虛擬現(xiàn)實技術與慕課融合下的未來學習：內(nèi)涵、構建和場景

余紅宴 徐少卿 武偉剛

摘? ?要：虛擬現(xiàn)實（VR）技術與慕課（MOOC）已經(jīng)逐步滲透到人們的工作、生活和學習中，然而將VR技術與MOOC相融合的研究還處于起步階段。VR技術與MOOC的融合在教育場景中具有廣闊的應用空間，日益凸顯出未來學習的新內(nèi)涵、新建構以及新場景。兩者融合下的未來學習呈現(xiàn)出遠程在線、非接觸式、虛擬的沉浸式學習內(nèi)涵，使得“VR—MOOC”逐漸成為未來教學發(fā)展的主流方向。

關鍵詞：VR技術;MOOC;開放性課程;沉浸式學習;未來學習

中圖分類號：G434;G64 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）13-0031-04

一、引言

新冠疫情讓世界各國教育系統(tǒng)受到了全所未有的挑戰(zhàn)和沖擊[1]。疫情期間，全球有2億多學生不能到學校學習，這也迫使傳統(tǒng)的學校教育教學模式進行變革。2020年4月1日，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（Organization for Economic Cooperation and Development，OECD）教育技術司聯(lián)合美國哈佛大學發(fā)布了《2020應對COVID—19教育指南》[2]。這份指南在新冠疫情之下給各國的決策者全面審視“教”與“學”所面臨的挑戰(zhàn)和需求，為學校領導、教師、學生更好地開展教學實踐，提供了具體有效的行動策略，從而最大限度地降低了疫情對教育教學產(chǎn)生的消極影響。對于我國“后疫情”時期進行教育教學變革、重塑教育教學生態(tài)系統(tǒng)，具有重要的參考價值[1]。

二、慕課與虛擬現(xiàn)實技術概述

MOOC作為大型開放式網(wǎng)絡課程平臺，在這次疫情期間，對各國高等教育“停課不停學”的居家學習起到關鍵支撐作用。MOOC由美國斯坦福大學教授塞巴斯蒂安·史朗創(chuàng)立，當時他把自己的人工智能課程上傳至互聯(lián)網(wǎng)，吸引了來自190多個國家的16萬名學生聽課學習。2012年被稱為“慕課元年”，多家投資商與頂尖高校構建“以學生為中心、開放的、在線的”課程，從而產(chǎn)生了Coursera、Udacity、edX等大型在線學習平臺。在中國，2014年5月，教育部正式開通中國大學MOOC平臺。該平臺是由網(wǎng)易云課堂承接教育部國家精品開放課程任務，與愛課程網(wǎng)合作推出的在線學習網(wǎng)站。MOOC采用聯(lián)結主義的教育理念，試圖通過教育技術實現(xiàn)教育資源民主化的目標，將優(yōu)質資源惠及更廣泛的人群，是一種成功實現(xiàn)知識共享，使得每一個人可以幾乎完全免費獲取教育資源的課程平臺，這是自印刷術發(fā)明之后又一次知識傳播方式的飛躍，也是一場教育領域最大的變革[3]。

近年來，隨著沉浸式學習以及仿真技術的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術在教育、教學中得到了廣泛應用。虛擬現(xiàn)實技術是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，在視、聽、觸覺等方面生成與一定范圍真實環(huán)境相似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境的對象進行交互作用，相互影響，可以產(chǎn)生親臨真實環(huán)境般的感受和體驗[4]。虛擬現(xiàn)實技術可以改造傳統(tǒng)教室、創(chuàng)新VR課堂教學、建設高校VR教室和虛擬仿真實驗室、加強虛擬教學環(huán)境的開發(fā)、創(chuàng)立虛擬情境教學新模式與虛實結合的學習環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術主要通過頭顯設備與傳感設備模擬出仿真的視聽觸覺世界。用戶能夠沉浸、引導和執(zhí)行操作，并顯示實時的效果，讓學生產(chǎn)生沉浸式學習體驗。然而，現(xiàn)有的虛擬仿真實驗室仍然延續(xù)了教室的建設傳統(tǒng)，學生要學習，就必須去實驗室或者教室，才能進行虛擬仿真實驗的體驗學習。例如，新冠疫情期間，大部分實驗課程（包括虛擬仿真實驗課程）無法開課，為此，我們提出建構一種基于VR技術的MOOC教學平臺，充分融合VR技術和MOOC優(yōu)勢，建設線上虛擬教學平臺。

