马德里自治大学这份报告告诉我们：MR才是教育的未来

2025-04-07上海AR开发专家

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  编者按：
  8月初，VR次元先后发布了哥德堡大学的
  VR教育
  报告和北卡罗来纳大学的
  AR教育
  报告，本周我们又获得了一份马德里自治大学关于MR教育的报告，我们一起来看看更高级的MR将如何改变教育产业。
  教育产业当前发展状况
  由于信息和通信技术的出现，教育领域已经发生了深刻的变革。从多媒体到互联网，各种电脑技术已经对教育的许多方面产生了深刻影响。举例来说，在线内容的创建和学习管理系统的使用已经成为全球的通常做法。
  当今教育领域的两项前沿技术是虚拟现实和有形界面。这两项技术都已经在许多原型和测试用例上得到成功应用。但是，如何将这两种技术结合在一起，创建一种“
  混合现实
  ”体验，科技界在这方面的经验还很少。
  下面就将分析这两种技术在教育领域的发展状况，还将审视将这两种技术结合在一起以创建“混合现实”系统的早期经验。
  虚拟现实
  各项研究表明，在教育领域运用虚拟现实技术，可以开发出各种创新的教学和学习活动。专门研究3D教育的专家迪基（Dickey）指出，虚拟现实技术可以让学生通过化身与虚拟环境进行交互，从而使建构主义教学得以实现。这些教育活动不会产生人们在现实世界中不希望看到的影响或后果，学生能够通过一种安全的方式“在实践中学习”，沉浸在一种类似于现实的环境中。
  有意义的学习活动必须基于学生的积极参与。举例来说，学生用某些物件构建一个产品，这就是一种有意义的学习活动。例如，Virtual Touch作为一个混合现实系统，允许教师在3D空间构建一个虚拟的世界，让学生可以在这个虚拟世界里互相交流，并可以在解决一个给定问题的过程中发挥积极作用。
  此外，通过Virtual Touch工具包提供的有形界面，学生可以操纵实体物品并在虚拟世界中产生影响。通过这种方式，在一种建构主义学习环境中，学生可以通过物理操作在虚拟世界中探索、实验和互动，也能够观看自己的行动产生的直接影响。
  采用化身进行交互可以提高语言和非语言沟通的技巧。根据大量专家的研究，通过化身在虚拟世界中互动可以促进沟通和协作，让学生产生一种“临场感”，使学生对学习更投入，而拥有“临场感”的学生对课程的满意度更高。
  根据用途的不同，虚拟现实教育主要可分为三类：交际空间、模拟空间和实验空间。
  交际空间的重点是通过化身来实现通信，无论是通过口头方式（使用文本聊天和语音聊天）还是非口头方式，或者通过化身的外观，或者通过化身的姿势和手势。
  模拟空间的重点是对大学、图书馆和剧院等场馆的虚拟显示，在这个空间里化身可以与其他人并互相交流和互动。
  实验空间的重点是“边做边学”，与3D虚拟对象进行交互或探索虚拟世界。
  可以在虚拟世界中进行的教育活动是多种多样的：
  探索活动（模拟图书馆、学校和教堂，与模拟场所中的物体互动）;
  开展在现实世界中因为困难或危险而难以开展的活动（例如模拟医疗干预或处理化学品）; 
  “角色扮演”活动，给每个学生分配不同的角色;玩严肃的游戏，在游戏过程中学生得以通过有趣的方式进行学习。
  虚拟现实技术得以成功运用的一个领域是全纳教育（容纳所有学生，反对歧视排斥，促进积极参与，注重集体合作，满足不同需求，是一种没有排斥、没有歧视、没有分类的教育）。例如，在针对盲人学生的“Accessibility in Virtual Worlds”项目中，盲人学生的位置是通过声音指示的，从而使他们能够与同龄人（包括盲人和弱视）互动。
  另一个将虚拟世界用于全纳教育的例子是Brigadoon项目。Brigadoon是虚拟世界Second Life中的一个岛屿，它被用作对患有阿斯伯格综合症（自闭症）儿童的治疗方法，通过在受控环境中使用化身促进他们进行社会交往。
  上面这张表展示的是运用了虚拟世界的一些代表性教育项目。这些项目是受到教育行政部门资助的，涵盖了几个不同的领域：
  教育层次：小学、中学和大学。
  学科领域：数学、程序设计等。
  教学方法：动画短片、问题解决等。
  虚拟世界平台：Second Life、Open Sim和Active Worlds。
  值得注意的是，在这些项目中，有40％是关于外语教学的，20%是关于科学和生物学教学的，15％的是关于编程教学的。其余的是多学科项目，这些项目旨在培养各种能力（社交能力、沟通能力和创新能力等）。
