在线深度学习的演进过程及虚拟现实赋能

秦瑾若

陕西科技大学教育学院， 西安 710021

当前，以互联网为代表的信息技术的深入应用，使得在线学习逐渐兴起并成为线下课堂的有效补充。美国高等教育信息化协会(EDUCAUSE)发布的《2021地平线报告(教与学版)》更是将高质量的在线学习作为推动高等教育教与学变革的关键驱动力[1]。2021年9月，中国互联网络信息中心发布了第48次《中国互联网络发展状况统计报告》，该报告指出，截至2021年6月，中国在线教育用户规模达到3.25 亿，占中国网民总人数的32.1%[2]。整体上看，在线教育发展态势较好，教育信息化进入融合创新阶段。然而，随着教学实践的深入开展，一些难题也逐渐凸显。由于现阶段大多数在线学习的应用还是基于传统的二维网络技术，以及依托基于网页的在线教育平台提供远程服务，这样很容易出现以下问题：①从资源呈现方式看，在线学习主要还是利用传统的电脑或者手机屏幕显示特定的二维平面信息，缺乏生动性、立体性和直观性[3]。②从人机交互形式看，现阶段的在线学习仅支持学生与周围学习环境的浅层次交互。比如，通过鼠标、键盘、手机触屏等外部设备进行输入，缺少人机交互的自然性、高效性与多维性[4]。③从人际互动模式看，目前的在线学习主要通过文字、图片、表情包等方式在讨论区进行互动，途径较为单一，效果较为浅层。④从知识获取途径看，还是采用知识单向传递的教学范式，学生还是被动地接受新知识，所学均为由教师预先准备好的资源和内容[5]。综上，面对现阶段在线学习效率低下、投入不高、程度较浅等现状，如何突破二维网络技术的瓶颈，构建全新的交互机制与学习模式，有效帮助学生实现深度学习，已成为在线学习的一项重点议题。

近年来，虚拟现实技术(virtual reality，VR)凭借其特有的沉浸体验、多维感知、自然交流、直观触控等优势，成为在线教学领域备受关注的话题[6]。作为新时代下人才培养的重要载体与工具支撑，虚拟现实技术无疑是解决当前在线学习中存在的困难，突破固有技术瓶颈，促进学生开展深度学习的核心驱动力。

那么，在实际教学过程中，如何利用虚拟现实技术促进在线学习质量的实质提升，以达到既定目标？要回答该问题，首先需要厘清在线深度学习的演进过程。事实上，每一种学习样态都有其特定的发展逻辑，学习本身就是一个由浅入深、由表及里的过程[7]。基于此，该研究首先梳理在线深度学习的基本内涵与价值取向，之后厘清其内在的演进过程，在此基础上，探究虚拟现实技术对在线深度学习的赋能作用。

1 在线深度学习的内涵及价值取向

1.1 在线深度学习的内涵

关于在线深度学习的具体内涵，目前还没有统一的界定。具体来说，应该综合在线学习环境特点[8]，以及深度学习内涵[9]去理解。通过分析，该研究认为，在线深度学习是指在线学习环境中，根据教师的精心组织与指导，学生与学习共同体利用相应的在线学习资源，批判性地学习新知识与新内容，将新知识纳入到原有的认知结构中，通过新旧知识之间的相互作用与双向联结，实现对新知识的深层次理解与真实问题解决，并能够进一步将所学知识迁移应用到不同学习情境中的学习。

1.2 在线深度学习的价值取向

1.2.1强调学习投入：在线深度学习的基本要求

在线深度学习的发生，基于学生内在的学习需要与学习动力，而这主要取决于学生的投入程度和学习持久力，关照学生在学习过程中的真实体验。无论是知识信息的意义建构与高阶思维能力的培养，还是积极学习态度与学习意志力的保持，都有赖于高质量的学习投入。这成为在线深度学习发生的内在驱动力，也是基本要求。

1.2.2关注问题解决：在线深度学习的重要追求

在线深度学习是一种以问题解决为导向的深层次学习方式，这里的问题并不是源于书本上的良构性问题(well-structured problem)，而是出现在日常生活中的劣构性问题(ill-structured problem)。通过问题网络的有效统领，扩大已知与未知之间的张力，引导学生进行持续式的实践活动。这成为在线深度学习的重要追求。

1.2.3注重协作探究：在线深度学习的关键途径

在线深度学习并不仅仅是学生观看视频的个体活动，更是多人开展协作探究的社会性学习。协作探究是指根据相应主题或者任务，学生以小组为单位，组成实践共同体，进行相应的学习活动，从而完成协同知识建构。协作探究成为在线深度学习的关键途径。

