探讨虚拟现实在CSCL中的应用

1、探讨虚拟现实在CSCL中的应用张 燕北京师范大学2001研 Tel-mail:swallow 协作学习是目前最热门的教学组织形式之一，在这个信息时代里各种信息技术都对协作学习有不同程度的支持，在此就虚拟现实技术对CSCL的支持进行了探讨。本文首先引入协作学习、CSCL以及虚拟现实等概念，接下来对虚拟现实的几个应用领域进行概述，然后阐述虚拟现实技术在CSCL中的具体应用，最后进行对虚拟现实在协作中的应用给予总结和展望。 关键词：协作学习 虚拟现实 智能Agent 交互 1 引言人类社会进入信息社会网络经济时代，此时的竞争方式已由战争式竞争方式转变为了协作型竞争方式，即寻

2、求的是双赢发展模式，强调通过协作和知识共享寻求更大发展机遇，目标是拓展新的机会并共同承担风险。从某种程度上说，协作性竞争使协作学习得到越来越多的关注。协作学习的起源可以追溯到两千多年前，早在学记中有云：“独学而无友，则孤陋而寡闻”，这从反面说明了学习者之间应该切磋交流，相互启迪，彼此增进知识，从而提高学习效率的道理。按照学习者之间的关系，可将学习行为类型分为个别学习（Individualistic Learning）、竞争学习（Competitive Learning）和协作学习（Cooperative Learning，简称CL）等三种类型。个别学习使指他人学习效果的好坏不影响自己个人的学习

3、，个人通过自己的努力进行学习、管理自己的学习事务。竞争学习是指个人学习的成功建立在他人失败的基础之上、学习者之间使一种负竞争学习。协作学习是指个人学习的成功建立在他人成功的基础之上，学习者之间的关系是融洽的、相互合作的、学习者共享信息与资源，共负责任，共担荣辱。计算机支持的协作学习(Computer-Supported Cooperative Learning，简称CSCL)，顾名思义，是指利用计算机技术来辅助和支持协作学习，像智能Agent技术、虚拟技术、蓝牙技术等等都给予CSCL一定程度上的支持。在此我们重点讨论虚拟技术在计算机辅助的协作学习中的应用。2 虚拟现实2.1 何为虚拟现实虚拟现

4、实（Virtual Reality，简称VR）技术，是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器网络以及并行处理技术等多个信息技术分支的最新发展成果，为我们创建和体验虚拟世界提供了有力的支持，从而大大推进了计算机技术的发展。VR技术的定义可归纳为：由计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机构成的三维空间，或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，从而使得用户在视觉、听觉、触觉、味觉等多种感官上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。VR技术一经问世，人们就对它实时

5、的三维空间表现能力、身临其境的真实感、超越现实的虚拟性，以及建立的个人能够沉浸其中、进出自如并具有交互作用的虚拟世界，产生了浓厚的兴趣。近几年，虚拟现实技术不但已开始在军事、教育、设计、房地产、考古、艺术、娱乐等诸多领域得到越来越广泛的应用，而且还给社会带来了巨大的经济效益。因此，有关人士认为：20世纪80年代是个人计算机的时代，90年代是网络、多媒体的时代，而21世纪初则将是VR技术的时代。“虚拟现实之父”Grigore Burdea曾在他的“Virtual Reality Technology”一书中指出，VR具有三个最突出的特征：交互性、沉浸感和构想性，也就是人们熟称的三个“I”特性。（

6、1）交互性交互性是指参与者通过使用专用设备，用人类的自然技能实现对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取虚拟环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉到物体的重量，视场中被抓取的物体也应随着手的移动而移动。（2）沉浸感VR的最主要的技术特征是沉浸感，它力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种身临其境的感觉，觉得自己是虚拟环境中的一个部分，而不是旁观者。他可以感到被虚拟景物所包围，可以在这一环境中自由走动，与物体相互作用，如同在已有经验的现实世界中一样。这种使用户感到作为一个主角沉浸于模拟环境中的真实程度，对理想的模拟环境应

