探討虛擬現(xiàn)實在CSCL中的應用

1、探討虛擬現(xiàn)實在CSCL中的應用張 燕北京師范大學2001研 Tel-mail:swallow 協(xié)作學習是目前最熱門的教學組織形式之一，在這個信息時代里各種信息技術(shù)都對協(xié)作學習有不同程度的支持，在此就虛擬現(xiàn)實技術(shù)對CSCL的支持進行了探討。本文首先引入?yún)f(xié)作學習、CSCL以及虛擬現(xiàn)實等概念，接下來對虛擬現(xiàn)實的幾個應用領(lǐng)域進行概述，然后闡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CSCL中的具體應用，最后進行對虛擬現(xiàn)實在協(xié)作中的應用給予總結(jié)和展望。 關(guān)鍵詞：協(xié)作學習 虛擬現(xiàn)實 智能Agent 交互 1 引言人類社會進入信息社會網(wǎng)絡經(jīng)濟時代，此時的競爭方式已由戰(zhàn)爭式競爭方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱藚f(xié)作型競爭方式，即尋

2、求的是雙贏發(fā)展模式，強調(diào)通過協(xié)作和知識共享尋求更大發(fā)展機遇，目標是拓展新的機會并共同承擔風險。從某種程度上說，協(xié)作性競爭使協(xié)作學習得到越來越多的關(guān)注。協(xié)作學習的起源可以追溯到兩千多年前，早在學記中有云：“獨學而無友，則孤陋而寡聞”，這從反面說明了學習者之間應該切磋交流，相互啟迪，彼此增進知識，從而提高學習效率的道理。按照學習者之間的關(guān)系，可將學習行為類型分為個別學習（Individualistic Learning）、競爭學習（Competitive Learning）和協(xié)作學習（Cooperative Learning，簡稱CL）等三種類型。個別學習使指他人學習效果的好壞不影響自己個人的學習

3、，個人通過自己的努力進行學習、管理自己的學習事務。競爭學習是指個人學習的成功建立在他人失敗的基礎(chǔ)之上、學習者之間使一種負競爭學習。協(xié)作學習是指個人學習的成功建立在他人成功的基礎(chǔ)之上，學習者之間的關(guān)系是融洽的、相互合作的、學習者共享信息與資源，共負責任，共擔榮辱。計算機支持的協(xié)作學習(Computer-Supported Cooperative Learning，簡稱CSCL)，顧名思義，是指利用計算機技術(shù)來輔助和支持協(xié)作學習，像智能Agent技術(shù)、虛擬技術(shù)、藍牙技術(shù)等等都給予CSCL一定程度上的支持。在此我們重點討論虛擬技術(shù)在計算機輔助的協(xié)作學習中的應用。2 虛擬現(xiàn)實2.1 何為虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)

4、實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)，是20世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，它融合了計算機圖形學、多媒體技術(shù)、人工智能、人機接口技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡以及并行處理技術(shù)等多個信息技術(shù)分支的最新發(fā)展成果，為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供了有力的支持，從而大大推進了計算機技術(shù)的發(fā)展。VR技術(shù)的定義可歸納為：由計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機構(gòu)成的三維空間，或是把其他現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境”，并通過多種專用設備使用戶“投入”到該環(huán)境中，從而使得用戶在視覺、聽覺、觸覺、味覺等多種感官上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。VR技術(shù)一經(jīng)問世，人們就對它實時

5、的三維空間表現(xiàn)能力、身臨其境的真實感、超越現(xiàn)實的虛擬性，以及建立的個人能夠沉浸其中、進出自如并具有交互作用的虛擬世界，產(chǎn)生了濃厚的興趣。近幾年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不但已開始在軍事、教育、設計、房地產(chǎn)、考古、藝術(shù)、娛樂等諸多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用，而且還給社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益。因此，有關(guān)人士認為：20世紀80年代是個人計算機的時代，90年代是網(wǎng)絡、多媒體的時代，而21世紀初則將是VR技術(shù)的時代?！疤摂M現(xiàn)實之父”Grigore Burdea曾在他的“Virtual Reality Technology”一書中指出，VR具有三個最突出的特征：交互性、沉浸感和構(gòu)想性，也就是人們熟稱的三個“I”特性。（

