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王辞晓 等:教育游戏应用及发展前景
2018年03月19日 15:22 来源:《中国电化教育》 作者:王辞晓 李贺 尚俊杰 字号
关键词:教育游戏;虚拟现实(VR);增强现实(AR);学习科学;具身认知

内容摘要: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。

关键词:教育游戏;虚拟现实(VR);增强现实(AR);学习科学;具身认知

作者简介:

  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

  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

  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。

  关 键 词:教育游戏 虚拟现实(VR) 增强现实(AR) 学习科学 具身认知

  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。

  中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1006-9860(2017)08-0099-09

  一、引言

  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(VR)和增强现实(AR)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。

  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。

  (一)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。

作者简介

姓名:王辞晓 李贺 尚俊杰 工作单位:

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