劉革平 王星

摘要：面對二維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐的在線教育步入穩(wěn)定期出現(xiàn)天花板效應(yīng)的問題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為創(chuàng)新突變奇點將成為占領(lǐng)未來在線教育制高點的支撐技術(shù)。該文首先追溯了在線教育的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，繼而從虛擬現(xiàn)實引發(fā)在線人機交互的代際變革、實現(xiàn)在線虛擬認知的具身模式和重新定義在線學習發(fā)生空間等角度全面論述了虛擬現(xiàn)實重塑在線教育的可行性。然后提出了虛擬現(xiàn)實重塑在線教育的整體方案：重塑在線學習資源結(jié)構(gòu)，將學習內(nèi)容、學習活動和學習環(huán)境融為一體，形成多個類別的資源類型;重塑在線教學組織模式，實現(xiàn)分布式虛擬現(xiàn)實在線教學、虛擬演播室多點同步在線教學和虛擬現(xiàn)實在線仿真實驗教學;重塑在線系統(tǒng)平臺架構(gòu)，包括融合虛擬現(xiàn)實的在線課程系統(tǒng)、融合虛擬現(xiàn)實的移動學習系統(tǒng)和融合虛擬現(xiàn)實的游戲化學習系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;在線教育;學習資源;教學組織;系統(tǒng)平臺

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

2020年春，新型冠狀病毒疫情導致各級各類學校延期開學，在線教育承擔起了史無前例的全學段“停課不停教、停課不停學”重任。在這場“抗疫情、保教學”的戰(zhàn)斗中，各類網(wǎng)絡(luò)教學平臺、課程直播平臺、視頻會議系統(tǒng)紛紛亮相，以不同的應(yīng)用模式支撐了在線教學活動的開展?？吹皆诰€教學取得令人欣慰成績的同時，我們也需進一步思考：在線教學解決了基本的教學需求之后，還能不能實現(xiàn)同面對面教學同樣甚至更優(yōu)的教學效果？目前，基于二維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的在線教育似乎進入了技術(shù)瓶頸期，而能夠提供三維沉浸式情景的虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以重塑在線教育。

一、虛擬現(xiàn)實何以重塑在線教育

（一）在線教育發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

遠程教育基于通訊技術(shù)發(fā)端于針對未能接受學校教育的個人或群體提供的非面對面教育服務(wù)。在線教育即第三代的現(xiàn)代遠程教育[1]，琳達·哈拉西姆根據(jù)在線教育模式出現(xiàn)的歷史順序，提出當前共存的三種在線教育模式，即在線協(xié)作學習（20世紀80年代至今）、在線遠程教育（20世紀90年代至今）和在線慕課（21世紀以來）[2]?；诩夹g(shù)視角追溯在線教育包括三個發(fā)展階段，即規(guī)?；囵B(yǎng)、單向傳播的早期階段（多媒體技術(shù)、Webl.0技術(shù)、視聽技術(shù)等），個性化學習、雙向交互的當前階段（Web2.0技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)等），體驗化學習、智能化學習的可期未來（VR技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等）[3]。

世界未來協(xié)會2014年曾預測，隨著趣悅性學習和社交網(wǎng)絡(luò)的推進，正式學習和偶發(fā)學習的界限將越來越弱[4]，在線教育呈現(xiàn)出面向大眾化終身學習、助力智慧教育發(fā)展、實現(xiàn)全學段貫通三種發(fā)展取向。由于二維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐的在線教育形態(tài)已然步入發(fā)展的瓶頸期，因此尋找下一個創(chuàng)新突變奇點推動在線教育轉(zhuǎn)段升級成為占領(lǐng)未來教育制高點的關(guān)鍵所在。殷寶媛等研究了在線教育自組織系統(tǒng)的科學原理與趨勢[5]，費少梅等構(gòu)建了后MOOC時期SCH-SPOC在線教育新模式[6]，那么在線教育是否已經(jīng)擺脫了將線下教育“搬到”線上來的操作模式，慕課是否可以逃脫熊彼得關(guān)于遠程教育發(fā)展命運的二十年循環(huán)預言，這要看我們能否把握技術(shù)變革周期，能否創(chuàng)設(shè)打破傳統(tǒng)教學空間鏡像和二維空間局限的新一代在線空間。以腦科學為代表深層次揭示學習內(nèi)在機制的具身認知取向，融合人工智能的虛擬現(xiàn)實技術(shù)環(huán)境和方法，重新定義了教與學發(fā)生的空間場域，能夠跨越時空分離障礙，同時又能超越面對面真實時空局限，是在線教育實現(xiàn)轉(zhuǎn)段升級的創(chuàng)新奇點。

（二）虛擬現(xiàn)實重塑在線教育可行性

2020年3月，美國高校教育信息化協(xié)會發(fā)布《2020 EDUCAUSE地平線報告：教學與學習版》，將XR（AR、VR、MR、HAPTIC）作為新興技術(shù)和實踐，并預測應(yīng)用于遠程學習者將成為未來發(fā)展趨勢[7]。趙一鳴等對于虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用研究聚類出了九大主題，關(guān)鍵詞“遠程（Remote）”位列九大主題之一[8]。虛擬現(xiàn)實已經(jīng)發(fā)展為41特征，即沉浸感、交互性、構(gòu)想性和智能化[9]，有利于網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)中縮小師生間的交互影響距離[10]，在深層次融合人的認知世界與感知世界，成為實現(xiàn)在線信息技術(shù)與教學內(nèi)容無縫交融的理想技術(shù)形態(tài)。虛擬現(xiàn)實融合在線教育是現(xiàn)代遠程教育發(fā)展的再次飛躍，能夠?qū)崿F(xiàn)多終端三維沉浸感知環(huán)境的多通道體驗式交互，從根本上變革了遠程教育的學習場域和教學方式。

