范文翔 赵瑞斌

[摘   要] 混合现实学习环境（Mixed Reality Learning Environments，简称MRLE）是信息技术应用于教育领域的新产物。为了更好地把握MRLE，文章基于文献分析对MRLE的兴起背景、本质、构成、特征及其在教育领域的应用情况进行系统的梳理与分析。研究发现：MRLE是在新工業革命的推动下新兴的一种数字学习环境;MRLE以混合现实技术为核心，本质上是以人类自然知觉感知为基础的“所见即所得”的人机交互学习空间，这种人机交互的学习空间打破了现实世界与虚拟世界的界限，在人、现实世界与虚拟世界之间构建了直接融合的通道，使学习者可以直观地与虚实一体的世界进行自然交互;MRLE由学习空间、学习风格与学习方式三个维度构成，具有虚实融合、自然交互与内容互动三个鲜明的本质特征;当前，MRLE已经成功应用于STEM教育、医学教育、场馆学习、工业培训、远程指导与艺术设计等领域，相关应用案例证实MRLE在教育领域具有广阔的应用前景。

[关键词] 混合现实学习环境; 数字学习环境; 混合现实; 增强现实; 虚拟现实

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

一、引   言

20世纪末，在混合现实技术的支持下，混合现实学习环境（Mixed Reality Learning Environments，简称MRLE）的兴起开启了数字学习环境的新纪元[1]。MRLE是一种由现实世界与虚拟世界交叠融合而成的亦真亦幻、亦实亦虚的学习环境，它突破了时空的限制，既可以将虚拟学习资源融合到真实的教学环境中，也可以将真实学习资源融入虚拟的教学环境中，为学习者提供深度互动且灵活多样的学习空间[2]。MRLE能够对传统学习环境进行有效的补充，极大地丰富与拓展了学习者的探究与学习领域，为教学形式的多样化提供了更多可能[3]。有学者指出：MRLE在教育领域具有较大的应用潜力，有助于打造一个内容更丰富、形式更多样、成效更显著的教育系统[4]。本文拟回顾MRLE产生与发展的历史背景，分析其本质、构成与特点，并对其应用现状进行梳理，以期帮助读者更好地把握MRLE的价值。

二、MRLE兴起的历史背景

毋庸置疑，MRLE的兴起得益于信息技术的发展与进步，但作为一种信息技术应用于教育领域的新产物，其历史背景更为复杂与多样。

（一）沉浸式学习的情境构建对MRLE的呼唤

哈佛大学的克里斯·德迪（Christopher Dede）教授指出：沉浸性是技术支持的下一代学习的特征之一，沉浸式学习（Immersive Learning）是未来学习的重要发展趋势[5]。沉浸式学习的关键在于构建多感官参与、真实感体验且自然交互的学习环境。既有的虚拟现实学习环境（Virtual Reality Learning Environments，简称VRLE）虽然能在一定程度上满足沉浸式学习的需求，但是VRLE中的物体都是虚拟出来的，学习者进入VRLE时需要在“虚—实”世界中来回切换，沉浸效果并不理想。而MRLE将虚拟世界与现实世界融为一体，可以有效解决真假世界切换的问题，使学习者有更好的沉浸体验。因此，沉浸式学习吁求MRLE给予其更有力的情境支持。

（二）数字学习环境自身发展对MRLE的追求

心理学界通过一系列的研究发现：认知并不能脱离具体的情境和内容，并且具体的情境和内容与现实世界越接近，越有利于促进学习者有效认知的发生[6]。源于此，构建在感官体验上与现实世界一样的学习环境，成为数字学习环境的应然追求。然而，既有的基于Internet技术的网络学习环境与基于Virtual Reality技术的虚拟学习环境，在本质与感官体验上仍是一个“虚拟世界”。因此，数字学习环境的进阶发展需要考虑将数字学习系统与现实世界进行有机融合，构建一个逼真自然的学习环境，为学习者在感官体验上提供一个“现实世界”。在这个意义上，数字学习环境自身发展的需要催生了“MRLE”这一新趋向。

