林瀟瀟 高漢威 朱德珍

摘 要：隨著特殊教育的不斷向前發(fā)展，越來越多的殘疾兒童能夠接受相應的教育與干預訓練。而輔助技術的應用能夠幫助殘障兒童在心理和教育層面獲得更好的發(fā)展?；旌犀F(xiàn)實技術作為當今信息科學技術領域的前沿，越來越受到殘障兒童教育、康復領域研究者的廣泛重視。文章通過介紹HoloLens混合現(xiàn)實眼鏡、“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)、混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)、TeachLivE教學現(xiàn)場混合現(xiàn)實教學系統(tǒng)四種混合現(xiàn)實技術在神經發(fā)育障礙兒童干預領域的應用，對比這些技術間的相似性和差異性，最終提出混合現(xiàn)實技術對我國殘疾兒童教育與干預的啟示。

關鍵詞：混合現(xiàn)實技術;神經發(fā)育障礙兒童;應用;啟示

中圖分類號：R741 文獻標識碼：A

DOI：10.19881/j.cnki.1006-3676.2020.10.09

Application and Enlightenment of Mixed-Reality Technology for? Children with Neurodevelopmental Disorder

Lin Xiaoxiao1? Gao Hanwei2? Zhu Dezhen3

（1.School of Education，GuangZhou University，Guangdong，Guangzhou，510006;2.GuangZhou Academy of Fine Arts，Guangdong，Guangzhou，510006;3.GuangZhou Iron and Steel Enterprise YaYunCheng Kindergarten，Guangdong， Guangzhou，510006）

Abstract：With the development of special education，more and more children with disability can receive appropriate education，intervention and training.The application of assistive technology （AT） can help children with disability to achieve great development in psychological and educational aspects.As the frontier of information science and technology，Mixed-Reality technology has been paid more and more attention by researchers in the fields of education and rehabilitation of children with disability.In this paper，by introducing the HoloLens reality glasses，the lands of Fog system，Mixed Reality Aquarium and TeachLiveE mixed-reality teaching system of four kinds of mix reality neural developmental disorders in childrens intervention in the field of application，compared the similarities and differences between these technologies at the same time，finally puts forward mixed-reality technology education and intervention for children with disability enlightenment to our country.

Key words：Mixed-Reality;Children with Neurodevelopmental Disorder;Application;Enlightenment

一、引言

隨著全球科技的不斷發(fā)展，計算機輔助教學越來越受到教育界的重視，多種多樣的計算機輔助教學技術能夠幫助學生更好地融入課堂，提升他們在教學過程中的參與度。計算機輔助教學的媒介由傳統(tǒng)的計算機設備如臺式電腦、筆記本電腦等發(fā)展為移動終端技術的任意載體。與傳統(tǒng)的計算機設備相比，移動終端具有操作容易、便攜、運行速度快等多種優(yōu)勢，更有利于使用者實現(xiàn)有效的交互。[1]特殊教育領域的計算機輔助技術被廣泛應用于對殘障兒童的教學中。特殊教育輔助技術包括從低技術和高技術。低技術設備指低成本且不需要電源的設備，如圖片溝通板、握筆矯正器和手持放大鏡等;高技術設備一般是成本高昂的設備，包括計算機、平板電腦、移動設備及其軟件等。隨著互聯(lián)網的發(fā)展和電子科技的進步，特殊教育輔助技術逐漸向高技術方向發(fā)展。[2]混合現(xiàn)實技術就屬于具有高科技含量的技術。隨著混合現(xiàn)實技術的創(chuàng)新與推廣，其已成為科技界、教育界共同關注的熱點。

神經發(fā)育障礙（Neurodevelopmental Disorder）是一類總稱，包括由于神經系統(tǒng)與大腦功能出現(xiàn)問題而產生的各種形式的障礙。神經發(fā)育障礙包括注意缺陷多動障礙、孤獨癥譜系障礙、學習障礙以及智力障礙。大多數(shù)存在神經發(fā)育障礙的個體在不同領域會經歷多樣化的、共生的障礙，這些領域包括言語與語言、記憶、學習、社交行為以及行動能力。[3]

