vr在教育领域的应用案例分析

 社会工作文章摘要:vr在教育领域的应用案例分析 现代社会的电子信息技术自从计算机诞生以来就得到了飞速发展,人们不满足于二维平面等级的人机交互界面,开发了一系列帮助人们进行多元化人机交互的辅助工具。输入设备从最传统的键盘、鼠标,发展到今天的触摸板、眼球测位仪、语音识别,输出设备也从简单的

  现代社会的电子信息技术自从计算机诞生以来就得到了飞速发展,人们不满足于二维平面等级的人机交互界面,开发了一系列帮助人们进行多元化人机交互的辅助工具。输入设备从最传统的键盘、鼠标,发展到今天的触摸板、眼球测位仪、语音识别,输出设备也从简单的显示屏、扬声器发展出各种形态。在硬件设备进化的同时,人机交互的“内容”即软件与信息层面也发生着急速变化。从最初的二进制数字到后来的命令提示符字符串,再到后来的桌面化操作系统及多媒体声像,时至今日人们已经掌握了足够顶层的技术以使用计算机来模拟日常所见的真实场景,而这种技术的代表作之一、同样也是未来信息技术领域最有发展前景的技术之一,就是虚拟现实技术。

  随着教育形式的多样化以及前沿信息技术在教育领域的深入应用,VR/AR 学习环境推动越来越多的教育学者通过重塑学习方式回归教育本质,对培育创新型人才和教育普及产生了深远的影响。本文在介绍VR/AR 概念的基础上,阐述了国际VR/AR 的教育应用现状,介绍了经典的VR/AR 教育案例开发与实证结果,有助于我们更加深刻地认识信息化教学模式构建的一般规律。当然,VR/AR 在教育领域的应用还处于早期阶段,在教育领域的应用既有发展机遇,也还面临着一些挑战。在未来的研究中,应该深入研究VR/AR 学习环境如何支持学与教,以提升学生在课堂教学中的学习效果,为教育教学模式的改革创新实践提供经验和启示。

  不难看出VR技术在传递信息方面是多媒体技术的一大突破。VR所传递的信息不仅仅是简单的图形、声音或者超文本,而是一系列实时生成的拟真声像信息、触觉和运动感知(未来还要加上嗅觉和味觉)等。VR最大的特点就是“身临其境”,这和教育原理中的“情景构建”理论不谋而合,因此将VR应用到教育领域也成为一个较为热门的研究方向。

  早期的探索中,人们可以利用VR技术构建虚拟场景及理想实验,在输入参数后运行就可以观察演化过程,美国就曾有利用3D场景复现推翻传统火灾救援理论的实例,且成本相比真实的火灾实验大为降低。而在现在,VR技术由于其高度拟真和不受时空限制的特性,可以为学习者提供各种各样的虚拟场景供他们细致观察,甚至投入其中进行实验或操作。

  顾名思义,VR训练场和实验台就是在虚拟世界中构建出实验场所来供学习者进行活动与操作。由于操作对象从实际存在的物体变成了虚拟世界中的模型,允许操作方式会随着教学设计者的设计精细程度而增加或者减少(一般是减少),设计者可以给出较为精简的操作流程提示告知学习者应当怎样控制和处理“眼前”的对象。同时,即使学习者由于失误导致实验失败,也不会造成实际的财产损毁甚至生命危险,是一种相对安全的训练方法。例如,我们可以在3D实验室中进行制造TNT并试爆的化学实验。由于真实世界中的一些操作要根据操作对象的力的反馈(严格来说是除声光形式以外的反馈)获取信息,对硬件就提出了一定要求。现在已经投入应用的力反馈装置包括内置振动器的手套、外形仿线 科技研究与模拟观测

  这种应用主要是上一种应用的改版。相比高度的可操作性,科技研究与实验观测更注重让用户观察到更多更精确的有效数据以供后续分析或使用。因此,这种应用重在以高度拟真的方式,将一些难以观测的现象放到虚拟世界中,让用户以更为舒适便捷的视角或时间测度进行观测,相应地也要由系统给出真实实验中应当观测到的数据。例如,我们可以利用VR系统重建某次天体碰撞的场面及数据分析。这种应用对硬件设备的要求不高,主要还是对计算机系统的运算能力提出了要求。