6、1）交互性交互性是指參與者通過使用專用設備，用人類的自然技能實現(xiàn)對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取虛擬環(huán)境中的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺到物體的重量，視場中被抓取的物體也應隨著手的移動而移動。（2）沉浸感VR的最主要的技術(shù)特征是沉浸感，它力圖使用戶在計算機所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種身臨其境的感覺，覺得自己是虛擬環(huán)境中的一個部分，而不是旁觀者。他可以感到被虛擬景物所包圍，可以在這一環(huán)境中自由走動，與物體相互作用，如同在已有經(jīng)驗的現(xiàn)實世界中一樣。這種使用戶感到作為一個主角沉浸于模擬環(huán)境中的真實程度，對理想的模擬環(huán)境應

7、該達到使用者難辨真?zhèn)蔚某潭?。?）構(gòu)想性VR技術(shù)并不只是一種媒介或一個高層終端用戶界面，它的應用能解決在工程、醫(yī)學、軍事等方面的很多問題，這些應用是VR與設計者并行操作，為發(fā)揮它們的創(chuàng)造性而設計的。過去，人只能從定量計算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)而加深對事物的認識?，F(xiàn)在，借助于VR技術(shù)，人有可能從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中得到感性和理性的認識，進而使人能深化概念、產(chǎn)生新意和構(gòu)想，主動地尋求探索接收信息，而不是被動地接收，這就極大的依賴于人類的想象力，即VR的第三個特性構(gòu)想性。2.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型2.2.1 桌面虛擬現(xiàn)實桌面虛擬現(xiàn)實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀

8、察虛擬境界的一個窗口。通過各種輸入設備實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實世界的充分交互，這些外部設備包括鼠標，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用輸入設備，通過計算機屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者缺少完全的沉浸，因為它仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面虛擬現(xiàn)實最大特點是缺乏真實的現(xiàn)實體驗，但是成本也相對較低，因而，應用比較廣泛。常見桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)有：基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實QuickTime VR、虛擬現(xiàn)實造型語言VRML、桌面三維虛擬現(xiàn)實、MUD等。 2.2.2 沉浸的虛擬現(xiàn)實高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其他設備，

9、把參與者的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、遠程存在系統(tǒng)。 2.2.3 增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實不僅是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便的感受。典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中

10、精力盯著敵人的飛機或?qū)Ш狡睢?2.2.4 分布式虛擬現(xiàn)實如果多個用戶通過計算機網(wǎng)絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，多個用戶可通過網(wǎng)絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通過網(wǎng)絡連接而成，用于部隊的聯(lián)合訓練。通過SIMNET，位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器一樣運行在同一個虛擬世界，參與同一場作戰(zhàn)演習。 2.3 虛擬現(xiàn)實的應用由于虛擬現(xiàn)實在技術(shù)上的進步與逐步成熟，其應用在近幾年發(fā)展迅速，應用領(lǐng)域已由

11、過去的娛樂與模擬訓練發(fā)展到包含航空、航天、鐵道、建筑、土木、科學計算可視化、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂、通信、藝術(shù)和體育等廣泛領(lǐng)域。2.3.1 軍事及航空領(lǐng)域 航空航天與軍事仍是虛擬現(xiàn)實的支撐應用領(lǐng)域之一。比如：在美軍研制聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機（JSF）的發(fā)展階段，兩家主要合同制造商波音公司及洛克希德馬丁公司均選中了SGI虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，提供在虛擬環(huán)境下研究制造聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機制方案。SGI公司提供的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠使兩家公司無需制造真正的原型試驗機即可獲得寶貴的數(shù)據(jù)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在軍事與航空航天領(lǐng)域的研究可以大大地促進與帶動其他領(lǐng)域的應用與技術(shù)研究。因為，這些應用領(lǐng)域經(jīng)費比較充足，技術(shù)力量也非常雄厚，有足夠