（三）情境认知理论为MRLE奠定了学理基础

情境认知（Situated Cognition）理论初步形成于20世纪80年代中期，是一种不同于传统认知主义的新认知科学思潮。情境认知理论认为，知识来源于真实的活动与情境，非常注重真实活动对学习的意义，并认为真实活动是实现有意义学习的重要途径。然而，遗憾的是，受时空、身体与特定环境等限制，教学并不能都以真实活动的形式开展。MRLE的出现，恰好能有效地弥补这方面的缺憾。从这个意义上看，情境认知理论不仅赋予了MRLE对有效学习的重要现实意义，而且其思想观点也为MRLE的构建提供了学理依据。

（四）混合现实技术为MRLE提供了技术支持

混合现实技术（Mixed Reality，简称MR）是虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）的进一步发展，它通过将虚拟世界的物体植入到现实环境，或将现实世界中的物体融入虚拟环境，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，增强了用户体验的真实感。混合现实技术开启了虚拟现实的新时代，将技术从实验室水平提高到可用于现实世界的水平[7]。混合现实技术的出现，为研究者和教育者拓展数字学习环境的设计提供了新的技术支持，使MRLE的理念与实践变革成为可能。

（五）新工业革命推动了MRLE的兴起与发展

新工业革命以德国“工业4.0”（INDUSTRIE 4.0）战略与美国“CPS”（Cyber Physical System）战略为代表[8]。它是继蒸汽驱动的机械制造、电力驱动的大规模生产以及基于电子信息技术的制造流程自动化之后，以信息物理融合系统为基础的第四次工业革命。有学者指出：新工业革命的实质是主张虚实融合的工业技术革命[9]。新工业革命致力于用虚拟现实技术来解决未来生产环境、智能工厂及其他环境个性化自动构建的问题。对于未来学习环境而言，就是要努力地将真实世界与虚拟世界进行无缝融合。在新工业革命浪潮的推动下，以混合现实技术为代表的新技术正在快速发展，促进了以MRLE为代表的新型数字学习环境的兴起与快速发展。

基于上述背景，国际教育研究者与工作者也敏锐地认识到MRLE具有较好的发展潜力。《新媒体联盟地平线报告：2018高等教育版》（NMC Horizon Report：2018 Higher Education Edition）指出：混合现实技术将是未来4～5年内被广泛采用的关键技术之一，利用全息设备将3D全息影像投射到MRLE的空间中，可以更好地实现视觉效果逼真的交互学习[10]。目前，关于MRLE的研究正呈方兴未艾之势。美国联合市场研究公司（Allied Market Research）最新发布的《按组件、设备类型和应用划分的混合现实市场：2017—2024年全球机会分析和行业预测》（Mix Reality Market by Component，Device Type，and Application：Global Opportunity Analysis and Industry Forecast，2017—2024）报告指出：2017年的混合现实全球市场价值为1.2320亿美元，到2024年混合现实全球市场价值将达到5.3621亿美元，预计教育领域对MRLE的需求将极大地推动混合现实全球市场的增长[11]。

三、MRLE的本质、构成与特征

作为MRLE的推动者与实践者，我们必须深入地认识MRLE的本质、构成与特点，在准确把握MRLE的基础上，才有可能构建有效的MRLE，进而保障MRLE的预期功效能得到最大程度的发挥。

（一）MRLE的本质

马克思指出：应根据事物本身的情况来对待事物，因为事物有其自身的本质，这一本质使它同其他事物区别开来[12]。为了将MRLE与其他类型的学习环境区别开来，我们将MRLE与两种典型的学习环境进行比较，以期能更好地辨明MRLE的本质，如图1所示。

图1   MRLE与两种典型的学习环境

如图1所示，真实学习环境（Real Learning Environment，简称RLE）与虚拟学习环境（Virtual Learning Environment，简称VLE）分别处于两端。MRLE介于二者的中间，既包含真实学习环境，又包含虚拟学习环境。那么，MRLE是如何混合二者的呢？要回答这一问题，还需要从MRLE的核心技术“混合现实”说起。混合现实技术在保持人们对现实世界正常感知的基础上，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，不仅将虚拟世界与现实世界无缝地融為一体，而且还把人类的感官延伸到了虚拟世界。因此，MRLE并不是将真实学习环境与虚拟学习环境进行简单的混合，而是将二者融为一个有机的整体。

