，人們正是通過身體的“感知—運動”系統(tǒng)與外部環(huán)境進行交互，而這種交互及其產(chǎn)生的體驗是認知的基礎；另一方面，人類對外界事物所形成的表征并非是抽象的，而是鮮活具體的，其與認知發(fā)生時身體感知器官的狀態(tài)與事物本身的特征密切相關。在此基礎上，逐漸形成了以“具身認知”為代表的第二代認知科學，即認知科學的研究由“離身”轉(zhuǎn)向了“具身”[3]。對學習環(huán)境構(gòu)建而言，這種轉(zhuǎn)型不僅提供了新的理論基礎，而且提出了新的要求，它要求學習環(huán)境能夠支持學習者在逼真的情境中通過具身交互與深度體驗，進行更“有意義”的學習。

第二，新興技術(shù)的快速發(fā)展及其在教育教學中的廣泛應用。近年來，人工智能、混合現(xiàn)實、人機交互等新興技術(shù)得到了快速發(fā)展與廣泛應用。借助于人工智能技術(shù)，人們不僅可以實現(xiàn)學習資源的自動化制作與個性化推薦，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對學習者語音、動作、表情等身體行為狀態(tài)的準確識別?？梢?，人工智能技術(shù)為人機之間的自然、多模態(tài)交互提供了可能，進而支持人們構(gòu)建出更為智能、具身的學習環(huán)境?；旌犀F(xiàn)實（Mixed Reality，MR）是虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）發(fā)展的新階段。通過深度感知、三維重建、模型匹配等步驟，混合現(xiàn)實技術(shù)能夠在三維空間中真正實現(xiàn)虛擬模型與現(xiàn)實環(huán)境的自然、有機融合。與“只見虛、不見實”的VR 環(huán)境以及“虛實簡單疊加”的AR 環(huán)境相比，混合現(xiàn)實技術(shù)所構(gòu)建的學習環(huán)境具有更高的逼真度和沉浸感，也更有利于學習者開展具身交互和深度體驗。正因如此，混合現(xiàn)實技術(shù)正在成為當下人們研究的一個熱點，并已經(jīng)在科學教育、醫(yī)療培訓、遠程指導等領域取得成功的應用[4-5]?？梢姡屡d技術(shù)既能為學習環(huán)境的構(gòu)建提供著必要的支持，又能促進學習環(huán)境的進一步轉(zhuǎn)型升級。

第三，新時期教育改革與創(chuàng)新發(fā)展的實際需要。為了讓教育更加符合教育規(guī)律，更加適應社會發(fā)展趨勢，需從教育理念、教學模式、教學方法等多個維度不斷地推進教育改革與創(chuàng)新。面對當今知識經(jīng)濟時代對創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的需求，教育也更加強調(diào)自主學習、問題解決、實踐創(chuàng)新、合作探究、跨界融合等必備品格和關鍵能力的培養(yǎng)。在此背景下，以STEAM 教育、創(chuàng)客教育為典型代表的新興教學模式正在得到廣泛的關注和運用[6]。與此同時，學習也不再拘泥于傳統(tǒng)課堂上對知識的單向灌輸和被動接受，而更加提倡在真實的社會、文化、歷史以及實踐應用情境中，通過主動探究和親身體驗，實現(xiàn)對知識的深度理解，并促進學習者高階思維的發(fā)展。因此，作為學習發(fā)生的場所和支持條件，學習環(huán)境的設計理念也需要創(chuàng)新，從而更有利于增強學習體驗、加深知識理解、支持探究創(chuàng)新以及促進遷移應用。

二、EMRLE 構(gòu)建理論與支撐技術(shù)

EMRLE 是以具身認知理論為依據(jù)，以混合現(xiàn)實技術(shù)為支撐，設計并構(gòu)建的一種新型學習環(huán)境。換言之，EMRLE 是具身認知理論與混合現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。為此，本文一方面從理論視角分析具身認知的發(fā)生機制，并依次明晰EMRLE 的構(gòu)建目標；另一方面，從技術(shù)角度分析混合現(xiàn)實具有的功能與特性，以及借助該技術(shù)實踐EMRLE 的必要性與合理性。