12、的人力與財力支撐虛擬現(xiàn)實發(fā)展與應用過程中急需解決的一些難點問題。2.3.2 醫(yī)學界 虛擬現(xiàn)實與醫(yī)療技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了許多引人注目的應用。比如醫(yī)生遠程做手術(shù)，醫(yī)生在遠地通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)觀察病人的身體，醫(yī)生進行手術(shù)的動作通過通信技術(shù)傳輸?shù)竭h地的病人處，由一個機械手真正地實施手術(shù)，結(jié)果再傳輸?shù)结t(yī)生外，并通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)給醫(yī)生。這樣，醫(yī)生便能夠像在本地一樣觀察病人、實施手術(shù)，看到手術(shù)的結(jié)果，并重復上述過程動作，以完成一個完整的手術(shù)。2.3.3 培訓領(lǐng)域 由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，各種大型裝備的模擬訓練系統(tǒng)得以實現(xiàn)與更好地運作。比如汽車駕駛模擬訓練已變得更加接近于真實的情景。特別是需要多人操縱的一些裝備，

13、如大型飛機駕駛模擬，由于計算機對協(xié)同的支持，而發(fā)展到能夠訓練團體協(xié)作能力。2.3.4 娛樂 虛擬現(xiàn)實在娛樂上一直保持了強勁的應用需求，隨著技術(shù)的發(fā)展也將給人們帶來更多的快樂。2000年9月21日，在日本東京舉行的一年一度的電子游戲交易展覽會上，著名的游戲機制造商世嘉公司推出了一種利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作的游戲機。這種游戲機包括一個15英寸的液晶顯示器、一個控制單元和一套的軟件，其售價為498000日元，約合4650美元。3 虛擬現(xiàn)實在CSCL中的應用前面對虛擬現(xiàn)實技術(shù)給予了簡單的介紹，現(xiàn)在讓我們來共同探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CSCL中的應用。從某種意義上說，虛擬現(xiàn)實環(huán)境尚未完全平民化，要真正達到那種“身

14、臨其境”的感覺，需要有三維位置跟蹤器、手套、三維鼠標等輸入設備，立體顯示設備、聲音生成設備及觸覺力反饋設備等輸出設備，這些設備的價格決定目前在教育中很難引進沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等注重全方位、多通道人機交互的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。價格低廉卻但同樣能實現(xiàn)雙向互動的桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在教育中成為首選。3.1 協(xié)作虛擬環(huán)境對于任何一種形式的協(xié)作學習來說，有5個基本要素是共有的：積極互賴、面對面的促進性交互作用、個人責任、社交技能、小組自加工。在計算機支持的協(xié)作學習工程中，經(jīng)常會有學習者不在同一個物理地點的狀況，此時無法進行面對面的交互，但是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合語音傳輸，提供進行交互的虛擬環(huán)境，

15、不僅可實現(xiàn)促進性的交互，更可產(chǎn)生匿名交互效果學生不必去顧忌他人的想法而暢所欲言，將關(guān)注的焦點從內(nèi)容的效果轉(zhuǎn)到內(nèi)容本身上來。例如MUD，一種通過網(wǎng)絡連接的、多用戶參與的、可由用戶自主擴展的、主要基于文本表示的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。這個環(huán)境通常代表了一定的現(xiàn)實環(huán)境，如城市、校園、建筑物，甚至還可以是一些想象的空間，如曠野、孤島等。當學習者進入到這個虛擬世界后，首先熟悉自己所在的協(xié)作虛擬小環(huán)境，與自己組里其他協(xié)作學習者進行交流，討論。 3.2 與智能Agent結(jié)合目前有很多的支持CSCL的多智能Agent系統(tǒng)，將其與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合起來，這樣學習者們就可在智能化的虛擬環(huán)境中協(xié)同學習，討論，提高協(xié)作學習的質(zhì)量

