王 喆，黃 娟,2，楊 晗，何 強，李世鑫

（1.四川旅游學院 經濟管理學院，四川 成都 610100；2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031）

數智化時代教育必須不斷更新以反映數字時代的任務與技能，而作為教學設計者的教師在學習中的作用正發(fā)生變化。如何給學生提供學習的外部條件，這些外部條件包括引起注意的手段、先行組織者、新信息、學習和應用的情境、反饋與遷移。數字技術已給人們如何學、學什么、何時學、何處學帶來了巨大的變化。在個體水平上，學生具備“數字素養(yǎng)”意味著具有理解和使用信息技術的能力。為充分利用數字時代的優(yōu)勢，教育工作者及教育科技開發(fā)者需要重新思考學習、教育的取向，并決定技術如何能給每一方面予以支持[1]。

1 作為認知工具的虛擬仿真技術

1.1 認知工具

認知工具是一般化的計算機工具，或者是可用于多種情境和領域的工具，旨在參與并促進認知過程。它們是支持、引導、擴展其用戶的思維過程的心理和計算設備，而且它們是可用于多種學科領域的知識建構與促進工具。作為認知工具的計算機技術代表了對傳統的技術觀念的一次重要擴展[2]。使用這些工具建構知識基礎的過程，稱為建構主義，這些過程將會使學習者更為投入，并在學習者身上產生更有意義、更有遷移能力的知識。

有效認知工具的設計應當基于當前的認知心理學研究。對任何認知工具而言，視覺成分是一個十分重要的特點。通過圖形界面的操作，認知工具可使學生生成概念網絡、圖表、層次結構、圖片、表格符號系統及其他。這些視覺成分不僅提供了思想的具體表征（在這種表征中，意義可以被索引和解釋），還促進了對心理模型的有意義建構和外化。使用認知工具來建構心理模型是由意識、有目的的活動，要求學生主動的心理參與。據此，以計算機為中介的心理模型所表征的理解就更容易獲取、更靈活，而且最重要的是更有用。

1.2 虛擬仿真技術

虛擬仿真是一種可以誘發(fā)個體建構一個相似于真實三維世界心智場景的任何系統，該系統是通過模擬真實世界的刺激，包括影像、聲光、觸覺、動作反饋等，與個體的交流互動來達成。運用虛擬仿真技術開發(fā)虛擬環(huán)境或虛擬世界應考慮三種特性：功能性即應該清晰定義虛擬環(huán)境，并以實際模擬來傳達產品的功能和動態(tài)行為；互動性即與人類相關功能的模擬必須要逼真，否則虛擬人物必須出現在虛擬環(huán)境中；環(huán)境性即虛擬環(huán)境可以使用離線電腦模擬來進行，或者離線與在線即時模擬的結合。虛擬仿真依沉浸感與其提供的臨場感可區(qū)分為非沉浸式、半沉浸式和完全沉浸式虛擬仿真三種類型[3]。

虛擬仿真應用于學校教育的優(yōu)點包括：助力學生能夠游戲化、模擬化、視覺化、再現化、多重使用等進行探索教學，可持續(xù)學習動機與探索能力[4-7]。而協助教育工作者針對虛擬仿真的使用時機決策模型步驟包括：一是確立具體的課程目標。二是確定課程目標需使用虛擬現實或電腦模擬方式而可以達成的目標，確認使用虛擬仿真的原因和優(yōu)點，并列出選擇清單。三是對選擇清單中的每個課程目標，執(zhí)行子步驟：（1）決定課程目標要求的真實程度，以非常抽象到非常真實為尺度來衡量；（2）決定課程目標要求的沉浸感與臨場感；（3）決定與虛擬仿真互動的形式與設備。四是選擇虛擬仿真的軟體、硬體和傳輸系統。五是設計并創(chuàng)建虛擬環(huán)境即依課程目標的要求，虛擬環(huán)境由教育科技開發(fā)者或教師、學生共同來創(chuàng)造、預建構或修改。六是使用學生測試小組來評估虛擬環(huán)境，依評估結果修改虛擬環(huán)境直到成功達成課程目標。七是使用目標人群評估虛擬環(huán)境并持續(xù)不斷地進行修改完善。

