徐鳳婷 曹衛(wèi)真

摘? 要 虛擬現(xiàn)實技術融入智慧學習環(huán)境，可為學習者提供沉浸式、個性化、智能化的學習體驗，成為近年來研究的熱點話題。在分析虛擬現(xiàn)實技術融入智慧學習環(huán)境的理論依據(jù)、實踐依據(jù)、技術支持以及主要原則的基礎上，以虛擬現(xiàn)實技術為主導，融入智慧學習環(huán)境要素，構建融合學、教、管、評、創(chuàng)的LTMEC-VR智慧學習環(huán)境模型。該模型具備交互性、體驗性、沉浸性、啟發(fā)性和智能性，支持學生的“學”與“創(chuàng)”，促進教師的“教”與“評”，便于管理者智能化地“管”，以期為虛擬現(xiàn)實、人工智能、大數(shù)據(jù)等智能技術融入智慧學習環(huán)境，更好地支持教與學助力。

關鍵詞 虛擬現(xiàn)實;智慧學習環(huán)境;情境學習;人工智能;教育信息化

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）07-0012-05

1 問題的提出

近年來，虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展迅猛，以其具有強交互、高仿真、深體驗等特性而逐漸受到教育界的廣泛關注。教育部辦公廳2018年2月印發(fā)的《2018年教育信息化和網(wǎng)絡安全工作要點》和2019年3月印發(fā)的《2019年教育信息化和網(wǎng)絡安全工作要點》中都明確提出要推動大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用。2019年11月，教育部發(fā)布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中明確鼓勵利用虛擬現(xiàn)實等技術手段呈現(xiàn)因受時空限制而在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環(huán)境有危害的實驗[1]。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是以交互式計算機技術為核心，創(chuàng)建與真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化虛擬環(huán)境，用戶借助于專業(yè)設備與該虛擬環(huán)境中的對象進行交互，可產(chǎn)生身臨其境、跨越時空的感受及體驗的科學技術[2]。然而，應用VR技術進行教與學的實踐仍在艱難探索中，國內(nèi)關于虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境的相關教學研究和應用還處于探索階段，VR技術不能滿足個性化、智能化學習的問題也日漸凸顯。

隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的應用與普及，學習環(huán)境作為支撐教與學的重要學習場所，越發(fā)趨于智慧化，從而衍生出智慧學習環(huán)境。智慧學習環(huán)境是一種能感知學習情境、識別學習者特征和提供適當?shù)膶W習資源及便利互動工具、自動記錄學習過程及評測學習成果，以促進學習者有效學習的活動空間[3]。智慧學習環(huán)境能夠支持學生自主學習的構建，并提供及時的學習指導，是數(shù)字化學習環(huán)境的一種高級形式，能夠很好地彌補VR技術不能提供個性化、智能化學習的不足，但其無法提供生動逼真的真實體驗，信息冗余而學習者注意力難以集中導致的認知負荷超量問題，也成為近年來研究者關注的問題。5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術為促進VR與智能技術的融合發(fā)展提供了新機遇。VR技術與人工智能技術相結合，促進了教學媒體向?qū)W習環(huán)境的轉變，學習環(huán)境從物理環(huán)境延伸至虛擬空間，催生出個性化、智慧化的學習資源與環(huán)境。筆者結合虛擬現(xiàn)實技術和智慧學習環(huán)境的要素，嘗試構建基于虛擬現(xiàn)實技術的智慧學習環(huán)境模型，以期為VR技術更好地服務于教育教學助力。

2 VR技術融入智慧學習環(huán)境的依據(jù)與原則

基于VR技術的智慧學習環(huán)境是指以VR技術為主導，通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等新興技術的融入與支持，為教師和學生提供教與學的智能化服務，有效促進學生學習的智能化、個性化、集成化的數(shù)字虛擬學習環(huán)境。

VR技術融入智慧學習環(huán)境的主要依據(jù)