16、。3.2.1 協(xié)作學習者Agent協(xié)作學習者Agent是指參與協(xié)作學習的個體Agent，它是協(xié)作小組Agent的組成員。基于agent的網(wǎng)上協(xié)作學習環(huán)境為每一位學習者提供了一個個體Agent。當學習者在此學習區(qū)注冊時，個體Agent隨之生成；當學習者與協(xié)作學習區(qū)不斷交互進行學習時，個體Agent將記錄下學習者的一些個人特征，如：學習水平、前驅(qū)知識掌握程度、知識接受能力、思維傾向方式等，并將這些信息紀錄入相應的參數(shù)庫。當學習者再次登陸時，個體Agent的這些參數(shù)將為下一步的學習提供指導，如學習內(nèi)容的提供、學習路徑的提供以及學習界面的提供等。如若學習者隨著學習的不斷深入，學習能力、學習水平、思維傾

17、向性等積累到一定域值的變化，則個體Agent中的參數(shù)將隨之更新。學習者Agent通過不斷地與其他Agent進行著學習者記錄的交換，得到一份當前學習者最“恰當”的協(xié)作者排列名單。這些記錄的交換包括：其他學習者的個人特性是否與學習者具有類似性；他們之間的學習狀況是否存在著互補的因素，有些問題學習者B正在學習而學習者A雖開始時也在此受阻但現(xiàn)在解決了，那么A是否可以為B提供幫助，而有些問題兩人獨自都無法解決得了時，是否可以兩人協(xié)作共同解決等等。這樣，無論在協(xié)作學習的任何階段，學習者Agent總可以為學習者提供一份當前最“恰當”的協(xié)作者名單，這樣學習者在遇到困難時選擇求助對象就避免了盲目性，另一方面，學

18、習中的有效協(xié)作不僅可以加強學習者的群體歸屬感，加強學習者之間的協(xié)作，還可以促使群體目標的實現(xiàn)。學習者Agent也可在網(wǎng)絡中充當著虛擬學習者的角色，與其他學習者Agent以及教師Agent進行著信息的交流。3.2.2 教師Agent教師Agent接收學習者Agent的問題，根據(jù)教學策略從知識庫里提取適合此問題的相關(guān)資源，把找到的資源和對學習者的學習反饋轉(zhuǎn)回到學習者Agent，如果無法在本區(qū)域知識庫或其他區(qū)域知識庫里找到相關(guān)資源，則向信息Agent提出搜索新信息的要求，經(jīng)常與其他教師Agent進行交流學習，提高自身的能力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)此時則是提供了一種生動的，多通道人機交互接口，比如對教師Agen

19、t，虛擬技術(shù)實現(xiàn)一個三維虛擬教師形象，類似office助手那樣，當學生答遺，提交作業(yè)或與其發(fā)生交互時，此虛擬教師要有相應的反饋，反饋的內(nèi)容由后臺的智能Agent提供，反饋的表象由虛擬技術(shù)實現(xiàn)，根據(jù)不同的學習者的興趣偏向建立不同的虛擬教師形象，使協(xié)作學習中的學習者隨時有被關(guān)注的感覺。還可以為充當虛擬學習者的學習者Agent提供人機接口。因特網(wǎng)其他區(qū)域小組信息檢索AgentAgent教Agent 1教Agent 2教Agent n學Agent 1學Agent 2學Agent m資源庫資源庫學生 1學生 2學生 m基于多Agent的協(xié)作學習系統(tǒng)模型4 結(jié)論以上我們討論了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CSCL中的兩個應用：提供虛擬協(xié)作環(huán)境；為Agent提供生動的人機。協(xié)作學習質(zhì)量的提高一方面有協(xié)作理論的因素，另一方面有支持技術(shù)成熟度的因素。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟，其在計算機支持協(xié)作學習中的應用也會越來越廣泛，對協(xié)作學習的支持實現(xiàn)最大化，使遠程協(xié)作者的交互既有“面對面”的個性化的直觀交互，又有匿名的利用公共或私有通道的交互。參考文獻1 黃榮懷.關(guān)于協(xié)作學習的結(jié)構(gòu)化模型研究.北京