基于虚拟现实环境的深度学习模型构建

2019 年 9 月 28 日 MOOC

| 全文共10295字,建议阅读时长10分钟 |


 本文由《中国电化教育》授权发布

作者:李洪修 李美莹

摘要

深度学习是一个集认知与运用、结构与非结构性知识建构与迁移、真实问题的解决为一体的学习过程。VR环境有助于学生在仿真的环境中自主探究,获得认知,实现信息与真实环境无缝对接。在VR环境里,沉浸感为深度学习提供体验支持;交互功能为深度学习提供情感支持;构想性为深度学习提供情境支持。根据建构主义和具身认知理论,该文尝试构建了基于VR环境的深度学习模型,并从深度学习的准备、知识迁移与建构和深度学习评价三个阶段阐述了基于VR环境的深度学习模型的运行机制。

关键词:虚拟现实;深度学习;模型构建 


随着科技的不断进步,虚拟现实(Virtual Reality,VR)已进入与各领域相结合的全方位发展阶段。VR通过传感器和可视化装备,不仅在视、听以及触觉方面为用户提供了和真实情境高度相似的多维虚拟环境,让其可以产生身临其境的体验,还能使用户通过语言和手势等在多维信息空间中进行交互[1]。后来,VR因其沉浸性和可跨时空创设情境的优点被越来越多地应用于教学中。深度学习一直是近几年来教育研究的热点,而深度学习的开展,由于要达到培养“深层认知能力”的目标,就要营造符合深度学习目标的“智慧学习环境”,但仅仅靠已有的网络学习资源和工具与普通的二维教学结合是不够的,还需要虚拟现实技术搭配相关的学习资源和工具的支持。VR技术使学生在虚拟世界中获得更全面、更逼真的体验,促进学生深层认知能力的发展。因此,要想让学生进行真正的深度学习,需要VR的技术手段和其营造的“智慧学习环境”的支持[2]。


一、VR的含义与特征


20世纪80年代初,美国VPL公司的拉尼尔首次正式提出了VR,即虚拟现实。他指出VR是由计算机网络技术、仿真技术、显示技术、多种传感技术和人工智能等技术生成的多维数字化环境系统。VR通过运用以交互式计算机技术为核心的科学技术,创建一种在视觉、听觉和触觉都与真实环境高度相似的虚拟数字化环境,用户通过使用相关的专业装备与虚拟环境中的对象进行交互,并可以在数字化环境中产生与亲临真实环境相似且能跨越时空的体验[3]。在VR这个交互式媒体里,用户可以感知自己置身于虚拟环境中的位置和手势,并引起强烈的真实感官反应,从而更能沉浸在虚拟世界中。用户依托Graphics等技术去感受模拟的物体和人物,使意识浸入数字化的环境中。在体验时用户通常会佩戴头盔显示器,其内设有处理器和方位跟踪器还有负责听觉系统的语音定位、识别器和触觉等反馈系统的设备[4]。VR具有沉浸感、交互性、构想性等特征,具体如下表所示。



VR具有双重属性:它既是一种技术教育现象,又是一种传播媒介[5]。VR作为教学传播媒介,最接近“戴尔经验之塔”理论中最底层的“有目的的直接体验”[6]。VR因其操作安全、可提供更深层次的探究机会等优点和其功能特征与教育教学理论中的很多观点比较吻合,而被广泛应用于教育中,它可以将感知世界和构建知识紧密融合在一起,在学习者和学习内容之间搭建起一座桥梁[7]。而在VR创设的学习环境里,学生凭借与环境的相互作用,根据结果的反馈,做出下一步的操作预判,构建起感知世界与知识间的联系。VR的虚实结合、实时交互与三维配准等特点可以帮助学生在虚拟环境中探究思考、建构新知,实现虚拟与真实环境的无缝对接。有学者认为,VR技术作为多媒体教学手段的升级版,是适应当下社会发展的一种新型教学手段[8]。


二、VR对深度学习的支持


20世纪50年代,Ference Marton与Roger Saljo根据学习者对知识的获取和加工方式、认知程度,第一次提出了深度学习和浅层学习的说法[9]。他们认为深度学习是学习者基于认知理解、加工后批判性地习得新知,并能在新情境中完成迁移、最终解决实际问题的一种高层次、高效率的学习方式。在此之后,Eric Jensen与Le Ann Nickelsen从认知层面阐述了其对于深度学习的理解,他们认为深度学习就是对结构性和非结构性知识的建构,并对学习者的先有经验和获取的新知进行高效且全方位地加工。因此,深度学习可以被看作是一个集认知与运用、结构与非结构性知识建构与迁移、真实问题的解决为一体的学习过程。它是对学生学习状态、过程和结果的一种质性描述,是以培养学生高阶思维为目的的一种高投入性学习。在深度学习的过程中,学习者往往在身体、情感、审美、道德和精神上达到共同的成长,进入自由共享的状态,使学习投入达到峰值,充满强烈的学习动机,并形成批判性思维。