7、该达到使用者难辨真伪的程度。（3）构想性VR技术并不只是一种媒介或一个高层终端用户界面，它的应用能解决在工程、医学、军事等方面的很多问题，这些应用是VR与设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的。过去，人只能从定量计算为主的结果中得到启发而加深对事物的认识。现在，借助于VR技术，人有可能从定性和定量综合集成的虚拟环境中得到感性和理性的认识，进而使人能深化概念、产生新意和构想，主动地寻求探索接收信息，而不是被动地接收，这就极大的依赖于人类的想象力，即VR的第三个特性构想性。2.2 虚拟现实系统的类型2.2.1 桌面虚拟现实桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观

8、察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。 2.2.2 沉浸的虚拟现实高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其他设备，

9、把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其他手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。 2.2.3 增强现实性的虚拟现实增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中

10、精力盯着敌人的飞机或导航偏差。 2.2.4 分布式虚拟现实如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。 2.3 虚拟现实的应用由于虚拟现实在技术上的进步与逐步成熟，其应用在近几年发展迅速，应用领域已由

11、过去的娱乐与模拟训练发展到包含航空、航天、铁道、建筑、土木、科学计算可视化、医疗、军事、教育、娱乐、通信、艺术和体育等广泛领域。2.3.1 军事及航空领域 航空航天与军事仍是虚拟现实的支撑应用领域之一。比如：在美军研制联合打击战斗机（JSF）的发展阶段，两家主要合同制造商波音公司及洛克希德马丁公司均选中了SGI虚拟现实系统，提供在虚拟环境下研究制造联合打击战斗机制方案。SGI公司提供的虚拟现实系统能够使两家公司无需制造真正的原型试验机即可获得宝贵的数据。虚拟现实系统在军事与航空航天领域的研究可以大大地促进与带动其他领域的应用与技术研究。因为，这些应用领域经费比较充足，技术力量也非常雄厚，有足够

12、的人力与财力支撑虚拟现实发展与应用过程中急需解决的一些难点问题。2.3.2 医学界 虚拟现实与医疗技术结合产生了许多引人注目的应用。比如医生远程做手术，医生在远地通过虚拟现实技术观察病人的身体，医生进行手术的动作通过通信技术传输到远地的病人处，由一个机械手真正地实施手术，结果再传输到医生外，并通过虚拟现实技术表现给医生。这样，医生便能够像在本地一样观察病人、实施手术，看到手术的结果，并重复上述过程动作，以完成一个完整的手术。2.3.3 培训领域 由于虚拟现实技术的发展，各种大型装备的模拟训练系统得以实现与更好地运作。比如汽车驾驶模拟训练已变得更加接近于真实的情景。特别是需要多人操纵的一些装备，

13、如大型飞机驾驶模拟，由于计算机对协同的支持，而发展到能够训练团体协作能力。2.3.4 娱乐 虚拟现实在娱乐上一直保持了强劲的应用需求，随着技术的发展也将给人们带来更多的快乐。2000年9月21日，在日本东京举行的一年一度的电子游戏交易展览会上，著名的游戏机制造商世嘉公司推出了一种利用虚拟现实技术制作的游戏机。这种游戏机包括一个15英寸的液晶显示器、一个控制单元和一套的软件，其售价为498000日元，约合4650美元。3 虚拟现实在CSCL中的应用前面对虚拟现实技术给予了简单的介绍，现在让我们来共同探讨虚拟现实技术在CSCL中的应用。从某种意义上说，虚拟现实环境尚未完全平民化，要真正达到那种“身

14、临其境”的感觉，需要有三维位置跟踪器、手套、三维鼠标等输入设备，立体显示设备、声音生成设备及触觉力反馈设备等输出设备，这些设备的价格决定目前在教育中很难引进沉浸型虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统等注重全方位、多通道人机交互的虚拟现实系统。价格低廉却但同样能实现双向互动的桌面虚拟现实系统在教育中成为首选。3.1 协作虚拟环境对于任何一种形式的协作学习来说，有5个基本要素是共有的：积极互赖、面对面的促进性交互作用、个人责任、社交技能、小组自加工。在计算机支持的协作学习工程中，经常会有学习者不在同一个物理地点的状况，此时无法进行面对面的交互，但是利用虚拟现实技术结合语音传输，提供进行交互的虚拟环境，