二、混合現(xiàn)實技術

混合現(xiàn)實技術（Mixed Reality，簡稱MR）是虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality）和增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality）的結合。該技術是將虛擬世界與現(xiàn)實世界進行合并形成新的可視化環(huán)境，并在虛擬世界、現(xiàn)實世界與用戶之間搭起一條交互反饋的信息線路，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的無縫銜接。[4]混合現(xiàn)實技術是一種新的計算機技術，通過混合真實世界和虛擬世界中的物品促使用戶開展互動。該技術使用戶可以觀察添加到現(xiàn)實世界中的虛擬對象并與之交互。在混合現(xiàn)實技術的概念基礎上，黃紅濤等研究者提出了混合現(xiàn)實學習環(huán)境的概念?；旌犀F(xiàn)實學習環(huán)境是一種利用混合現(xiàn)實技術構造起來的由計算機支持的學習環(huán)境。在該環(huán)境中，來自真實世界和虛擬世界的各類對象被整合到一個單一的學習進程中。如果這個環(huán)境具有支持具身交互的功能，那么它就可以被稱為“具身型混合現(xiàn)實學習環(huán)境”（Embodied Mixed Reality Learning Environment）[5]面向殘障兒童的混合現(xiàn)實技術大多屬于該系統(tǒng)環(huán)境。

三、面向神經發(fā)育障礙兒童的混合現(xiàn)實技術應用

（一）HoloLens可穿戴設備混合現(xiàn)實技術

HoloLens是微軟開發(fā)的可穿戴混合現(xiàn)實設備。它將一臺全息計算機（Holographic Computer）安裝在一套頭戴式設備上。由眾多傳感器、先進光學設備以及一個定制的全息處理單元組成。如圖1所示，它是安裝在頭戴式設備上的全息計算機，其中有諸多特殊組件，如多傳感器、先進光學設備以及一個定制的全息處理單元。

用戶使用HoloLens混合現(xiàn)實眼鏡在真實環(huán)境中與全息圖像呈現(xiàn)的數(shù)字內容展開交互。通過空間映射技術（Spatial Mapping Techniques）捕獲（Capture）信息，識別如桌子、地板、墻壁和天花板等平面[6]，同時生成真實環(huán)境渲染圖以及交互式虛擬數(shù)字的內容。HoloLens支持多種交互模式如視、聽覺交互模式等。

HoloLens的操作方式包括凝視（Gaze）、手勢（Gestures）、聲音（Voice）和使用遙控器（Clicker）。HoloLens凝視用戶通過改變注視方向，可以更新他們對環(huán)境的認知。一個光標會出現(xiàn)在注視焦點中，并隨注視焦點的方向移動。在手勢操作過程中，當拇指和食指輕拍時，瞬時氣錐就會選擇并激活光標所在的注視的交互式全息圖，觸發(fā)相關的反饋，持續(xù)氣塞則執(zhí)行拖放。在聲音操作過程中，通過定義語音命令給應用程序提供指令，實現(xiàn)與交互項目的交互。遙控器操作是通過由藍牙連接的物理控制器來代替空氣開關選擇和移動交互元素。[7]

此外，HoloLens會在全息影像中創(chuàng)建虛擬助手（Virtual Assistant），虛擬助手的設計可以參考用戶的興趣偏好，提升殘障用戶的參與體驗。HoloLens提供三種虛擬助手參與模式：靜態(tài)模式、動態(tài)模式和回應模式，如圖2所示。