1.虛擬現(xiàn)實引發(fā)在線人機交互的代際變革。基于虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術(shù)，通過語音、體驗、手勢等多通道交互實現(xiàn)仿真體驗交互，提供給在線學習用戶仿真現(xiàn)實又超越現(xiàn)實的多感知交互體驗，例如動作捕捉、基于手柄的觸覺反饋、眼球追蹤、手勢跟蹤以及方向追蹤等。未來的人機在線交互將是“交互人”（能和計算機自然交互的人類）和“智能機”（具有人的意圖表達和感知能力）之間的交互。

2.虛擬現(xiàn)實支撐在線虛擬認知的具身模式。具身認知被認為是與認知主義、聯(lián)結(jié)主義并列的新型認知范式，成為第二代認知科學的核心觀念之一[11]。典型的具身學習環(huán)境包括感知增強、相稱姿態(tài)動作和身體參與運動三類，融合體感技術(shù)的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，可以創(chuàng)設(shè)學習者完全沉浸的具身學習場景，打造身體、認知和環(huán)境高度融合的具身學習系統(tǒng)，例如哥倫比亞大學搭建的虛擬現(xiàn)實力學教學體驗空間[12]。虛擬現(xiàn)實提供給在線學習者一種“在場”認知的空間環(huán)境：既讓學習者投入到在場狀態(tài)的參與準備，又讓學習者真實體驗在場行動的學習過程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)變革在線學習的創(chuàng)新點在于將技術(shù)中介透明化，同學習者的身心認知融為一體，真正實現(xiàn)了心靈、身體與環(huán)境的無縫銜接。

3.虛擬現(xiàn)實重新定義在線學習發(fā)生的空間。智慧教育驅(qū)動學習空間由物化形態(tài)到智能形態(tài)、由異化到進化、由繼承到轉(zhuǎn)型的轉(zhuǎn)變[13]。學習空間研究關(guān)注學習者個性化學習訴求，融多樣化交互、知識共享、學習體驗于一體，聚焦于空間的設(shè)計開發(fā)與教學應(yīng)用研究。當前研究存在的主要問題包括認知缺乏共識、活躍性和智能性不足、紐帶地位不顯著等[14]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入學習空間將會大大增強學習者在線學習體驗的空間依賴感、依戀感和認同感，例如靳琰等基于Virtools開發(fā)了融合虛擬現(xiàn)實的大學英語虛擬學習空間[15]，褚樂陽等基于數(shù)字孿生技術(shù)融合虛擬現(xiàn)實構(gòu)建了虛實共生的智慧學習空間，建構(gòu)在線教師數(shù)字孿生體，打造全息創(chuàng)新孿生學習課堂空間[16]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)“認知一身體一環(huán)境”深度融合，將開創(chuàng)在線學習空間建設(shè)的新方向。

虛擬現(xiàn)實課件從課時學習的體量創(chuàng)設(shè)仿真場景、關(guān)聯(lián)知識對象、設(shè)置交互模式，重構(gòu)了傳統(tǒng)課件的形態(tài)，同時也改變了基于課件的在線學習方式。虛擬現(xiàn)實課件資源開發(fā)應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，例如蔡華探討了工程制圖課件[18]、吳強開發(fā)了“太空授課”課件[19]、肖揚等制作了醫(yī)學多媒體課件[20]等，當前研究聚焦在多學科覆蓋、課程體系化開發(fā)、學科知識交叉設(shè)計等方面。

虛擬現(xiàn)實課件設(shè)計的基本流程包括：（1）前端分析，包括學習特征分析、學習需要分析、學習目標確定和學習內(nèi)容組織;（2）場景腳本設(shè)計，知識點附著對象設(shè)計、知識點表現(xiàn)場景設(shè)計、知識點連接方式設(shè)計、交互方式設(shè)計、評價設(shè)計等;（3）運行結(jié)構(gòu)設(shè)計，課件導航漫游設(shè)計、多通道交互策略設(shè)計、提示與幫助策略設(shè)計等;（4）課件開發(fā)，開發(fā)工具包括圖形圖像處理工具、三維模型建構(gòu)工具和虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具等;（5）課件測試，對于課件內(nèi)容、模型、場景、交互等進行完善修正，最終發(fā)布使用。

虛擬現(xiàn)實課件開發(fā)的主流軟件包括：Director、VR-platform和Unity3D等。

3.虛擬現(xiàn)實在線課程

在線課程是開展在線教育的基礎(chǔ)和保障。然而，當前的在線課程多是基于課堂實錄和演播室錄制的形式，仍然未擺脫追求面對面教學精準仿制的窠臼。虛擬現(xiàn)實引入在線課程開發(fā)為在線課程建設(shè)提供了新的視角。

