老子书院 - 枫叶智库
枫叶教育网 - 打造具有特色品牌的地方教育门户
什么是全息课堂?它有哪些特点?如何构建?
作者:朱珂、张莹、李瑞丽 来源:河南教育信息化 点击:565次 评论:0



   全息课堂概述  


英国科学家Dennis Gabor发明了全息投影技术,并在其1948年所发表的文章中,正式提出了全息技术的概念。简言之,全息投影技术利用干涉和衍射原理,记录并再现物体真实的三维图像。

综合全息投影技术的概念及其当前在课堂中的应用来看,全息技术可赋能课堂场景存储和全息投影功能,并在数字孪生的支持下,实现课堂中设备全息、环境全息和教学活动全息等多种功能。

全息课堂不仅仅局限于一间教室或者一方教育场所,而是一种全数据、超智能化的“学习空间”,在人工智能(AI)和机器学习(ML)支持下,实现自动化管理。全息课堂重新定义了数据、环境、人员等对象的显现方式,在给学习者带来全新沉浸式体验的同时,赋能学习空间的存储与管理等功能,实现泛在全息可视及远程实时“在场”感与多元交互。


     全息课堂特征和应用形态    


1.全息课堂的主要特征

(1)全虚拟。

全息技术增加了视觉的真实感,以极其逼真的效果呈现出虚拟事物,如同是裸眼3D效果,让人身临其境。学习者只需要借助简单的终端设备,就可以实现学习、交流和实验。

如今,全息投影技术不需要任何穿戴设备就可以实现与虚拟世界的交互。如,美国伊利诺伊州“大屠杀博物馆”创造的全息影院体验,通过全息系统保存大屠杀幸存者的故事,利用AI等技术通过全息投影重现逝者,并为游客叙述“二战”期间的故事。在精心设计的环境布置、声音处理、舞台效果等烘托下,给人以双重增强的现实感和逼真的视觉效果。

(2)全交互。

通过全息捕获与投影系统,实现实物的全息变焦捕捉与色彩重现,带来更强烈的现场感。特别是在远程直播教学中,师生、生生直接可以在5G通信网络技术支持下,实现“面对面”地答疑、探讨等互动;教师可以根据终端随意的对同学进行提问,不仅可以通过语言、音调,还可以通过神态和微表情等进行交流,真正实现极具现场感的远程“在场”互动。

全息课堂提供给学习者全虚拟的学习场景,只需要具体化的手势就可以实现人机即时交互;学习者可以像使用智能手机一样对场景进行各项操作。比如,多地可同时进行远程虚拟仿真实验,异地学生通过全息技术进行协同学习、同伴互助操作等。

(3)全动态。

第一,内容动态更新。在人工智能、大数据等技术支持下, 学习内容可实现动态的迭代优化,在满足教学和学习活动需要的同时,紧跟时代的步伐。

第二,即时动态传输。传感系统布满整个全息课堂,活动开展和环境设备等信息被随时记录,即时传输到边缘端以数据的方式存储,并在算力赋能下,对课堂进行反馈,对云端进行更新优化;任何变化都被实时上传到云端,云端根据收到的信息对课堂备份、反馈和优化,以验证全息课堂的统一性。

第三,空间开放流动。全息课堂是一个学习活动随时进行的开放性空间,在虚拟的“真实”世界中可对任何的学习内容进行操作;全息课堂还可根据需要即时变换场景,不断进行动态变换,以满足各学段、各类人群的需求。

2.应用形态表征

根据上述分析,基于多种技术支持的全息课堂,将带来全新的学习体验和教学功能,其主要表现在以下四个方面:预设实验,变革教学;高保真仿真,深化具身认知;自主孪生,强化教学;机器学习,拓宽评价(具体如表1 所示)。



      全息课堂的技术构成框架      


随着技术发展和教与学需求的攀升,基于泛在智能、高互动性的全息可视化学习空间,将成为未来学习空间变革的主流趋势。而全息课堂所涵盖的技术构成,也是众多技术的综合体,需要AI、智能计算、XR、5G 通信网络等的支持,如图1。


1.全息课堂的构建路径

全息可视化的学习空间可提供多情境、多学科混合的学习场景,组建全新的教学形态,并可根据学习或教学活动的需要,在最短时间内呈现相应的场景。所构建的虚拟场景从多维感官,给予学生充分的刺激,以弥补教育长期无法满足具身化体验的需求。

全息课堂中的学习活动,也成为一种动态化的学习信息流。基于此,我们可通过以下逐次递进的路径,来构建全息课堂系统。

(1)路径一:创建平行体系,深化学习设计。

数字孪生的一个特点就是创建出现实世界的全映射,构建与现实世界体系相伴的平行体系。现实体系与孪生体系就像DNA 的双链一样相生相伴,并呈现螺旋上升的结构,在算法与数据分析的助推下,使空间得到不断优化。

