遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)空間：“超鏡”的日本教育實(shí)踐與應(yīng)用辻

眾所周知，教學(xué)環(huán)境是教育中極其重要的一環(huán)，廣義上來說教學(xué)環(huán)境包括了影響教育活動(dòng)的全部條件，而其中的教室布置、教具、教學(xué)輔助軟硬件設(shè)備等則是輔助教學(xué)活動(dòng)順利開展必不可少的要素。由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，投影儀、教學(xué)輔助系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人等各類軟硬件設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教學(xué)環(huán)境中，尤其是面對(duì)教育國際化、開放化、多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，如在線教育和遠(yuǎn)程教育中大量采用信息技術(shù)設(shè)備開展輔助教學(xué)，教學(xué)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，原有的基于電視會(huì)議系統(tǒng)和窄帶網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)環(huán)境已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿咚賹拵ЬW(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、高清視頻傳輸系統(tǒng)等為標(biāo)準(zhǔn)的新一代數(shù)字教學(xué)環(huán)境。在此背景下，以“超鏡”視頻傳輸系統(tǒng)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)空間自上世紀(jì)90年代末研發(fā)開始，開展了多次教育實(shí)踐與應(yīng)用研究，作為在遠(yuǎn)程教育中采用真人等比大小和實(shí)施視頻信號(hào)翻轉(zhuǎn)技術(shù)的典范，配合新技術(shù)的應(yīng)用和教育效果的提升，系統(tǒng)也進(jìn)行過多次更新?lián)Q代，本文將從“超鏡”系統(tǒng)的原理和發(fā)展歷程對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析與總結(jié)。

“超鏡”遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)空間

“超鏡”一詞源于“HyperMirror”，意指模擬鏡面視覺，使得觀看該視頻的雙方或多方如同看鏡子一樣，都在一個(gè)虛擬空間中，實(shí)現(xiàn)了WISIWYS（What I see is what you see）和WYSIWIS（What You see is what I see）。若采用傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程視頻模式，雙方都僅能看到兩個(gè)不同視頻窗口，一個(gè)顯示自己，一個(gè)顯示對(duì)方，這種不在一個(gè)空間的視覺會(huì)影響雙方的認(rèn)知判斷，容易產(chǎn)生認(rèn)知分歧（Cognitive Gap），如用手指對(duì)方的鼻子，如果是鏡面視覺，手指所指點(diǎn)之處，便是對(duì)方鼻子所在方位，而傳統(tǒng)視頻處于兩個(gè)不同的視頻窗口，對(duì)方很難理解手指方位。具體來說，如上頁圖1所示，場(chǎng)景1中，人物A觀看人物B正面臉部時(shí)，可以感受到對(duì)方注意力在自己身上;場(chǎng)景2中，當(dāng)看到B的側(cè)臉時(shí)，就會(huì)覺得對(duì)方并未看著自己，而是在看別的地方;場(chǎng)景3中，若對(duì)面有B和C同時(shí)存在，A就會(huì)覺得B可能在注意C，覺得對(duì)方在一個(gè)空間內(nèi)，而自己卻被排除在外;場(chǎng)景4中，當(dāng)A看到B與C之間互相交流、點(diǎn)頭、交換意見等情況時(shí)，會(huì)完全相信B的視線全部在C身上。根據(jù)這一原理，在場(chǎng)景5中，若能將C替換成A的鏡面圖像（即A與C為同一人物），則能使雙方都覺得互相處在同一空間中，且對(duì)方的視線和注意力都在自己身上。因此，認(rèn)知分歧1指的是當(dāng)實(shí)際上A與C是同一人物，C只是A的遠(yuǎn)程視頻圖像，即便雙方?jīng)]有視線相對(duì)的感受，也能感覺到對(duì)方可能是在看自己（即遠(yuǎn)程傳輸對(duì)方的圖像），但容易造成空間認(rèn)知的不一致性，需要隨時(shí)自我暗示，以強(qiáng)化共同認(rèn)知。認(rèn)知分歧2則指的是畫面中C與A存在同一場(chǎng)景中，從而弱化了空間認(rèn)知的不一致性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析得到的數(shù)據(jù)顯示，參與實(shí)驗(yàn)者對(duì)于認(rèn)知分歧1的感受遠(yuǎn)比認(rèn)知分歧2要強(qiáng)烈，且在場(chǎng)景1到場(chǎng)景4中對(duì)空間共同認(rèn)知反應(yīng)微弱。因此，“超鏡”采用場(chǎng)景5的原理，將雙方視頻水平翻轉(zhuǎn)后，使得雙方均可看到處在同一空間的自我圖像與對(duì)方圖像，以此增強(qiáng)了對(duì)空間的共同認(rèn)知。

