基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用及发展前景

龙源期刊网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：王辞晓李贺等来源：《中国电化教育》2017年第08期龙源期刊网摘要：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。该文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、头戴式设配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，本研究提出基于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；具身认知中图分类号：G434文献标识码：A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。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”，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。《国家教育事业发展“十三五”规划》中提到“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。虚拟现实和增强现实技术如何更好地应用在教学龙源期刊网之中，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WebofScience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=（“EducationalGame*”OR“Game-basedLearning*”OR“ComputerGame*”OR“VideoGame*”OR“SeriousGame*”OR“DigitalGame*”OR“OnlineGame*”OR“EleetronicGame*”OR“SimulationGame*”）ANDTS=（Learn*OREducation*ORTeach*）ANDTS=（“VirtualReality*”OR“AugmentedReality*”OR“VR”OR“AR”OR“MixedRealitv”）。設置时间跨度为2000-2017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（Gamification）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。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（VirtualReality，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。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—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。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龙源期刊网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人口。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，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。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。3.激光控制的虚拟现实教育游戏激光控制的虚拟现实技术并不要求用户使用头戴式设备，依靠手持工具和虚拟现实成像技术便能实现游戏的控制感和沉浸体验。将Bhagat和Liou等人设计的虚拟现实军事射击教育游戏，是典型的通过激光来控制虚拟现实系统的研究案例。该研究以160名高中生为实验对象，龙源期刊网高中生通过仿真步枪发射的红外线来进行操作，完成射击类游戏任务，最后进行真实场地下的射击测验。研究发现，使用虚拟现实教育游戏的学习效果和学习动机均较高，而虚拟现实教育游戏则比传统真实场地下的训练成本更低，并且可以重复使用。该游戏还设计了点数、积分和排行榜，这也是游戏化系统的三大要素。该游戏包括静态的靶子射击环节和动态的消灭敌人的射击环节，而后者的游戏设计更符合游戏内在动机理论中的挑战与好奇，因此也更受学习者欢迎。然而，消灭敌人这类带有一定暴力倾向的内容是否适合与其他教学内容整合设计，还存在一定的伦理问题。激光控制的虚拟现实教育游戏使得学习者得以灵活地控制操作工具，是训练学习者的注意力和反应速度相关动作技能的很好选择。（二）基于增强现实的教育游戏增强现实（AugmentedReality，AR）是由虛拟现实技术发展而来的新型技术，通过摄像设备和角度位置判别，来呈现相应的文字、图像、3D对象等多媒体信息，将虚拟空间图像与真实世界共同呈现在同一屏幕上，实现虚拟世界和真实世界的无缝连接。蔡苏系统梳理了国外增强现实在教学中的应用案例以及其团队设计的教育应用。基于增强现实的教育游戏，能够将现实世界和虚拟世界整合为具有趣味性和高度交互的泛在学习环境。基于增强现实的教育游戏可以分为三种：强调角色的增强现实教育游戏、强调位置的增强现实教育游戏和强调任务的增强现实教育游戏。增强现实技术主要依托于摄像设备及位置识别，在技术类型上有穿透式增强现实和视频式增强现实，本文在分析基于增强现实的教育游戏时，将围绕其游戏设计的所强调的不同重点来进行分析。1.强调角色的增强现实教育游戏强调角色的增强现实教育游戏主要特点是“参与”，学习者以一定的角色身份参与到游戏之中，强调过程的即时性和沉浸性。陈向东和曹杨璐设计的“快乐寻宝”游戏是一款强调角色的增强现实移动教育应用。该游戏分为三个角色：生物专家、地理专家和历史专家，学生通过扮演不同的角色来回答相应角色的问题来实现闯关，并通过信息交换找到宝藏位置。该游戏的一大创新之处是可扩展性，教师可以设置问题内容、关卡长度及游戏地点，使得该教育游戏可以广泛应用到不同知识点甚至更多学科的教学中。陈向东和万悦还设计了一款名为“泡泡星球”的增强现实小学生英语单词学习游戏，学习者通过选择虚拟角色，与3D角色进行互动来进行游戏挑战，从而达到英语单词的认知和记忆的学习效果。2.强调位置的增强现实教育游戏强调位置的增强现实教育游戏主要特点是“环境”，学习者能够通过增强现实技术观察到3D透视下的物体，可以在特定环境下进行泛在学习和合作学习，通过增强现实中设定位置所提供的信息进行学习和探索。风靡全球的Pokemengo游戏则充分利用基于位置的智能调动了人们从室内走向室外进行探索寻求宝物的积极性。CityViewAR（）是一款可以供学习者通过移动设备观察历史遗迹复员后外貌的移动应用，通过交互可以获得该龙源期刊网地历史，还可通过该平台进行评论。该应用是典型的强调位置的增强现实教育应用类型，而强调位置的增强现实教育游戏则需要设计灵活有趣的游戏信息或任务，来激励学习者通过增强现实应用进行探究学习。强调位置的增强现实教育游戏还为真实环境下的泛在学习提供了新的途径，通过摄像头扫描特定图形，在移动设备上呈现相应的学习内容或任务，可以让学习者在真实环境中进行趣味学习。Chiang和Yang等人设计了基于位置的中学生物知识增强现实游戏，学生以小组为单位在指定的不同区域使用设备进行生物知识的学习与分享，分享的知识可以被其他学生在该地点获取。3.强调任务的增强现实教育游戏