虚拟现实,让学习更“沉浸”

中新网1月5日电
3-7日,由北京师范大学主办、北京师范大学智慧学习研究院承办、网龙华渔教育参与协办的“智慧学习与创新设计学术周”在北京师范大学召开。作为本届学术周的一大亮点,北京师范大学智慧学习研究院联席院长、哈佛大学教育学院特邀教授、网龙网络公司董事长刘德建的个人专著《设计方法论》及其本人主要参与编著的《虚拟现实,增强现实以及混合现实在教育中的应用》正式对外发布。

虚拟现实与增强现实技术是近年来教育领域应用的新兴技术,游戏化元素则丰富了虚拟现实与增强现实的应用设计。

新年伊始,一场虚拟现实教育与沉浸式学习研讨会在美国哈佛大学召开。在这场由哈佛大学教育学院、北京师范大学智慧学习研究院和中国:福建虚拟现实产业基地联合主办的研讨会上,来自世界各国的专家学者齐聚一堂,共话虚拟现实技术与教育事业的融合发展。

必发365乐趣网投手机版 1图为全球首部VR、AR、MR教育应用学术专著对外发布

教育游戏;虚拟现实;增强现实;学习科学;具身认知

来自中国的虚拟现实技术给人们上了一节叹为观止的“虚拟现实沉浸课”:虚拟现实天文知识带来了漫步星空的奇幻体验;虚拟现实海洋科普令人如临深海,畅游水下世界;最新研发的虚拟现实编辑器让每一位在场专家都能轻松设计出一整套虚拟现实原创素材。

据悉,《虚拟现实,增强现实以及混合现实在教育中的应用》也是全球首部收集虚拟现实、增强现实和混合现实前沿技术应用于教育的英文专著,将为全球“VR+教育”行业的发展及应用实践提供权威指导。

通晓学习与更新设计学问周,游戏化成分则拉长了虚构现实与提升现实的利用设计必发365乐趣网投手机版。原标题:基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用及发展前景

“在教育领域,中国是我见过将虚拟现实最早投入课堂的国家之一。包括像虚拟现实编辑器这样优秀的实践成果,会推动整个行业在内容方面的升级。”哈佛大学教育学院教授克里斯:德迪在体验后评价。

作为学术周的协办方之一,也是网龙网络公司旗下的教育业务品牌,网龙华渔教育早在2015年3月就与北京师范大学展开合作,共建北师大智慧学习研究院,专注研究信息化环境下的学习规律,打造支持终生学习的智慧学习环境和平台。2017年初,刘德建就曾为哈佛大学研究生教授过网龙自主研发的设计方法论课程,这套初次走出国门的创新课程在哈佛大学获得了高度肯定。作为设计与学习课程的核心材料,刘德建的专著《设计方法论》也在学术周中首次亮相。

作者简介:王辞晓,北京大学教育学院在读直博生,研究方向为数字化学习、企业学习等,wangcixiao@pku.edu.cn;李贺,中央电化教育馆国际合作处助理研究员,副主任,研究方向为教育技术与教学的融合、中小学教育信息化应用、以学生为中心的教学法,li_he@moe.edu.cn。北京
100031;尚俊杰,北京大学教育学院副教授,博士,研究方向为游戏化学习、学习科学与技术设计、教育技术领导力与政策等,jjshang@pku.edu.cn。北京
100871

沉浸式虚拟现实技术与教学相融合的新模式,是以优质教学资源为核心,集终端、应用系统、平台、内容于一体,为学生创设接近真实的学习环境。虚拟现实技术可以将抽象概念具象化,为学习者打造高度开放、可交互、沉浸式的三维学习环境。参加研讨会的网龙网络公司董事长刘德建说,虚拟现实教育别具优势:学习者能够全神贯注而不是被动接受灌输,还可以获得一对一教学,最重要的是可以不用跟其他学生比较,避免对学习产生畏惧。

设计方法论是网龙长期以来在产品研发过程中,被实践、证明成功的设计经验的总结与提炼,涵盖了产品诞生的完整逻辑。刘德建表示,设计方法论既是设计思维,又是一套行之有效的设计流程,它能够帮助产品设计师改变思维,通过系统方法论去思考设计、思考产品。网龙正逐步将书中内容制作成工具型网站,今后外部人员也能用它获取网龙内部设计师所应用的设计性训练和相关知识。

