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混合现实环境中具身交互如何促进科学概念理解2.docx

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    • 混合现实环境中具身交互如何促进科学概念理解 摘要:具身认知和混合现实是当代认知科学和信息技术创新发展的两大前沿,推动教育研究与实践的范式发生深刻变化具身认知强调身体参与认知过程的理论观点对促进科学概念的理解具有独特作用,而混合现实为学习者的具身参与和交互提供了技术支撑基于此建构具身型混合现实学习环境,是打破虚拟环境和实体环境之阻隔,让学习者充分使用自己的身体开展各种认知活动,真正促使学生从“离身”走向“具身”,并促进其对科学概念深度理解的重要途径当前实践领域已有不少研究通过设计能够激发具身交互的情境和活动,来帮助学习者对科学、地理、教学和生物等学科知识进行深度理解,并认为具有显著效果然而这些研究更多是在特定的技术创新及其约束性条件下驱动的,没有将研究焦点明确置于技术创新在教育境脉中的功效之上,也没有回答“如何有效”和“为何有效”的深层科学问题因而,未来混合现实环境中具身交互促进科学概念理解的研究应在两个方面着力:一是逐步发展一套能在混合现实环境中有效促进科学概念理解的具身交互策略,二是在实证研究中逐步揭示混合现实学习环境中具身交互促进科学概念理解的认知加工机制关键词:具身认知,混合现实,学习环境,概念理解,深度学习基金项目:国家科技支撑计划课题“科技馆建设及展示展教关键技术研究”(2015BAK33B02);华中师范大学中央高校基本科研业务费项目“面向特殊人群的无障碍展教技术研究”(CCNU18TS041)。

      一、基于具身认知观点对概念理解的探索具身认知是一种反对笛卡尔身心二元论的哲学思潮,它经由认知科学和心理学而逐渐进入教育学,陆续引发各种学习和教学理论不断涌现,驱动教学实践的内容、方式、过程及其效果评估发生变革具身认知强调认知根植于身体行动,经验建构于具身交互更确切地讲,人的身体在认知过程中发挥着非常关键的作用,认知是通过身体、心灵和环境的交互作用而形成的对具身认知的探讨始于对心智具身性的思考瓦雷拉(Francisco J. Varela)、汤普森(Evan Thompson)和罗施(Eleanor Rosch)所著的《具身心智》就是一个原典,它的许多主题——认知科学对计算主义忠诚的幻灭、对吉布森主义和联结主义认知进路的同情、对表征概念在认知解释上过度作用的怀疑、对知觉和认知必须与行动相联的自信——在具身认知中已经上升为教条的地位(Varela et al.,1991)随后,克拉克(Andy Clark)、西伦(Rsther Thelen)、史密斯(Linda B. Smith)、威尔逊(Margaret Wilson)、夏皮罗(Lawrence Shapiro)等人也纷纷加入到具身认知的研究阵营,使具身认知的轮廓变得更加清晰。

      与此同时,“心智活动包括脑、身体和世界以及它们之间的交互作用”这一核心思想也日益受到推崇,并引起博尔吉(Anna M. Borghi)、卡萨桑托(Daniel Casasanto)、约斯特曼(Nils B. Jostmann)、尼登塔尔(Paula M. Niedenthal)等很多实验心理学家的关注,这使得人们对具身心智的探讨从思辨走向实证和实验具身认知的研究也开始利用神经科学的方法和技术、数据和结论,把认知对身体及其感觉运动系统的依赖性带进人们的视野,其理论的科学化水平不断提高,具身认知科学开始登上认知研究的历史舞台随着具身认知科学的兴起,传统认知科学所坚持的概念与思维的非模态理论——人类通过感知觉获得的信息可以转化为抽象的非模态符号,思维的过程就是对非模态符号信息提取与加工的过程——开始受到越来越多的挑战从具身认知的观点出发对概念理解的研究,最具煽动性的辩护之一是建立在对思维中隐喻作用的分析之上语言学家莱考夫(George Lakoff)和约翰逊(Mark Johnson)是该领域的杰出人物他们在对大量隐喻现象进行分析后指出:隐喻不仅是一种语言修辞手段,更反映了人类认知的重要特征;人类的抽象概念系统是以感知觉经验和具体概念为基础发展形成的,抽象概念的加工与对其进行隐喻化描述的身体经验密切相关(Lakoff & Johnson,1980)。