（一）具身認知理論與EMRLE 的構(gòu)建

具身認知理論認為，身體是認知的主體，其不僅參與了認知、影響著思維、塑造著心智，而且不同的身體構(gòu)造及身體參與方式，均會形成不同的認知結(jié)果。自上世紀中葉，在質(zhì)疑和批判身心二元論的過程中，海德格（Martin Heidegger）、梅洛·龐蒂（Maurice Merleau-Ponty）等提出的“身心一體觀”為具身認知提供了哲學基礎。其認為身體、知覺和世界是辯證統(tǒng)一的：身體是知覺的主體，知覺是身體的基本技能，認識則是身體與外界交互過程中形成的知覺經(jīng)驗[7]。此后，來自認知語言學、知覺心理學等不同領域的學者，就具身認知的發(fā)生機制從不同的視角進行了研究和闡述。在認知語言學領域，基于對人類語言中大量存在的隱喻現(xiàn)象的分析，萊考夫（George Lakoff）等提出了概念隱喻理論，其將概念分為具體的“始源域”概念和抽象的“目標域”概念[8]。在知覺心理學中，基于大量的心理及生理學實驗，巴薩洛（Barsalou）于1999年提出了知覺符號理論（Perceptual Symbol Systems）[9]。其認為概念是在身體多通道感知運動系統(tǒng)的作用下，以感知覺信息為基礎形成的多模態(tài)神經(jīng)表征。此外，神經(jīng)生物學家瓦雷拉（Francisco Varela）提出的心智生成論，也主張個體與環(huán)境并非獨立存在，而是在感知運動過程中緊密耦合、交融創(chuàng)生且共同演化[10]。

不難發(fā)現(xiàn)，盡管不同領域的學者用不同的機制闡述了認知的具身性，但對具身認知的發(fā)生條件及基本過程卻有著共同的認識。其主要體現(xiàn)在：（1）具身認知需要鼓勵身體感知運動系統(tǒng)的參與，需要身體與環(huán)境之間的多模態(tài)交互；（2）具身認知過程本質(zhì)上是在身體與環(huán)境之間的感知交互過程；（3）具身認知結(jié)果是交互過程中對外界事物形成的多模態(tài)具身表征，這種表征與認知時身體的感知狀態(tài)與事物的本身特征密切相關。由此可見，具身認知發(fā)生的關鍵在于增強學習者對學習內(nèi)容的多通道感知，支持學習者與學習環(huán)境的多模態(tài)交互，以及促進有意義身體體驗的形成與積累。為此，作為支持具身認知發(fā)生的場所，EMRLE 的設計與構(gòu)建應體現(xiàn)如下目標：

1.支持多通道感知

身體包括動覺、觸覺、視覺、聽覺、嗅覺等感知通道。這些通道在認知過程中既參與了對外部世界的感知，也參與了對感知結(jié)果的加工、記憶和應用。為此，EMRLE 應該支持以多媒介、多形態(tài)的方式呈現(xiàn)學習內(nèi)容。例如，對于抽象概念，可借助可視化技術(shù)、多媒體技術(shù)甚至觸覺仿真技術(shù)，讓身體的多個感知通道進行同步感知。通過融合各通道所獲得的反饋信息，學習者可以對認知對象形成更加準確、全面、鮮活的認知結(jié)果。除此之外，多通道感知亦有利于促進知識的遷移和應用，即促進學習者在新情境中模擬出認知發(fā)生時的身體狀態(tài),并回憶起相應事物及其意義。

2.支持多模態(tài)交互

從具身認知理論的視角，知識的習得不是在大腦中對抽象符號進行加工運算的結(jié)果，而是學習者在其“感知—運動”系統(tǒng)與學習環(huán)境不斷交互的過程中形成的體驗及意義。為此，具身型學習環(huán)境應該支持學習者利用其身體與學習內(nèi)容進行自然交互。這種交互既包括基于視覺和聽覺的非接觸式交互，例如，通過語言或表情動態(tài)調(diào)整學習內(nèi)容的呈現(xiàn)；又包括基于動覺和觸覺的接觸式交互，例如，通過身體運動或手勢動作交互式地觸摸、操控以及預覽學習內(nèi)容。對EMRLE 而言，多模態(tài)交互既是具身認知發(fā)生的內(nèi)在需要，又有助于激發(fā)學習動機，提高學習的參與感以及增強學習的趣味性。