  “不出门便知天下事”在前互联网时代已经开始逐步实现,而VR系统将赋予这句中国古谚以更新的内涵。相比传统的主要提供音视频及超文本内容的远程教育系统来说,若能用VR系统构建高度仿真的校园,我们就可以克服由于交互性或互动性不足所带来的一系列问题。世界各地的师生可以使用VR校园的软硬件客户端,通过互联网链接到同一个虚拟校园中,像真实处在相同地理位置的学生一样进行他们早已适应的学习活动。

  综合上述实例,我们可以看到VR系统在教育领域的应用前景有多么广阔。然而技术本身的发展还不足以创建完全拟真和完全沉浸的虚拟现实世界。

  第二人生(Second Life,简称SL)是一部模拟真实社会的大型多人在线角色扮演平台,作为一种沉浸式游戏学习环境,SL 应用在合作式学习中具有较大的发展潜力。

  有研究发现,教育技术学、媒体研究、定性研究方法、计算机科学、历史学、女性研究、写作与出版、文化研究和管理学等学科都曾在SL 中被教授过。以语言学为例,学习英语的学生与以英语为母语者在SL 中通过虚拟化身进行口语交流,达到了现实生活中很难实现的效果。

  基于SL 的学习环境有三个特点:①包含交互和知识建构的沉浸式环境;②所有用户创造维护;③注重网络社交。尽管作为目前用户最多、最流行、相对开放的平台,SL 中却缺乏支持学习过程的管理工具。因此,Sloodle 应运而生。Sloodle,即基于Second Life 的面向对象分布式学习环境,它整合了SL 和目前最具开放特点的网络教学平台Moodle 中的若干功能, 构建了一个方便、有趣的三维学习环境。如图1 展示了Sloodle 的体系结构,它将Moodle 中的二维码功能模块对应改造成自身的三维工具,并用HTTP 协议和XML 远程调用进行通信。

  除了SL,北京师范大学蔡苏等人自主设计开发了一个跨平台的三维虚拟学习环境平台i3DVLE,并在中小学中开展准实验研究,旨在分析和评估三维虚拟学习环境下教学的有效性、学生的学习动机和参与度。针对中小学的学科教学对于三维虚拟学习环境的潜在需求,i3DVLE 中设计了若干教育案例,如太阳系行星运动规律、牛顿运动规律、虚拟大讲堂等。

  i3DVLE 被运用到中小学的实际教学中,研究团队通过面对面的交流和网络答疑等方式对学习过程进行协助,了解到了教师和学生的实际应用状况。但是,部分学生的学习成效并不如预期那样好,他们在正式的课堂中能够较好掌握的一些概念,在三维虚拟学习环境中的学习效果却不甚理想。因此,根据教师和学生的一些反馈,团队也做出了很多改进,如添加虚拟教师,给予虚拟教师更多的权限去控制和把握课堂,改进用户的交互工具界面等,完善了i3DVLE 平台的功能。

  当前三维虚拟学习环境的发展趋势为:一是用户参与创作,即完全由用户创作学习内容。二是提供探究的空间,与学习管理系统整合。前文介绍的Sloodle 就是一个典型案例,当然它还做得不够完美,为把三维虚拟环境和学习管理系统两种异构的环境更好地融合,还需要有更多的研究工作者和实践人员的努力。三是虚拟与真实的融合。虚拟环境的真实感有赖于图形学的发展,但不管它如何发展,虚拟的毕竟都是虚拟的,而我们的学习活动还都是发生在真实物理世界里,“增强现实” 能使学习者进行学习活动时有更好的体验,应该在教育领域更加普及该种技术。四是三维和人工智能技术深度整合。因学习的复杂性,三维虚拟学习环境若要能完全做到像人类行为,比如自动答疑、自动组卷、自动判卷等,还是比较困难的,需要人工智能界技术的突破。

  顿瑟和霍纳科尔以寓言故事为载体,通过阅读来完成故事设定的挑战性任务,对儿童的学习行为进行观测和分析。研究发现,儿童普遍认为AR 环境新颖有趣。而后他们又根据数据反馈,设计了针对七岁儿童阅读的AR 书,主要分析儿童是如何将真实世界的知识技能与AR 环境建立起有意义的联系的。研究得出,AR 交互与真实世界的交互基本一致,而这种新奇的显示效果使得他们的阅读兴趣大大提升。