      以此为基础,莱考夫和约翰逊(Lakoff & Johnson,1999)提出了颇具影响力的概念隐喻理论,进一步确立了身体经验在概念理解中的重要地位与此同时,Barsalou(1999)提出了知觉符号理论该理论主张概念表征不是一种独立的抽象符号或心理表象,而是神经表征;人是以体认的方式认识世界,概念与思维的实现必须通过人的身体经验,而不是依靠超验和抽象符号很多研究表明:在对概念进行加工和处理的过程中,感觉和运动系统会被激活(Mahon et al.,2008)神经科学的相关基础研究对上述观点进行了验证,并进一步揭示了其具体的工作机制Pulvermller(2005)的一项研究表明:当用穿颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation)的亚阈值对手臂活动进行刺激时,运动区域通常会被激活当强磁脉冲引起右手肌肉收缩时,被试对与手部相关单词的处理速度会比与腿部相关单词的处理速度更快由此可以证明:与行动相关的神经托换(neural underpinning)有助于对概念的理解最新的研究则进一步阐明了基于具身认知观点的交互促进概念习得的具体工作机制Dackermann等人(2017)发现:在空间与概念之间建立起映射、个人空间不同区域之间的动态交互、不同空间参照系的整合是影响具身交互中概念习得的三个主要潜在因素。

      他们以数量关系这个概念的习得为例,具体阐明了这一工作机制:通过全身的运动把数量和空间联系在一起,这涉及到个人空间不同区域之间的交互作用和不同空间参照系的整合,二者会激活一个映射过程,通过这个映射过程,学习者会建立空间-数量的心理表征,而这一心理表征的建立会增进其对数量这一概念的理解,并促使学习者超越空间-数量联结对数字进行加工和处理具身认知的理论观点对促进科学概念的理解具有独特作用与日常概念不同,科学概念是一个对某些自然现象进行解释的想法或模型比如,我们对物体落到地球上这个自然现象的理解就是通过重力这个科学概念得到解释的科学概念具有明确的内涵和外延,即它所包含的知识内容是具体且明确的,它能够解释的现象范围也是具体且明确的因此对科学概念的理解也涉及两个层面:一是掌握这个概念包含的知识内容,二是利用概念对特定的自然现象进行解释聂波特等人(Niebert et al.,2012)提出,对科学概念的理解是需要具身的,因为学生在从日常知识向科学概念不断深入学习的过程中,隐喻和模拟发挥着关键作用,这一点在过去20年的科学教育研究中已经成为学界的共识,而隐喻和模拟正是具身认知科学对概念理解所持的基本观点。

      在科学概念的教学中,一个好的教学隐喻和教学模拟,是需要有具身来源的这种具身来源主要表现为日常经验,而这些日常经验通常被概念化在一些诸如容器、路径、平衡、上下之类的图式之中也正是在这一意义上,具身交互对科学概念的理解才具有独特的促进作用二、人机交互领域对具身交互设计的研究交互设计的概念产生于20世纪80年代它由美国人比尔莫格里奇(Bill Moggridge)在1984年的一次设计会议上提出20世纪90年代后期,人机交互的研究重点逐步扩展到智能化交互、多模态-多媒体交互、虚拟交互及人际协同交互等方面,也就是“以人为中心”的人机交互上,并取得了显著进展理论方面,交互设计从人机工程学中独立出来,更加强调认知心理学、行为学和社会学等学科的理论指导实践方面,交互设计从人机界面拓延开来,强调计算机对于人的反馈交互作用在国外,交互设计已成为一个与视觉设计、产品设计等设计领域密切相关的学科领域,并取得了丰硕的研究成果,如库珀等(Cooper et al.,2007)的《About Face 3:交互设计精髓》、蒂德韦尔(Tidwell,2010)的《设计接口:有效交互设计的模式》等,都是交互设计领域的代表作,在交互产品逻辑设计、界面设计及用户体验设计等方面发挥着重要的引领作用。

