vrar教学体验的设计与应用研究

VRAR教学体验的设计与应用研究本文由《中国电化教育》杂志授权发布作者：李小平、赵丰年、张少刚、张琳、许梦幻摘要该文针对VR/AR教学的实际应用和全国VR/AR教学大赛的赛事推广需求，从VR/AR教学体验设计角度，分析了VR/AR教学体验设计的多面性，从心理学视角列出了VR/AR教学一眼包含的内容，论述了VR/AR教学体验设计的方法；综合动机设计、情感设计和教学设计等多角度，提出了VR/AR教学体验的分层构成模型；提出了VR/AR教学体验设计的评价标准，在VR/AR教学体验应用理论基础性研究上进行了探索。关键词：虚拟现实；增强现实；体验设计；教学体验VR/AR教学体验设计是VR/AR教学设计中的核心问题。在VR/AR教学过程中，VR/AR体验效果越好，其感知效果和教学效果也就越好，可信度也就越高。VR/AR技术所具有的沉浸性、交互性、构想性、夸张性和社会性等特征[1]，使其在教育领域的应用具有独特的优势。如何在学习中设计具有功能性和目的性，同时又有趣且吸引人的体验，是VR/AR教学设计的重要研究方向，涉及到人工智能、心理学、社会学、电子商务、人机交互、戏剧、电子叙事等多个领域。要使得VR/AR教学体验更加完整，就要更深入地在各个层面上关注内容设计和特性设计，协调它们之间的各个因素。从教学设计的角度，教学传输模式将逐渐让位给体验编导模式，教育者的角色也将从信息提供者转变为体验设计/编导者[2]。本文针对VR/AR教学的实际应用和全国VR/AR教学大赛的赛事推广需求，提出VR/AR教学体验设计的产生框架、构成框架和应用模型，并对VR/AR教学体验的内容、设计和评价进行了论述。一、VR/AR教学体验及其产生框架人们做的每个活动都会形成以及产生一个体验，体验是在一个给定时间内用户和环境交互的过程和结果。在交互的过程中，形成体验的不同元素融合起来形成个体的输出，要被实现的目标、使用的工具以及交互发生的领域形成环境。为了让学习者可以投入到教学任务中，需要综合考虑功能性、可用性以及美观性。通过观察形成学习者和任务交互的进程的元素，我们可以了解大多数教学体验的共同元素。教学体验是一个反馈的循环，过去的体验会影响未来的体验。这种产生式的体验会让学习者的情感发生改变，形成积极的体验(如快乐)或者心流。(一)VR/AR教学体验的概念在设计者的视角下，VR/AR教学体验可以被解释为不同的沉浸概念，包括：感官沉浸、挑战沉浸和想象力沉浸，它们会在使用VR/AR系统时同时发生并相互交互。感官沉浸是学习者在与VR系统交互时获得的，挑战沉浸是“当一个人达到一个挑战和能力的令人满意的平衡点”时出现的，而想象力沉浸则是当学习者“使用他的想象力和任务产生共鸣，或者只是享受VR系统的幻想”时发生的。三种沉浸感觉的交叉点就能为学习者提供一个完全沉浸的VR体验。感官沉浸是学习者与交互界面的连接，而挑战和想象力沉浸则是学习者和VR系统的连接。除了沉浸以外，还可以使用另两个概念来描述VR体验：心流和代入感。心流是指个体在遇到与其技能水平相匹配的挑战时，全身心投入目标导向的任务，达到忘我的一种心理状态[3]。代入感则是指在虚拟世界中身临其境的一种感觉。如果VR教学系统提供适当的挑战、即时的反馈、沉浸的虚拟世界，那么有可能获得心流这种最优体验。另一方面，沉浸和代入感不会自动意味着学习者会有愉快的体验，但相应体验也是有价值的，因此是次佳的体验。(二)VR/AR教学体验的多面性在使用VR/AR教学系统时，有意义的目标引导学习者的行为，在系统规则和选择范围中，学习者追求这些目标，赢得奖励，做出决策，并且迎接挑战。学习者有意或无意持续不断地评估他们在系统中的表现，看他们是否正在达成期望的目标，以及他们是否具有迎接挑战的能力。如果他们在克服困难之后达到目标，就会获得正面情绪和胜任感。VR叙事变成了讲故事，在故事中学习者扮演一个积极的角色。有趣的时空将学习者的注意吸引到虚拟世界中，从而提供了对现实世界的逃离。