基于虛擬現(xiàn)實的在線課程開發(fā)可以有兩種模式，一是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)取代傳統(tǒng)課程資源的一個或若干組成部分，實現(xiàn)傳統(tǒng)課程資源進一步提質(zhì)增效，例如李小平等基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于精品課程的導航方式和資源的調(diào)用交互方式進行了優(yōu)化，深入挖掘課程內(nèi)容與AR、VR的結(jié)合點，開發(fā)出了全方位的漫游式課程教學平臺[21]。二是完全開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的在線課程，形成創(chuàng)新的在線課程建設(shè)模式，例如佛羅里達大學開發(fā)了面向師范生能力培養(yǎng)的課程TeachlivE，該課程實現(xiàn)了虛實融合的混合學習環(huán)境，師范生可以獲得真實課堂體驗的沉浸感知，能夠有效培養(yǎng)師范生的專業(yè)教學技能，彌補傳統(tǒng)實訓的薄弱環(huán)節(jié)，提高教師培養(yǎng)質(zhì)量[22]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在技能實訓類課程、機械類課程等偏向表現(xiàn)、操作型在線課程開發(fā)中應(yīng)用潛力巨大。

4.虛擬現(xiàn)實在線實驗

基于虛擬現(xiàn)實的虛擬實驗已經(jīng)成為在線學習資源優(yōu)勢凸顯的前沿領(lǐng)域，虛擬實驗是“互聯(lián)網(wǎng)+智能+教育”實踐突破的關(guān)鍵領(lǐng)域，具有代表性的虛擬仿真“金課”已成為教育部著力打造的五大“金課”之一。相比當前主流的桌面級虛擬仿真實驗，增強現(xiàn)實、完全沉浸式的虛擬實驗將成為未來虛擬實驗的主攻方向。虛擬實驗為學生提供接近真實的體驗情境完成預期的實驗內(nèi)容，其自主、交互、沉浸、開放的顯著特征解決了在線資源一直難于克服的實踐瓶頸問題，由此提供全域課程的在線資源成為可能。伴隨SG通訊的興起和普及，基于虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)遠程同步實體操控成為可能，例如麻省理工學院實現(xiàn)了利用現(xiàn)成的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Oculus Rift）來遠程操作機器人，以滿足制造業(yè)中需要遠程操作的工作，福建醫(yī)科大學孟超肝膽醫(yī)院基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境實施了世界首例5G遠程外科手術(shù)動物實驗等，新技術(shù)的突破為探索在線虛擬實驗的新模式提供了嶄新的方向。

三、基于虛擬現(xiàn)實的在線教學組織

（一）分布式虛擬現(xiàn)實在線教學

分布式虛擬現(xiàn)實通過網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)設(shè)一種交互式的虛擬現(xiàn)實空間，處于異地的多個終端學習者可以進入同一個虛擬空間，根據(jù)場景設(shè)置的目標展開資源分享、協(xié)作交互、情境體驗等活動，其顯著優(yōu)勢是可以有效緩解個體學習容易產(chǎn)生的孤獨和焦慮情緒，對于學習過程具有良好的調(diào)節(jié)作用。應(yīng)用趨向包括：一是社會化的大型虛擬社區(qū)空間，代表性的平臺包括OpenSim、SecondLife和ActiveWorlds等，例如美國有超過150所高校二次開發(fā)SecondLife場景開展教學研究[23]。二是面向?qū)I(yè)領(lǐng)域定制開發(fā)具體的應(yīng)用平臺，例如曹鷺等開發(fā)了面向科學探究的虛擬3D星球[24]，夏志鵬等開發(fā)了操作指導型虛擬教師系統(tǒng)[25]，Andersen等開發(fā)了用于外科手術(shù)的教學模擬訓練系統(tǒng)[26]等。

分布式虛擬現(xiàn)實空間可以提供多樣化的交互方式、構(gòu)想化的教學場景、泛在化的學習體驗活動，有助于學生提高學習投入程度、進行高階思維活動。分布式虛擬現(xiàn)實在線教學的特征包括：一是共享虛擬教學空間，師生同時異地進入同一虛擬現(xiàn)實教學場景，開展相應(yīng)的教學與學習活動;二是基于化身的心流體驗，學習者可以選擇系統(tǒng)所提供的虛擬角色，與其他學習者之間以虛擬角色的形式展開交流互動，能夠有效消解傳統(tǒng)連線的“孤島”心理和現(xiàn)實交互的隔閡心理;三是互動方式自由可選，既可以是教師安排的多種教學活動，也可以是學生之間自主開展的多種學習活動，教與學空間融為一體實現(xiàn)個性化互動學習。分布式虛擬現(xiàn)實在線教學實施模式如圖2所示。

該教學模式提供給學習者與教師交織穿插的具身學習與教學活動：

1.學習者進行多場景學習活動。學習者可以根據(jù)學習需要選擇空間預設(shè)的學習場景，學習方式可以是一對一、一對多和多對多。學習活動包括：探究式學習，學習者在虛擬場景支持下通過進入問題情境、自主探究、協(xié)作探究和反思歸納，實現(xiàn)體驗式探究、交往式探究和創(chuàng)造性探究活動;協(xié)作式學習，學習者在協(xié)作式活動場景中展開旨在培養(yǎng)高級思維和能力的協(xié)作學習活動;體驗式學習，學習者基于具身式情境、反思性情境、概念形成情境和驗證性情境，實現(xiàn)深層次的知識生成與知識應(yīng)用;社會化學習，通過虛擬空間實現(xiàn)社會化場景模擬、社會性角色化身、社會化交流互動，學習者按照學習需求開展社會化學習。