  教育活动中的有形界面
  虚拟现现实领域有一个叫“可抓住的用户界面”的术语。通过“可抓住的用户界面”，用户可以通过操纵物理设备来直接控制虚拟物体，从而更直接、更自然的交互。石井(Ishii)提出的术语“有形的用户界面”，是上述概念的演进。
  “有形的用户界面”使数字信息以通常的非侵入性方式纳入日常物理对象。各种教育应用都试图利用这种界面。
  有形界面在教育应用上的主要优点是：
  •通过直接操作，可以获得对复杂结构的更好理解。
  •学习是更有效、更自然。
  •有形界面利于积极参与和反思。
  •能够满足残疾学生和有特殊需求者的学习需要。
  •通过发展合作空间（学习者在其中进行互动）推动协作学习。
  •活动结果更直接，看得见摸得着。
  •可以防止或减少错误。
  •通过有形界面进行的活动可以增强学生的动作技能。
  建构主义者声称，儿童通过对环境的物理操作来建构自己的知识，从而更有效地学习。
  在下面这些采用了有形界面的项目中，我们可以发现这些优势：
  Webkit是一个通过使用RFID卡来提高儿童修辞技巧的应用。这些RFID卡中记载着关于学生正在讨论的主题的各种主张。通过使用这些卡（论据），孩子学会讨论复杂的问题。
  Ely the Explorer应用使用了一组有形元件来鼓励学生间的协作和社交活动。在这个项目中，学生通过一些被称作“Ely”的虚构人物探索不同的文化。
  KidPad是一个协作绘图工具，适合5至7岁的儿童。KidPad使用了一个“魔毯”，使学生以一种相当直观和自然的方式进行合作。
  在数学教学、音乐教学和语言教学方面，也有一些采用了有形界面的应用。在虚拟环境中，有形界面为全纳教育提供了便利。例如，有专家提出在针对患有唐氏综合症的儿童的教学活动中使用有形界面。在他们的系统中，学生运用Troncoso和Del Cerro建立有形物体与文字或声音之间的联系。
  也有人提出将有形界面用于对智力残疾儿童的教育。该系统在扫盲早期阶段的有效性已经得到证明，它也表明，有形界面有益于通过肢体动作来促进思维。在这两个例子中，有形界面的使用都能提高学生的兴趣和注意力，这一点已经得到证明，但它们是否长期有效有待进一步研究。
  Topobo是为自闭症儿童开发的一个具有运动记忆的应用。使用该应用，儿童的协作和社交技能得到改进，孤独症的风险也得以降低。
  混合现实
  在这部分，我们提出利用虚拟世界和有形界面来创建一种“混合现实”体验。“混合现实”可以被定义为将真实世界和虚拟世界合并在一起的一个空间。创建混合现实应用有几种方法。
  例如，可以创建一个半实在半虚拟空间。MiRTLE（一种混合现实教学环境）就用了这种方法：教室里的学生和远程学生同时利用半实在半虚拟世界与老师互动或进行学生间互动。
  SMALLable是混合现实系统的一个框架，它可以让教师和学生合作设计各种方案。
  MARVEL项目（机电一体化虚拟实验室：远程访问和虚拟在线学习）是一个欧洲项目，旨在实施和评价职业教育中机电一体化专业的学习环境。学生被允许通过虚拟世界访问实际的实验室，因此提供了一种将现实环境和虚拟环境合并在一起的混合现实。
  TIWE Linguistico是一个竞赛系统，可以帮助意大利的高中学生在一种由移动设备和虚拟世界构成的混合现实环境中学习英语。在竞赛中，每一个团队都拥有一个虚拟团队，这个虚拟团队必须在虚拟世界中找出谁曾经犯下一个罪行（情节基于小说《巴斯克维尔的猎犬》），而真实团队则将利用移动设备和QR码回答一系列问题。
  混合现实应用最适合的领域之一也许是几何学教育。
  有人提出了一个混合现实系统，并且已经在中学进行了测试。该系统利用虚拟环境创建一些3D对象和一个触觉手套，使学生可以与虚拟几何对象交互。通过几个问卷调查获得的结果显示，这是解决几何问题的有效方法。
  最后，Magic Book是虚拟现实技术应用在图书领域的例子。Magic Book即可以让读者以传统方式观看图片和文本，也可以让读者使用特殊的眼镜（头戴式显示器）观看页面顶部的动画模型和三维虚拟场景。在Magic Book中，ARToolkit被用来创建一个将被添加至页面的位置标记，之后该页面将呈现生动的虚拟场景。
  从上述混合现实项目可以看出，它们都需要相当先进的基础设施：用来观看3D场景的特殊眼镜，特别的触觉手套等。还需要特殊的可视化软件。这些项目只是一种原型，它们被设计出来是为了“概念证明”。
  案例应用