学习者投入到他们在VR世界中扮演的角色中。VR世界的生成也同样由界面支持，从而限定了其中的物理交互和社会交互。界面提供了探索、发现和收集新事物的环境。在那里学习者与其他代理进行交互并且逐步适应，从而越来越深地陷入到虚拟世界中，在其中深度体验学习。当学习者描述他们的体验时，往往会描述相应的情感变化(例如：享受)、认知评测(例如：挑战)、以及动机(例如：好奇心)。整理出学习者的认知、情感、动机、知觉以及注意点，将揭示出学习体验的决定性因素，例如体验的质量、强度、意义、价值和广度。总之，这些决定性因素使得分析VR/AR教学体验成为可能，并且赋予了VR/AR教学体验独一无二的特征。如图1所示，中间部分是学习者与虚拟世界的交互过程，教学体验在这个过程中不断演化。在VR系统之外，教学体验很大程度上会受到基础心理学和学习者个人背景的影响，包括：学习者在系统中的临场感、参与度以及心流。(三)VR/AR教学体验的产生框架VR教学系统中软硬件的设计依赖于虚拟世界中人的行为，因此需要依赖认知科学专家建立：用户感官和运动反应的生理物理特性、系统中模式和比喻的概念性和实用性差异、以及帮助系统用户的行为软件助理[4]。VR教学体验的产生框架(如图2所示)是在虚拟环境中沉浸与交互的三个层次的基础上构建而成，包括：(1)物理层：即学习者的感知运动沉浸与交互层，是计算机用户感知接口与学习者在物理上相互连接的层次。在这个层次上的沉浸与交互可以根据感知和运动的特征进行量化。(2)用户层：是指学习者心理上沉浸于虚拟世界的交互和体验，是一种心理上透明而不可见的“底层”沉浸与交互，也就是认知层面上的沉浸与交互。这一层次的交互涉及与接口相关的认知过程，比如模式匹配和比喻的使用等。学习者的活动通常能分解为若干基本的行为，可将其称为“基础虚拟行为”，一般包括：观察、漫游、交互和沟通。(3)VR教学应用层：是针对一个给定教学任务或功能产生的沉浸，属于功能性的沉浸与交互。主要关注学习者能做什么，比如在虚拟世界中探索特定学科问题的解决方案或在虚拟实验室中完成仿真的物理实验。这个层次是学习者最终将虚拟世界作为一个整体感受到的内容，是VR教学体验设计的出发点。学习者的各层沉浸与交互构成了一个紧密相关、无冲突的结构，产生了一个三层结构模型。该模型与虚拟世界的三层构造形成了逻辑对应关系。通过这个产生框架，可以针对学习者不同的沉浸与交互层次的需求，构造出相应的教学虚拟世界。二、VR/AR教学体验的内容与设计(一)VR/AR教学体验的内容VR/AR教学带来的体验不应该局限于任务解决能力的提升，它还应能增加学习者的享受。积极的情绪是好奇心和学习新事物的前提，针对消费者需要满足而提出的分层理念：实用性、适用性和愉悦感[5]，也同样适用于VR/AR教学体验。VR/AR教学体验基于现象感知和具身认知，常常被学习者描述成有趣而令人愉悦的，也就是说情感体验是VR/AR教学设计的准则。用户界面和交互设计师应该基于这个设计准则，使用理解性体验、教学形态问题体验、多种效果的感知认识、多种媒体的感受、意会型的感受方式等，来提升VR/AR教学体验的趣味性。学习者对一个VR/AR教学活动的体验是个性化的，它蕴含着学习者的技能、知识以及先前的相似经验，是学习者和VR/AR系统交互时产生的情绪和感觉。由于这种交互总是发生在一些物理和社会环境中，了解学习者、提供的任务以及使用的环境是VR/AR教学体验设计的关键。VR/AR教学体验研究的主要目的是研究哪些因素能影响教学，哪些类型的体验更加适合教学，如何设计以教学为目标的特定体验，研究学习者如何在有趣的基础上挖掘他们的潜能和应对有难度的挑战，如何通过非正式社交、艺术欣赏等方式所带来的潜意识体验提升学业成就，并研究如何对VR/AR教学体验进行分类。基于Mcdougall[6]、Ekman[7]和Reiss[8]等学者的研究，结合VR/AR教学体验的特性，可以从心理学角度给出VR/AR体验的类别定义，如下表所示。该类别可以作为VR/AR教学体验设计时参考的内容标准。