2.教師開展多模態(tài)的教學活動。教師通過資源分享、情境展現(xiàn)與知識講授完成多種形式的教學，包括講授式教學、問題式教學、案例式教學和資源式教學等。創(chuàng)新之處在于：一是對于傳統(tǒng)教學模式重新建構(gòu)，主要體現(xiàn)在知識對象模型化、過程展現(xiàn)情境化、教師角色的實質(zhì)性改變;二是對于教學場景的適應(yīng)性按需切換，教師既可以使用單一的教學場景，也可以根據(jù)教學進程需求切換至所需的教學場景，還可以將教學活動與學習活動融合應(yīng)用。師生在教學活動中可以獲得接近真實的臨場感、操縱對象的交互感、視覺和聽覺等多通道感知、自由行動的漫游體驗。同時，教學與學習活動過程中師生的位置信息、交互信息、學習信息等被記錄、保存、分析、可視化展示，既可以作為評價教學成果有效支撐，又能夠作為調(diào)整場景設(shè)計和教學活動的參考。

（二）虛擬演播室多點同步在線教學

伴隨計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是5G通訊的逐漸普及應(yīng)用，基于固定終端或移動終端的異地雙向或多向的泛在化同步視頻互動成為主流，雖然當前基于視頻畫面本身的統(tǒng)計學研究取得了一定的成果，但研究視域的局限讓人們開始關(guān)注虛擬演播室技術(shù)，即探索如何將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入在線同步視頻教學之中，從而為同步視頻教學提供新的在線教學場域。

演播室教師終端虛實合成有兩種方式：一是虛擬背景實時生成，前景攝像機信息傳輸給工作站，動態(tài)生成與之相匹配的三維虛擬背景，實時地將前景與背景無縫融合;二是虛擬背景預設(shè)生成，即預先制作三維背景，預先定義前景攝像機參數(shù)，主要通過控制虛擬攝像機將前景與背景融為一體。從技術(shù)層面來看，實現(xiàn)虛實融合呈現(xiàn)理想教師端畫面：一是要注重真實前景的布置，包括藍箱、燈光系統(tǒng)、教輔物品、教師活動區(qū)域等;二是要注重虛擬背景的設(shè)置，包括課程教學場景、攝像追蹤捕捉、虛擬攝像機等。虛擬演播室多點同步在線教學實施模式如下頁圖3所示。

1.教師基于虛實融合場景設(shè)計教學，實現(xiàn)對于虛擬場景的動態(tài)掌控：一是操控虛擬模型對象，特別是現(xiàn)實中難于獲得或難于表現(xiàn)的對象，實現(xiàn)對于學習對象精細結(jié)構(gòu)的形象化科學解構(gòu);二是詮釋概念，將抽象的概念內(nèi)涵具象化，設(shè)置虛擬場景中對象的范圍更好表現(xiàn)概念的外延;三是探究原理，通過設(shè)置匹配場景展現(xiàn)某一原理反映的關(guān)系或作用的過程，實現(xiàn)對于原理深層次的理解;四是發(fā)現(xiàn)規(guī)律，通過設(shè)置多模態(tài)的虛擬場景，調(diào)整事件發(fā)生過程變量產(chǎn)生各異結(jié)果，啟發(fā)學習者認識規(guī)律、把握規(guī)律。

2.師生、生生之間實現(xiàn)更為有效的互動：一是互動方向，既可以是以教師為主的講授、問題式互動，也可以是以學生為主的協(xié)作式、提問式互動;二是互動方式，學生可以選擇多種設(shè)備，例如臺式電腦、筆記本電腦、PDA和智能手機等;三是互動范圍，學生可以在不同的地點實現(xiàn)泛在學習參與;四是互動程度，師生可以基于虛擬場景展現(xiàn)的對象或事件進行互動，實現(xiàn)程度更為深入的探討;五是互動意愿，虛實融合場景更能激發(fā)學生的學習動機，增強學生持續(xù)學習互動投入的愿望。

（三）虛擬現(xiàn)實在線仿真實驗教學

VR在線仿真實驗教學的顯著優(yōu)勢在于實驗場景、實驗過程、實驗指導、實驗結(jié)果的超越“真實”再現(xiàn)。學習者與虛擬實驗場景實現(xiàn)交互融合，即操作交互、信息交互與概念交互融為一體，智能化成為該類教學組織研究的新取向，體現(xiàn)在動態(tài)場景的個性化重構(gòu)，以及學習對象、學習任務(wù)、學習路徑等個性化引導方面?；诓煌膶嶒災康闹饕ㄈN類型，即面向?qū)嶒炦^程的模擬性實驗、面向數(shù)據(jù)處理的探究性實驗和面向真實問題求解的實證性實驗[27]，具體實驗項目的開發(fā)需要模型對象庫、實驗場景庫、教學策略庫等多種數(shù)據(jù)庫的支持。虛擬在線仿真實驗教學實施模式如圖4所示。