1.2.4重视理解迁移：在线深度学习的核心目标

从本质上看，在线深度学习是一种基于理解的学习。知识的获得并不是依靠简单的知识记忆与信息叠加，而是理解基础上的知识整合与迁移运用，只有这样，学生才能够真正地将所学技能转化为自身能力，举一反三。这成为在线深度学习的核心目标。

2 在线深度学习的演进过程

目前，有学者从不同视角讨论了深度学习的演进过程与变化规律问题，相关成果值得借鉴。钱旭升[10]认为，深度学习经过知识的激活与召唤、解构与炼制、判断与选择三个阶段。曾明星等[11]基于Solo分类理论，提出了深度学习的演进机理，具体包括堆积与分离、同化与顺应、重构与迭代三个阶段。基于上述分析，该研究结合在线深度学习内涵与价值取向，对在线深度学习的演进过程进行整体阐释(如图1所示)。该过程由具体阶段和教学事件两方面构成。其中，具体阶段是主体，包括激活与调取、探究与整合、迁移与创生三个循序渐进的发展过程；教学事件则是对应于相应过程阶段的教与学活动。

图1 在线深度学习的演进过程

2.1 激活与调取：在线深度学习的发生前提

在线深度学习是一种高投入性的学习方式，强调具身参与和全面感知。因此，激活学习状态与调取知识概念，为后续知识结构重组奠定基础，这成为在线深度学习的发生前提。

首先，需要激活学生的学习兴趣和学习动机，引起好奇心和求知欲。一般来说，学习兴趣会受到教师所使用或支持的任务和材料的影响[12]。综合以上考虑，该研究认为，学生学习兴趣的激发与学习状态的激活主要从以下方面考虑：第一，准备种类丰富的在线资源。第二，设计多样化问题。利用技术工具和教学手段创设问题情境，激发思考和参与。

其次，在激活学生学习状态的基础上，学生认识到新问题与原有经验之间的联系，并意识到问题解决的重要性。接下来，该阶段的另一个重要任务就是根据面对的问题，调取出与之有联系的先前知识内容以及相关概念，厘清旧知。教师可以基于相应问题情境与任务，结合在线学习资源，引导学生经过多次的知识提取练习(资源刺激、课前测试和课堂提问等方式)，回忆先前知识和信息[13]。

2.2 探究与整合：在线深度学习的演进关键

在线深度学习是面向复杂问题解决的探究式学习。学生之间围绕相应任务所开展的深度学习，是对问题方案的探究与经验整合过程，这成为在线深度学习的演进关键。

首先，学生小组利用数字化资源与工具进行探究。在实际过程中，主要包括两个阶段：失稳与解构。其一，失稳阶段。学生面对复杂问题，意识到原有概念与方法已经不能解决当前问题，就会进入失稳阶段。其二，解构阶段。经历认知失稳阶段后，学生便会产生学习困惑，并进一步引发质疑和思考，开始深入理解与剖析问题，也就是问题解构。

其次，学生在之前探究问题本质的基础上，通过筛选、概括与整理，将搜集到的不同类型的信息和经验放在一起，并拓展出用以连接它们的框架或者体系，提出问题解决方案，即整合过程。

2.3 迁移与创生：在线深度学习的结果呈现

在线深度学习是基于理解的学习方式，强调知识建构基础上的迁移应用与创造生成，这成为在线深度学习结果的重要呈现方式。

首先，利用技术手段引导学生从一个问题向另一个问题迁移，使其能够融会贯通。目前，根据新任务与原任务之间的相似性，把迁移分为任务相似情况下的“低通路迁移”(low-road transfer)与任务不相似情况下的“高通路迁移”(high-road transfer)[14]。第一阶段，为学生创设与原任务类似的问题情境，掌握基本思路方法；第二阶段，准备难度更大，且与原任务有差异的任务与问题，掌握抽象原理。

其次，创生主要体现在知识内容和方法思路方面的创造上，是迁移基础上的进一步延伸。通过学生自身理解的不断加深，发现新的疑惑和挑战，以形成新的理解和体验，提出新的观点和概念，实现知识的创生并拓宽认知范围。

3 在线深度学习之虚拟现实赋能

当前，虚拟现实以其自身所具有的沉浸性(im- mersion)、交互性(interaction)、构想性(imagina- tion)和智能化(intelligence)等特征(简称“4I”特征，如表1所示)[15]，成为在线学习环境下促进学生深层次能力发展的重要驱动力。