(二)VR/AR教学体验设计的类型可以从参与程度和与环境的相关性两个方面将体验设计分为4种类型：娱乐、教育、美学和逃避[9]。其中，娱乐(例如观看演出、听音乐等)体验往往是被动参与、吸收性的；教育体验(例如参加研讨会、辅导班等)则强调吸收与主动参与；美学体验(例如参观博物馆、画廊等)往往是一种被动参与、沉浸式的体验；逃避现实体验(例如主题公园、赌场等)则是主动参与的沉浸体验。这种4象限划分只是形式化的，大多数体验都是跨边界的，结合了所有四个领域的特征和元素，关键是发现每种体验的最佳平衡。使用该体验框架，可以创造性地探索各个领域的特性，从而编导出符合需要的特定教学体验。参考这种分类，设计VR/AR教学体验时应考虑以下问题：(1)如何改善教学体验的美学层面？如何设计虚拟环境，使得它更有吸引力、更有趣和感觉舒适？如何设计一种氛围，使得学习者想要沉浸其中？(2)一旦学习者被吸引进入这个体验，他们能够做什么？如何提供与电子游戏可玩性类似的体验？学习者如何以其独特的方式影响相应的环境和体验的走向？(3)学习者能在体验中学到什么？体验设计中的哪些信息和活动，能够激发学习者探索知识和技能？(4)如何设计教学体验的娱乐层面，让学习者能享受其中？如何使用戏剧悬念、故事剧情等手段，让学习者流连忘返？(三)VR/AR教学体验的主题/故事化设计VR/AR教学体验设计的一个重要方面是主题化。一个有效的主题应该是精简、有趣和深刻的。主题化既可以是为整个体验设计一个统整的原则，也可以是编制一个统一的故事，让学习者的参与成为完成故事必不可少的一环。故事设计往往是VR/AR教学体验设计的一个核心元素。故事能够提供一种容易记忆的、有趣的格式来传输各种信息。通过分享故事，人们能从彼此的经验中学习。故事还是一种形式的专家系统，能帮助我们整合和记忆学到的东西。大量证据表明，故事能够更有效地组织信息，从而优化交流和学习，故事是人类认知的核心要素。在VR/AR教学中，学习者往往并不满足于仅有强烈的感官体验，他们还想要一个故事，因此教学体验设计者还需要增加角色和情节，以增强体验的戏剧化程度，通过悬念和戏剧张力提升学习的沉浸感和参与度。不但如此，学习者还想要拥有直接影响体验和故事发展的自由，通过增强控制感、拥有感和主体感，获得最大限度的情感满足和认知收益。换言之，学习者对体验的需求已经从传统的被动消费式体验转化为主动沉浸式体验。(四)VR/AR教学体验元素设计VR/AR教学体验设计时应考虑以下元素：(1)戏剧化的故事陈述：通过讲故事促进引人入胜的行动。(2)表演：真正去操作，将场景像演出一样表现出来，或者像游戏玩法一样执行。(3)强化：通过对事件的选择、排序和表现，来强化情绪。(4)压缩：采用精简化设计，消除冗余因素，降低外在认知负荷。(5)单一行动：设计强大的核心行动(类似电子游戏中的核心可玩性机制)，多个不同的事件都链接到该行动，使事件之间产生清楚的因果关联。(6)终结：提供终点(例如场景和故事的结局)，以获得认知和情感的满足和心理的释放。(7)范围：限制行动的长度以获得美学和认知的满足。(8)交互：能够帮助学习者与他人、知识、信息、体验以及设备本身进行交互。(9)悬置疑虑：即对体验的认知和情感的投入，投入的体验只有在虚拟世界提供了表达的上下文，学习者悬置疑虑时才能实现。三、VR/AR教学体验的构成框架VR/AR教学体验的构成基于动机心理学中对认知评价和情感输出的分类[10]、高投入度教学设计的框架[11]、对临场感的研究[12-14]、情感设计研究[15-17]等，将其分为：VR概念分类层、VR元素组合设计层和VR教学体验层，如图3所示。该框架形成了VR/AR教学体验设计的理论基础，并奠定了VR/AR教学体验应用设计的基础。VR/AR教学体验的构成框架主要涵盖以下方面的元素设计和关系设计：(1)VR/AR教学体验的核心元素：VR教学系统本身及其与学习者之间的互动。VR/AR教学系统包括两个元素：系统规则和虚