      值得注意的是,20世纪90年代后期,人机交互领域开始引入胡塞尔的现象学,日益重视交互的具身性具身”具有三方面的含义,分别是生理性或解剖学意义上的,作为习得性机能的,以及社会浸浴下的(Dreyfus,1996)而所谓交互的具身性是指交互是一种与上述三方面密切关联的现象,它发生于这个世界中,包括应对物理世界,处理社会关系,提供交互的形式、物质和意义Dourish(2001)出版的《行动在哪里:具身交互的基础》一书把“具身”确立为人机交互的一个基础概念,奠定了人机交互领域内具身交互研究的基石人机交互的模式在经历了电子化交互、符号化交互、文本化交互、图形化交互后,为有形化计算和社会化计算所取代,有形化计算和社会化计算的融合发展进一步推动了人机交互向具身型交互迈进(Myers,1988)在理论上,人机交互领域对具身交互的研究源于胡塞尔(Husserl,1965)生活世界观的启示他认为生活世界具有一种不言而明的特质哈贝马斯(Habermas,1991)将这种自明性演绎为情境性,而伊德(Ihde,1990)则将其落实到人与技术之具身、诠释、它异和背景关系的建立和转换生活世界的哲学阐释为交互设计研究提供了多种启发,作为场所或背景的生活世界使交互设计回归日常生活。

      数字技术的目标在于支持或增强,而不是扰乱人们的日常工作、学习和生活,因此它们应该寓居于环境之中,成为支持人们日常活动的一个有机组成部分而“具身”正是人们面对日常世界的方式,是日常世界存在的属性:它不仅指物理现实,还指社会参与状态(Dourish,2001)具身交互拒斥人类认知建基于抽象的信息加工这样一种观点,其研究焦点集中于实际参与和身体构造在人机交互中是如何塑造人的知觉、经验和认知的在具身认知科学不断进步的加持下,特别是在现象学的引领下,人机交互领域有关具身交互的研究持续进步近年来,人机交互领域有关具身交互的研究进展主要包括以下方面(Marshall et al.,2013):全身交互为具身交互设计提供的新机遇被不断开拓;应用于人机交互中的现象学理论不断得到发展;用于支撑具身交互的技术手段不断进步;身体操作促进意义生成的更多细节得到解释;辅助盲人的触觉增强系统被创造出来;以认知的具身、嵌入和延展为特征的认知科学理论得到发展等三、具身型混合现实学习环境的构建与应用混合现实学习环境是一个利用混合现实技术构造起来的计算机支持的学习环境在该环境中,来自真实世界和虚拟世界的各种对象被整合到一个单一的学习进程中。

      如果这个环境还具有支持具身交互的功能,那么它就可以被称为“具身型混合现实学习环境”(Embodied Mixed Reality Learning Environment,简称EMRLE)具身型混合现实学习环境是一个媒体融合型的交互式学习环境它介于一个从真实现实环境到虚拟现实环境的连续统上,是增强现实环境与增强虚拟环境的融合体,且具有支持具身交互的功能在该环境中,用于轨迹追踪的魔杖、用来做笔记的电子白板之类的物理实体对象和使用技术设备投影出来的数字内容之类的数字虚拟对象均被整合为一个整体(Milgram et al.,1994)具身型混合现实学习环境大都具有以下四个显著特征:一是多模态,至少有一个以上的实体空间环境与数字虚拟环境在同时运行;二是增强现实,来自虚拟环境中用户的视音频信息被投射到真实世界中的参与者身上;三是增强虚拟,来自真实世界中用户的视音频信息被投射到虚拟世界中的参与者身上;四是富媒体交流,真实世界和虚拟世界中的参与者可借助各种技术设备与不同环境中的参与者进行实时/非实时、面对面/非面对面的交流这些特征让具身型混合现实学习环境能够打破虚拟环境和实体环境之间的阻隔,实现二者之间的融合,从而让学习者能够在其中使。

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