如图1所示，MRLE的重要技术支持还包含增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术与增强虚拟（Augmented Virtuality，简称AV）技术，它们可以将来自虚拟世界的相关物体实时叠加到真实学习环境中，让所构建的学习空间更加真实、丰富、生动和个性化。除此之外，新兴的削弱现实（Diminished Reality，简称DR）与遥在（Telepresence）技术也可以为MRLE提供技术支持。削弱现实技术可以将真实学习环境中不需要或有障碍的物体隐藏起来，实现对MRLE学习空间的优化。遥在技术可以将远程真实的学习环境场景直接虚拟化，通过网络传输将其与真实的学习环境进行融合。这意味着，MRLE不仅可以是虚拟世界与现实世界的融合，还可能是多时空现实的融合。

MRLE区别于图1中另两种学习环境的最本质的特点是它同时包含了现实世界与虚拟世界，比真实学习环境多了一个虚拟世界，又比虚拟学习环境多了一个现实世界。因此，MRLE的内容更加丰富。这主要体现在MRLE可以将自然灾害、历史事件、古生物、人物、事件等通过虚拟仿真复原后，叠加到真实的学习环境中。更为准确地说，MRLE可以有效地将原先需要想象的空间直接转换成在感官体验上“真实”的空间。需要特别指出的是，MRLE虚实一体的学习空间是视点依赖的。因此，MRLE需要以混合现实穿戴式智能显示设备为最基础的工具。学习者需要通过混合现实穿戴式智能显示设备，才能看到计算机为其适配的虚实融合学习空间。在MRLE中，学习者除了可以获得与现实世界相同的视觉感受外，还可以获得与现实世界相同的其他知觉感受，如体感、听觉、嗅觉等。这些在人类知觉感官上的身临其境感，有效保障了MRLE的沉浸感，是学习者取得预期学习成效的关键所在。MRLE本质上是以人类自然知觉感知为基础的“所见即所得”的人机交互学习空间。这个人机交互的学习空间打破了现实世界与虚拟世界的界限，在人、现实世界与虚拟世界之间构建了直接的通道，现实世界与虚拟世界围绕着共同的教学目标在这里完美地融为一体。并且，它还能将学习者从复杂深奥的计算机参数与菜单中解放出来，回到人类最原始的知觉感官上，使学习者可以直观地与“世界”交互。

（二）MRLE的构成

透过MRLE的本质，可以推测MRLE应该有着丰富的要素与复杂的结构。实际上，事实亦如此。一般而言，MRLE的构成包含学习空间、学习风格与学习方式三个不同的维度，如图2所示[13]。

图2   MRLE的构成

1. 学习空间

由于MRLE融合了现实世界与虚拟世界，因而学习空间维度关注的是MRLE学习空间的混合形式。从理论上来说，在真实学习环境与虚拟学习环境两者之间，有多种不同的混合形式。例如：将虚拟学习资源融合到真实的教学环境中，或者将真实学习资源融入虚拟的教学环境中。皮亚杰指出：人的认知发展源于与所处环境物体交互所发生的动作[14]。因此，MRLE的学习空间不仅要满足学习者的视觉沉浸感，对虚拟世界与现实世界进行建模并将二者融为一体，而且要能够实现学习者与真实学习对象的感官互动。这要求虚实融合的学习空间不仅要能够感知学习者的主体行为，还要能够感知一切与现实世界中有关联的人、环境甚至事件语义。唯有如此，才能为学习者的有效交互提供保障。

2. 学习风格

学习风格维度关注的是MRLE中学习活动的风格。有学者指出：学习活动大致可以分为建构活动与分析活动两类[15]。其中，建构活动注重实践性，学习者可以从中获得直接的实践经验;分析活动可以使学习者获得符号化的交流经验，通常包含观察、推理、解释、反思等步骤。也就是说，建构活动旨在与真实学习对象进行感官互动，而分析活动致力于认识虚拟成分。由于MRLE是虚实一体的，因而需要在建构活动与分析活动这两个极端之间建立联结。美国著名的教育家大卫·库伯（David Kolb）从四级模式（The Four-stage Mode）中提炼出了四种适用于MRLE的学习方式，即抽象学习（Abstract Learning）、具体学习（Concrete Learning）、主动学习（Active Learning）和反思性学习（Reflective Learning），这为有效连接建构活动与分析活动提供了新的视角[16]。