Michael Prosser和Keith Trigwell提出了学生学习的学习环境论,认为学生所处的学习情境与对所处情境的感知都直接或间接地影响着学生深度学习的情况(如图1所示)。VR的主要功能是能够为学生的深度学习带来全方位的学习情境体验。2002年,Sattahip Singhal与Miachel Zyda发表了虚拟环境的“五要素说”:即空间的共感(环境的同一性)、在场的共感(参与的感知性)、时间的共感(交互的实时性)、沟通的方法(交互的多样性)、共享的方法(互动的动态性)。VR的出现也满足了以上所有虚拟教学情境的需求。



(一)沉浸感为深度学习提供体验支持


首先,VR的沉浸感使学生的学习环境具有实践性和可操作性。它不只是将学习内容从二维平面变为三维的立体画面这么简单,而是让学生在可视、可听、可实践操作的虚拟学习空间中完成知识经验的加工与建构。在VR沉浸式学习环境中,教师设置虚拟与现实相适应的教学任务,学生通过佩戴VR头显、眼镜等设备进行学习,教师可以使用控制器来和其他学生交流,并能在虚拟的情境中为学生进行导航。在虚拟情境中每个人都有属于自己的化身,可以通过操作控制器实现对自己化身移动的操作。通过VR的听觉传感器,学生可以听到大自然的溪水声或鸟叫声等;佩戴VR头显,学生们可以沉浸到长城、古罗马的三维环境中。而教师在这一过程中可以通过使用IPAD来对学生的VR体验进行启动和终止,实现全程监控。VR这种沉浸式体验能够把虚拟情境投射到学生的真实体验中,例如在观察活火山时,学生可近距离观察火山喷发的瞬间,这有利于学生建立对抽象物体和地区的具象化的认知。


其次,VR营造的沉浸式学习环境不仅可以让学习者在虚拟世界中直接操控物体,还能反过来让学习者沉浸在其中,主动汲取知识完成训练。正如哈佛大学Dede教授团队开发的帮助19世纪末的美国小镇居民摆脱传染病的项目,该项目是让学生浸入VR创设的和现实小镇一样的虚拟情境中,学生利用已有的生物医学知识和丰富的互联网资源调查病源,甚至学生可与镇上的居民沟通寻求解决问题的方法。VR技术通过多维传感器“占领”学生的多种感官,切断与外界的感知联系,让学生完全沉浸于交互式学习氛围中,为学生的高效率学习提供了首要条件。VR沉浸式的学习方式通过背景架构、故事线安排、设置任务、人机交互和深入探究的深层体验,从根本上激发学生学习兴趣,对深度学习提供了丰富的体验支持。


(二)交互功能为深度学习提供情感支持


首先,VR的交互性特点可以实现学生与设备的1:1交互,使学生的学习环境更加个性化。正如我们所知,深度学习是一种集知识和社会化情感表征为一体的学习过程[10]。而VR的交互性就满足了深度学习的条件。VR的交互式学习体验兼具网络游戏的趣味性与挑战性,利用逼真的情境与挑战来引起学生的学习动机。与传统的计算机设备不同,VR把用户与设备合看作一个整体,而用户的体验界面也不只是传递信息的媒介。VR的多维传感器为VR教学中的交互提供了多种模式。它实现了复杂的隐形数据的可视化操控,增强了人机交互频率,实现了技术操作便利性的质的飞跃。因此,VR的交互性功能可以激发学习动机,克服学习者的交流恐惧,使学习者获取信息更加快速方便,为深度学习提供了丰富的情感体验。


其次,VR的交互性使学生的学习具有社交功能,可以培养学生的合作意识、集体意识和人际交往领域上的能力。例如,在VR教学中设计了可供学习者自由选择的应用解答和应用创意两个模块,学习者必须选择其中一个作答。其中,应用解答是必须邀请一位伙伴,选择平台中的既定题目一起作答,待作品完成之后,可以选择同步发布到共享平台,供其他学习者鉴赏。而应用创造则是难度较高的模块,需要学习者与其同伴一起创造作品,与应用解答模块不同的是该模块为学习中搭建了交流平台,学习者可以在其中随时随地交流沟通,共同学习和创造,实现沟通零距离,创造无界限。应用解答和应用创意中某一个子模块完成后,会对学习者在合作模块的表现进行阶段性评价,以此为根据对学习者提出更好的建议。