  蔡苏、宋倩和唐瑶 在2010年提出增强现实学习环境的架构,并基于此实现了一本增强现实概念演示书未来之书。书中选取了物理学科中的单摆、牛顿定律等实验呈现虚实相结合的效果,如图3 所示。作为国内最早的增强现实书,未来之书参展2010 年第十七届北京国际图书博览会,获得了与会者的好评。

  有大量学者把AR 运用在理科教学中,以此增强学习者对现实情境的视觉感知能力。克拉瓦拉等人演示过一个天文学教学的例子,在AR 环境中老师和学生可通过旋转虚拟地球探究太阳和地球、白天和黑夜的关系。蔡苏等人将AR 和Kinect 体感设备相结合能使磁场可视化。学生在学习有关磁场的知识时,通过手势能与设备进行实时交互,从而了解磁场的分布和变化。维也纳理工大学研究人员就曾做过专门的力学教学展示,通过AR 物理引擎模拟力学领域的物理实验,分析物体质量、受力、运动路径等参数。但利用该系统教学需要配置较昂贵的头盔、立体眼镜等设备。

  北京师范大学蔡苏团队研发的基于AR 的凸透镜成像实验通过实证探索了AR 技术对八年级学生物理学习效果以及深层次认知方面的影响。基于AR 的凸透镜成像教具通过使用三个不同的标记卡片来模拟蜡烛、凸透镜和荧光屏。当摄像机捕获到标记卡片时, 凸透镜的3D 模型与用于标记焦距和两倍焦距数据的平行数轴等参数都将显示在屏幕上。将蜡烛标记卡片和屏幕标记卡片分别放置于凸透镜标记卡片的两边,屏幕将基于蜡烛和凸透镜之间的距离自动呈现相关的图像,如果调节蜡烛和凸透镜之间的距离,屏幕上的图像将根据凸透镜成像规则实时变化。假设物距为u,像1u 1 + = v 1f 距为v,焦距为f。根据凸透镜成像的公式, 当u《f 时,成虚像;当u=f 时,光屏不呈现像;当u》f 时, 光屏会呈现实像。实验结果表明AR 对成绩较落后的学生具有更大的影响。

  北京师范大学蔡苏团队研发的微观粒子交互式实验主要是对中学化学课程中基于增强现实的学习工具的补救性学习效果的研究。实验设计包含如表2 所示的四个部分。

  该软件使用Java 语言开发,使用了NyArToolkit、Java3D 以及JMF(Java Media Framework,Java 媒体框架) 的软件包。通过捕获标签的位置来呈现不同的结构层次以及原子的各种组合。图5 和图6 展示了水和钻石两个实例的操作。如图5(a) 所示,屏幕中放入了两个氢原子和一个氧原子。当慢慢将两个氢原子向氧原子靠近时,一个水分子便形成了,如图5(b) 所示。学生可以拿起水分子靠近摄像头来观察它的结构,若将标签向上抬高, 即可看到屏幕出现一滴水滴,如图5(c) 和图5(d) 所示。

  在认识和学习金刚石的内部结构时,探究活动要求学生使用碳原子构造金刚石晶体。首先,使用碳原子和化学键搭建金刚石的正四面体单元,如图6(a) 所示。此外,研究者将使用学生搭建的正四面体单元组建一个完整的金刚石结构,如图6(b)所示。学生可以从桌子上的另一个标签所呈现的物体得到提示,他们搭建的金刚石结构就是钻石的内部结构,这将化学和日常社会生活联系到了一起。

  研究表明AR 工具可以较好地帮助学生记忆原子的结构。在传统课堂上,仅通过老师的简单指导,学生对于知识的理解程度和记忆持久性较低。但基于AR 的软件教学可调动学生积极性,促使其注意力更加集中。在直观地看到仿真模型并与其交互后,学生对所学知识的印象也更加深刻。AR 工具能提高学生在实验探究中的操作能力。相比于键盘、鼠标与计算机的操作, 直接通过AR技术提高活动参与感的这种方式对程序性知识的识记效果更好。同时,学生也对这个工具提出了一些建议,例如他们希望物质的模拟现象能更加逼真,另外还可以加入一些或者动画元素使软件变得更有趣。