1）理論依據(jù)。具身認知理論、建構主義理論、情境認知理論是VR技術融入智慧學習環(huán)境的主要理論依據(jù)。具身認知理論認為體驗是知識獲取中不可缺少的途徑，環(huán)境/情境是保證認知不可缺少的條件[4]。理想的學習環(huán)境應該包括情境、交流、協(xié)作和意義建構四個部分，而學生的認知活動是一個多元動態(tài)且與學習環(huán)境主動建構的過程。以VR和人工智能等新技術開展具身學習及個性化學習等教與學的活動，成為教育信息化2.0時代教育發(fā)展的新要求[5]。情境認知理論強調(diào)個體與真實情境的互動，認為情境是學生的思維認知與行動的基礎[6]?；赩R技術的智慧學習環(huán)境中所創(chuàng)設的接近真實情境的場景，能夠促進學生在學習過程中不斷反思與交流互動，提供給教師更多的過程性幫助，幫助教師開展真實評價。建構主義理論主張世界是客觀存在的，但是對于事物的理解卻是由個人所決定，重視個體與環(huán)境之間的交互作用所產(chǎn)生的新知識的意義建構，強調(diào)情境在促進學生進行意義建構中的重要作用，學習總是與一定的社會文化背景（即情境）相聯(lián)系的，學生在實際情境中學習，利用原有的認知結構對新知識進行同化與順應，從而實現(xiàn)有意義學習?；赩R技術的智慧學習環(huán)境中的學習情境是復雜的，不僅包含學習環(huán)境的設計，還需提供個性化的學習資源服務。

2）實踐依據(jù)。近年來，VR技術與智慧學習環(huán)境在教育教學中的實踐研究取得一定的成果。VR技術在教育中的應用使學生進入現(xiàn)實課堂無法實現(xiàn)的更接近教學內(nèi)容的虛擬場景，幫助學生對所學知識進行意義建構和對已有知識的重組，從而加深對具體情境和特殊內(nèi)容的真實感知，促進對知識的深刻理解。信息技術與教育教學的深入融合催生出智慧教育，智慧學習環(huán)境為實現(xiàn)智慧教育發(fā)揮了不可替代的作用。智慧學習環(huán)境結合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術為教育教學的變革助力，提供高效化、強交互、智能化等方面的教學與管理支持服務。VR融入智慧學習環(huán)境實現(xiàn)學習環(huán)境從單一走向多元、從封閉走向開放，打造更加個性化、公平化、智慧化的學習場所。

3）技術支持。VR、5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術是主要的技術支撐。運用VR技術實現(xiàn)物理空間和虛擬空間的延伸和擴展，為學生提供身臨其境的強交互、深體驗和高沉浸的智慧學習環(huán)境。5G作為數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡，強調(diào)以用戶為中心，其峰值速率與超大網(wǎng)絡容量能夠有效滿足VR的大數(shù)據(jù)量傳輸與物聯(lián)網(wǎng)通信順暢。人工智能技術的發(fā)展使VR技術更加智能化，不僅可以模擬和還原現(xiàn)實世界中的某些情況，并構建智能的虛擬現(xiàn)實模擬教學環(huán)境，而且可以大大增強虛擬世界的效果和用戶的互動體驗，不斷為學生提供支持和指導，更自然地反饋用戶行為，幫助學生克服困難并大大提高學習效率[7]。通過物聯(lián)網(wǎng)將智慧學習環(huán)境中的智能傳感器、智能環(huán)控設備等進行連接，實現(xiàn)對環(huán)境的溫度高低、光線強弱、空氣調(diào)換、開關聲控等智能化調(diào)控。智能交互設備為教師和學生提供多通道的展示效果，為開展靈活多樣的教與學提供便利。在人工智能技術的支持下，學生的差異可以得到充分尊重，并且支持學生根據(jù)自己的實際情況定制學科、課程或知識點，以滿足他們的個性化需求[8]。借助大數(shù)據(jù)分析技術，面部表情特征分析有利于掌握學生的實時情況，迅速作出決策，從而為學生提供適當?shù)膶W習材料和指導，并滿足學生的動態(tài)學習需求。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術的融入與支持，學習環(huán)境向更加智能化、數(shù)據(jù)化以及適應性的智慧學習環(huán)境方向發(fā)展[9]，實現(xiàn)了實體環(huán)境與虛擬學習空間的整合，教學將更加身臨其境、互動化、智慧化。

VR技術融入智慧學習環(huán)境的主要原則? 基于VR技術的智慧學習環(huán)境建設主要包括個性化學習、情境化學習、智能化學習這三方面的原則。根據(jù)學生的個體差異進行個性化的教與學是智慧學習環(huán)境必不可少的重要原則。隨著智能技術在學習環(huán)境中的應用與普及，為實現(xiàn)個性化教與學的教育愿景帶來更多的可能。通過身體器官感知與學習環(huán)境的交互，促使學生開展具身體驗、合作交流以及情境交互等活動。借助于智能技術預測學生的狀態(tài)，促進學生將身體融入課堂學習，提高學習效率。隨著學習方式日趨多樣化，學習場景日趨多元化，情境化學習成為學習環(huán)境設計的重要考慮因素之一。通過創(chuàng)設相應的知識情境，學生在情境學習過程中生成經(jīng)驗，提高解決問題的能力。這里的情境不僅僅代表真實情境，也包括虛擬情境、抽象化情境等。情境化學習強調(diào)人與環(huán)境的互動，通過豐富的情境，激發(fā)學生的學習興趣與積極性，多感官參與來感知知識。與傳統(tǒng)的學習環(huán)境相比，智慧學習環(huán)境的構建更注重為學生提供智能化的學習支持服務，包括物理環(huán)境、資源推送、數(shù)據(jù)分析、科學評價等方面。智能化學習的實現(xiàn)最終落地到每位學生的自適應學習與個性化學習中，建設基于VR技術的智慧學習環(huán)境能夠在實體設施、教與學資源、管理與評價等方面提供更多的支持。