Beatrice Aruanno等研究者通過讓神經發(fā)育障礙人士穿戴HoloLens混合現(xiàn)實眼鏡完成“桌面物品擺放”和“垃圾分類收集”游戲任務發(fā)現(xiàn)，無論表現(xiàn)以及任務完成度如何，大多數(shù)參與者都喜歡使用HoloLens，并對此次體驗感到滿意。參與者會被虛擬助手吸引，并能準確地辨識出虛擬助手的角色（如小黃人）。中等程度神經發(fā)育障礙的人士在完成游戲任務方面的表現(xiàn)要比重度神經發(fā)育障礙的人士好，因為他們通過一段時間的培訓能夠更好地掌握HoloLens的交互機制。[7]

（二）“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)

“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)（The Lands of Fog System）是加入一系列視覺、聽覺效果的，在直徑6米的地板投影虛擬環(huán)境的系統(tǒng)。其設計目的是鼓勵自閉癥兒童和他們的非自閉癥同伴共同開展具有創(chuàng)造性的探索類游戲。系統(tǒng)設計的游戲場景是一個部分被霧氣籠罩的幻想世界，在這個世界里，這些兒童能夠主動尋找并捕捉虛擬的昆蟲，系統(tǒng)給予他們積極的、一致性的反饋，即加入新的角色或歡快的旋律。[8]該系統(tǒng)采取循序漸進的策略來拉近自閉癥兒童與非自閉癥兒童的距離。反饋的目的是給游戲的參與者提供更積極的反饋來替代治療師的工作，并利用系統(tǒng)來引導自閉癥兒童完成游戲任務，促使他們出現(xiàn)問題行為?！懊造F之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)為治療師在協(xié)調游戲者間的互動方面提供了支持框架，為兒童提供在可控的實踐環(huán)境中形成良好社交互動氛圍的場景。

“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)的具體操作流程是，自閉癥兒童手持一個裝有LED燈的真實捕蝶網，系統(tǒng)對捕蝶網進行追蹤。自閉癥兒童通過捕蝶網與投射在地板上的虛擬昆蟲元素進行互動。此外，物理目標被設計用來幫助神經發(fā)育障礙兒童通過認知負載（Cognitive Offloading）將注意力集中到環(huán)境中來。

科研人員在利用“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)開展的相關研究過程中發(fā)現(xiàn)，集體協(xié)同社交游戲活動的開展效果要比個人活動好。自閉癥兒童與非自閉癥兒童共同參與的集體協(xié)同類游戲活動為他們提供了同伴協(xié)作、交流的機會。與此同時，科研人員還研究比較了自閉癥兒童在“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)和樂高游戲情境下的兒童非言語行為。研究發(fā)現(xiàn)，自閉癥兒童在“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)中的非言語行為水平相對較高。其可能的原因是，在“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)的游戲中，自閉癥兒童親近同伴來完成協(xié)作任務。此外，在“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)中，自閉癥兒童表現(xiàn)出的焦慮水平相對較低，其原因可能是自閉癥兒童能夠對游戲參與方式進行選擇，其既可以邀請同伴參與，也可以自己單獨進行游戲，這能讓自閉癥兒童表現(xiàn)得更加放松，為自閉癥兒童提供一個舒適的社交環(huán)境。[8]

（三）混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)

混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)（Mixed-Reality Aquarium）是國內首個為孤獨癥譜系障礙兒童以及兒童英語教學打造的混合現(xiàn)實系統(tǒng)。它將虛擬的海洋世界與真實的魚缸結合，通過投影設備和液晶調光膜來展現(xiàn)3D虛擬場景，增強用戶的沉浸感?；旌犀F(xiàn)實魚缸能夠訓練孤獨癥譜系障礙兒童的認知能力、動手能力和表達能力，為他們提供自然、簡單，兼具真實感的交互方式。[9]混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)參考了孤獨癥譜系障礙兒童康復師關于認知訓練的專業(yè)知識，將認知訓練課程整合到混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)中，通過視覺化、具象化的效果促進孤獨癥譜系障礙兒童與訓練內容、康復師之間的互動。[7]混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)既包含了真實物理環(huán)境下有水草和魚類等生物的魚缸，又包含了虛擬的海洋環(huán)境和生物，將二者融合為一體，建立了一個有趣的水下世界。