表1 虚拟现实的核心特征

虚拟现实赋能在线深度学习演进过程的机制如图2所示。首先，虚拟现实的沉浸性为在线深度学习提供体验支持。通过提高学生在学习过程中的沉浸感与置入感，产生“激活与调取”的正面效应，促进在线深度学习切实发生。其次，虚拟现实的交互性为在线深度学习提供具身支持。通过实现自然交互，促进具身体验，为“探究与整合”的开展提供保障，保障在线深度学习持续演进。再次，虚拟现实的构想性为在线深度学习提供迁移支持。设计多样化的问题情境，为“迁移与创生”的落实奠定基础，助力在线深度学习结果呈现。最后，虚拟现实的智能化为在线深度学习提供动力支持。借助人工智能技术，虚拟现实能提供更为智能化、精准化与科学化的服务，从整体上强化对在线深度学习的“赋能”效果。

图2 虚拟现实赋能在线深度学习演进过程的机制

3.1 虚拟现实的沉浸性为在线深度学习提供体验支持，促进其切实发生

虚拟现实创设的学习环境能够提高学习兴趣与动力，做到“寓教于乐”，有效丰富学习体验，促进在线深度学习切实发生。主要体现在以下三个方面：

①创设逼真学习环境，激发学习动机传统在线学习由于受时空和技术所限，难以实现逼真环境的打造，割裂学习与生活的联系。虚拟现实技术通过创建高度仿真和自然的三维动态数字化环境，建立虚拟世界与真实生活之间的有机联系，从根本上变革了在线学习的空间场域，使学生能够尽情地感知、徜徉与回味，有效激发学习动机并调取原有知识经验，提升其学习体验。在此基础上，设计多样化的逼真问题情境，引导学生思考和参与，有助于使学生更好地沉浸于学习过程中，提高临场感，从而进一步增加认知投入与情感投入。比如，有研究表明，相比于传统的在线学习环境，在虚拟现实学习环境下，学生的认知投入与行为投入更高，学习效果也更好[16]。

②实现多感官刺激，产生心流体验受条件所限，传统基于二维显示技术的在线教学仅仅能够实现听觉和视觉的浅层次体验，加工信息的通道单一，难以保证学习方式与行为空间上的真实感与沉浸感，所带来的感官冲击并不强。虚拟现实通过利用多维传感器和可穿戴设备，充分调动学生视、听、触等多个感官，为其提供丰富的感知线索与多通道反馈，让身体充分感知多通道信息与刺激。这种方式不仅增加了体验的真实感，而且通过“占领”诸多感官机能，切断学生与外界世界的联系，促进其完全沉浸在虚拟的学习氛围中，产生出非常享受的心理状态，即形成心流体验，使原本“死气沉沉”的在线学习活动变得更加生动、形象和鲜活。这种方式能够促进学生从多种角度调取知识经验。

③设计多模态的在线学习资源，促进知识理解模态即是人类通过感官(如视觉、听觉、触觉、嗅觉等)与外部环境(人、机器、物件等)之间的互动形式，当使用三个或三个以上的感官进行互动时，可以称为多模态。虚拟现实技术通过将语言、图像、声音、动作等多模态要素有机整合，形成多模态在线课程资源(虚拟微课、虚拟实物、虚拟仿真实验)，充分调动多项感官潜能，实现学生对学习内容的多模态理解与意义建构，加深知识印象。比如，在学习生物相关课程中，触摸事物外表可以了解其质感，观看视频以及实验可以掌握变化过程。综上可以看出，虚拟现实技术所支持的在线学习资源有效扩展了资源作为学习对象的内涵与外延，通过为学生准备多模态的学习资源，构建集心流、感知、沉浸于一体的知行合一学习场景，有效丰富学生的学习体验。可以说，这既是对传统在线学习资源的优化与补充，更是变革原有的学习资源形态。

3.2 虚拟现实的交互性为在线深度学习提供具身支持，保障其持续演进

突破利用鼠标、键盘等外部设备进行输入的传统人机交互方式，虚拟现实技术提供三维自然交互界面，交互方式更为直接方便，包括触摸、动作、语言、面部表情等更日常的形式。这种将用户本身作为输入设备的自然交互方式，有效将身体感知的即时性行为与学习环境的变化相互协调，使学习发生于学生与周围环境相互作用的“感知—行动”循环过程中，以诱发和强化具身效应，促进“探究与整合”的顺利实施。根据Moore的交互理论，可以把人与环境的自然交互进一步从人与物交互(学生与虚拟对象交互)、人与人交互(虚拟环境中学生与教师、同伴交互)两方面阐释：