2 基于認知科學的學習認知過程

2.1 學習的認知理論

從心智參與學習的認知理論所設想的加工順序來看，作用于學習者感受器的刺激所產生的神經活動模式被感覺登記器簡要地“登記”。接下來信息被轉換成另一種形式并記錄在短時記憶中，在這里儲存的是原始刺激的突出特征。短時記憶的容量是有限的，但被保存的信息可得到內部的復述而繼續(xù)保存。在下一個階段，當信息進入長時記憶儲存時，發(fā)生了一種叫語義編碼的重要轉換。在這種轉換中，信息根據其意義儲存。當要求學習者做出行為表現時，其所儲存的信息（或知識技能）必須被搜索并被提取出來。所提取的信息通過反應生成器可能會被直接轉換成行為輸出，學習者的行為表現本身引發(fā)了一種依賴于外部反饋的過程（包括熟悉的強化）。而與此同時所提取的信息被送到工作記憶（短時記憶）并與其他輸入的信息整合在一起，從而能對新信息進行編碼[8]。

2.2 心智與身體的關系

具身認知認為作為認知載體的人的身體亦參與到學習與認知過程中，即人的學習與認知具有涉身性。身體作為認知的主體具有體驗性，認知不僅是由環(huán)境中物體與身體交互產生，而且具身認知具有環(huán)境嵌入性。與建構主義相比，具身認知不僅強調學習是學習者主動進行意義建構的過程，更加重視身體在學習過程中起到的重要作用。一方面，具身認知這門科學已經證明了心智的運作和身體感覺之間有著不可分割的關系，闡述了身體對心智造成的強大影響。另一方面，人當做出動作和看到某人做出相同動作時，鏡像神經元都會被刺激。鏡像神經元的存在意味著，它幫助動作系統扮演我們所觀察到的行為，這是為了讓動作系統合理地認識我們身邊正在發(fā)生的事情。神經系統科學和心理學的最新突破皆證明心智并不是一個跟身體和環(huán)境相分離的抽象信息處理器，心智在很大程度上被身體和運動影響著。

綜上，完整的認知過程，不僅包括傳統身心二元論下學習認知過程，還應該包括身體的知覺、感覺、身體體驗，及動作參與等共同過程。通過構建真實（擬真）的學習環(huán)境、設計合理的人機交互方式，讓學生的身體感官和動作參與到心智認知過程中，以增加人機（物）環(huán)境之間的有意義交互，將有益于學生完成知識的內化[9-10]。

3 VR 智慧倉儲實務實訓系統

3.1 VR 智慧倉儲實務實訓系統概述

VR 智慧倉儲實務實訓系統參考京東庫（倉儲系統）基于虛擬仿真技術進行開發(fā)設計，其導學模塊為學習者熟悉VR 手柄操作提供先導體驗，之后進入京東庫（倉儲系統）內部，認知、設計、流程、規(guī)劃和角色五個全息面板與產品的五個教學模塊對應。其中，認知模塊可了解學習場景中已設置的位置點知識，包含倉庫中各個工作區(qū)域的知識和常用設施設備的知識；設計模塊可從倉庫作業(yè)流程作為出發(fā)點，學習了解倉庫作業(yè)中各流程的設計原則；流程模塊可用實操的形式，了解倉儲作業(yè)的基本流程；規(guī)劃模塊通過上帝視角，選擇正確的物流設備進行倉儲的規(guī)劃設計；角色模塊中，可通過菜單進行角色選擇，到相應的倉儲流程場景進行角色扮演操作，更快速地掌握倉庫中各種角色在實際作業(yè)中的崗位職責和需要執(zhí)行的任務。