3.支持多情境體驗

具身理論認為，認知依賴于具有各種感知運動能力的身體，而這種能力本身被嵌入到更廣泛的生物學、心理和文化情境中[11]?？梢?，情境對具身學習具有特殊的意義。相應地，在具身型學習環(huán)境中，學習內(nèi)容需要在特定的情境中加以呈現(xiàn)，其通常包含該學習內(nèi)容形成或應用相關的真實場所、實踐活動、社會文化等。在此情境中，學習者通過觀察、探究、合作、交互等方式獲得體驗并形成認知。此外，為了實現(xiàn)深度學習并促進知識遷移，具身型學習環(huán)境應該提供靈活、多樣的學習情境，從而讓學習者在動態(tài)變化的情境中，對學習內(nèi)容形成更真實、更本質(zhì)、更普適的感知體驗。

（二）混合現(xiàn)實技術(shù)與EMRLE 的構(gòu)建

自上世紀80年代以來，沉浸式科技取得了快速的發(fā)展，并先后經(jīng)歷了虛擬現(xiàn)實→增強現(xiàn)實→混合現(xiàn)實→擴展現(xiàn)實（XR-Extended Realiy，XR）的發(fā)展階段。MR 由VR 和AR 衍生而來，也是當前新興的沉浸式環(huán)境構(gòu)建技術(shù)。作為未來的一種發(fā)展趨勢，MR 將不斷創(chuàng)新人機交互技術(shù)，并逐漸融入具有觸、味、嗅等感覺通道的仿真技術(shù)，從而構(gòu)建出更真實、更自然、也更具身的沉浸式環(huán)境，即XR 環(huán)境?？梢?，當前新興的MR 以及未來的XR，能夠為具身型學習環(huán)境的構(gòu)建提供較為理想的技術(shù)支持，其主要功能體現(xiàn)在以下三個方面：

1.支持虛實融合的學習環(huán)境

在混合現(xiàn)實技術(shù)的支持下，可以構(gòu)建出虛實有機融合的EMRLE，既包含了現(xiàn)實世界中客觀存在的學習場所、學習資源、學習伙伴等真實對象；又融入了以文字、圖像、動畫、三維模型等媒介形式呈現(xiàn)的虛擬信息。其中，真實對象為EMRLE 提供了基礎，其能夠讓學習者在一個真實的、擬社會化的場景中開展學習活動；虛擬信息能夠讓EMRLE 突破現(xiàn)實條件的限制，增強對學習內(nèi)容的表達與呈現(xiàn)，進而支持學習者的多通道感知和多模態(tài)交互。

2.支持學習者進行自然交互

在傳統(tǒng)的VR 和AR 學習環(huán)境中，通常需要借助鼠標、鍵盤、手柄等第三方媒介，或手持移動終端通過點擊、滑動等方式實現(xiàn)交互[12]。在此類交互中，身體狀態(tài)是不夠自然的，身體運動也是受限的。作為一種新技術(shù)，混合現(xiàn)實可以通過動作捕捉、手勢識別、眼球追蹤、表情識別、語音識別等，實現(xiàn)人與環(huán)境的更加自然的多模態(tài)交互，從而解放了學習者的雙手，讓其身體在自然、自由的狀態(tài)下，執(zhí)行各類身體動作與交互操作。也就是說，在混合現(xiàn)實技術(shù)的支持下，EMRLE 可以實現(xiàn)人機自然交互，這不僅更加符合學習者的心理與生理規(guī)律，而且具有更好的移動性、靈活性和自由度。

3.支持學習過程的動態(tài)生成

在混合現(xiàn)實技術(shù)的支持下，圍繞具體的學習主題和學習目標，一方面可以方便、快速且低成本地構(gòu)建豐富、多樣的數(shù)字化學習資源；另一方面可以通過虛實融合來動態(tài)生成并實時更新學習環(huán)境。換言之，基于混合現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬學習環(huán)境不是靜態(tài)的、一成不變的，而是在學習過程中根據(jù)學習目標、交互行為以及事物內(nèi)在規(guī)律而動態(tài)創(chuàng)生。這種動態(tài)生成性對具身學習具有重要意義。究其原因，具身學習的過程實質(zhì)上是學習者、學習環(huán)境以及學習資源等要素相互影響、交融共生且動態(tài)演化的過程。在這個過程中，學習環(huán)境不斷變化、意義不斷生成、經(jīng)驗不斷積累[13]。