3. 学习方式

由于学习者的学习方式偏好不尽相同，为了使MRLE能够支持个性化学习，学习方式维度关注的是MRLE中的交互学习方式。MRLE中的交互学习方式大致可以分为视觉、听觉与体感三种。由此，可以将学习者归为喜欢通过“看”来学习的视觉型学习者、喜欢通过“听”来学习的听觉型学习者和喜欢通过“具身体验”来学习的体感型学习者三种不同的类型。不同学习者对信息接收、加工与处理的偏好是存在一定差异的。当然，有些学习者可以同时使用多种交互学习方式进行学习。因此，MRLE应建立与人类自然感官匹配的自然通道，以满足学习者不同交互学习方式的需求。这意味着MRLE需要匹配逼真的视觉呈现与良好的音响效果，并提供触觉、力觉等各种知觉感知和反馈。

虽然MRLE的构成整体上具有上述所说的共性，但是具体到不同特定学习主题的MRLE时，其具体呈现方式可能存在较大的差异。因此，我们可以根据具体学习主题的特点与目标，确定MRLE的学习空间、学习风格与学习方式，从而使所构建的MRLE具有更好的适用性。

（三）MRLE的本质特征

虽然上述关于MRLE的本质与构成的分析有利于把握其本质特征，但是还不足以据此提炼出具体的本质特征。有学者指出：所谓“本质特征”是指事物在本质属性或根本性质上所内在具有的、并与其他事物在整体上严格区别开来的某一最基本、最一般的特征[17]。基于此，为了认清MRLE的本质特征，我们将MRLE与VRLE、增强现实学习环境（Augmented Reality Learning Environments，简称ARLE）这两种较为相似的数字学习环境进行对比，见表1。对比发现：MRLE是虚实融为一体的，它不仅能支持學习者同时与真实或虚拟世界进行自然交互，而且其虚拟空间与现实空间的内容也是可以进行交互的。由此，可以提炼出MRLE的三个本质特征，即虚实融合、自然交互和内容互动。

表1               不同数字学习环境的对比

1. 虚实结合

从构成层面看，VRLE的学习空间是虚拟出来的，学习者看到的一切都是假象。ARLE的学习空间虽然将虚拟的学习材料叠加到现实的环境中，但学习者可以分辨出孰真孰假。MRLE的学习空间是融合了现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境，学习者已分辨不出事物的真假。MRLE并不是简单的虚实结合，而是根据学习需求通过虚实互补构建的具有高度真实感的学习空间。因此，MRLE虽然有虚拟世界的成分，但是在学习者的感官体验上都是“真实的”。因此，MRLE具有良好的构想性与沉浸性。

2. 自然交互

由于VRLE的可视化环境是纯虚拟的，因此，学习者也仅能与虚拟的环境进行交互。在ARLE与MRLE中，学习者虽然都可以与真实和虚拟的世界进行实时交互，但是二者的实时交互是存在显著差异的。其中，ARLE中的实时交互比较传统，大多只是简单地点击或者滑动而已。而MRLE的学习空间是多通道感知的，其实时交互方式的本质是自然交互，涵盖了视觉、听觉与体感等多种模态。因此，MRLE的实时交互更加自然与人性化，具有自然性与高效性的特点。

3. 内容互动

上文虽然指出了ARLE与MRLE在自然交互方式上的差异，但是这还不足以将二者严格区分。其实，二者最为本质的区别体现在现实世界与虚拟世界内容的交互性上。在ARLE中，虚拟世界的内容与现实世界的内容是不可能进行实时交互的。而在MRLE中，来自虚拟世界和现实世界的内容可以实时交互。例如：假设在ARLE与MRLE中的书桌下都有一只虚拟的小狗，我们弯下腰来和它进行互动，ARLE中的小狗，虽然是可见的，但是它不会回应我们的互动;而MRLE中的小狗，则会实时地对我们的互动有所回应。也就是说，在MRLE中，虚拟对象本质上是响应性的，是现实世界中不可或缺的补充部分。