①实现学生与虚拟对象的交互，助力具体经验的获取虚拟现实能够有效改变传统在线学习的交互方式，利用动作捕捉技术，支持学生利用手势以及身体行为等自然方式进行动作性学习。根据复杂问题，通过与虚拟实践对象进行自然交互获得积累具体经验，开展实践探究，并经过深入归纳、演绎和反思，以及信息整合，进一步形成抽象经验，实现对问题的深入解构，切实建立新旧知识之间的联结。比如，在由虚拟现实技术创设的学习环境中，可以对知识要点进行三维可视化。通过生动、立体和逼真的形式展示学习内容，可以方便学生从不同角度来探究，更重要的是可以与虚拟事物进行动态互动，即对具体知识要素进行任意操作、触摸、翻转、放大与缩小，甚至可以重新组织相应的知识结构。这有助于学生对相关知识、概念及问题有更深入的理解，提升其实践探究能力，从而构建出更完整的知识体系。再比如，开展虚拟仿真实验，学生可以使用虚拟实验室中的任何器件，通过实际动手操作，以完成相应的探究任务。所以，这种具身式的交互方式能够调动学生学习的积极性与主动性，真正体会到知识与经验获得的过程。

②促进学生与教师以及同伴的交互，助力协作问题解决虚拟现实技术冲破远程学习平台、直播软件等学习空间的距离障碍，通过创设逼真的教学情境，将散落在不同地理位置的学生串联起来组成在线学习共同体，构建出“人人在场”的协作学习空间，以达到虚拟仿真教学、具身体验的目的。在共同体中，教师能够真实观察到学生的举动，学生也能感受到教师和同伴的存在，彼此之间能够通过表情、触碰、动作、语言等自然的方式进行信息交流，有助于最大化地模拟出面对面的人际互动效果，从而为在线学习提供有力的社会互动支持和情感支持。首先，社会互动方面。通过使线上学习融入仿真情境、交互式主体协作等传统课堂的优势元素，将教的行为与学的行为有机融合，实现多人远程在场的协作学习，使得人与人之间的社会互动更加直接、自然和高效。这可以促使教师与学生、学生与同伴在虚拟空间中进行同步联动与实时交流，避免传统在线学习中由于交互距离的存在而导致的学习效率低下问题。学生与学习共同体围绕教师抛出的问题，分小组开展协作探究，得出开放性的答案。其次，情感互动方面。这种面对面的在场互动能够拉近人与人之间的距离，就如同在真实场景一样发现学生情绪的变化，有效降低由于学习孤独感而引起的在线学习倦怠等问题，从而建立一个良好的情感互动学习场域，有效提升师生双方的心理舒适感，为情感交互提供支持。

3.3 虚拟现实的构想性为在线深度学习提供迁移支持，助力其结果呈现

虚拟现实技术具有强大的构想性，使学生充分发挥其想象力，有效扩大认知范围，在体验探究活动的同时，不断培养发散思维，为在线深度学习提供迁移支持，保障“迁移与创生”的落实。主要体现在以下两个方面：

①创建多样性的问题情境，促进知识迁移虚拟现实技术不仅可以模拟现实世界，创设出仿真日常生活的问题情境，更能够超越现实世界，在现实的基础上进行理论虚构与实践操作，包括再造、重组与升级，营造出现实中不存在的虚拟情境，拓宽思维空间与认知张力。这从根本上改变了传统在线学习中情境种类单一、情境体验缺乏、知识理解浅层等限制。比如，在“第二人生”(Second life)虚拟社区中，可以创建多个以真实世界为基础而又不完全等同现实世界的模拟世界，使学生实现难以在现实世界中实现的梦想[17]。通过使学生在类似问题情境中分析彼此差异，实现对学科概念与问题情境相结合的非结构化知识的掌握，并将这种深度加工知识的能力不断地运用于新的问题情境中，实现“举一反三、融会贯通”的迁移运用，掌握抽象原理，从而完成相应的现实复杂任务。