3.2 VR 智慧倉儲實務實訓系統中認知教學模塊

VR 智慧倉儲實務實訓系統中認知教學模塊主要交互形式是通過手柄觸發(fā)相應模塊全息面板認知對象名稱按鈕（或在倉庫場景中通過手柄移動到光標點觸發(fā)進行認知），在倉庫場景中主要以文字方式陳述介紹認知對象包括：平衡式叉車、越庫區(qū)、質檢區(qū)、消防設施、退貨區(qū)、轉包裝區(qū)、周轉箱、紙箱封箱機、紙箱、滑塊分揀線、打印貼標機、多物料揀選臺、打包復核區(qū)、分揀區(qū)、揀選區(qū)、越庫揀選區(qū)、自動化立庫、電子播種墻、配送車、智能穿戴設備、閣樓式貨架、Kiva 機器人、VR 設備、AR 揀貨設備。VR 智慧倉儲實務實訓系統中設計教學模塊主要交互形式是通過手柄觸發(fā)相應模塊全息面板流程環(huán)節(jié)設計名稱按鈕（或在倉庫場景中通過手柄移動到光標點觸發(fā)進行認知），并在倉庫場景中主要以文字方式陳述介紹相應設計原則。流程模塊共有9 個流程，包含消防作業(yè)流程、收貨入庫作業(yè)流程、立庫作業(yè)流程、揀選作業(yè)流程、復核打包作業(yè)流程、出庫發(fā)貨作業(yè)流程、轉包裝作業(yè)流程、盤點作業(yè)流程和貨到人揀選作業(yè)流程。可以在主操作場景中觸發(fā)流程模塊全息面板，進入到流程操作模式，倉庫場景中有每一個流程的任務點，通過移動觸發(fā)流程任務點，進入流程任務。規(guī)劃模塊與角色模塊與前述設施設備及倉儲流程操作重復，主要檢測設施設備配置和不同角色任務分配。

綜上，沉浸式VR 智慧倉儲實務實訓系統教學劃分為理論認知以及實踐認知兩大部分，不同的認知學習體驗通過相應的認知教學模塊來實現。其中的理論認知主要通過在倉庫場景中透過相應模塊全息面板以文字方式陳述介紹來進行學習了解，實踐認知則主要通過在倉庫場景中透過相應模塊全息面板引導提示下進入流程任務來進行虛擬實操體驗學習。

4 結合課程的VR 智慧倉儲實務實訓系統使用性分析

4.1 信息生動度對學習認知的影響

從知識信息的傳遞來看，必然伴有生動特質即生動性：是否足夠有趣而能夠刺激情感；是否足夠具體而能夠激發(fā)想象力；是否在時間和空間上足夠接近信息接受者。相關研究認為帶有生動特質的信息能夠讓人在編碼時投入超過其應得比例的認知資源，從而增強對該信息的記憶和正面態(tài)度。基于前述VR 智慧倉儲實務實訓系統所涉及相關知識信息以三種信息生動度類型的學習材料來讓三個對比組學生（2019 級物流工程專業(yè)隨機抽取受試者，每組十名學生，各組學生不交重）進行學習（體驗）。學習材料統一為涉及倉儲的相關設備介紹、倉儲作業(yè)區(qū)相應環(huán)節(jié)設備需求、倉儲復合打包作業(yè)概述及操作步驟等三部分，并以三種信息生動度類型：純文字學習材料、圖文并茂學習材料（倉儲中相關設備圖片及作業(yè)場景背景圖片）、沉浸式VR 虛擬場景學習形式讓相對應組別的學生進行無教師指導下的自學（體驗），如圖1 所示，各組別的學生對應學習材料學習時間都為25分鐘，學習后隨即進行紙面答題測分（如見圖2 所示）。

圖1 三種信息生動度類型的學習材料（對應不同學生組別）

圖2 不同組別受試學生學習后答題表現（總分100 分）

從圖2 來看，與純文字組相比，圖文并茂組受試學生答題總分更高，說明帶有生動特質的信息能夠讓人在編碼時投入超過其應得比例的認知資源，從而增強對該信息的記憶和正面態(tài)度。證實了過往的研究即發(fā)現當文字信息包含與之匹配的圖片時，受試者對這個信息的理解和記憶都會得到強化，這也被稱作“圖片優(yōu)勢效應”。但沉浸式VR 虛擬場景學習體驗組受試學生答題總分比另外兩個對比組受試學生答題測分明顯偏低。有限注意力模型（Limited Capacity Mode）l 認為一個人總體的認知資源是有限的，怎樣處理信息取決于我們能夠分配的認知資源和這個信息所要求的認知配比。也就是說，如果處理過程中的某一步驟消耗了較大量的認知資源，那么剩下的環(huán)節(jié)（如儲存和激活信息）則將因為得不到足夠的認知資源而被削弱。從沉浸式VR虛擬場景學習體驗組受試學生測后訪談來看，受試學生皆表示沉浸式VR 學習需要穿戴式設備，且虛擬場景的學習需要手柄操控和身體動態(tài)變化，一定程度上增加了認知負荷[11]；再加上虛擬現實技術變化場景、擬真環(huán)境，提供圖文、聲像并茂的多種感官綜合刺激等豐富的信息生動度其實某種程度上轉移了受試學生的注意力。但是沉浸式VR 虛擬場景學習體驗組復合打包作業(yè)概述及操作步驟部分答題測分最高，說明受試者的感官和身體動作參與到實踐認知過程中，有益于學生完成知識的內化。