綜上所述，從具身認知理論的視角出發(fā)，EMRLE 能夠支持學習者對學習內(nèi)容的多通道感知，支持學習過程中的多模態(tài)交互，支持面向深度學習的多情境體驗。從技術(shù)角度而言，混合現(xiàn)實技術(shù)所具備的虛實融合、自然交互和動態(tài)生成等特性，能很好地支撐具身型學習環(huán)境的構(gòu)建。在圖1中，我們給出了混合現(xiàn)實技術(shù)對EMRLE 各構(gòu)建目標的支撐關系。其中，虛實融合特性可以有效增強學習內(nèi)容的呈現(xiàn)，從而能夠支持學習者對學習內(nèi)容的多通道感知；自然交互特性可以釋放學習者的身手，從而支持學習者通過其身體器官及運動，與學習環(huán)境自由地進行多模態(tài)交互；動態(tài)生成特性可以靈活、便捷地創(chuàng)設并更新學習情境，從而能夠支持學習者在多種情境中獲得深度的學習體驗，如圖1中間的灰色箭頭所示。正是在這種感知、交互和體驗中，學習者形成并積累了對有關外界事物的多模態(tài)具身表征，即實現(xiàn)了具身學習。由此可見，結(jié)合具身認知理論與混合現(xiàn)實技術(shù)來構(gòu)建EMRLE，具有可行性且有意義。

圖1 混合現(xiàn)實技術(shù)與EMRLE 構(gòu)建目標間的關系

三、EMRLE 構(gòu)建模型及實現(xiàn)途徑

在前述理論與技術(shù)分析的基礎上，我們提出了EMRLE 構(gòu)建模型，如圖2所示，用于描述EMRLE 的組成框架及實現(xiàn)途徑。該模型包括三層：具身學習層、交互感知層和動態(tài)生成層。其中，具身學習層主要是指學習者通過身體感知運動系統(tǒng)的參與，開展學習活動并積累具身表征；感知交互層主要是通過身體行為狀態(tài)的識別以及多模態(tài)自然交互，實現(xiàn)學習者與學習環(huán)境的緊密耦合；動態(tài)生成層主要是在學習者交互行為的驅(qū)動下，實現(xiàn)學習環(huán)境的動態(tài)創(chuàng)生，從而支持具身學習活動的有效實施。

圖2 具身型混合現(xiàn)實學習環(huán)境構(gòu)建模型

具體而言，該模型的主要實現(xiàn)途徑包括：

（一）通過身體參與開展具身學習活動

身體感知運動系統(tǒng)的參與是具身學習發(fā)生的基礎。正因如此，在圖2中的具身學習層，EMRLE 以學習活動為主線，通過扮演、操作、觀察等方法調(diào)動學習者身體感知運動系統(tǒng)參與。進一步而言，根據(jù)感知運動系統(tǒng)參與程度的高低，身體參與方式可分為全身運動、姿態(tài)動作、具身模擬三類[14]。其中，全身運動是指在一個寬敞的空間，身體在無約束的狀態(tài)下自然地執(zhí)行各種動作，例如，自由走動、協(xié)作扮演、動手操作等；姿態(tài)動作主要是指在相對固定的位置甚至在蹲坐的情況下的手勢動作、頭部姿態(tài)以及語音、表情動作與行為；具身模擬是指學習者通過觀察他人的身體動作與行為而獲得相應的具身體驗，例如，觀察教師或?qū)W習伙伴的示范。在EMRLE 中，正是通過鼓勵并支持上述類型的身體參與，來實現(xiàn)具身學習。為此，EMRLE 既需要在學習活動設計時充分考慮身體的參與方式，還應該在學習場所設計、學習資源制作以及輔助技術(shù)與設備等方面支持身體參與，特別是支持學習者的動作、手勢、表情、語音等行為狀態(tài)。