3 LTMEC-VR智慧學習環(huán)境模型建構

智能時代的快速發(fā)展對個性化、情境化、智能化等學習方式的需求度逐漸提高，構建基于VR技術的智慧學習環(huán)境的重要性日漸凸顯。在分析VR技術融入智慧學習環(huán)境的依據(jù)與原則的基礎上，本文以VR技術為主導，融入智慧學習環(huán)境的要素，構建融合學（Learn）、教（Teach）、管（Manage）、評（Evaluate）、創(chuàng)（Create）的LTMEC-VR智慧學習環(huán)境模型，如圖1所示。在該模型中，學習環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)物理環(huán)境與虛擬環(huán)境相融合，支持學生個性化的學與創(chuàng)，促進教師的教與評，便于管理者智能化地管，提供給學生自適應和個性化的學習資源服務，支持正式與非正式學習?；赩R技術的智慧學習環(huán)境有著交互性、體驗性、沉浸性、啟發(fā)性與智能性等特征。

交互性? VR技術使用多種傳感器與多維智能的環(huán)境發(fā)生交互作用，當學生移動時，整個虛擬視景也隨之移動，這是區(qū)別于其他技術媒體的一大特性。不僅僅是虛擬視景作用于人，人也可以對虛擬環(huán)境進行控制并交互，實現(xiàn)各種有效而生動的反饋，由學生主動地根據(jù)視景進行實時交互。教師從VR教育云平臺的虛擬資源庫中調(diào)取相應資源，為學生提供視、聽、觸覺等多維反饋，激發(fā)學生積極與虛擬環(huán)境進行交互?；赩R技術的智慧學習環(huán)境支持多元交互工具，便于生生、師生互動交流，搭建逼真的學習情境幫助學生與虛擬客體進行交互，促進學生深層次認知建構。

體驗性? 有別于課本知識的一維形式、視頻知識的二維形式，虛擬現(xiàn)實技術支持的知識形式是三維立體的[10]。學生在虛擬環(huán)境中的學習行為以體驗為主，以第一視角進行體驗，克服外界干擾，促進學習的整體感知。通過虛擬的三維動態(tài)視景，學生能夠在虛擬學習環(huán)境中獲得全方位、更逼真的“真實”體驗。學生擁有身臨其境的浸入式體驗，對環(huán)境所承載的知識或信息進行順應、同化和遷移，從而進行有意義建構，促進學習的發(fā)生。

沉浸性? 虛擬學習技術支持的學習環(huán)境強調(diào)學生的沉浸式學習狀態(tài)，通過VR設備構建虛擬的、個體的學習環(huán)境，使學生在該環(huán)境中進行個體化的學習和感知[11]。學生全身心投入虛擬學習環(huán)境中，強調(diào)學生的主體作用，通過多感官感知，不僅是視覺的感知沉浸，更是聽覺、觸覺、力覺甚至嗅覺的身體與運動感知沉浸，是更深層次的心靈沉浸，突破以往常規(guī)的鍵盤和鼠標發(fā)生作用，為學生營造智能的學習環(huán)境。VR技術實現(xiàn)多感官參與，打破時空局限，使學生完全沉浸于虛擬的學習情境。

啟發(fā)性? VR技術支持的智慧學習環(huán)境可以模擬真實世界，跨越時空障礙，呈現(xiàn)過去與現(xiàn)在、遠方與近處的虛擬視景，學生能在體驗、沉浸、交互的基礎上進行啟發(fā)性學習。在基于VR技術的智慧學習環(huán)境中，學生可以實時與同伴、教師分享感受或疑問，通過分析差異進行頭腦風暴，批判性地掌握結構化知識，實現(xiàn)情境與抽象概念的有機結合。虛擬世界所提供的空間讓學生從定性和定量綜合集成的智能環(huán)境中得到深層次的感知和理性認識，深化概念理解與掌握，萌發(fā)更多創(chuàng)造性的想法，從而培養(yǎng)想象力和創(chuàng)造力。