啟示：沉浸式VR 目前大都屬于應用場景定制，不同個體VR 學習進度不同且占用時間較長，交互式VR 獨立操作設備目前還難以支持學生集中并行（分別）學習。而針對高校集中化班級授課，前期理論講解結合課程思政，教師本身的知識經驗、對外輸出能力，教學方法與工具應用的多樣性、擴充性和靈活性對于學生在教師指導下的系統性理論學習仍然具有優(yōu)勢。而現有教育工作者針對沉浸式虛擬仿真VR 的使用時機可在系統理論授課（倉儲管理課）后面的實訓環(huán)節(jié)開展，通過沉浸式應用場景實操，加強實踐認知內化。

4.2 學習認知心理感受評價

VR 智慧倉儲實務實訓系統的學習心理感受包括對新技術的接納和認可、滿意度、臨場感、學習成效自我感知等方面[12]。Davis 的技術接受模型認為，影響個人對技術接受的因素主要包括感知有用性和感知易用性，感知有用性和感知易用性能促使個人積極使用該項技術，增加對技術的接受程度，包括感知易用性、感知有用性和認可度三個子項。滿意度主要用于測量學習者的心理滿足感和由此帶來的愉悅感，學習滿意度參照了Rechardson 和Swan 開發(fā)的學習滿意度量表，包括愉悅體驗、視聽舒適度和交互便利性三個子項。臨場感類別只考慮空間臨場感一個子項，參照了Witmer 和Singer 的“臨場感調查問卷”。自我成效感知包括了動機激發(fā)、學習成效和使用意愿三個子項。讓2019 級物流工程專業(yè)兩個班結合倉儲管理課程實訓進行心理感受量表填寫。經統計，在技術接受度以及自我成效上，VR 智慧倉儲實務實訓系統能夠為學生接受和使用意愿；但在滿意度和臨場感上的測量結果具有顯著性差異，綜合來看，2019 級物流工程專業(yè)學生臨場感心理感受較好，在滿意度上呈現不同心理感受（系統改進方向）。

啟示：VR 智慧倉儲實務實訓系統能提供友好的界面、形象直觀的互動式學習環(huán)境，結合知識與技能在實際場景中的應用提供圖文、聲像并茂的多種感官綜合刺激等，影響教學模式；可以創(chuàng)設虛擬學習環(huán)境，使教學氣氛更加活躍、自然、親切，影響學習方式。從啟發(fā)式教學來看，通過身臨其境的、自主控制的人機交互，由視覺、聽覺、觸覺獲取，提供生動活潑的直觀形象思維素材、展現學生不能在校直接體驗到的事物等。學生能從思維、情感和行為多方面地參與教學活動。從探究式教學來看，以解決問題為中心的教學形式，虛擬仿真在實訓教學中可以讓學生進入問題存在的環(huán)境，有針對性地建構虛擬情境，引導學生進行探究。

4.3 虛實結合強化學習與認知遷移

4.3.1 人機協作（協同）能力培養(yǎng)。從倉儲的變革來看，生產供應功能、城市服務功能、蓄水池功能、貨物集散功能、庫存管理功能、應急儲備功能疊加在一起，需求量增加，給倉儲業(yè)提出更高的要求。伴隨著人們需求的多樣化，大件倉儲、冷鏈倉儲、生鮮倉儲、短鏈倉儲等，交易更多、規(guī)模更小。時效更緊迫，訂單處理時間越來越短，留給倉儲各環(huán)節(jié)操作的時間日益壓縮。