（二）通過身體行為識別支持多模態(tài)交互

身體行為狀態(tài)識別對EMRLM 具有重要意義，其不僅是實現(xiàn)學習者與學習環(huán)境互動的途徑，更是學習者積累具身體驗的基礎。為此，EMRLE 首先需要準確、實時地采集學習者的身體行為與狀態(tài)信息。目前，借助體感設備、無線傳感器以及智能手機，便可方便、快捷、低成本實現(xiàn)這一目標。例如，微軟的Kinect 設備通過集成深度傳感器、攝像頭、麥克風等功能模塊，能夠同步采集人體的位置、圖像、動作、手勢、語言、表情等信息；穿戴式傳感器可以實時采集學習者的心率、呼吸頻率、心電、體溫等心理數(shù)據(jù)。對采集到的每種身體行為與狀態(tài)信息，EMRLE 通過人工智能算法進行識別并賦予具體的意義。在此基礎上，EMRLE 便可以將學習者的身體行為狀態(tài)與學習環(huán)境的交互操作方式相關聯(lián)，進而讓學習者通過身體行為與動作自然、便捷地與學習環(huán)境進行交互，例如，通過手勢操控并編輯學習內(nèi)容，通過肢體運動模擬事物變化規(guī)律，通過語言動態(tài)調(diào)解學習進程等。

（三）通過交互操作驅(qū)動學習環(huán)境動態(tài)創(chuàng)生

具身認知理論強調(diào)學習者與學習環(huán)境是緊密耦合、相互作用且交融共生的。這意味著學習環(huán)境應該能夠及時、準確地感知學習者的當前狀態(tài)和學習期望，并能夠根據(jù)這些信息實現(xiàn)自身的動態(tài)創(chuàng)生，從而更好地支持學習活動的有意義延續(xù)和拓展。為了實現(xiàn)這一目標，在EMRLE 中，首先在感知交互層，通過采集并識別學習者的身體行為，來獲得其學習需求與狀態(tài)信息，例如，通過身體動作或語言表達出來的學習興趣與期望，以及通過面部表情體現(xiàn)出的學習情感與態(tài)度；然后，在交互過程中，將這些信息傳達給動態(tài)創(chuàng)生層，并由此驅(qū)動學習環(huán)境的重造與更新，包括調(diào)整學習任務、重組學習資源、重設學習情境等。在此過程中，學習者不斷地緣遇著、體驗著EMRLM 中的各類組成要素和活動事件，并通過觸發(fā)新的交互而不斷生成新的學習情境。

（四）通過感知體驗形成并積累具身表征

得益于虛實融合、自然交互和動態(tài)創(chuàng)生的特性，對于給定的學習主題和學習目標，EMRLE 不僅能夠動態(tài)創(chuàng)設逼真的學習情境，而且支持學習者對其進行多通道感知和體驗。在此類學習情境中，既包含學習者身邊的各種真實物理對象，也融入了計算機生成的各類虛擬場景。對于真實對象，學習者可自然感知其原初特征與屬性；對于虛擬對象，則首先由可視化、觸覺仿真、無線傳感等技術(shù)與設備反饋給學習者，然后由學習者利用其視覺、聽覺、觸覺等器官進行感知和體驗。在這種虛實融合的情境中，學習者正是通過多通道感知運動系統(tǒng)的不斷探索和體驗，來獲得更加全面、具身、鮮活的認知結(jié)果。同時，EMRLE 中的學習情境是豐富多樣的，其不僅有助于形成更加普適的學習經(jīng)驗，也更有利于促進學習結(jié)果的有效遷移。除此之外，自然交互特性也賦予了EMRLE 更多靈活性，能夠讓學習者靈活地開展人際交流和多元互動，從而很好地支持社會化背景下的協(xié)作式學習。