内容提要:虚拟现实与增强现实技术是近年来教育领域应用的新兴技术,游戏化元素则丰富了虚拟现实与增强现实的应用设计。文章对虚拟现实和增强现实的教育游戏应用研究进行了梳理和分析。首先,介绍了基于桌面、头戴式设备和激光控制的虚拟现实教育游戏应用案例及研究,以及强调角色、位置和任务的增强现实教育游戏应用案例及研究,并对传统面对面学习方式、传统在线学习方式、虚拟现实和增强现实学习方式进行了对比分析。接下来,从情境学习、具身认知、心流理论、合作学习理论出发,对基于虚拟现实和增强现实的教育游戏的理论基础进行了探讨。最后,研究提出基于VR和AR的教育游戏教学应用模式,并得出该领域教学设计及实验设计的研究启示,并提出基于虚拟现实和增强现实的教育游戏发展前景。

刘德建认为,未来应该让虚拟现实教育涉及面更广,应用的门槛更低。目前网龙已经自主研发出一款面向全年龄段、简单易用的虚拟现实编辑器,只需要培训3天就能学会制作虚拟现实产品。编辑器的操作步骤简单易学,甚至可以像儿童搭建乐高玩具一样容易上手,可以用来鼓励儿童去重新具化想象,互相分享。对于虚拟现实技术的创客们来说,这是首款基于虚拟现实素材的编辑工具,可以让人创造自己的虚拟现实内容,大幅降低虚拟现实素材的成本,为有志于投身虚拟现实产业的人才提供设计平台,助力虚拟现实产业发展。

目前,北师大智慧学习研究院在网龙华渔教育支持下,已将设计方法论的学习作为培养学生设计思维的重要方法,并开设了“设计与学习”的课程。此外,北师大智慧学习研究院、网龙华渔教育还与斯坦福大学建立合作,共同选出北京师范大学的学生和老师组建项目团队,参与拥有四十多年历史的设计课程ME
310课程,培养国际创新设计人才,为实现创新型国家做更多有益的尝试。

关 键 词:教育游戏 虚拟现实 增强现实 学习科学 具身认知

自上世纪80年代以来,虚拟现实技术走过了30余年的发展历程。从最原始的虚拟现实交互界面,到近年来虚拟现实技术的井喷式发展,普通大众从最初对虚拟现实不明所以,到如今被各种新式虚拟现实技术狂轰滥炸,都显现着虚拟现实在近几年内的爆发。

发布全球首部VR、AR、MR教育应用学术专著

标题注释:本文系北京市教育科学“十三五”规划2016年度重点课题“基于游戏化学习的教育教学实践研究”(课题编号:CAHA16052)研究成果。

克里斯:德迪认为,整个教育科技的发展史就是不停地产生新的教育技术手段介质用于学习,有了可投入实践的虚拟现实教育产品而不是停留于理论,“虚拟现实+教育”才会真正从梦想走向现实。

在过去的两年多时间里,VR/AR/MR技术呈喷涌趋势发展,大众不断听到这些新技术落地开花的声音,也一次次见证了VR/AR/MR技术刷新教学体验、助力教育革新。网龙华渔教育是领跑中国“互联网+教育”的领先企业,依靠母公司网龙雄厚的技术实力,致力于通过“互联网+教育”模式,率先将VR、AR、MR、人工智能、大数据、云计算等技术与教学模式的发展进行融合,打造面向未来的、开放的教学生态系统。

中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1006-986008-0099-09

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作为学术周的一大亮点,由北京师范大学智慧学习研究院联席院长、哈佛大学教育学院特邀教授、网龙网络公司董事长刘德建;哈佛大学教授Chris
Dede;北京师范大学智慧学习研究院联席院长黄荣怀;哈佛教育学院特邀讲师John
Richards主要参与编著,并由来自中、美、德、英等国家十余位顶尖学者及专家所共同撰写的《虚拟现实,增强现实以及混合现实在教育中的应用》专著也正式对外发布,这是全球首部收集虚拟现实、增强现实和混合现实前沿技术应用于教育的英文专著。