該模式包括四個組成部分：

1.教學準備。根據(jù)不同課程教學需求在系統(tǒng)中開發(fā)設(shè)置相應(yīng)的實驗課程，并且在每次實驗課程教學前及時發(fā)布實驗教學信息，在線學習者在安排時間點按時進入實驗系統(tǒng)中進行學習，教師在實驗教學前進行前端分析，包括學習需要分析、實驗內(nèi)容分析和學生特征分析，以便適應(yīng)虛擬實驗場景需求進行合理的教學設(shè)計。

2.教學實施。學習者進入對應(yīng)實驗類型場景，實驗過程是學習者與教師之間、學習者之間、學習者與場景之間多向互動的過程：一是真實教師化身指導，既可以是個性化指導也可以是班級指導;二是虛擬教師輔助，模仿一定的人類教師功能，為實現(xiàn)大規(guī)模在線個性化虛擬實驗教學提供了可能;三是在線同伴協(xié)作，學習者通過合作互助共同完成實驗任務(wù);四是智能反饋引導，例如文本提示、語音指導、視覺特征凸顯等，實現(xiàn)多感知通道的在線實驗學習變得未來可期。

3.教學監(jiān)控。該過程主要動態(tài)收集、分析學生學習過程數(shù)據(jù)，一是實驗數(shù)據(jù)分析，對于學習者多步驟實驗效果進行綜合細致的分析，二是學習行為分析，跟蹤記錄學習者完成每一實驗步驟的操作行為過程，從學習行為的視角對于學習者的學習成效進行綜合分析。

4.教學反饋。通過實驗數(shù)據(jù)分析和學習行為分析，形成學習者達成實驗學習目標的整體分析框架，一方面以可視化分析報告的形式反饋給學習者，另一方面分析結(jié)果也會智能化地反饋給底層數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)實驗場景的智能化完善。

四、融合虛擬現(xiàn)實的在線系統(tǒng)平臺

（一）融合虛擬現(xiàn)實的在線課程系統(tǒng)

以MOOC為核心的在線課程系統(tǒng)進入發(fā)展的成熟穩(wěn)定期，已然成為支撐當前二維在線教育資源的核心組成部分。然而當前在線課程仍然具有認知性存在、教學性存在和社會性存在水平不高的問題[28]，從已有的研究來看，提高服務(wù)于學習者學習的智能化技術(shù)和交互式設(shè)計水平成為研究關(guān)注的焦點問題，然而在同一技術(shù)形態(tài)創(chuàng)新存在天花板效應(yīng)的瓶頸時，探索應(yīng)用新型技術(shù)——虛擬現(xiàn)實，從局部創(chuàng)新突破不失為一個可選的解決方案。

將基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成熟開發(fā)模塊應(yīng)用于在線課程系統(tǒng)，形成融合虛擬現(xiàn)實的在線課程系統(tǒng)成為研究關(guān)注的未來趨勢：一是虛擬現(xiàn)實課程內(nèi)容模塊，開發(fā)專門的面向多學科課程的虛擬現(xiàn)實內(nèi)容模塊，來替代傳統(tǒng)二維的文本、課件和視音頻資源，形成基于三維場景的新型課程內(nèi)容開發(fā)體系。二是智能化三維虛擬助手模塊，基于智能Agent技術(shù)和自然語言交互技術(shù)，可以創(chuàng)設(shè)智能化的虛擬助手，實現(xiàn)的功能包括：學習導航，既可以是學習路徑等淺層次的導航，也可以是學習過程中符合學習狀態(tài)的深層次導航;問題答疑，隨時解答學習者提出的課程相關(guān)問題;情緒調(diào)節(jié)，實現(xiàn)一定程度人際間的交流對話。三是體驗式的虛擬現(xiàn)實學習社區(qū)，有研究表明基于虛擬世界的交互有利于提高學習投入、穩(wěn)固知識記憶、規(guī)避物理危險，基于當前成熟的虛擬現(xiàn)實社區(qū)二次開發(fā)或重新開發(fā)，創(chuàng)設(shè)符合課程特征的社交場景，提供虛擬化身角色多樣可選，實現(xiàn)交互方式多模態(tài)按需選用。

（二）融合虛擬現(xiàn)實的移動學習系統(tǒng)

基于虛擬現(xiàn)實的移動學習研究聚焦的領(lǐng)域包括：一是虛擬現(xiàn)實教學視頻，可以擺脫移動端二維屏幕視域與實際范圍限制，跟蹤人的脖頸和眼睛方位移動，實現(xiàn)沉浸式虛擬現(xiàn)實教學視頻學習;二是創(chuàng)建、調(diào)整和分享三維學習對象，例如Prajapati等基于智能手機開發(fā)了可多人共享觀看操控的病理學對;象三維模型，添加了案例注釋和解剖注釋[29];三是同現(xiàn)實環(huán)境實時融合，增強對于現(xiàn)實環(huán)境的理解或創(chuàng)造一種新的學習情境;四是移動學習教材，讓靜態(tài)教材融入“魔法世界”，例如全國首個可AR識別課本，學生只需要利用手機就可以讓課本上的人物動起來，學習標準口語等。融合虛擬現(xiàn)實的移動學習系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖5所示。

1.學習者基于輔助的AR/VR眼戴、頭戴設(shè)備開展移動學習。學習者在虛擬或虛實融合的場景中可以不受時間、地點和范圍的限制進行多種方式的交互，包括基于手勢、語音、眼動等身體參與的多模態(tài)互動，有助于充分激發(fā)學習者動機、增加學習者投入、維持學習者興趣。學習者體驗（融入現(xiàn)實的）沉浸式學習場景，開展符合個體特征的個性化學習、符合學習內(nèi)容展開場景的情境化學習以及隨心所欲的泛在化學習。