Juan Liu等科研人員利用混合現(xiàn)實魚缸對孤獨癥譜系障礙兒童進行干預訓練。經過為期一個月（四周）的訓練，孤獨癥譜系障礙兒童的認知、語言和行動能力都得到了顯著的提升。此外，混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)在孤獨癥譜系障礙兒童發(fā)展興趣、培養(yǎng)注意力和提升行為表現(xiàn)方面存在著顯著的發(fā)展?jié)摿Α10]

（四） TeachLivE混合現(xiàn)實教學系統(tǒng)

TeachLivE是中佛羅里達大學（University of Central Florida）針對職前和在職特殊教育教師培訓開發(fā)的混合現(xiàn)實培訓平臺。[11]

TeachLivE系統(tǒng)模擬的是一間混合現(xiàn)實課堂實驗室，教室中設計了若干名虛擬學生。虛擬學生分別具有四種個人特征：攻擊—獨立型、依賴—獨立型、被動—依賴型和以不同強度水平的其他特征（如歇斯底里、強迫性、沖動等）為補充的被動—依賴型。與面部表情、肢體語言、動作捕捉和人工智能相結合的具有典型青少年學生特征的虛擬學生和虛擬環(huán)境所形成的班級相結合，為用戶提供一種令人信服的虛擬體驗。[12]

參與者能夠在電腦顯示器中看到由室外的操控者控制的虛擬學生，操控者同時能夠看到參與者和他使用的資料，如白板等。如圖5所示：參與者是一位存在視覺障礙的老師，她不能很清楚地看到屏幕。因此，在顯示器前的一張桌子上還放有顯示虛擬學生形象的卡片，以幫助這位參與者了解在屏幕中發(fā)生的事情。

TeachLivE系統(tǒng)允許教師在安全空間內嘗試新事物，反思教學過程中的各類互動，并能在使用后獲得即時反饋。在TeachLivE虛擬實驗室環(huán)境中建立具有典型個性特征與行為的虛擬學生。除了教師準備外，TeachLivE系統(tǒng)也已經在改善智力障礙兒童行為問題的研究中取得了積極成果。[13]殘障兒童在與虛擬學生交流時會經歷更少與非殘障同伴交流時產生的社交障礙。[14]

Caitlyn等研究者開發(fā)了一種基于TeachLivE虛擬實驗室環(huán)境，利用同伴指導（Peer Mentorship）幫助智力障礙學生提升溝通能力，試驗采用創(chuàng)新促進就業(yè)所需技能（In—FORCE）這一解決問題的溝通干預策略。該策略包括社交溝通、同伴互動、角色扮演以及基于虛擬現(xiàn)實場景的學習。該嘗試的參與者參與混合現(xiàn)實環(huán)境中的解決問題的角色扮演活動中?；谟擅绹鴦诠げ縿?chuàng)建的社交技能課程，問題場景用于推動In-FORCE干預中的角色扮演活動。由6名專家組成的小組創(chuàng)建并驗證20個場景。每一個場景都被制作成一段視頻，其中有一位敘述者來描述問題，并且有一位成人虛擬主管從自身角度陳述問題。在四個不同問題場景中，治療組參與者與虛擬同伴C.J.見面。問題解決技能的變化是在測試前和測試后的會議中，使用研究者建立的In-FORCE問題解決檢核表來測量。治療組和控制組中都會出現(xiàn)一位虛擬主管化身Adkins女士（圖6所示）。研究結果顯示，試驗參與者對于干預的真實性和有用性的反饋都是積極的。[15]

此外，F(xiàn)raser等研究者在TeachLivE實驗室設計一位自閉癥虛擬學生來訓練特殊教育教師對其實施回合式教學（Discrete Trial Teaching， DTT）的效果。在TeachLivE實驗室對特殊教育教師訓練中，遵循以下步驟，如圖7所示[16]。