②提供情节性的学习内容，助力知识创生这部分主要是指虚拟现实中的学习内容具有情节化的特征，引导学生在情节化的模拟生活中主动建构并创造知识。具体从两个角度体现：故事性[18]与隐喻[19]。首先，是故事性，即将内容嵌入到一个虚构的故事中。利用虚拟现实的化身功能(avatar)使学生实现角色扮演(role-play)，在具体过程中，学生主要受人物命运、故事情节和故事主题等三种驱动力的影响。通过对虚拟故事脉络的经历，有助于增强学习体验和学习趣味，激发想象、判断、分析和创造等高阶思维活动，使学生在不断的感悟中发现新问题、构建新概念，从而实现知识创生。其次，有些内容不方便以故事的形式呈现，而是以比较巧妙的隐喻方式来实现。虚拟现实技术支持情节性隐喻、画面式隐喻和内容式隐喻等。这些手段可以进一步引导学生深入挖掘信息，丰富知识框架。

3.4 虚拟现实的智能化为在线深度学习提供动力支持，实现其整体提升

中国工程院院士赵沁平教授指出，虚拟现实与人工智能有着天然的联系，二者融合是必然趋势[20]。通过在虚拟现实的基础上融入人工智能技术，使之变得更加智能化、科学化和精准化，从整体上为在线深度学习提供动力支持。具体包括以下四个方面：

①强化环境逼真度，增加学习体验通过运用系统动态建模、智能识别、自动化控制、动态感知、计算机视觉、自然语言处理等人工智能技术手段，有助于创设出集自适应学习、情境体验、探究实践、学习行为捕捉、智能交互等于一身的智能化虚拟现实环境，进一步增加在线学习环境的情境性、逼真性和具身性，使学生通过对真实问题的切实感知，增加在线学习体验的深度与广度，有效促进身心投入。

②提供个性化学习资源，助力新旧知识之间的融合问题的设置与知识的呈现都是需要从学生的已有经验出发的，然而，受到在线时空分离或者学生自身知识局限等因素的影响，会导致难以准确识别先前知识储备，知识理解与迁移也容易受阻。在这种情况下，借助表情识别、图像判断、语言识别等人工智能技术，有效采集、捕捉学生在虚拟现实环境下的学习行为、学习情绪、动作轨迹等数据[21]。经过信息调取、学习诊断、数据挖掘、情感分析、结果可视化呈现等方法，深层次解读数据背后蕴含的内容，科学掌握学生的学习动态，并识别存在的短板，智能化地从海量资源中为学生推送个性化的资源内容与学习路径，促进学生开展探究学习、自适应学习。

③促进信息整合，提高学习效率通过运用数据挖掘、学习分析、深度学习算法、智能感知、精准推送等技术将不同类型、不同领域、不同情境的知识信息进行采集、提取、挖掘与整合，并将知识以虚拟微课视频、可视化实物、虚拟仿真实验等多种信息形态展示给学生。这有助于使学生全身心投入到学习过程中，提高学习绩效。

④提高人机交互效果，增强具身体验近年来，如何促进虚拟现实环境下人机交互效果成为了一项重要的研究课题，也是决定在线深度学习效果的关键。智能技术在这方面提供了很好的支持：一是增加人机交互的移动性。通过使用可穿戴计算机、个人数字助理等工具，帮助学生与周围环境实现移动交互，大大增加了交互的效率。二是增加人机交互的智能化。在机器识别、全息立体显示、智能计算等技术的支持下，可以提高人机交互的智能水平，使交互变得更加直接、真实和自然[22]。

4 结束语

随着在线教学实践的持续推进，如何解决学生在学习过程中出现的浅层学习问题，帮助其实现深度学习，改善在线学习效果，成为专家和学者关注的重点。虚拟现实技术作为创新基点，能够成为变革在线学习方式、解决现实问题、优化在线学习质量的核心驱动力。从本质看，在线深度学习是一种基于理解的学习，强调学习投入，关注问题解决，注重协作探究，重视理解迁移。从发展看，在线深度学习是认知能力与思维结构不断变化与纵向发展的动态过程，包括激活与调取、探究与整合、迁移与创生三个层层递进的阶段。虚拟现实赋能在线深度学习，一是虚拟现实的沉浸性为在线深度学习提供体验支持，产生“激活与调取”的正面效应，促进在线深度学习切实发生；二是虚拟现实的交互性为在线深度学习提供具身支持，为“探究与整合”的开展提供保障，保障在线深度学习持续演进；三是虚拟现实的构想性为在线深度学习提供迁移支持，为“迁移与创生”的落实奠定基础，助力在线深度学习结果呈现；四是虚拟现实的智能化为在线深度学习提供动力支持，从整体上强化对在线深度学习的“赋能”效果。