四、EMRLE 應用實例與具身學習活動設計

（一）EMRLE 的構(gòu)建實例及應用

1.基于互動投影的EMRLE 及其應用

互動投影是一種將投影畫面與人的行為動作相關聯(lián)，從而支持人與投影內(nèi)容實時交互的智能投影系統(tǒng)。在互動投影系統(tǒng)中，通常包括行為捕捉、分析計算和內(nèi)容投影等功能模塊。其中，行為捕捉模塊主要是用深度傳感器、麥克風、攝像頭等設備，實時采集人的位置、手勢、動作、語音等行為狀態(tài)；分析計算模塊主要是對捕捉到的行為狀態(tài)進行智能識別，并根據(jù)識別結(jié)果動態(tài)生成并更新投影內(nèi)容；內(nèi)容投影模塊則是通過投影儀、顯示屏等設備，在物理空間中輸出并顯示各類數(shù)字化的多媒體內(nèi)容，從而將虛擬信息融入到現(xiàn)實環(huán)境之中。由此可見，在互動投影中，個體不再是被動地觀看投影畫面，而是通過其身體器官與行為動作交互式地創(chuàng)造并體驗投影內(nèi)容。顯然，這種方式能增強趣味性，并提高用戶的參與度與體驗感[15]。

基于互動投影，人們可以靈活、便捷、低成本地構(gòu)建具身型混合現(xiàn)實學習環(huán)境。在教室、實驗室甚至工作場所中，通過將虛擬的、數(shù)字化的學習情境、學習內(nèi)容、學習任務等信息投影在墻上、地板或大屏幕上，再結(jié)合音頻系統(tǒng)，便可創(chuàng)建具身型混合現(xiàn)實學習環(huán)境，如圖3所示。在圖3（a）中，通過將游戲化虛擬學習場景投影到桌面，并通過3D 打印生成一些白色實體道具，Elif Salman 等構(gòu)建了一個用于促進學前兒童數(shù)學能力的發(fā)展的學習環(huán)境[16]。在其提供的虛擬游戲畫面中，兒童通過直接操控實體道具來交互式地參與虛擬游戲、多通道地感知反饋信息，從而更形象直觀地學習數(shù)學知識。在圖3（b）中，通過將虛擬信息投影在地面上，Robb Lindgren 等構(gòu)建了一個規(guī)模更大、具身度更高、沉浸感更強且支持學習者全身運動的學習環(huán)境[17]。在該環(huán)境中，學習者仿佛置身在一個虛擬太空中，通過自身運動扮演、模擬并探究行星的運動軌跡，并在此過程中體驗并理解萬有引力規(guī)律，以及其對行星運動軌跡的影響。

我們不難發(fā)現(xiàn)，這類學習環(huán)境可以讓學習者無需佩戴VR 眼鏡即可在虛實融合的情境中開展具身學習，即學習者通過身體器官及身體運動操控、感知并體驗學習內(nèi)容。此外，由于可在一個寬敞的物理空間中方便地實現(xiàn)虛實融合，這類學習環(huán)境能夠很好地支持多位學習者一起開展協(xié)作式學習。如圖3（c）所示，多個學習者可以自由合作、自然交互，進而在一個社會化的環(huán)境中體驗并習得知識。在具身學習環(huán)境中，除了支持學習者身體參與和交互外，還可以通過實時采集學習者的生理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)學習者身體與學習環(huán)境和學習內(nèi)容的耦合。例如，針對“呼吸系統(tǒng)和心臟系統(tǒng)”這一學習主題，在圖3（c）所示的學習環(huán)境中，通過穿戴式傳感器實時采集學習者的呼吸頻率、心跳等生理特征數(shù)據(jù)，來實時驅(qū)動知識的生成和表達，從而讓學習者通過身體運動來調(diào)整身體狀態(tài)，并切身觀察和體驗身體運動與科學知識間的關系[18]。