隨著云計算、大數據、物聯網、5G 技術的發(fā)展，機器被賦予越來越高、越來越多樣化的智能，局部作業(yè)的無人化程度必然會越來越高。盡管機器具備了更高的智能性和自主決策能力，但其無法像人一樣進行高度復雜、柔性的作業(yè)，更加不具備人的主觀能動性、無法完成創(chuàng)造性的工作；并且從應用角度來看，成本依然較高，高度智能化機器（人）尤甚。綜合機器智能作業(yè)效率與成本，及機器從事高度柔性作業(yè)仍然受限等因素，智能物流中心等場景下物流系統的全自動化、無人化作業(yè)仍較難大范圍落地，因此人機協同成為主流選擇。而面向人工智能時代，培養(yǎng)高素質應用型人才，人機協作（協同）能力成為培養(yǎng)的方向。無論是人輔助機器，還是機器輔助人，其主要特征或出發(fā)點是充分發(fā)揮人與機器各自優(yōu)勢，互相配合，共同作業(yè)，最終完成既定的物流任務和目標。

4.3.2 認知控制下知識與能力的遷移。大腦用精密的神經機制生成計劃、追蹤計劃實施情況，影響大腦在連接目標和正確行動間各種狀態(tài)?？茖W家將這些機制和過程命名為“認知控制”或“執(zhí)行功能”。認知控制過程處于認知和行動之間模糊地帶，它影響著認知向行動的轉換，而非只影響兩者中的任意一方。認知控制功能是真實存在的功能類別，它將認知和行動分開，在大腦里自成體系。認知心理學家將計算機程序及其控制結構類比為人類認知控制，對理解人類認知控制有著指引作用[13]。雖然計算機隱喻在識別控制過程價值以及其在功能層面上的表現形式等方面卓有成效，但也有其局限性。人的思維并非計算機程序，人腦和計算機大有不同。認知控制理論亦存在一種可行的方式即通過經驗獲取策略和計劃，在正確的情況下被檢索出來，并在特定的情況下被認知控制系統精心設計以使用，心理學家將這種能力稱為“遷移”。

一方面，人類進化的過程中沒有形成與生俱來的任務執(zhí)行程序。認知控制讓任務的執(zhí)行富有衍生性，這意味著我們不僅可以構思而且可以執(zhí)行以前從未碰到的任務。另一方面，認知控制通過在一個組合性的行動結構上操作來實現其衍生性，用組合和重組我們之前完成任務的預編譯部分，從而來執(zhí)行新任務。組合性能夠根據需要將舊任務中有用的部分帶到新任務中，而不必再重新熟悉整個任務。在這種情況下，遷移有著積極作用，因為大腦在一種情境下學到的東西可通過有益的方式運用于新的情境。認知神經科學家稱這種能力為“未來情景思維”，其與我們個人的記憶能力密不可分，這種記憶被稱為“情景記憶”。正是這種建立在過去情景記憶系統基礎上的未來情景思維系統，使我們能夠制定高級計劃和目標。而豐富的未來情景思維可以利用我們已儲備的有關事實和經驗的豐富知識。未來情景思維系統和組合行動控制系統，兩個系統相輔相成。未來情景思維使我們構想更復雜的未來目標，而控制系統可以組織該思考過程，并將其與復雜的新動作進行匹配。雖然每個系統自身都可能逐漸發(fā)生改變，但如果兩個系統同時發(fā)生改變，我們完成任務的能力就會加速變化[14]。

4.3.3 虛實結合“貨到人”揀選作業(yè)仿真實訓。通過VR 智慧倉儲實務實訓系統進入“貨到人”揀選作業(yè)流程之后，虛擬仿真場景中導引偶引導查看“貨到人”揀選作業(yè)開始界面。導引偶展示揀選單，學生需要使用手柄觸發(fā)選擇揀選單開始揀選。AGV機器人駛向對應貨品的貨架，導引偶引導學生觀看AGV 工作過程。AGV 將貨架托運到揀選臺前，導引偶引導學生到達揀選臺前。學生需用手持掃描揀選臺上的周轉箱，將周轉箱信息導入到電腦中。系統會點亮“貨到人”揀選貨架上的數顯板，在每個貨位上顯示貨品揀選數量，學生用手柄在貨位上揀選相應數量的貨品，貨位上的數字會自動減小，然后將貨物放到周轉箱中，使用手柄觸發(fā)貨位上按鈕，表示該貨位物品揀選完成?！柏浀饺恕必浖苌纤钂x的貨品揀選完成，全部按下揀選貨位的按鈕，AGV 自動拖走該貨架。學生走到揀選臺前，將貨品清單放入周轉箱，將周轉箱推到輸送線上，“貨到人”揀選作業(yè)流程完成，VR 場景中會彈出結果反饋界面，提示用戶當前操作成績等信息，如圖3 所示。