2.學習過程依托移動設(shè)備平臺，比如智能手機或AR/VR眼戴、頭戴設(shè)備等，支撐技術(shù)包括：跟蹤注冊，既需要使用者的空間定位跟蹤，也需要虛擬物體在真實空間中的定位，完成虛擬信息與真實環(huán)境在三維空間位置中配準注冊，實現(xiàn)虛擬信息與真實場景的無縫疊加;融合顯示，除了硬件顯示器的選取之外，還要注重實時渲染、視頻壓縮等技術(shù)的應(yīng)用，融合的關(guān)鍵是合理處理真實事物與虛擬事物的相互關(guān)系，具備的條件包括幾何一致、模型真實、光照一致和色調(diào)一致;交互技術(shù)，輔助虛擬對象在真實場景中更好的呈現(xiàn)，主要交互方式包括點位選取交互、基于特定姿勢或狀態(tài)交互和基于特制工具的交互。

3.移動設(shè)備配置內(nèi)容包括：一是適于開展移動學習的APP應(yīng)用，主要是適于開展基于AR/VR移動學習的課程、視頻、實驗等應(yīng)用，也可以是游戲等生活娛樂類應(yīng)用;二是附屬應(yīng)用，比如陀螺儀、加速度計、藍牙等輔助定位及顯示;三是基于Android/IOS操作系統(tǒng)，隨著軟硬件集成技術(shù)的發(fā)展，基于Windows操作系統(tǒng)的AR眼鏡（Hololens）代表了當前發(fā)展的前沿。

（三）融合虛擬現(xiàn)實的游戲化學習系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實教育游戲是身體、認知、環(huán)境的動態(tài)統(tǒng)一，伴隨生理檢測技術(shù)教育應(yīng)用的逐漸成熟，基于認知神經(jīng)科學視角開展游戲化學習研究成為重要研究方向，例如李海峰等構(gòu)建了具身認知教育游戲開發(fā)框架[30]等。此外基于增強現(xiàn)實技術(shù)的移動游戲?qū)W習，以新穎的游戲關(guān)卡為動力、融合二維碼技術(shù)讓學習泛在便利化，具有的虛實融合的顯著遷移特性、三維模型場景互動、適時作用的持續(xù)沉浸，使其成為升級移動學習的創(chuàng)新模式，例如田元等提出了移動增強現(xiàn)實教育游戲分層設(shè)計模型[31]，葉強等設(shè)計開發(fā)了“運動吧”體感游戲[32]等。

虛擬現(xiàn)實基于現(xiàn)實又超越現(xiàn)實的特性，使其天生具有游戲元素的內(nèi)在秉性。虛擬現(xiàn)實教育游戲研究的逐步聚焦與實踐效益的日漸顯現(xiàn)，設(shè)計開發(fā)專門的虛擬現(xiàn)實游戲化學習系統(tǒng)創(chuàng)生在線教育生態(tài)成為必然的研究趨勢。虛擬現(xiàn)實游戲化學習系統(tǒng)開發(fā)可以有兩種思路：

一是將專門開發(fā)的面向特定功能的虛擬現(xiàn)實教育游戲融合入現(xiàn)有的課程學習系統(tǒng)，用以替代對應(yīng)課程學習系統(tǒng)的部分功能，例如曲茜美等針對MOOC輟學率高等問題，運用情境故事的方式，進行了MOOC游戲化模型設(shè)計，并且在“游戲化教學法”MOOC中進行了實證，取得了預期的教學效果，同時指出將虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實技術(shù)融入模型中是未來發(fā)展趨勢[33]。

二是依托成熟的游戲開發(fā)平臺或原型，打造專門的游戲化學習系統(tǒng)，例如較為成熟的專門發(fā)布和售賣VR應(yīng)用的平臺Steam VR，不僅提供分布在該平臺上的VR游戲的標準，而且還提供了開發(fā)VR游戲的軟件開發(fā)工具包。當然，融合虛擬現(xiàn)實的游戲化學習平臺不僅僅是技術(shù)實現(xiàn)問題，在線教學設(shè)計、學習方式、教學方式、交互方式、開發(fā)標準等一系列“軟”問題需要理論研究與實踐研究的深入推進，可以預見的是基于虛擬現(xiàn)實的游戲?qū)W習將是新一代學習生態(tài)的重要組成部分，相應(yīng)的游戲平臺開發(fā)將會是研究關(guān)注的聚焦領(lǐng)域。

五、結(jié)束語

智慧教育推動學校教育改革如火如荼開展的同時，在線教育需不需要加快發(fā)展提質(zhì)增效？能不能成為智慧教育時代教育改革的突破口？

虛擬現(xiàn)實在重塑學習資源結(jié)構(gòu)、教學組織模式和系統(tǒng)平臺架構(gòu)等方面應(yīng)用效益顯著、發(fā)展?jié)摿薮?。虛擬現(xiàn)實重塑在線教育的深入推進還需要在以下方面做出努力：