  李淑惠等人实施了中学数学概率知识点中的经典抛硬币实验。实验工具为研究者开发的基于AR 的Android 平台上的应用程序抛硬币。在游戏开始前,学生可以设定两个参数:间隔时间与识别时间。其中, 间隔时间是指摄像头两次识别硬币之间的最短间隔时间,识别时间为摄像头成功识别一次硬币的最短停留时间。游戏启动后,移动设备的摄像头能够捕捉并识别画面中硬币的正、反面状态,并在屏幕中显示相应的3D 模型以提示用户该硬币已被成功识别。一旦识别成功,系统会为硬币的当前状态自动计数,同时更新已识别的正、反面次数和频率。如图7 所示,系统左上角记录硬币的正、反面次数,右下角折线图可实时更新正面频率。将实验对象分为两人一组,分别负责硬币的抛掷和识别,进行多次数据统计。当学生退出游戏后,此次游戏的历史数据将被保存在数据库中。硬币抛的次数越多,其正、反面出现的概率就均越接近50%。这个实验既能快速统计大样本实验的数据, 又能让学生真正体验到游戏动作“抛”的感觉。研究结果表明,当使用AR 工具进行数学教学时,学生的学习积极性均有显著的提高。

  该实验有两项任务:①从操作方式、学习应用和效果三方面测试不同年龄儿童对识字系统的态度。②使用AR 识字系统的学习效果测试。实验表明,AR 识字系统能够提高学前儿童的生字认知能力、提升记忆效果, 而且教学效果对较大年龄学前儿童更好。

  使用平板电脑或手机扫描卡片识别单词,然后浮现对应的图片或三维模型,并发出读音,能很好地帮助儿童进行词汇的拼写和发音学习。研究表明,这种学习将触觉、听觉和视觉结合在一起,较传统教学方式更容易激发孩子的热情,对非英语母语学习者的单词学习效果显著。使用手机扫描单词,呈现匹配的图片和发音也符合儿童的认知规则,但是手机可能会分散儿童的注意力。这种类型的教学可能更适合一对一的情况。

  江蕙桢等人完成了一个中学科学教育探究活动。活动中不同组的学生分别使用GPS 位置获取不同区域的信息,信息就会以增强现实的方式呈现并上传至服务器。其他组成员来到同一地点时,可以查看已有的分享内容。这个实验提升了学生学习体验,也促进了知识共享。

  萧显胜等人开发了一个增强现实的系统天气观察员(Weather Observers),辅助学生进行大气系统等地理知识的学习。比如,在博物馆的教学环节中, 学生可扫描识别卡片,进而获得相应天气元素的模型。研究发现,该增强现实系统对学习者地理学科的学习兴趣和学习效果的提升都有较大的帮助。

  实践表明,学生能更好地沉浸于游戏中,实时交互,快速反馈。当然,游戏依然有待进一步完善与开发, 存在的问题有模型真实感不强,交互有延迟,学习内容不完善,等等。

  北京师范大学王沛文等人基于移动增强现实和位置服务技术,设计并实现了地理导航与文化导览一体化的服务系统,并在大学校园部署应用。研究选取了小样本实验设计,请实验对象对系统平台进行试用和评价,旨在探索移动增强现实技术应用于校园导览的效果。使用者试用系统平台23 个小时。使用过程中用户可以根据摄像头中捕获到的真实场景去寻找校园相关建筑物,如图11 所示。在到达目标建筑物后, 摄像头通过捕获图像自动识别出该建筑物信息,并作为学习内容呈现给用户。

  该实验分别从可获取性、宣传效果、可用性、美观性、环保性、可交互性、可推广性以及功能性八个方面对软件进行调查。调查表明AR 导览软件方便美观。绝大多数被试者都提到使用手机可以随时随地获取信息,而且定位技术与增强现实技术的结合使得搜索过程和呈现方式变得更加自然,不仅省去了手动输入的过程,而且所见即所得;绝大多数被试者都提到目前使用纸质地图时的资源浪费问题,并认为该软件是替代纸质媒介的比较好的手段之一;绝大多数被试者都提到使用手机摄像头与真实物理环境进行交互的方式非常新颖有趣,之前并没有接触过,信息的快速即时呈现的特点也让校园文化随手可及。使用者对软件也提出了很多建设性意见,有些意见限于目前硬件技术能力还不能解决,比如校园无线网网速慢速导致加载信息过慢,手机GPS 定位所需时间过长且有时定位不准确等。

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