智能性? 借助于人工智能、大數(shù)據(jù)、學習分析等智能技術的支持，基于VR技術的智慧學習環(huán)境為學生提供物理環(huán)境智能調(diào)控和智能化學習支持，能動態(tài)識別學生個性學習特征（包括學習風格、學習偏好、學習需求等）和認知情況（包括認知基礎與認知水平）;根據(jù)數(shù)據(jù)分析技術動態(tài)提供個性化推薦，支持教師與學生靈活互動、多元評價等。VR技術的引入可以為學生提供真實世界所不具備的學習機會，而智能技術的融入使學生的學習不受時空局限，為培養(yǎng)學生思維和創(chuàng)造力提供更高效的支持[12]。

4 LTMEC-VR智慧學習環(huán)境模型的應用

在5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等智能技術的支持下，基于VR技術的智慧學習環(huán)境能夠為教師、學生、管理者提供新的應用模式，如圖2所示。運用VR技術實現(xiàn)物理空間和虛擬空間的延伸和擴展，為學生提供身歷其境的強交互、深體驗和高沉浸的智慧學習環(huán)境。5G技術的高帶寬、低延時、大容量特性為獲取VR教育云平臺的教育教學資源提供支持。物聯(lián)網(wǎng)融入智慧學習環(huán)境，可實現(xiàn)物物互聯(lián)、人人互聯(lián)、人物互聯(lián)，為教師和學生提供多通道的展示效果，為開展靈活多樣的教育教學提供便利。VR教育云平臺與智能移動終端為教與學提供資源服務，對學生應用VR進行體驗、交互、協(xié)作和評價及教師教學全過程的數(shù)據(jù)進行同步與存儲，便于教師和學生課后進行反思、評價，為管理者對學習環(huán)境的實時境況進行智能分析與調(diào)整提供支持。

對于學生（學—創(chuàng)）? 學生在課前明確學習目標，基于VR教育云平臺上的學習資源進行課前預習、自主探究，將新知識與原有的認知結合進行整合，提出問題并帶到課上去解決。VR技術在課堂教學中提供了情境交互、虛擬體驗以及情感共識等支持，幫助學生在虛擬學習環(huán)境中構建新的知識體系。例如，學生通過VR提供的虛擬角色、實驗過程、操作演練等體驗，真正地身臨其境，促進意義建構和知識遷移。在虛擬學習情境中，學生通過體驗、觀察、動手操作、自我反思、協(xié)作分享、多元評價等方式獲得具體經(jīng)驗，從而完成學習目標[13]。學生在情境交互和虛擬體驗過程中隨時隨地和教師、同伴分享感受和疑問，并得到即時回應，提高學習效率。在這種沉浸式、體驗式的學習過程中，學生對學習內(nèi)容進行批判性思考、吸收，掌握復雜的概念與情境結合的非結構化的知識或技能，并將這種知識或技能用于新的情境使學習效果發(fā)生遷移或質(zhì)變，實現(xiàn)觸類旁通的學習效果[14]。借助虛擬技術，可以擴展和加強學生的認知，在保持內(nèi)部結構不變的基礎上，擴大微觀世界中肉眼無法觀察到的材料，使學生清楚地看到和理解其結構的特征。虛擬技術以其動態(tài)、多維、全面地模擬現(xiàn)實世界的優(yōu)勢，增強了學生的直觀感覺，使他們獲得學科世界無法體驗的感覺。

基于VR技術的智慧學習環(huán)境提倡在“在體驗中學”“在體驗中創(chuàng)”。通過創(chuàng)設逼真的虛擬情境、沉浸式的體驗、多重感官的刺激、動態(tài)交互式的學習環(huán)境，有效激發(fā)學生輕松、愉快的積極情緒，培養(yǎng)學生的高階思維。在VR技術支持下的智慧學習環(huán)境中，教師借助VR教育游戲，在游戲中設計結構化與非結構化的問題，融入寓教于樂的教學理念，激發(fā)學生思考、分析、協(xié)作、探究并解決問題，在這一過程中促進學生高階思維的形成，有利于學生在解決問題時逐步提高創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