三、VR技術與MOOC融合的內(nèi)涵

MOOC雖然在擴大教育規(guī)模、促進教育公平和提高教育教學質量等方面發(fā)揮重要作用，特別是新冠疫情期間居家學習的實踐中，MOOC顯示出巨大的優(yōu)勢。然而，MOOC發(fā)展也存在一些問題：實驗教學非常少，教學手段缺乏;實驗課程資源單一，實驗學習方式缺乏創(chuàng)新和實效性;無法進行有效的交流與協(xié)作，不利于學生意義建構與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。更嚴重的是，很多實驗課程無法開展，即使是學校建設了虛擬仿真實驗室，也無法居家操作和學習。據(jù)統(tǒng)計，疫情期間，學堂在線、中國大學MOOC、好大學在線等課程平臺的實驗課程占總課程比例分別為0.5%、2.2%、0.5%。如何為學習者提供學習中的實踐和實驗教學環(huán)節(jié)，一直是在線教育面臨的一個共同問題和挑戰(zhàn)[5]。通過融合VR技術與MOOC優(yōu)勢，可以建立遠程線上虛擬實驗室，解決在線教育面臨的問題。虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術，在計算機上建構的可輔助、部分或全部替代傳統(tǒng)實驗室真實操作環(huán)節(jié)的相關硬件和軟件操作環(huán)境，實驗者可以得到與真實環(huán)境一樣完成各種實驗項目的實驗體驗[5]。線上虛擬實驗能夠有效解決MOOC環(huán)境下實驗教學所面臨的困境，是未來MOOC學習環(huán)境下實驗教學的一個重要發(fā)展方向。

線上虛擬實驗能夠有效解決MOOC環(huán)境下實驗教學（虛擬仿真）的實施問題。線上虛擬實驗解決了學習者眾多、地點分散等不能開展真實實驗的困境。運用虛擬現(xiàn)實、建模和數(shù)據(jù)庫技術，建立高度仿真、強交互的虛擬儀器和虛擬實驗室環(huán)境，學習者通過對虛擬實驗儀器的操控、實驗過程的觸發(fā)和實現(xiàn)，產(chǎn)生視覺表象、功能和操作的沉浸式學習體驗[5]。據(jù)斯坦福大學杰里米·拜倫森教授多年研究表明，沉浸式學習能夠有效提高學習者的參與度、知識記憶水平以及自我效能感，沉浸式學習是數(shù)字化學習的未來[4]。

線上虛擬實驗可以解決傳統(tǒng)實驗協(xié)作交流的局限性、跨時空合作的困難性問題。MOOC虛擬實驗學習者可以運用各種智能終端設備，在線進行實驗進程問題的交流和討論，并根據(jù)各自的優(yōu)勢和特長，進行實驗的分工協(xié)作，共同完成一個實驗項目的設計、開發(fā)和學習?；趯W習者位置呈現(xiàn)分布式的特點，學習者還可以利用碎片化時間進行泛在的實驗操作和實踐，充分解放了學習者的學習時間，帶來自由安排的便利。

線上虛擬實驗可以解決傳統(tǒng)實驗耗材成本高的現(xiàn)實問題。為了充分理解實驗操作過程，學習者需要反復練習。在傳統(tǒng)實驗中，這會消耗大量實驗材料，增加了高校的實驗成本。線上虛擬實驗允許學習者多次、反復操作實驗，直到充分掌握實踐技能，不必擔心實驗耗材問題，有效促進了學習者探究心理的成長，培養(yǎng)了學習者的創(chuàng)新精神和能力。

線上虛擬實驗可以解決傳統(tǒng)實驗室實驗數(shù)據(jù)記錄與評價難的問題。因為學習者在線上虛擬實驗操作過程的詳細數(shù)據(jù)（如視頻）可以被后臺服務器如實記錄，真實反映學習者實驗學習過程中的基本情況，包括實驗的掌握情況、數(shù)據(jù)的處理軌跡、實驗的科學態(tài)度等都可以得到客觀的評價。在線虛擬實驗的自動化和智能化評價手段使得評價效率高效，實驗結果能夠得到及時反饋，促進了學習者實驗學習的主動性、自主性發(fā)展。

四、 VR技術與MOOC的融合

VR技術與MOOC的融合不僅可以建立線上虛擬實驗課程，還可以建立虛擬理論課程。VR技術與MOOC融合所需要的信息技術主要有人機交互技術、人工智能技術、可視化技術和網(wǎng)絡技術，還有多媒體技術、云計算技術、大數(shù)據(jù)分析技術等[5]。VR技術與MOOC融合的教學平臺構建由課程設計、課程拍攝以及平臺搭建三個部分組成。