四、MRLE的教育应用

通过上述分析可知，MRLE可以构建一个创新的、无缝的人机交互学习空间，为教育领域开辟了广阔的应用前景。梳理MRLE的相关文献材料发现，当前MRLE的教育应用主要集中在STEM教育、医学教育、场馆学习、工业培训、远程指导与艺术设计等6个领域。

（一）MRLE在STEM教育中的应用

STEM教育不仅多以现实世界存在的问题与困难为教学任务，而且也十分重视学习者在学习过程中的亲身探究经历与动手体验[18]。然而，受时空与条件的限制，不少STEM主题活动都不能顺利开展。MRLE的出现，使这些受时空与条件限制的STEM主题活动的开展成为可能。因为MRLE可以突破时空的限制，不仅可以让学习者身临其境地补充相关STEM主题活动的经历与经验，还可以支持学习者在逼真的“现实情境”中直接开展探究活动，直接用双手对虚拟物体进行灵活的操作。例如：斯坦福大学的虚拟人类互动实验室（Virtual Human Interaction Lab）为学习者提供了完全沉浸式的MRLE，学习者不仅能够身临其境地观察到海洋酸化的具体过程，还能与“虚拟环境”实时互动，探索相关的STEM学习主题[19]。由此可见，MRLE是开展STEM教育的有力工具。正如STEM.org的创始人安德鲁（Andew B Raupp）所言：STEM教育的未来发展可以建立在混合现实革命的肩膀上，因为MRLE可能为长期以来超出我们能力范围的系统性问题找到有效的解决方案[20]。

（二）MRLE在医学教育中的应用

MRLE可以轻松地完成人体建模，如同具有透视眼一般，直击人体的解剖学结构，并且可以通过手势、语音、外设等方式与全息影像进行实时交互，对医学教育的理论学习与实践操练中都有积极广泛的应用前景。当前，已有不少医学教育研究者使用微软HoloLens来构建MRLE，致力于将用户的人体通过全息投影投射到现实环境中，使用户可以从不同的角度进行观察、实时交互与研究[21]。来自莱顿大学的教育科技创新团队还开发了一个动态解剖的交互式MRLE，使学习者可以使用自己的身体来研究解剖学。在MRLE中开展人体结构与解剖学知识的教学，学习者可以与全息投影进行深度的实时交互，反复多次交互和体验，且不用担心对患者造成伤害，这不仅可以降低教学成本，还有利于提高教学成效。武汉协和医院骨科医院叶哲伟教授一直致力于推进MRLE在我国医学领域的应用，他在其出版的《医学混合现实》专著中指出：MRLE的出现，将给医学教育、医学研究、医学沟通和临床治疗等方面带来颠覆式的变革[22]。

（三）MRLE在场馆学习中的应用

近年发布的《新媒体联盟地平线报告：博物馆版》多次提醒我们，虚实结合的技术将是最有潜力改变博物馆发展方向的主流应用技术之一。将MRLE应用于场馆学习，可以充分彰显场馆学习的内容多样化与学习个性化的优势，促进场馆学习发挥其预期的价值功效。当前，已有不少场馆引入了MRLE。例如：加拿大的菲利普·柯里恐龙博物馆（Philip J. Currie Dinosaur Museum）于2015年引入了MRLE系统，该系统不仅复原了侏羅纪、三叠纪、白垩纪等的生态系统，还“复活”了恐龙骨架，为参观者提供一个“身临其境”的交互展览体验;我国的故宫博物院利用MRLE再现了圆明园、阿房宫等历史建筑群，使参观者能够一睹这些已毁坏建筑群的风采，满足参观者的学习、研究与游览等需求;中国科学技术馆的“挑战与未来”主题馆中也使用了MRLE，参观者可以体验宇航员在太空中是如何完成衣食住行的。这种沉浸式的MRLE动态系统，可以给参观者带来更加真实的全新体验与感受，有助于使参观者在具身体验中完成场馆学习的知识建构。