對于教師（教—評）? VR教育云平臺為教師課前準備提供了豐富的教學資源與智能平臺。教師在課前需要準備教學設計，充分把握教學內(nèi)容，運用智能平臺對學生進行學情診斷，了解學生已有的認知基礎與水平，設計適當?shù)慕虒W資源，預測課堂情況及可能會出現(xiàn)的問題。教師在全面把握教學內(nèi)容的情況下利用VR資源及其云平臺，針對不同水平的學生設計個性化的教學準備，統(tǒng)籌整體的教學情況，為學生對新知識進行意義建構做好準備。在課堂授課階段，教師為學生創(chuàng)設適當?shù)奶摂M學習情境，根據(jù)學生的體驗情況，提供即時的跟蹤指導與反饋。設置具有一定挑戰(zhàn)性的學習任務，利用VR技術分配不同的角色，安排學生進行分組協(xié)作，讓學生在虛擬情境中獲得真實體驗的同時也圍繞教學目標和任務進行針對性的思考與學習。在這個虛擬的世界中，學生可以“進入”現(xiàn)實生活的“真實”情境，將學科知識與情境感知進行有效對接，在教師的指導下參加各種實踐活動，并通過個人體驗活動學習各種技能，提高實踐能力[15]。

創(chuàng)設虛擬情境是為了幫助學生更好地認識現(xiàn)實世界，虛擬現(xiàn)實技術在這一過程中充當著學生認知的中介或工具。在學生自主探究體驗和小組合作結束后，教師利用VR智能云平臺對學習結果進行展示，引導學生進行頭腦風暴。采用問卷調(diào)查、項目學習、試題測評等評價方式，以生生互評、師生互評等評價為主，基于學生在VR教育云平臺中的學習時長、發(fā)帖數(shù)量與質(zhì)量、小組協(xié)作的頻次、測試分數(shù)與系統(tǒng)評估等評價內(nèi)容，對學生的學習結果進行診斷，從而指導學生進行創(chuàng)新實踐。基于VR技術的智慧學習環(huán)境可實現(xiàn)教學環(huán)境虛擬化、教學內(nèi)容可視化、教學過程交互化、教學管理智能化、教學評價客觀化、教學反思具體化，為教師提供科學智能的體驗與服務，有效地節(jié)省備課、批改作業(yè)等教學管理時間，提高教學效率。

對于管理者（管）? 在5G、物聯(lián)網(wǎng)、VR、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術支持下，促進管理者的智能“管”，提供智能識別、匹配、推送、評價等服務，融入人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，對學習環(huán)境中教與學全過程數(shù)據(jù)進行采集、處理、分析、管理、存儲等，為教師與學生提供科學精準的診斷與反饋，有效提高教、學、管的質(zhì)量與水平。管理者可以對基于VR技術的智慧學習環(huán)境進行智能管理，包括物理環(huán)境、虛擬空間、學生情況、學習資源與學習設備等方面，利用物聯(lián)網(wǎng)識別技術為教師與對應的課室進行關聯(lián)授權，實現(xiàn)智能管控教學設備[16];通過了解學生出勤情況、興趣偏好、知識水平和交互方式等進行學習風格預測，整合學生的行為表現(xiàn)、認知動向進行統(tǒng)籌分析，刻畫學生的學習肖像，從而為學生推送適當?shù)膶W習資源，支持個性化的學習指導。管理者通過設備記錄學生的學習全程，建立學習檔案，同步學習中的體驗結果、交互及測試情況、生生評價、師生評價等數(shù)據(jù)，便于課后、期中或期末系統(tǒng)科學地進行分析與評估，為教師、學生、家長提供可參考的學習效果診斷，有效地提高管理效率與水平。VR教育云平臺與智能移動終端為教與學提供資源服務，對學生VR體驗、交互、協(xié)作和評價及教師教學全過程的數(shù)據(jù)進行同步與存儲，便于教師和學生課后進行反思、評價，為管理者對學習環(huán)境的實時境況進行智能分析與調(diào)整提供支持。

5 結語

學習環(huán)境集資源、技術和服務為一體，是實現(xiàn)教與學的基礎保障。本研究結合虛擬現(xiàn)實技術和智慧學習環(huán)境的要素，構建集學（learn）、教（Teach）、管（Manage）、評（Evaluate）、創(chuàng)（Create）的LTMEC-VR智慧學習環(huán)境模型。由于資源、設備及場地的限制，關于該模型的應用效果還有待深入探索，如何在實踐中逐步完善是后續(xù)研究進一步探究的問題。VR作為一種新興技術，在教育教學中的應用方興未艾，如何將VR技術應用于教育教學還存在一定的挑戰(zhàn)。未來，VR與人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術的深度融合，構建智能化的虛擬學習環(huán)境，滿足教與學的需求，將是教育信息化和智慧教育的重要發(fā)展方向?！?/p>

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