“超鏡”系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于采用濾鏡合成視頻圖像、實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸以及等比大小顯示，以遠(yuǎn)程連接兩點(diǎn)為例，如上頁圖2和上頁圖3所示，通過攝像機(jī)分別錄制雙方的場(chǎng)景，然后通過視頻延遲設(shè)備、視頻翻轉(zhuǎn)及合成設(shè)備，將兩者的視頻重疊合成在一個(gè)畫面中，通過顯示器或投影儀等設(shè)備實(shí)時(shí)展示，由此雙方可實(shí)時(shí)同步共享合成畫面，等比大小的反轉(zhuǎn)圖像具有虛擬的共同空間體驗(yàn)感，可傳遞手勢(shì)、姿態(tài)、表情等非語言類信息，有助于協(xié)調(diào)感官，比起頭戴式全景VR、局部虛擬AR等虛擬場(chǎng)景更加真實(shí)，不會(huì)造成頭暈、惡心、空間認(rèn)知錯(cuò)覺等生理反應(yīng)。同時(shí)隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)進(jìn)行了多次升級(jí)換代，由早期的模擬信號(hào)改為數(shù)字信號(hào)，之后逐步提高清晰度，成為高清HD影像，還支持實(shí)時(shí)背景疊加合成、高清視頻、多點(diǎn)遠(yuǎn)程連接等功能。

教育實(shí)踐及應(yīng)用

大阪大學(xué)和日本獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所等單位開展合作研究與實(shí)踐，利用“超鏡”多次開展教育遠(yuǎn)程視頻實(shí)踐，尤其是在國際教育領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)“首次”實(shí)踐。如第67頁表1所示，2001年是該系統(tǒng)第一次連接中日高校，也是中國高校首次采用國際遠(yuǎn)程視頻課程，實(shí)現(xiàn)了清華大學(xué)與大阪大學(xué)之間的實(shí)時(shí)課程互動(dòng)。隨后日本與韓國、阿富汗、肯尼亞、蒙古、美國、泰國、新加坡等多個(gè)國家開展遠(yuǎn)程教育實(shí)踐。尤其是2010年，首次采用衛(wèi)星通信開展多點(diǎn)遠(yuǎn)程視頻連線（如上頁圖4），成功實(shí)現(xiàn)了通過衛(wèi)星通信傳輸高清影像的研究，驗(yàn)證了衛(wèi)星通信的穩(wěn)定性，并通過數(shù)據(jù)挖掘分析發(fā)現(xiàn)，多點(diǎn)對(duì)接中視頻信號(hào)的延遲與參與者空間共同體驗(yàn)感的關(guān)聯(lián)性，高清視頻圖像與實(shí)時(shí)合成畫面能更為有效說明復(fù)雜的物理知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和參與度。

由于“超鏡”的諸多特點(diǎn)，大阪大學(xué)、東京大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)等單位多次獲得日本政府科研立項(xiàng)，以日本文部科學(xué)省和日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的科學(xué)研究費(fèi)助成事業(yè)為例（如上頁表2），應(yīng)用“超鏡”系統(tǒng)的科研立項(xiàng)從2002年至今已達(dá)13次，累計(jì)相關(guān)科研經(jīng)費(fèi)超過2億日元，涉及信息技術(shù)、教育、文化交流、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，獲得多項(xiàng)專利，并以中日英等多國語言發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文百余篇，極大推動(dòng)了國際遠(yuǎn)程教育合作與信息系統(tǒng)的研發(fā)。

后記

“超鏡”系統(tǒng)作為日本代表性的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)，不僅可以傳輸和合成視頻與音頻信號(hào)，還可以構(gòu)成遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)空間，能夠極大提高教學(xué)環(huán)境的實(shí)時(shí)性和開放性，跨越地區(qū)和國家的限制，參與者無需穿戴任何輔助設(shè)備，即可體驗(yàn)到虛擬空間的交互性。日本、新加坡等國家采用該套系統(tǒng)共建國際課程，積極開展文化交流和教育實(shí)踐活動(dòng)，下一步該系統(tǒng)將配合360度全景影像環(huán)視系統(tǒng)開展遠(yuǎn)程高清視頻實(shí)踐，預(yù)計(jì)將會(huì)為今后的跨區(qū)域遠(yuǎn)程教育帶來新的教學(xué)環(huán)境體驗(yàn)。

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本論文獲得吉林省教育廳“十三五”社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃項(xiàng)目重點(diǎn)課題“基于數(shù)據(jù)挖掘的卓越教師能力結(jié)構(gòu)與培訓(xùn)研究”、吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)+長白文化數(shù)字博物館工程”資助。