（四）MRLE在工业培训中的应用

工业培训具有很强的实践性，将MRLE应用于工业培训，能够将学习场景与实际的工作场景无缝对接，甚至是重叠为一体。在MRLE构建的虚实一体的学习环境中，学习者可以根据全息投影的提示，边操作边学习，仅用眼球、手势等自然的交互方式就能够与所需的材料和仪器进行实时交互。当前，通用汽车、德国铁路与青橙视界等企业都在积极探索MRLE在工业培训中的应用。以通用汽车为例，通用汽车尝试利用Google Glass构建的MRLE来培养操作工人，工人佩戴上谷歌眼镜后，仿佛置身于真实的工作环境中。在全息的交互界面中，工人可以根据提示进行标准化的操作，进行查阅面前设备信息、物品信息、工作行动路线等操作。该系统还可以根据对工人学习行为的数据分析，及时地调整培训内容，提供量身定做的个性化培训服务。用这种方式来开展工业培训，不仅可以避免出错，提高培训效率，还可以缩短培训周期。更为重要的是，在降低培训成本的同时，还能提高培训效果。

（五）MRLE在远程指导中的应用

传统的远程指导是基于网络的音、视频协作，这种方式对于处理复杂度稍高或成因不清晰的问题效果并不理想。MRLE打破了时空的限制，可以让远程协作者以操作者的第一视角观察情况，更容易发现问题。并且通过MRLE的自然交互用户界面，协作者可以进行操作演示与添加标注等操作，本地子系统会将协作者的操作与标注显示在操作者工作空间的投影上，有利于更高效地解决问题。例如：中国人民解放军总医院的张旭教授团队利用MRLE云端协作平台“星云”，将手术中真实场景与患者的三维病例解剖模型相融合后传给北京总部医学专家马鑫教授，马教授将远程标记的操作点与“达芬奇”手术机器人视角的病例影像结合，投递进机器人手术视野，辅助现场医生成功完成一例混合现实远程协作机器人手术[23]。由此可见，MRLE能为远程专业技术援助与远程医疗会诊提供良好的远程指导体验，应用前景十分广阔。当前，微软的HoloLens、Holoportation与DoubleMe的Holoportal等应用都致力于为用户提供基于MRLE的远程指导服务。

（六）MRLE在艺术设计中的应用

艺术设计的应用工具虽然从2D图纸发展到了3D设计工具，但是3D设计工具所呈现出来的作品仍然是平面的。MRLE应用于艺术设计中，构建了一个真正的3D视觉环境，具有诸多普通3D设计工具无法比拟的优势。例如：佳能推出的一款佳能MRLE系统，为艺术设计师提供了现实物品和电脑拼合而成的3D混合场景，允许设计师和混合场景中的物品进行实时互动。该系统不仅能够帮助设计师及时地评估作品的设计与可操作性，并且可以减少所需作品原型的数量，缩短研发时间，降低成本[24]。再如，微软在MRLE中进行汽车制造，设计师在短时间内就可以对车体某一部分尝试不同的形状、尺寸和质地，修改车辆的设计细节。并且设计师在量产车型的基础上看到真实比例的3D设计，可以帮助工程师和用户了解车辆的复杂信息。除此之外，还可以对传动方案进行直观化的介绍、体验和改进，也可以进行一些具有品牌特色的人机交互性体验和测试，取代以往因真实道路环境不能实现的技术体验[25]。由此可见，MRLE在艺术设计领域也有较为广阔的应用前景。

五、结   语

尽管MRLE的兴起引发了无数教育者对于未来教育发展的憧憬，但是目前MRLE应用于教育领域的普及程度还比较低。从理论层面来看，MRLE具有降低教学成本、提高教学成效等优势，理应得到推广。但是，MRLE存在投入成本高、可用的现成资源有限、所依托的混合现实技术还不大成熟等问题，严重影响了MRLE教育应用的推广普及。需要特别指出的是，能够提供沉浸感的头盔显示器是混合现实最基础性的设备，虽然新一代的头盔显示器已经可以较好地消除用户的眩晕感，为混合现实的推广奠定了基础，但是混合现实技术的发展仍然还处于初级阶段。这是因为当前头盔显示器还存在视野较窄、移动范围小等限制，并且头盔显示器中虚实融合内容的制作与交互，还潜藏着更多更大的挑战[26]。虽然当前不少成功案例证实了MRLE在教育领域确实有广阔的应用前景，但是MRLE的广泛应用还需假以时日，有待混合现实技术的全面突破。

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