2.基于全息眼鏡的EMRLE 及其應用

圖3 基于互動投影構(gòu)建的具身型混合現(xiàn)實學習環(huán)境

傳統(tǒng)的VR 眼鏡盡管也能營造出逼真的沉浸感，但其實際上只能讓用戶看到虛擬物體，而看不見現(xiàn)實世界。這意味著在佩戴這類眼鏡時，用戶與其所處的現(xiàn)實世界是隔離的。近年來，為了推動混合現(xiàn)實技術(shù)的普及應用，全息眼鏡作為一項新技術(shù)產(chǎn)品得到了快速發(fā)展。區(qū)別于傳統(tǒng)VR 眼鏡，全息眼鏡通過三維重建、全息成像、模型配準等技術(shù)，能夠?qū)⑻摂M對象自然、實時地融入到真實物理世界之中，從而讓用戶既能看到虛擬對象，又能感知到真實世界（見圖4）。其中，虛擬對象既可以是人造的三維模型、各類多媒體信息，也可以是存在于另一時空中真實事物的數(shù)字化全息影像。如圖4（a）所示，在一個真實的房間中，通過全息眼鏡可以看到坐在沙發(fā)上的虛擬同伴，也可以感知到以文字、圖像、視頻等媒介呈現(xiàn)的虛擬信息。不難發(fā)現(xiàn)，這種全息眼鏡支持下的虛實融合技術(shù)，能夠生成更加逼真、更加自然的混合現(xiàn)實學習環(huán)境。

此外，全息眼鏡還支持更自然的人機多模態(tài)交互。通常，全息眼鏡內(nèi)置了視頻相機、語音系統(tǒng)、人工智能算法等功能模塊，這使得其能夠同步采集和識別用戶的動作、手勢、語音、表情等信息。正因如此，全息眼鏡可以讓用戶通過身體運動、手勢動作、自然語言、眼動追蹤等形式實現(xiàn)多模態(tài)具身交互。例如，在圖4（b）中，在美國微軟公司（Microsoft）與凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）合作研發(fā)的解刨學教學系統(tǒng)中，學習者可以通過點按、拖拽、縮放等手勢動作，自然地操控、觀察和編輯人體的器官模型[19]。此外，新型的無線全息眼鏡能夠?qū)崿F(xiàn)場景的實時分析和動態(tài)構(gòu)建，這使得基于全息眼鏡構(gòu)建的EMRLE 具有更好的移動性和靈活性，從而使其能夠滿足各種室內(nèi)外應用需求。在如圖4（c）所呈現(xiàn)的真實工作場所中，學習者一邊可以真實地操作體驗，一邊可以通過全息眼鏡觀看遠程指導視頻。由此可見，在全息眼鏡的支持下，我們可以構(gòu)建出沉浸感更高、交互性更強、移動性更好的具身型混合現(xiàn)實學習環(huán)境。但其不足之處在于，目前全息眼鏡的舒適性還有待提高，且成本也偏貴。

圖4 基于全息眼鏡的具身型混合現(xiàn)實學習環(huán)境

（二）EMRLE 中具身學習活動的設計與開展

在構(gòu)建EMRLE 的基礎上，便可設計并開展具身學習活動。這類學習活動的鮮明特征，主要體現(xiàn)在讓學習者通過身體感知運動系統(tǒng)的有效參與而獲得有意義的具身經(jīng)驗。在此，我們結(jié)合生物課中的“心臟器官”這一學習主題，分析并闡述在EMRLE 中設計和開展具身學習活動的主要步驟及其內(nèi)容。

首先，分析學習內(nèi)容，選擇知識呈現(xiàn)形式。在EMRLE 中表示和呈現(xiàn)學習內(nèi)容，既可以采用實物、教具、卡片等真實存在的物理媒介，也可以采用三維模型、圖像圖表以及動畫視頻等數(shù)字化的虛擬媒介。為此，需要分析教學內(nèi)容中的知識點或認知對象，并根據(jù)其類型特點和學習目標選取合理的表示媒介，其不僅要能如實、全面地表征知識，而且還能支持學習者對知識的具身感知和體驗。就“心臟器官”這一學習主題而言，心臟的組織結(jié)構(gòu)和工作原理是重點學習內(nèi)容，然而人體心臟在現(xiàn)實條件中是難以被直接操控和觀察的。對于這類認知對象，可以選擇以三維虛擬模型的形式在EMRLE 中進行表示和呈現(xiàn)。同時，為了更全面、更真實地表示心臟的工作原理及過程，該三維模型不應是靜態(tài)的，而應該能夠根據(jù)相關影響因素或?qū)W習進程，進行動態(tài)調(diào)節(jié)和變化。