1.課程設計

課程設計包括課程視頻設計、交互設計以及實驗設計三個部分。

（1）課程視頻設計

MOOC是一種基于短視頻的、以學科單元知識點來組織知識結構的課程。每節(jié)視頻必須具備較為明確的教學主題，并且時間一般控制在5至20分鐘之間。依據(jù)VR技術的沉浸式體驗、虛擬感知、人機交互等特性，結合MOOC課程建設中的教學目標與課程核心問題，首先MOOC在題材上應選擇實踐性較強但課堂上無法完全展示應用的課題。另外，在慕課教學視頻設計中還應融入人機交互環(huán)節(jié)，使得課程實現(xiàn)虛擬交流以減輕學生全程觀看視頻而長期佩戴虛擬現(xiàn)實頭盔導致的不適。

（2）課程交互設計

VR技術具備“交互性”的高級屬性，可通過鍵盤或手持設備，使兩個或多個個體進行互動交流的內(nèi)容與結構設計。慕課在運用虛擬現(xiàn)實技術時，應重視創(chuàng)造和建立學習者與課程知識之間有意義的聯(lián)系。通過人工智能、大數(shù)據(jù)以及仿真技術構建“教師—智能機器”“學生—智能機器”的交互模式[6]，徹底暢通虛擬空間與顯示三維空間的屏障，在實踐課程教學中培養(yǎng)學習者的實踐、創(chuàng)新、協(xié)作等能力。

（3）實驗設計

MOOC雖然可以傳播課程的基礎理論與知識，但是教師無法真正使學生在未來實踐中深入應用來源于書本的課程知識。學生只掌握書本知識而缺少實踐動手能力是現(xiàn)階段的課堂教學的痛點，在MOOC設計時應充分考慮實驗環(huán)節(jié)設計。VR技術包含了3DMAX、EZP、P2V、KAG等軟件與系統(tǒng)，應以相關軟件與系統(tǒng)作為技術應用基礎，開發(fā)基于學科門類課程的虛擬實驗環(huán)境平臺，將虛擬現(xiàn)實技術與MOOC的優(yōu)勢整合起來，建設與之相適應的操作體系與運行載體，提升課程的效能和質量。

2.課程拍攝

課程拍攝包括3D全景錄制和古騰堡原則與場景搭建。

（1）3D全景錄制

隨著VR技術商業(yè)化的不斷推進，VR拍攝的技術與設備已經(jīng)逐漸普及，如未泰克影像公司的曼富圖360 VR、三星公司的Gear360、理光映像的THETA—SC2全景相機以及配套軟件等。采用高效的錄制設備與軟件，可以打造出色的基于虛擬現(xiàn)實技術的慕課教學視頻。

（2）古騰堡原則與場景搭建

古騰堡原則[7]是由14世紀西方活字印刷術的發(fā)明人約翰·古騰堡提出，他認為人的閱讀方式應該是遵循某種習慣進行的，就像讀書一樣，由左到右，從上到下。MOOC課程在視頻中加入的交互環(huán)節(jié)，如知識點答題、課程交流等采用古騰堡原則構建學習者習慣的閱讀方式，提升了用戶與VR課程的融合度。部分慕課課程視頻錄制時，天空、宇宙、深海等環(huán)境需要采用CG動畫與3D模型來增強課程的虛擬仿真屬性，采用“全景+綠布摳像技術”可以完善VR課程的整體錄制。

3.平臺搭建

平臺搭建主要包括Website—VR與APP—VR兩種方式。

（1）Website—VR

采用Web網(wǎng)頁形式瀏覽VR課程，降低了平臺研發(fā)的成本，同時慕課的“公開性”使學習大眾易于接受，滿足了慕課大型、在線、公共的屬性要求。平臺搭建的方式眾多，前端采用HTML5、CSS、JS、UtoVR SDK（VR視頻播放器）等工具，后端可以采用PHP+MYSQL等方法。運用UtoVR Web-SDK 軟件開發(fā)工程包可以開發(fā)出高效、低成本、與VR課程更契合的慕課學習網(wǎng)站平臺。

（2）APP—VR

APP手機應用程序是現(xiàn)階段用戶進行課程視頻學習時采用的最便捷的一種學習方式。APP—VR模式對于學習者的VR設備要求較低，通常使用手機內(nèi)置式頭顯設備與手持操作柄即可進行MOOC課程學習。也可以采用第三方VR視頻播放APP，如上海優(yōu)土視真公司的UtoVR APP，通過上傳已錄制好的“VR—MOOC”視頻就可以為學習者提供良好的學習平臺環(huán)境。

五、VR技術與MOOC融合的場景

學習場景是人類教育教學的微觀單元，通過時、空兩個因素，人們對學習場景進行感知，而技術條件決定著人類場景感知的方式，一個個場景組成了人們的日常學習生活[13]。VR技術與MOOC融合的應用非常廣泛，不僅適合內(nèi)容抽象的理論課程，也適合操作復雜的實驗課程。接下來簡要介紹幾類VR技術與MOOC融合的場景。