研究證實，沒有開展真實回合式教學的特殊教育教師，在TeachLivE實驗室開展45分鐘的混合現(xiàn)實技術環(huán)境中的回合式教學，在較短時間內遠遠超過他們在真實環(huán)境中的此項教學效果。此外，每一位特殊教育教師僅在TeachLivE實驗室接受一次培訓后，就能將他們學到的新技能轉移到自己所在的真實教室中來，為自閉癥兒童提供教學。這證實了在混合現(xiàn)實環(huán)境中開展學習時，在獲得最初的高度真實感（High Rate of Fidelity）后，技能的泛化（Generalization）很快就會發(fā)生。

四、不同混合現(xiàn)實技術間的比較

以上幾種混合現(xiàn)實技術盡管都被稱為混合現(xiàn)實技術，但由于實施對象、需求場景和設備自身功能及特點的不同，在活動實施目標、功能等方面均有差異。

（一）技術相似性層面

從技術相似性層面上看，虛擬場景布景的設計都采用了鮮艷、活潑的顏色，這能夠吸引殘疾兒童，尤其是患有孤獨癥譜系障礙的兒童和智力障礙的兒童的注意力。這些混合現(xiàn)實技術均強調參與者與場景間的互動，如HoloLens眼鏡的關注點就在用戶與場景間的互動上。

這幾種混合虛擬場景技術具有一定的相似性，如都是混合虛擬現(xiàn)實技術，都使用了顏色鮮艷的虛擬場景，符合殘障兒童的喜好，且都需要用戶參與互動?；旌犀F(xiàn)實魚缸技術是在魚缸表面上，“迷霧之地”混合虛擬現(xiàn)實技術是利用投影儀在地板上投影出虛擬場景來實現(xiàn)互動，HoloLens是通過可穿戴式混合現(xiàn)實眼鏡在用戶所看到的真實環(huán)境中投射虛擬物品數(shù)字，同時利用控制器來實現(xiàn)互動。混合現(xiàn)實技術須關注用戶的沉浸感體驗，他們的設計目標都是吸引用戶積極、主動地在他們構建的虛擬場景中展開互動。

（二）技術差異化層面

以上提到的這些混合虛擬技術之間的不同之處有以下幾點：1.實施對象不同。HoloLens混合現(xiàn)實眼鏡、“迷霧之地”系統(tǒng)、混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)等混合現(xiàn)實技術所針對的用戶都是殘疾兒童，其應用目的是解決殘疾兒童，尤其是神經發(fā)育障礙兒童情緒、溝通以及行為上的障礙。而TeachLivE實驗室系統(tǒng)面向的用戶則是各類教師，是為了輔助職前或在職教師培訓而設計的。2.用戶沉浸感不同。用戶沉浸感體驗強度依次是HoloLens混合現(xiàn)實眼鏡、TeachLivE實驗室系統(tǒng)、混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)、“迷霧之地”系統(tǒng)。3.所需場地不同。TeachLivE實驗室系統(tǒng)所需場地面積最大，“迷霧之地”系統(tǒng)次之，混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)需要的場地最小。而HoloLens混合現(xiàn)實眼鏡對場地的要求則是隨著任務場景要求的變化而改變的。

（三）設計發(fā)明時間層面

從以上混合現(xiàn)實干預技術的發(fā)明時間上看，最早出現(xiàn)的技術是TeachLivE實驗室，早在2008年就有公開發(fā)表的文獻提到過該技術及其相關應用的介紹。HoloLens混合現(xiàn)實眼鏡和混合現(xiàn)實魚缸系統(tǒng)則是較新的混合現(xiàn)實技術。由此可以看出，將真實場景和虛擬現(xiàn)實場景呈現(xiàn)在更小、技術集成度更高的設備中是未來混合虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的一個方向。