(三)构想功能为深度学习提供情境支持


首先,VR的构想性功能不但能够再现真实情境,还能够构想客观不存在的甚至是不可能发生的情境。当学生在使用VR学习后,互联网便为其提供“感知环境”,虚拟世界变为“体验场”,现实世界成为了“对照区”,学生将会在虚拟情境中重新建构空间感[11]。情景学习理论主张学习就是情境和认知相互影响作用的结果,学习者在充满真实感的情境中主动完成新知的构建。例如,在医学课程中,通过VR技术创设虚拟的医疗情境和齐全的医疗设备,模拟病症部位,不仅可以给学习者提供医疗护理实操训练,还可以即时反馈医疗护理结果;在物理实验课程中,通过VR技术构建虚拟实验室,利用多维传感器感受模拟的物理现象,通过亲自操作、观察虚拟环境实验后得出结论;在历史课程中,通过VR技术模拟历史场景和人物,演绎历史事件,学习者置身于历史情境中作为历史的“参与者”,感受历史并深入了解历史。在VR环境中,传统的系列化课程转变为形式新颖、场景定制化的教学演出,学习者“现场脑补”的实操和训练可使抽象的教学内容具体化,从而获得更全面、更精细的知识经验,构建更完善的知识体系。因为VR强大的构想功能,在虚拟情境中VR教学建构的可能性是无限的。VR可帮助学习者在定性和定量的学习中获得对世界的客观认识,培养学生的创造力和想象力。


其次,VR的构想功能也能为深度学习实现提供跨时空的教学。在传统实践课的教学中,会受到时间和空间条件及其它不可控因素的限制,例如实践危险性较大、场地空间有限、实践费用高及设备少等。VR的构想性就解决了以上问题,可为学习者提供跨时空的虚拟实践场地和实验室、仪器设备等,学习者可在VR环境中感受接近真实情境但更优化的教学实践。VR创设的虚拟环境打破了实践场所的限制,规避了设备使用的危险和损耗,增加了学生体验操作复杂、费用高昂且周期较长的实践的机会,从而提高了实践教学的效果。因此,不论学生在任何时间、地点(家里、学校),VR都能提供给学习者真实教学内容与虚拟环境有机组合的深度教学。也就是说,学习者可以随时随地并多次进入同一或多种虚拟学习情境中,自己规划学习进度,完成教学实践并获取实际经验,充分发挥学生学习的自主性和积极性。这样,VR就能够让学生足不出户地获得各种场景教学与实验的真切体验,收获更深层的学习效果。VR环境下学生虚实情境的学习交互,如图2所示。



三、基于VR的深度学习模型的构建


(一)构建依据


模型构建的前提是深度学习能够真正被激发。激发学习者深度学习的前提条件有四点。第一,在教学准备方面,学生的学习材料必须是依照学生学习特点为其精心设计的、具有清晰教学目标的结构化材料。第二,在教学实施方面,必须按照合理的教学环节科学地实施教学,有目的有计划地完成教学任务。第三,在氛围营造方面,要有平等、宽松、合作、安全的互动氛围。第四,在评价方面,即时根据教学反馈信息对教学环节及活动做出相应跟进调整[12]。


为了满足以上这些条件,深度学习模型的构建有以下理论依据。


1.建构主义理论


建构主义理论为VR环境下深度学习的模型提供了理论依据。建构主义理论主张学习者应以自身与外界接触并相互作用下获得的有意义经验为内容建构自己的知识体系,即使用自己已有的条件性知识获取建构后的元知识。这两者的获取就是深度学习发生的关键性因素之一。因此,为实现学生的深度学习,首先要使用VR技术加强学生对学习内容的多维感知体验,在体验中反思学习中的问题和冲突加以具象概括并解决;其次要使用VR增强学习者认知经验的聚合、联结和迁移运用,合理使用各种科学技术手段,使学生能够在不同领域中积极运用在虚拟情境中学习的相关学科知识,促进其条件性知识和元认知的发展;最后使用VR延伸教学空间,创设持续性的学习环境,使学生的学习状态更加积极高效,从而获得一种全面的、连续性的学习,达到深度学习的目的。除此之外,建构主义还重视社会性交互在学习中的作用,这也为本模型VR的交互性功能构建的师生学习共同体提供了科学依据。