（一）開發(fā)虛擬現(xiàn)實在線學習資源體系，推動虛擬現(xiàn)實在線學習資源廣泛應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實在線學習資源形態(tài)完全不同于傳統(tǒng)的在線資源，目前開發(fā)成本和技術(shù)難度成為制約其廣泛應(yīng)用的首要因素。雖然虛擬現(xiàn)實在線學習資源已經(jīng)創(chuàng)生出了不同的類別，但是模仿二維資源痕跡明顯、資源的集聚效益尚不顯著。因此，需要采取以下措施：一是設(shè)計開發(fā)資源新類別，改變傳統(tǒng)在線資源被動供給的固有認識，向主動智能化服務(wù)于學習者的思路轉(zhuǎn)變;二是創(chuàng)設(shè)簡易化、模塊化開發(fā)環(huán)境，充分借鑒較為成熟的商業(yè)化開發(fā)平臺，專門打造面向教育領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實在線學習資源開發(fā)環(huán)境;三是探索資源服務(wù)體系架構(gòu)，從資源服務(wù)全過程的宏觀戰(zhàn)略視角對于虛擬現(xiàn)實在線學習資源的整合發(fā)展進行謀篇布局;四是鼓勵校企合作共同開發(fā)，充分借鑒企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢，扶持高校設(shè)立專門的工程中心，及時將最前沿的技術(shù)運用于資源開發(fā)之中。

（二）創(chuàng)新虛擬現(xiàn)實在線教學組織模式，推動虛擬現(xiàn)實在線教學設(shè)計理論建構(gòu)

從已有的虛擬現(xiàn)實在線教學案例研究來看，利用技術(shù)的場景創(chuàng)新占據(jù)主導形式，雖然大多基于傳統(tǒng)的教學設(shè)計框架，但是仍表現(xiàn)出了未來可期的應(yīng)用潛力。同時不無擔心的是經(jīng)過了表現(xiàn)形式的新奇階段后，會不會依然落人傳統(tǒng)在線教學的窠臼？這就需要在大量實踐的基礎(chǔ)上，建構(gòu)與之相匹配的教學設(shè)計理論體系。因此，需要采取以下措施：一是打造示范性的虛擬現(xiàn)實在線教學組織模式，集中當前前沿的技術(shù)力量、匯聚理論專家進行科學設(shè)計，形成可操作可推廣的實踐模式，發(fā)揮示范引領(lǐng)作用;二是建設(shè)探索性的虛擬現(xiàn)實在線教學示范區(qū)，示范區(qū)可以采取分級建設(shè)統(tǒng)籌管理的思路，在示范區(qū)中規(guī)模化推廣應(yīng)用虛擬現(xiàn)實在線教學;三是不遺余力地進行理論探索與創(chuàng)新，從虛擬現(xiàn)實環(huán)境的全新特征出發(fā)，打破傳統(tǒng)在線教學設(shè)計的固有思維，形成基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的在線教學設(shè)計理論框架。

（三）研究虛擬現(xiàn)實在線系統(tǒng)平臺架構(gòu)，推動虛擬現(xiàn)實在線系統(tǒng)平臺標準研制

傳統(tǒng)在線系統(tǒng)平臺主要發(fā)揮資源的匯聚效應(yīng)，方便學習者快速找到所需的學習內(nèi)容，而虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺主要體現(xiàn)資源的融合效應(yīng)，消解不同學科之間存在的天然屏障，實現(xiàn)在線教學全方位的變革。虛擬現(xiàn)實在線系統(tǒng)平臺研究屬于前瞻性探索，需要由易到難、由局部到整體分階段逐步建立全新的在線教育生態(tài)。因此，需要采取以下措施：一是基于傳統(tǒng)系統(tǒng)平臺升級改造， “另起爐灶”模式無疑是對于已有資源的巨大浪費，需要研究傳統(tǒng)系統(tǒng)平臺以及承載資源在升級過程中的最大化利用方式;二是借鑒成熟的商業(yè)化虛擬現(xiàn)實平臺技術(shù)架構(gòu)，引導具有技術(shù)優(yōu)勢的企業(yè)向在線教育系統(tǒng)平臺研發(fā)方面聚焦，探索融合在線教育的系統(tǒng)平臺改造架構(gòu)模式;三是從可推廣應(yīng)用的宏觀層面研制虛擬現(xiàn)實在線系統(tǒng)平臺標準，標準的制定既要考慮國外最新的研究成果，也要符合我國在線教育發(fā)展現(xiàn)狀與未來需求。

參考文獻：

[1]楊改學.遠程教育[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2][加]琳達·哈拉西姆.肖俊洪譯.協(xié)作學習理論與實踐——在線教育質(zhì)量的根本保證[J].中國遠程教育，2015，（8）：5-16+79.

[3]張立國，王國華.在線教育的理論與實踐[M].北京：科學出版社，2019.

[4]劉曉琳，胡永斌等.全球視野下美國K-12混合與在線教育的現(xiàn)狀與未來——與K-12在線教育國際聯(lián)盟副主席艾雷森·鮑威爾博士的學術(shù)對話[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2015，（1）：3-11.

[5]殷寶媛，陳麗.在線教育自組織系統(tǒng)的科學原理與趨勢分析[J].電化教育研究，2018，（3）：56-61.

[6]費少梅，王進等.信息技術(shù)支持的SCH-SPOC在線教育新模式探索和實踐[J].中國大學教學，2015，（4）：57-60.