  在本节中，我们将介绍三种教育应用，以及在两所中学进行的试验之后得到的经验。
  1、Cubica
  Cubica的主要学习目标是以更有趣的教学方法促进排序算法的教学（冒泡排序、选择排序和插入排序）。这个任务是通过一组木制模型完成的。代表阵列的木制模型有助于对该算法的每次迭代进行跟踪，从而减少了抽象概念的复杂性。操纵经过分类的物体，使问题变得容易理解得多。当学生改变一个木制模型的位置（每个模型代表一个数字），虚拟世界中的阵列也发生相应变化，并提供关于学生的动作的正确性的反馈。
  如果“排序”的过程是一个物理过程，这对学生来说是比较熟悉的。Cubica有形界面有助于监控在系统应用一种特定排序算法时执行的每一次迭代。学生操纵代表数字的模块，改变它们在行列中的位置。通过有形界面在现实世界中实施的行为会对虚拟世界产生直接影响，使之发生相应的活动。就这样，学生得到了反馈。
  每个木制模型的位置由基于RFID传感器检测。此外，还有一个LCD屏幕用来报告执行特定排序算法时发生的迭代。
  有形元件的基本技术是“Phidgets”，这是一种简单且相对便宜的技术，它允许使用许多不同的传感器。就Cubica而言，我们已经使用了RFID标签和阅读器，以及一个LCD屏幕。
  上图屏幕上显示了虚拟世界“Algorithms Island”中的模型阵列。学生可以在Algorithms Island中进行与排序算法相关的各种教育活动。有形界面上的任何动作会立即对虚拟世界产生影响，首先使虚拟阵列与有形界面匹配，然后引发虚拟世界中的相应活动，这取决于学生的活动正确与否。
  Cubica在西班牙卡斯特利翁的公立中学进行了各个环节的测试。
  第一环节是学习使用虚拟世界：改变化身的外观、探索“Algorithms Island”、创建对象并为它们编程（使用LSL语言）。
  在第二个环节中，学生理解算法、数组、循环和迭代等概念，同时使用Cubica提供的有形元件进行练习。学生探讨“Algorithms Island”，发现不同的“主题房屋”并进行实验，这些“主题房屋”是被设计来解释每一种类型的排序算法的。
  正在使用Cubica的学生
  在第三个环节中，学生继续使用Cubica进行各种练习。最后，学生将接受测验和成绩评定，学生和教师还将接受问卷调查，以评估系统的可用性和有效性。
  调查结果表明，Cubica被认为对理解排序算法非常有帮助（97％）。学生们认为，该系统使他们能够更好地理解阵列的概念（95％）。Cubica能够帮助学生区分不同的排序算法（88％），而且它似乎能引起所有学生的兴趣并激励他们。83％的学生表示，他们愿意在家里继续使用该系统进行学习。最大的不足之处是，学生在使用虚拟世界时会分心：有的同学花了太多的时间定制自己的头像和探索虚拟世界中的每一部分，偏离了时间规定和目标。
  2、Virtual Touch Eye
  教育应用Virtual Touch Eye使用代表各种形状（立方体、五边形和六边形等）的木质模型作为有形元件，这些模型由Kinect设备辨认。
  将Kinect设备集成到Virtual Touch架构中，使教育者可以创造各种新型的活动。Kinect使工具箱具有了发展手势识别、基本形状识别甚至语音识别功能的可能性，这些功能对创造有形交互是非常有用的。
  在这个系统中，学生操纵的有形物品（代表立方体、五边形和六边形等形状的木制模型）之间的交互是利用Virtual Touch Eye来完成的（参见图9）。该操作在虚拟世界立即产生影响。
  Virtual Touch Eye使用的一些有形元件
  在这个关于Virtual Touch Eye的案例研究中，学生的学习目标是加泰罗尼亚语的语法结构。学生们通过与代表句子不同成分的有形元件互动来学习语法结构和句子成分。这种互动使语法这种抽象学科的学习具有了一种“玩”的成分。木块代表句子的不同部分，学生在操作它们的过程中寻找正确的语法结构，这样就使学习任务变得更生动具体。
  这个教育应用的创建和测试都是在西班牙塔拉戈纳一所叫“IES Ernest Lluch”的中学进行的。这所学校的移民学生比例很高，新来的学生需要学习加泰罗尼亚语，才能融入常规教学。为此，加泰罗尼亚教育部门提供了许多课程，它们被称为“欢迎课程（Welcome Courses）”。
  这些课程让移民学生（12到15岁）接受关于加泰罗尼亚语言和文化的补充培训。在这些培训中，木制模型被用来代表抽象概念。