其次，設計交互方式，確定具身映射策略。具身學習的關鍵是獲得有意義的身體感知運動經(jīng)驗，這種經(jīng)驗的獲得，依賴于身體與學習內(nèi)容以及學習環(huán)境之間的具身交互。對于人體心臟系統(tǒng)的學習而言，由于心臟本身是人體的一部分且與身體的運動狀態(tài)密切相關，故能自然地在學習內(nèi)容與學習者身體經(jīng)驗之間建立具身映射關系。具體而言，只要將前面構(gòu)建的心臟虛擬模型與學習者的身體運行狀態(tài)關聯(lián)起來，學習者便可以通過調(diào)整自身的運動狀態(tài)，親身觀察和體驗心臟的工作過程、工作原理以及相關影響因素。不難發(fā)現(xiàn)，通過這種方式獲得學習體驗是具身的、鮮活的，也是有意義的。在此步驟中，對不同類型的學習主題，可靈活采用不同的方式，來建立學習者與學習內(nèi)容之間的交互與映射策略。

最后，選擇技術(shù)方案，開展具身學習活動。具身學習過程實質(zhì)上是學習者、學習環(huán)境以及學習資源等要素相互影響、交融共生且動態(tài)演化的過程。在此過程中，正是具身交互驅(qū)動著學習要素的動態(tài)變化和學習活動的不斷演進，而這種交互的實現(xiàn)通常需要一定技術(shù)設備的支持。例如，在前述的心臟系統(tǒng)學習過程中，為了將學習者的運動狀態(tài)與虛擬心臟模型的工作過程關聯(lián)起來并實現(xiàn)二者的互動，既可以通過Kinect 傳感器實時采集學習者的身體姿態(tài)和運動狀態(tài)；又可以通過穿戴式傳感器同步采集學習者的心跳、血壓等生理指標。在此基礎上，便可以開展具身的學習活動，學習者一方面通過自身運動不斷驅(qū)動學習內(nèi)容的變化、學習任務的更新以及學習活動的演進；另一方面通過對自身狀態(tài)以及學習對象、學習環(huán)境的同步感知，可形成鮮活且有意義的具身經(jīng)驗。

五、總結(jié)與展望

為了體現(xiàn)認知科學的新理念并支持深度且有意義的學習活動，我們提出了以具身認知理論為指引，以混合現(xiàn)實、人工智能、人機交互等技術(shù)為支撐，構(gòu)建起EMRLE。從理論視角而言，EMRLE 應該能夠支持多通道感知運動系統(tǒng)的參與，支持自然狀態(tài)下的多模態(tài)交互，以及學習過程中的多情境體驗。從技術(shù)角度而言，MR 技術(shù)以及未來XR 技術(shù)所提供的虛實融合、自然交互、動態(tài)生成等功能，可有效支持EMRLE 的構(gòu)建。由此可見，EMRLE 的構(gòu)建有其必要性、合理性和技術(shù)上的可行性。

與此同時，5G 技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。通過整合無線傳感、人工智能、MR、XR 等技術(shù)，將衍生出一個萬物智聯(lián)且交融共生的5G 信息生態(tài)系統(tǒng)。在該生態(tài)系統(tǒng)的支持下，一方面，通過對遠端、云端以及身邊虛、實教學要素的跨時空同步融合，可構(gòu)建出更加真實、智能和個性化的EMRLE；另一方面，基于數(shù)字孿生理念和技術(shù)，通過對師生、環(huán)境、資源等要素的當前狀態(tài)與變化過程的全面感知和智能分析，既可以實現(xiàn)教學要素的互聯(lián)互通與深入交融；又能支持教學活動的數(shù)字化建模、全流程跟蹤以及精細化評估。

展望未來，EMRLE 的應用將會促進教與學形態(tài)的創(chuàng)新。例如，將校外教師或遠程學習同伴以全息投影的形式呈現(xiàn)在當前教室或?qū)W習者家里，便可開展“雙師協(xié)同教學”或“遠程協(xié)作學習”；再如，將云端學習資源、學習任務、虛擬情境等要素融入學習者當前所在的泛在物理空間，便可構(gòu)建出泛在EMRLE 并支持泛在學習。此外，這類EMRLE 能夠突破傳統(tǒng)學習環(huán)境對師生身體行為的限制，讓其更加自在地構(gòu)建學習環(huán)境，更加自然地開展交流互動，以及更加具身地進行探究學習，從而提升學習效果和學習體驗。