1.思政類

思政教育是大學生的必修課。然而，學生認為思政課程理論知識內(nèi)容抽象，導致學習興趣不高?？梢詫⑻摂M現(xiàn)實技術融入思政教育中，將概念教學采用現(xiàn)代文化傳播的方式，變革傳統(tǒng)教學中理論知識教學運用PPT講授、觀看視頻的單向傳播方式[8]。通過虛擬現(xiàn)實技術、動態(tài)環(huán)境建模技術、3D場景顯示技術、虛擬傳感器技術、HLS網(wǎng)絡直播技術的結合[3]，讓思政課堂活躍起來?！俺两綄W習”可以深入學生內(nèi)心，促進知行合一，增加課堂的真實性和情感性，達到培養(yǎng)學生情感、態(tài)度和價值觀的學習目標。

2.醫(yī)學類

在現(xiàn)階段醫(yī)學類課程中，通常采用多媒體教學。教師使用PPT開展日常教學活動，學生通過平面的圖像、視頻進行學習。在醫(yī)學類課程中，從基礎概論再到手術、解剖等實踐環(huán)節(jié)都需要VR技術的支持，通過人體的虛擬現(xiàn)實模型，結合跟蹤球、HMD、感覺手套等專業(yè)設備，學習者可以進入虛擬的醫(yī)學教學環(huán)境。VR三維成像模塊針對的對象是三維體數(shù)據(jù)。醫(yī)學類院校一般需要建設線上虛擬實驗室，學習者可以更好地進行各種解剖與手術練習，同時可以減少對于標本、場地的依賴以及儀器費用的投入，降低教育教學成本[9]。

3.藝體類

在藝術、體育門類課程的教學中，課程通常依賴于實地場景進行實地教學，一般是通過教師現(xiàn)場示范，學生練習來組織完成教學活動。然而，實地教學受到場地、氣候、時間、疫情等不確定因素的影響，常常不能如期進行?；赩R技術的沉浸式學習方式對于學習者藝術、體育實踐技能的形成和規(guī)范有著較大推動作用，學習者可以“居家”進行交互式、分布式、智能調(diào)整、圖文結合的教學活動[10]。同時，VR技術可以在學生參加競賽前提供虛擬比賽場地，提前模擬比賽的動作技巧訓練，可以有效提升參與者的獲勝率。

4.地理類

在國情教育的大背景下，國家對于地理課程的教學要求逐漸提高。在地理學科的教育中，要求教師積極利用身邊日常生活中的教學資源，促使學生實踐應用能力得到有效提升。VR技術與GIS地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）[11]的融合，使學習者通過Website平臺就可以遠距離進行“遙操作”與“遙顯示”。教師可以結合VR技術，將教材中與人類生活密切的案例加以提煉，并融入MOOC教學設計中，使學習者對于地理學科的學習更高效、更專注，沉浸式地領悟自然奧秘，獲得更好的學習業(yè)績以及能力提升。

5.建筑類

在建筑類課程教學過程中：VR技術的現(xiàn)代化應用為建筑空間設計教學帶來了最直觀化的展示，使得教學更加仿真和高效; VR技術能夠充分展現(xiàn)設計者的思路，以及其想要傳遞的設計內(nèi)涵;VR技術能夠提高學生對設計的主動性[12]。VR技術在三維立體空間感中的優(yōu)勢，使得靜態(tài)建筑得到動態(tài)化展現(xiàn)，突破以前二維平面的設計方式，有效避免了平面設計的缺點。由此可以看出，VR技術在建筑空間設計仿真化教學中有著較好的應用前景。

六、結語

VR技術與MOOC融合下的線上虛擬MOOC， 可以讓學習者產(chǎn)生沉浸式學習體驗，不受時間、空間和場地限制，節(jié)省大量的空間、時間和資源消耗。立足于個性化、大眾化、興趣化、現(xiàn)代化為特征構建的“VR—MOOC”課程，具有很強的延展性、適用性，是未來泛在學習的一個重要方向。將VR技術與MOOC融合，設計教學任務、過程和細節(jié)，嵌入VR技術應用體系，整合教學過程和教學細節(jié)，提升學習者在線虛擬課程學習中的自主能力和感受能力。虛擬現(xiàn)實的MOOC教學環(huán)境必定促進學習者在個人知識生成、創(chuàng)新、實踐、研究等方面能力的提升。目前，VR技術與MOOC的融合應用尚處于初級階段。未來，VR技術將與5G網(wǎng)絡、人工智能、虛擬直播、全息攝影等技術攜手并進，必將共同推動“沉浸式”虛擬現(xiàn)實技術與MOOC的融合。

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（編輯：王曉明）