圖3 VR 智慧倉儲實務實訓系統——“貨到人”揀選作業(yè)虛擬仿真

冷鏈物流智慧化實訓基地占地面積為645 平方米，現有設備總價值245.3 萬元，主要儀器設備共162 臺（套）。其中除VR智慧倉儲實務實訓系統外，智能揀貨區(qū)引進電子揀選系統、智能搬運機器人調度軟件系統、AGV 機器人、RFID 設備等智能化軟硬件，讓學生通過真實場景操作培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與創(chuàng)造能力，如圖4 所示。結合倉儲管理課程實訓，在學生完成前述VR 智慧倉儲實務實訓系統——“貨到人”揀選作業(yè)虛擬仿真任務后，為實現知識與能力的遷移，進行人機協作“貨到人”類Kiva 情境學習。在冷鏈物流智慧化實訓基地打造基于AGV 機器人“貨到人”真實場景中，AGV 機器人通過頂升結構等將貨架抬起，然后拖著貨架/貨箱移動到揀貨員（學生）身邊——“貨架/貨箱到人”，學生可以進行在庫盤點等操作實訓[15]。

圖4 基于AGV 機器人“貨到人”真實場景

啟示：從技術角度而言，目前的物流系統自動化只是處于數據智驅的弱人工智能階段，只能在數據充足的情況下應對單一的問題、具體的事情。機器人集中運用在物流業(yè)最耗成本、最耗時間、最耗人力的環(huán)節(jié)。機器人革新，而非革人。人工智能并非是取代人工勞作，而是輔助人工作業(yè)。一方面，人機協作（協同）才能全面提升倉儲、運輸、配送環(huán)節(jié)的作業(yè)效率。另一方面，轉向強人工智能實現推理性的機器人落地還很遙遠。為培養(yǎng)高素質應用型人才，通過虛實結合交互場景學習引發(fā)交互的深度變革，超越了時空局限，以改變交互方式，重塑交互內容，豐富交互體驗，符合認知控制下知識與能力遷移規(guī)律，實現人機互協應用培養(yǎng)。

5 結束語

本文以學習者認知視角和計算機虛擬仿真技術作為認知工具以支持學習者數字化學習為背景，從學習的認知理論、心智與身體關系下具身認知，把握基于認知科學的學習認知過程；以VR 智慧倉儲實務實訓系統為例，分析了其理論認知以及實踐認知不同的認知學習相對應的認知教學模塊，結合倉儲管理課程進行了VR 智慧倉儲實務實訓系統使用性分析：（1）基于VR 智慧倉儲實務實訓系統所涉及相關知識信息，以三種信息生動度類型的學習材料實驗分析了不同組別學生學習與認知結果，得出倉儲管理課程結合沉浸式VR 使用時機建議。（2）針對倉儲管理課程實訓環(huán)節(jié)使用VR智慧倉儲實務實訓系統的學習心理感受包括對新技術的接納和認可、滿意度、臨場感、學習成效自我感知等方面進行了評價，得出系統改進建議。（3）面向智慧倉儲物流系統中人機協作（協同）能力培養(yǎng)，倉儲管理課程基于虛實結合交互場景實訓學習，以實現認知控制下知識與能力的遷移，為培養(yǎng)適應新時代數智化物流創(chuàng)新型應用型人才進行了教學實踐探索。

數字化時代虛擬仿真技術支持下新時代的新型教學形態(tài)，需要對學習與認知控制過程的深入解析，需要對心智與身體關系的深入理解，需要對教之人機協同、習之自成系統、用之虛實轉換的深入實踐，特別是人機交互-協作（協同）與虛擬仿真/虛實結合技術深度融合如何廣泛應用于學校教育教學實踐并適用于不同學段、學科的教學，還有待進一步地深入研究。