一、引言

“创新设计”与“智慧学习”不仅是本次学术周活动主题的关键词,也是网龙从成立至今,十余年发展的“路径缩影”和“理论抽象”。网龙网络公司CEO、互联网教育智能技术及应用国家工程实验室副主任熊立博士在活动致辞中表示,“创新设计”是融入网龙骨血的DNA,也是网龙从零开始,取得阶段性成功的基础。网龙也正是在“创新设计”思维的助力下,才逐渐成长为当今中国互联网娱乐产业最具代表性和生命力的企业。

近年来,教育游戏成为技术促进教学的研究热点之一。教育游戏利用网络技术或智能工具作为交互媒介来辅助学习、提高学习参与度和持续性,提升了学习方法的多样性及学习过程的交互性[1]。研究者致力于从教学原则、学习活动设计和技术应用等角度研究教育游戏对学习的促进作用。如何维持学习者的学习兴趣、提升学习者的学习效果,是教育游戏研究领域所面临的挑战之一。2016年被媒体称为“VR元年”[2],随着智能信息技术的发展,智能设备能够为教育领域提供新的研究视角,研究者逐渐探索起虚拟现实和增强现实技术在教育领域中的应用[3]。《国家教育事业发展“十三五”规划》中指出“要全力推动信息技术与教育教学深度融合。综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”。单纯地应用智能技术,较难维持学习者的学习兴趣与持续性,为智能技术增加游戏化元素,能够在提升趣味性的同时,保持学习者的学习动机[4][5]。虚拟现实和增强现实技术如何更好地应用在教学之中,智能技术与传统教学方式如何优势互补,是教育研究者和一线教育实践工作者需要探索的问题。

2010年网龙全力进军互联网教学领域,推出“华渔”为教育业务品牌,进一步提出“智慧学习赢未来”的理念,针对终生学习需求进行业务布局。如今网龙已初步完成教育业务的全球化布局,依托网龙VR、AR、MR、人工智能、大数据等高新技术与传统教学模式融合的产品及解决方案,公众已经能够感受到以智慧学习理念为起点,一场惠及全球用户,改变很多人学习和受教育模式的变革正在酝酿。

本研究选取Web of
Science数据库的核心合集为主要文献样本来源,同时兼顾国内学者的突出研究贡献。使用WOS数据库高级检索功能,即使用字段标识、布尔运算符、括号和检索结果集来创建检索式,所用到的字段标识TS代表主题。本研究最终确定检索式为:TS=(“Educational
Game*” OR “Game-based Learning*” OR “Computer Game*” OR “Video
Game*” OR “Serious Game*” OR “Digital Game*” OR “Online Game*” OR
“Electronic Game*” OR “Simulation Game*”) AND TS=(Learn* OR
Education* OR Teach*) AND TS=(“Virtual Reality*” OR “Augmented
Reality*” OR “VR” OR “AR” OR “Mixed
Reality”)[6]。设置时间跨度为2000年-2017年。通过对研究内容相关的文献进行筛选与内容分析,试图从教育游戏视角探析VR和AR智能技术在教学中的应用及发展前景,为其在教育游戏领域的实践与研究提供参考。

二、基于虚拟现实和增强现实教育游戏应用及对比

将虚拟现实和增强现实内容游戏化(Camification)[7]不仅仅是通过游戏化元素来提升学习或培训过程的趣味性,更是为了提高学习者的参与程度,使虚拟现实和增强现实内容的呈现形式不再单一而具有多样化形式。以游戏的方式还能减轻学习者面对某些特定内容的心理恐惧,如昆虫学习等[8]。通过对相关文献分析,本文将分别介绍基于虚拟现实的教育游戏及基于增强现实教育游戏的研究案例,并进行传统面对面学习方式、传统在线学习方式、虚拟现实和增强现实学习方式的对比分析。