[7] EDUCAUSE.2020 ECUCAUSE Horizon Report [EB/OL].https：//library.educause.edu/resources/2020/3/2020-educause-horizon-report-teaehing-and-leaming-edition，2020-03-02.

[8]趙一鳴，郝建江等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用研究演進的可視化分析[J].電化教育研究，2016，（12）：26-33.

[9]沈陽，逯行等.虛擬現(xiàn)實：教育技術(shù)發(fā)展的新篇章——訪中國工程院院士趙沁平教授[J].電化教育研究，2020，（1）：5-9.

[10]劉革平，謝濤.三維虛擬學習環(huán)境綜述[J].中國電化教育，2015，（9）22-27.

[11]王靖，陳衛(wèi)東.具身認知理論及其對教學設(shè)計與技術(shù)的應(yīng)用啟示[J].遠程教育雜志，2012，（3）：88-93.

[12]李志河，李鵬媛等.具身認知學習環(huán)境設(shè)計：特征、要素、應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].遠程教育雜志，2018，（5）：81-90.

[13]沈書生.學習空間的變遷與學習范式的轉(zhuǎn)型[J].電化教育研究，2018，（8）：59-63+84.

[14]楊現(xiàn)民，趙鑫碩等網(wǎng)絡(luò)學習空間的發(fā)展：內(nèi)涵、階段與建議[J].中國電化教育2016，（4）：30-36.

[15]靳琰，楊明托.基于Virtools開發(fā)平臺設(shè)計大學英語的虛擬學習空間[J].外語電化教學，2017，（4）：17-22.

[16]褚樂陽，陳衛(wèi)東等.虛實共生：數(shù)字孿生（DT）技術(shù)及其教育應(yīng)用前瞻——兼論泛在智慧學習空間的重構(gòu)[J].遠程教育雜志2019，（5）：3-12.

[17]方程，袁亞興.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在微課制作中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2017，（16）：209-210+242.

[18]蔡華.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程制圖課件中的應(yīng)用[J].遼寧師專學報（自然科學版），2016，（4）：90-93.

[19]吳強.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的課件設(shè)計——以“太空授課”系統(tǒng)開發(fā)為例[J].中國信息技術(shù)教育，2016，（7）：81-83.

[20]肖揚，馮煊.虛擬現(xiàn)實醫(yī)學多媒體課件制作技術(shù)[J].醫(yī)學信息學雜志，2015，（1）：89-93.

[21]李小平，張琳等.虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實下混合形態(tài)教學設(shè)計研究[J].電化教育研究，2017，（7）：20-25+50.

[22]曹彥杰.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在美國教師教育中的應(yīng)用研究——以中佛羅里達大學為例[J].比較教育研究，2017，（6）：93-102.

[23]丁楠，汪亞珉.虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017，（2）：19-25.

[24]曹鷺，Michaelj.Jacohson等.利用虛擬世界及基于代理的模型學習科學探究——計算機化科學探究模型淺析[J].中國電化教育，2017，（7）：33-41.

[25]夏志鵬，劉革平.三維虛擬學習環(huán)境中操作指導型虛擬教師設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國電化教育，2016，（5）：98-103.

[26] Andersen SAW，Konge L，et al.The effect of distributed virtual realitysimulation training on cognitive load during suhsequent dissectiontraining [J].Med 'reach，2018，40（7）：684-689.

[27]黃榮懷，鄭蘭琴等.虛擬實驗及其學習者可信度認知[J].開放教育研究，2012，（6）：9-15.

[28]白雪梅，馬紅亮等.在線課程有效性的實證研究——基于某師范類大學四個不同專業(yè)的800個研究樣本[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017，（2）：92-98.

[29] Prajapati，S，Samuel，J，et al.Using Smartphones to Capture，Share，and Experience Virtual Reality 3D Models for Pathology Education[J].MODERN PATHOLOGY，2017，30（2）：143A.

[30]李海峰，王煒.基于具身認知理論的教育游戲設(shè)計研究——從EGEC框架構(gòu)建到“環(huán)衛(wèi)斗士”游戲的開發(fā)與應(yīng)用[J].中國電化教育，2015，（5）：50-57.

[31]田元，周冪等.基于移動增強現(xiàn)實的學齡前兒童教育游戲研究與設(shè)計[J].電化教育研究，2019，（4）：68-75.

[32]葉強，徐凱等.兒童體育活動課程中增強現(xiàn)實體育游戲的設(shè)計與應(yīng)用[J].中國電化教育，2018，（1）：122-128.

[33]曲茜美，曾嘉靈等.情境故事視角下的MOOC游戲化設(shè)計模型研究[J].中國遠程教育，2019，（12）：56-62.

作者簡介：

劉革平：教授，博士生導師，研究方向為智慧學習環(huán)境、在線教育系統(tǒng)和教育信息化戰(zhàn)略（liugp@swu.edu.cn）。

王星：在讀博士，研究方向為智慧學習環(huán)境（xwangc@163.com）。*本文系西南大學教育教學改革研究項目重大專項“基于現(xiàn)代信息技術(shù)的交互式課堂教學改革的探索與實踐”（項目編號：2019ZDJY004）、2020年重慶市高等教育教學改革研究項目“信息技術(shù)與高校教學深度融合研究”（項目編號：201004）研究成果。