五、混合現(xiàn)實技術對我國特殊教育干預發(fā)展的啟示

（一）混合現(xiàn)實技術為殘障兒童干預研究提供新方向

在國內外如中國知網、Web of Science等數(shù)據庫輸入“混合現(xiàn)實技術”“特殊需要兒童”“特殊教育”等關鍵詞就會發(fā)現(xiàn)，目前國內外特殊教育領域關于“混合現(xiàn)實技術”的相關研究較少。然而在科技領域，“混合現(xiàn)實技術”的研究和研發(fā)已非常普遍。因此，如何利用混合現(xiàn)實技術對殘障兒童，尤其是認知障礙兒童開展干預是特殊教育、康復等領域值得研究的問題。

（二）混合現(xiàn)實技術為特殊教育教師培訓帶來新思考

混合現(xiàn)實技術的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的教師培訓項目。尤其是TeachLivE實驗室系統(tǒng)的出現(xiàn)，為現(xiàn)代化的特殊教育教師職前與職后培訓帶來了新的思考。如何在不打攪課堂的情況下，對有情緒、行為問題的殘障學生開展課堂情緒行為管理？混合現(xiàn)實技術能就此為教師提出最優(yōu)的解決方案。此外，受到全球新冠疫情的影響，線下教學逐漸轉向線上，利用混合現(xiàn)實技術建立教師培訓在線虛擬實驗室，可以解決教師無法通過真實課堂管理和教育學生的問題。

（三）混合現(xiàn)實技術為殘障兒童融入社會提供新保障

混合現(xiàn)實技術通過在真實環(huán)境中增加虛擬元素幫助訓練殘障兒童各種融入社會所需的能力。HoloLens混合現(xiàn)實眼鏡能幫助神經發(fā)育障礙兒童鍛煉生活自理能力，“迷霧之地”混合現(xiàn)實系統(tǒng)能幫助自閉癥兒童提升溝通、交流能力。混合現(xiàn)實技術不僅能夠增加用戶完成游戲任務過程中的趣味性，還能在殘障兒童執(zhí)行游戲任務的過程中采集和處理數(shù)據，評估殘障兒童在任務執(zhí)行過程中的錯誤、不足和優(yōu)勢?？祻蛶熆筛鶕@些反饋結果對虛擬游戲人物進行調整和修改，以提升殘障兒童的社會生活能力，幫助他們更好地融入社會。

（四）混合現(xiàn)實技術為殘障兒童輔助技術研發(fā)提供新領域

將高科技不斷引入特殊教育的各個環(huán)節(jié)，利用混合現(xiàn)實技術對神經發(fā)育障礙兒童積極的干預。目前仍需要不斷地循證實踐（Evidence-Based Practice）來驗證混合現(xiàn)實技術對神經發(fā)展性兒童干預的有效性，同時在混合現(xiàn)實游戲設計中要增強帶入感、沉浸感以及互動性。

（五）混合現(xiàn)實技術為我國融合教育實踐提供新支持

融合教育問題逐漸得到政府部門和相關領域研究者的重視，而融合教育理念與政策能否最終落實，輔助技術有著關鍵的作用。在輔助技術領域中的創(chuàng)新不僅能夠幫助殘障兒童有效開展康復活動，還能幫助他們更好地融入課堂。面向殘障兒童的功能較為單一的傳統(tǒng)的輔助技術，已經無法滿足殘障兒童在認知與情感上的需要了，這類傳統(tǒng)的輔助技術無法為他們提供綜合性輔助，也無法長時間吸引殘障兒童的專注力。而混合現(xiàn)實干預技術能整合虛擬場景與真實場景，讓神經發(fā)育障礙兒童有更加新奇的體驗，能與環(huán)境展開積極的互動。混合現(xiàn)實干預技術能給予兒童多感官刺激，通過執(zhí)行游戲任務來訓練和提升他們的情緒管理、行為管理、生活自理等方面的能力。

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