  例如，立方体代表名词，三角形代表动词，球体代表形容词。利用这些有形元素，可以开发出各种在虚拟世界中实施的活动，以帮助学生进行造句和辨认句子主要成分的练习。
  下面这张图显示了一个例子。在这个例子中，学生需要猜测空白格中缺失的什么类型的词语（名词、动词或形容词）。学生用木制模块来表示缺失的词语类型。
  用有形元件进行练习的例子
  活动的另一种类型是找出句子的主语和谓语。在这种活动中，一个句子被分为两部分，由学生判断这两部分属于主语或谓语，并将它们放在相应的位置。在虚拟世界发生的所有活动在完成后都会产生反馈，指示该活动是否成功完成。
  整个实验分为4个环节，在两天内完成。参与实验的学生包括来自西班牙一些地区的学生，以及来自下列国家的学生：中国、乌克兰、英格兰、哥伦比亚、古巴和摩洛哥。这些学生的课程级别不同，对加泰罗尼亚语及其文化背景的知识水平不同。这些活动是由学生来完成，老师负责评估活动的完成情况。学生们发现，无论是用手势或有形物品，他们与系统的交互都是简单易行的，而有形元件尤其能够帮助学生理解句子的不同部分，对母语不是加泰罗尼亚语的学生来说尤其如此。
  3、Virtual Touch Book
  Virtual Touch Book是一种混合现实图书，它允许读者用传统方式阅读一本有形图书，但在阅读过程中会增添一些虚拟世界中的活动。根据所读的书页，一系列的活动在虚拟世界中被激活。Virtual Touch Book可以让读者在书中阅读理论内容，然后在虚拟世界中将这些理论付诸实践。
  Virtual Touch会捕捉书中正在被阅读的页面，并将该信息发送到虚拟世界中。Arduino技术被用于检测读者正在阅读的页面，其LDR传感器可以测量每一页上的光量。光量最大的页面就是正在被阅读的页面。
  Virtual Touch Book是情境学习的一个例子。我们使用非玩家角色（NPC）为学生提供信息。在学习过程中，学生通过与虚拟世界中的化身互动和社交来构建自己的知识（符合构建主义原则）。
  根据德德的研究，通过类似于面对面的建构学习的互动方式，非玩家角色可以为学生提供智力和心理反馈。
  Virtual Touch Book的目的是用虚拟世界来丰富纸书的阅读体验。有几种方法可以达到这个目的。例如，虚拟世界可以显示与书中内容有关的额外材料（在3D逼真环境中显示）。这些材料可以是游戏（允许基于游戏的学习），或交给学生来解决的实例（允许基于案例的学习）等等。
  根据学生所读页面，虚拟世界提供一个游戏，该游戏只有当学生理解所读内容时才能解决。这种方式可以鼓励学生用心阅读书本，从而在游戏中获得良好结果。基于游戏的学习在教学上是有效的，因为它鼓励学生更积极、更专注地学习。
  Virtual Touch Book已在西班牙塔拉戈纳一所名为IES Ernest Lluch的中学进行了测试。为此，我们创建了一个代表古希腊的虚拟世界，其中引入了基于图书馆资料创建的古希腊建筑和雕塑的三维模型，并创造了一系列活动，所有这些都与本书材料有关。
  我们在具有特定教育需求的各种学生群体中进行了测验。我们的目标是在社会科学的“宗教与希腊神话”一节中教学古典希腊的各个方面。在这个过程中，学生学习了古典希腊的不同方面，如希腊人的穿着和他们崇拜的各种神。
  为了建立一个实验对照，一组学生使用传统的方法学习有关希腊诸神的知识，而另一组学生使用虚拟触控书学习有关希腊诸神的知识。在书中的每一页都有关于某个希腊神祗的资料和图片。学生通过阅读这些资料了解诸神及其特点，然后进入一个模拟古希腊的虚拟世界中参与一系列活动。学生将根据阅读中获得的知识在虚拟世界中寻找诸神。在确定某位神祗的位置后，学生就获得了一个神像，学生必须将该神像存放在阿波罗神庙里。为确定学生找到的神祗与在书中学到的神祗相符，学生必须回答一些问题，如果回答正确，该学生将获得一笔奖赏。连续获得三次奖赏后，该学生就获得了访问奥林匹斯山的权力。
  一个学生正在使用Virtual Touch Book
  就这样，在一个游戏化的应用中，学生以一种游戏的方式学习，并沉浸在一个奖励系统中（收集奖金，获得分数，获得音节符号以组成一个密码，最后访问奥林匹斯山）。
  最后，学生将需要接受一次测试，通过测试将对照组和实验组进行对比。对照组（使用传统教学方法）的学生在测试中平均答对60％的问题，而使用Virtual Touch Book的小组平均答对了80％问题。人们发现，在一般情况下，使用Virtual Touch Book可以帮助保持学生的注意力。