在这个过程中,教师的职能就是为学习营造高效、轻松、愉快的环境,重点关注复杂的学习环境、学习过程和复杂学习环境中的学生数据分析;教师更多的是作为学习活动发生的设计者,在技术、工具和内容的支持下深化教与学设计,在孪生平行体系共同作用下,促进学习者学会深度学习和切实解决问题。

(2)路径二:虚拟与现实的深度融合,创造无限交互。

教学资源、通信技术和移动终端的结合,在一定程度上使多场景的泛在学习成为可能。但由于网络虚拟世界和现实世界目前还存在一定界限,不管是从心理距离还是实际距离,都阻碍着学习者实现深度沉浸以进行知识建构。即,不完全融合的虚实世界,让学习者频繁的进入、切换学习场景或叙事情境,可能带来冗余的认知负荷。

而利用现有新技术可完成虚拟与现实的深度融合,尤其是在AIoT 支持下的数字孪生,充分利用传感系统实现动态实时传输、验证,弥合虚实交互的界限,使虚拟产生于现实并融于现实,创造无限交互,提供高沉浸感的学习场景,真正实现教育的连续性和学习的具身性。

(3)路径三:扩展多维刺激,增强环境的包容性。

近期,Cell 杂志发表了一篇“对视觉表层的动态刺激,可在有视力障碍人群中产生形式视觉”的研究文章,即通过视觉皮质假体(VCP)绕过眼睛,可直接在脑海中呈现指定图像,形成对外部环境的感知。尽管目前这项研究仅通过刺激一小部分神经元实现简单的字母传递,但它拓宽了虚拟场景的用户范围,给虚拟环境增加了多维感官刺激的可能。

未来的教育是趋向学生合作和自主学习的教育,全息可视化的学习空间所提供的多功能场景,为自助式的学习创设了良好条件,可以帮助有沟通障碍或者有自闭症的人组织语言、缓解拒绝与人沟通的情绪,在良性干预的情况下,更好地实现学习和治疗,进而训练其社交技能。可见,通过即时实现多感官刺激,为全息态学习空间的使用提供了更多的可能性,进而增强其包容性。

2.技术赋能的功能实现

按照技术的功能、特点和实现方式,主要有四个部分:虚拟场景的呈现、远程直播或录播教学、对系统数据的查看和存储。从全息课堂的功能来看,则表现为:场景全息、活动全息、系统全息和数据全息四个方面,进而实现教与学活动多场景变幻的需求,达成个性化适切服务目标,如表2所示。


3.全息课堂的系统架构

全息课堂采用云服务中心和边缘部署,利用大宽带、高速低延的5G 技术优势,提供无线、易管、共享的可移动的虚拟教育服务。主要采用虚拟的“云—边—端”三位一体模式,即云服务中心、边缘计算和终端访问服务,如图2 所示。


具体来说,它通过将课程内容上传到边缘进行虚拟设计、渲染、编码、计算、优化,重新编码并统一上传到云服务中心,保存在资源层和应用层。用户通过终端等设备对其进行访问,调取应用层的场景进行学习。AI 算法通过智能识别和学习历史数据所表达的经验,通过边缘分析、预测和验证学习者体验,在实现深度沉浸学习的同时,对全息课堂进行有序的管理、分析和决策。

(作者:朱珂、张莹、李瑞丽,河南师范大学;来源:《远程教育杂志》。本文系节选,原文标题为《全息课堂:基于数字孪生的可视化三维学习空间新探》。)

更新:2020/8/5 6:02:20 编辑:fengyefy
评论共 0网友评论
暂无评论
用户名  密码 请输入用户名和密码
网友评论仅供其表达个人看法,并不表明本站同意其观点或证实其描述
声明:本站是免费向教师学生校长家长提供教育教学资源的公益性教育网站,除“枫叶原创”系站长创作外,所有信息均转贴互连网上公开发表的文章、课件、视频和艺术作品,并通过特色版块栏目的整理,使教师学生校长家长方便浏览自己所需的信息资源,达到了一网打尽的惜时增效之目的。所有转载作品,我们都将详细标注作者、来源,文章版权仍归原作者所有。如果您认为我们侵犯了您的权利,请直接在文章后边发表评论说明,我们的管理员将在第一时间内将您的文章删除。
头条推荐

【百年名校】走进北京二小 点缀教育生涯

北京二小,始建于1909年9月19日,时名为京师女子师范学堂附属两等小学堂。如今,61岁的我,虽然已退休,但能够有幸地走进北京二小,快乐点缀教育生涯,则是人生...详情
本类推荐/最新更新
更多...视频聚焦
更多...枫叶原创