15、不仅可实现促进性的交互，更可产生匿名交互效果学生不必去顾忌他人的想法而畅所欲言，将关注的焦点从内容的效果转到内容本身上来。例如MUD，一种通过网络连接的、多用户参与的、可由用户自主扩展的、主要基于文本表示的虚拟现实环境。这个环境通常代表了一定的现实环境，如城市、校园、建筑物，甚至还可以是一些想象的空间，如旷野、孤岛等。当学习者进入到这个虚拟世界后，首先熟悉自己所在的协作虚拟小环境，与自己组里其他协作学习者进行交流，讨论。 3.2 与智能Agent结合目前有很多的支持CSCL的多智能Agent系统，将其与虚拟现实技术结合起来，这样学习者们就可在智能化的虚拟环境中协同学习，讨论，提高协作学习的质量

16、。3.2.1 协作学习者Agent协作学习者Agent是指参与协作学习的个体Agent，它是协作小组Agent的组成员。基于agent的网上协作学习环境为每一位学习者提供了一个个体Agent。当学习者在此学习区注册时，个体Agent随之生成；当学习者与协作学习区不断交互进行学习时，个体Agent将记录下学习者的一些个人特征，如：学习水平、前驱知识掌握程度、知识接受能力、思维倾向方式等，并将这些信息纪录入相应的参数库。当学习者再次登陆时，个体Agent的这些参数将为下一步的学习提供指导，如学习内容的提供、学习路径的提供以及学习界面的提供等。如若学习者随着学习的不断深入，学习能力、学习水平、思维倾

17、向性等积累到一定域值的变化，则个体Agent中的参数将随之更新。学习者Agent通过不断地与其他Agent进行着学习者记录的交换，得到一份当前学习者最“恰当”的协作者排列名单。这些记录的交换包括：其他学习者的个人特性是否与学习者具有类似性；他们之间的学习状况是否存在着互补的因素，有些问题学习者B正在学习而学习者A虽开始时也在此受阻但现在解决了，那么A是否可以为B提供帮助，而有些问题两人独自都无法解决得了时，是否可以两人协作共同解决等等。这样，无论在协作学习的任何阶段，学习者Agent总可以为学习者提供一份当前最“恰当”的协作者名单，这样学习者在遇到困难时选择求助对象就避免了盲目性，另一方面，学

18、习中的有效协作不仅可以加强学习者的群体归属感，加强学习者之间的协作，还可以促使群体目标的实现。学习者Agent也可在网络中充当着虚拟学习者的角色，与其他学习者Agent以及教师Agent进行着信息的交流。3.2.2 教师Agent教师Agent接收学习者Agent的问题，根据教学策略从知识库里提取适合此问题的相关资源，把找到的资源和对学习者的学习反馈转回到学习者Agent，如果无法在本区域知识库或其他区域知识库里找到相关资源，则向信息Agent提出搜索新信息的要求，经常与其他教师Agent进行交流学习，提高自身的能力。虚拟现实技术此时则是提供了一种生动的，多通道人机交互接口，比如对教师Agen

19、t，虚拟技术实现一个三维虚拟教师形象，类似office助手那样，当学生答遗，提交作业或与其发生交互时，此虚拟教师要有相应的反馈，反馈的内容由后台的智能Agent提供，反馈的表象由虚拟技术实现，根据不同的学习者的兴趣偏向建立不同的虚拟教师形象，使协作学习中的学习者随时有被关注的感觉。还可以为充当虚拟学习者的学习者Agent提供人机接口。因特网其他区域小组信息检索AgentAgent教Agent 1教Agent 2教Agent n学Agent 1学Agent 2学Agent m资源库资源库学生 1学生 2学生 m基于多Agent的协作学习系统模型4 结论以上我们讨论了虚拟现实技术在CSCL中的两个应用：提供虚拟协作环境；为Agent提供生动的人机。协作学习质量的提高一方面有协作理论的因素，另一方面有支持技术成熟度的因素。随着虚拟现实技术的不断成熟，其在计算机支持协作学习中的应用也会越来越广泛，对协作学习的支持实现最大化，使远程协作者的交互既有“面对面”的个性化的直观交互，又有匿名的利用公共或私有通道的交互。参考文献1 黄荣怀.关于协作学习的结构化模型研究.北京