2.具身认知理论


具身认知理论也是将VR技术与深度学习结合的基本理论依据。深度学习强调学习者的学习需要亲自去感受、体验和实践,在认知和实践相互作用的过程中实现高阶思维和问题解决能力的培养。而具身认知理论主张学生学习要在深度理解知识的前提下,把知识迁移应用到不同的情境中,以实践的形式来发展自身的解决实际问题的能力[13]。首先,具身认知观认为“体验”是获取知识的重要途径,学习者以自身对外界的感知和体验来获得对事物的认识,以此来构建自己的知识体系。而传统的灌输式教学不利于学生真正理解和把握知识。所以,深度学习需要身心融合的体验式教学。其次,情境是影响学习质量与效率的关键性因素。教师能否创设出逼真生动的教学情境极大程度影响着学生具身效应的激活和具身体验的获得[14]。因此,以具身认知理论为基础,VR的沉浸性和构想性就满足深度学习的情境需要,从虚实情境两方面为深度学习提供沉浸式的情境体验。


(二)基于VR环境的深度学习的基本模型构建


本文着眼于深度学习理论和VR技术在教育中的应用,关注学习者在VR环境中深度学习的过程,同时也研究VR在这一过程中所扮演的角色与作用。本文从深度学习的准备、知识建构与迁移和深度学习的评价三方面来剖析学生在VR环境下的深度学习,提出以下学习模型,如图3所示。



1.深度学习准备阶段


准备阶段是深度学习的基础。首先,在教师方面,教师要先准备教学资源、激活学生的先有经验为新知的接纳做准备,继而引起学生的认知冲突。了解学生的先有经验和自身的认知水平是教师准备阶段的基础和前提。而学生的学习投入、激情保持程度则是深度学习的根本保障[15]。其次,在学生方面,学生应明确学习目标,在提出问题后在VR学习环境中自主探究。深度学习意味着学生要深入了解和掌握知识的本质,并建构起自身的知识体系,才能实现新旧知识间的迁移,以此完善认知结构[16]。教师在准备教学资源时要注意教学内容的呈现要有衔接性;反馈的知识点要有独立性;教学材料要具有跨学科的统整性和条理性。


VR为深度学习的准备阶段提供网络平台和资源支持。VR通过计算机技术为深度学习提供了海量的资源与情境。深度学习的实现就需要教师在全面了解教学内容的前提下,利用VR提供的资源与平台,针对不同的教学层次,提出个性化的教学要求,最后通过不同模块的知识整合,列出课程统整的框架,便于学生在VR创设的虚拟环境中,通过新旧知识的相互作用完成认知的建构,使知识体系中的认知内容更具有衔接性。这里的整合不仅指要把教学内容系列化、模块组合系统化,还要跨学科、跨领域。在此过程中,要找出多学科的最佳整合要素,把它作为推进整体课程整合的关键性要素,为学习者提供更全面的教学内容。例如,在地理学科的教学中,通过虚拟现实技术模拟三维地理环境,并结合GIS功能,为学生提供大量有关自然与人文地理兼具的综合性课程资源和数据,并整合地理学科中分支学科方面的教学内容,为学生呈现出跨学科多领域的资源支持。


2.深度学习知识建构与迁移阶段


深度学习的知识建构与迁移阶段是深度学习的核心阶段,包括前一阶段引发认知冲突后的深层理解加工、进行概念转换、对新知进行迁移创造进而建构个体知识。其中,迁移有内部和外部之分。内部关联迁移即在原有知识结构不发生改变,也不超出当前学习阶段的单元或学科的前提下,在学习者的认知结构内完成新问题的解决。外部拓展迁移的主要表现是知识在认知结构的联结程度上发生了改变,如跨单元、跨学科的知识迁移,这些都使得知识脱离原始单一层次而发生更全面的成长。此阶段的创造即深度学习的最高境界,则表现为把深度学习升华成知识生产与创新的一种特殊性价值。内部迁移是对已有经验与能力的进一步强化或深化。而外部迁移则是在此基础上获得更全面的能力和素养[17]。“迁移与应用”不仅仅是对学生学习结果的一种最终检验,更是一种学生进行深度学习的学习方式。“迁移”即内部知识扩展并提升为外部经验,“应用”即把内部知识消化并外显于解决问题的过程,这是把间接经验转化为直接经验、把抽象符号转为具象化知识的过程[18]。