基于虚拟现实的教育游戏

虚拟现实(Virtual
Reality,VR)即采用三维图形、音频及特殊的外围设备,利用计算机生成交互式虚拟环境。虚拟现实环境中使用的显示设备是沉浸式、体验式的,技术的沉浸式特点可以增加用户的参与度[9]。虚拟现实技术的类型有三种:第一种是基于桌面的虚拟现实,这种形式的虚拟环境在显示器中设置,通过传统的输入设备,如鼠标、键盘来进行交互;第二种是基于头戴式设备的立体虚拟现实,这种形式向用户提供一个对象两个角度的不同图像,从而实现一种沉浸式3D体验效果;第三种是激光控制的虚拟现实,学习者可以通过外部工具产生的激光束来进行操作,从而达到交互的效果[10]。虚拟现实技术类型的多样性为不同类型教学内容提供了多种选择,同时也丰富了教育游戏的设计形式。

1.基于桌面的虚拟现实教育游戏

基于桌面的虚拟现实技术无法做到完全的沉浸体验,但是其成本比3D立体化虚拟现实显示低得多。Rosenthal和Geuss等人[11]设计的医学外科手术学习系统是典型的基于桌面的虚拟现实教育游戏,通过游戏任务促使学习者学习和训练精细操作技能。该研究将可操作、虚拟现实界面归类为视频游戏,学习者无需佩戴头戴式设置,而是通过控制实体操作杆对电脑桌面演示的腹腔镜虚拟对象进行外科手术。研究发现,具有较多视频游戏经验的儿童在VR教育游戏中表现要比具有较少视频游戏经验的儿童要好,成人学习者也是如此。基于虚拟现实的教育游戏不但能够提升教学的趣味性,在实验真实性上,能够帮助学习者从空间立体角度来进行操作和实验,在技能训练方面,借助于操作杆,学习者可以反复练习程序性技能,提高了实验工具的可重复实用性。

类似地,Roitberg和Banerjee等人[12]也将虚拟现实系统中的操作环境设计成游戏环节。尽管这类系统在游戏化元素设计上略显单薄,但该形式也是VR技术在教育游戏领用中进行突破性尝试的发展入口。也有学者认为基于桌面的虚拟现实技术对学生的吸引力并不大,因为缺少真实的3D体验和声音情境交互[13][14],而基于头戴式设备的虚拟现实教育游戏更易使学习者产生沉浸体验。

2.基于头戴式设备的虚拟现实教育游戏

基于头戴式设备的虚拟现实技术可以细分为如下两种:头戴式设备沉浸系统和配合环境的沉浸系统。头戴式设备沉浸系统完全依靠于头戴式虚拟环境显示设备,设备显示不同的画面和声音,使学习者达到沉浸体验效果,但这种头戴式的设备容易产生视觉眩晕,不适合长时间穿戴。配合环境的沉浸系统则是在一个房间的四面墙壁上投射物体的多角度头像,用户通过佩戴偏光眼镜来实现完全沉浸的3D立体虚拟现实体验[15]。

基于头戴式设备的虚拟现实技术使学习者的双手及其他肢体部位相对自由,可与创作、运动、模型理解等知识内容充分结合进行设计。Chan和Leung等人[16]的基于头戴式设备的虚拟现实教育游戏,能够帮助学习者练习舞蹈技能,是促进学习者学习动作技能的典型案例。学习者通过模仿虚拟教师的动作来进行舞蹈动作的联系,虚拟教师通过动作捕捉技术来为学习者提供及时的动作反馈与更正。该系统的游戏化设计元素在于时间限制、虚拟人物的及时反馈和各身体部位动作得分的排行榜。研究发现,相比于观看普通舞蹈教学视频,该系统的及时反馈和游戏化元素更能使学习者关注于自身的动作、保持较高的学习动机,从而取得更好的学习效果。

配合环境的虚拟现实沉浸系统,能够使外在空间环境成为虚拟学习系统的重要组成部分。Limniou和Roberts等人设计了配合环境的虚拟现实系统来帮助学习者理解酸雨分子层面的化学反应,为学习者智慧技能类的学习提供了完全沉浸式体验环境。研究发现,使用3D学习环境学习的学生回答相关化学问题的成绩显著高于2D环境下的学习者,并且学习者对3D环境的评价更积极。与传统课堂相比学习者认为使用3D学习环境能够帮助他们更好地理解化学反应的发生。

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