VR在这一过程中全程提供体验、情境和情感支持,帮助学生在虚拟情境中完成新知建构与迁移。首先,VR可以为学生提供“5R”沉浸式体验(真实的训练活动、真实的学习过程、真实的学习条件、真实的角色安排和真实的学习压力),教师依据教学目标并在与旧知关联基础上,在VR资源区调取合适的课程资源,提出问题并设置能够给予学生足够思考机会的学习任务,利用VR设备的技术手段赋予学生不同角色,为学生设置虚拟的教学情境,使学生获得真实的体验围绕问题进行有针对性的学习。例如,在飞机驾驶的技能学习中,虚拟现实技术为学生提供无风险的“5R”沉浸式体验让学生通过实践来完成操作理论知识的建构与迁移。教师可在虚拟环境中为学生设置暴雨、台风等恶劣天气为学生提供高难度的情境训练,学生可以通过反复练习操作设备,最终达到在各种天气情况下都能熟练驾驶的目的。其次,VR的交互性功能为学生的深度学习提供丰富的情感体验。教师在学生知识建构过程中设置灵活性的问题引导师生、生生间的讨论与交流。在VR全程体验中,学生可以即时和教师及同伴分享实时信息、疑问或感兴趣的内容,激发思维碰撞的火花,实现对知识的深度把握。在VR沉浸式教学中,学生既能实现对学习情境的深入理解,并在类似情境中分析差异并完成“举一反三”的迁移运用[19],又能批判性地理解和吸收结构化知识,实现对抽象概念与情境结合的非结构化知识的掌握,将这种深度加工建构知识的能力不断运用到新情境中,实现学习结果的质的飞跃,达到触类旁通的学习目标[20]。


3.深度学习评价阶段


评价阶段是深度学习的成果验收阶段,它贯穿于深度学习过程的始终。根据前文提到的学生学习环境论可知,学习者的先有经验不同,那么学生所处情境的认知就呈现出多样化的结果。VR沉浸式学习环境中评价学习者深度学习的特点大致分为评价方式多样化、评价标准定制化和评价反馈灵活化,充分发挥评价对于学习者深度学习全程的反馈作用。例如,在VR体验学习项目中,通过设置关卡的方式来评价学习者的深度学习进展程度;体验结束后,也可采取头脑风暴、师生生生互评和撰写评价报告等交互性评价方式来验收学习结果。


在VR的学习系统中教师可以实现对学习者训练的合理性管理,更科学地规划其自学和训练时间、内容、人员等信息,并即时且准确地分析学习者的学习,通过了解学习者的学习习惯偏好、交互情况等,将信息综合处理,为学生筛选出适当的方法,从而实现服务个性化和信息推荐人性化。教师也可以利用虚拟现实设备创建出数字化的多维评估体系,实现教育目标的有效性。在学生的整个学习过程中,平台终端会建立起专属于每个学生的电子学习档案,不仅可以记录学生在平台学习的进度和效果,还可以通过同步学生的观看记录、测评成绩以及自我评价和教师同伴评价记录等完成对学生自主学习的引导与激励,培养学生的自我控制能力。在完成一阶段的学习后,平台会根据学习者在学习系统中的表现作出综合性的评估,并从认知领域、人际领域以及个人领域三个维度对其进行全方位的评价,并给予适当的鼓励,激励学习者并提高其学习动机。当在课下使用VR学习时,VR可以将人文情境和自然环境真实地呈现在学生眼前,多维感官参与的沉浸感使学生排除干扰百分百地投入到学习项目中[21]。虚拟情境中学习者情感与认知的投入程度和自我管理约束程度,既是深度学习时学习激情的保持和知识的加工建构与高阶思维的培养的内源动力保障,也是衡量与评价深度学习的关键因素。


四、结语


深度学习是近几年来教育研究的热点,而深度学习的开展,需要VR技术搭配相关的学习资源和工具的支持。VR为深度学习提供体验支持、情感支持和情景支持,有助于学生在仿真的环境中自主探究,获得认知,实现与真实环境无缝对接。本文构建了基于VR环境的深度学习模型,并从深度学习的准备、知识迁移与建构和深度学习评价三个阶段阐述了基于VR环境的深度学习模型的运行机制。


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作者简介:李洪修:教授,博士生导师,研究方向为课程与教学论、教育管理;李美莹:在读硕士,研究方向为课程与教学论。


转载自:《中国电化教育》

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