Virtual reality and mixed reality for virtual learning environments
Zhigeng Pan , Adrian David Cheok , Hongwei Yang , Jiejie Zhu, Jiaoying Shia
Abstract
This paper explores educational uses of virtual learning environment (VLE) concerned with issues of learning,training and entertainment. We analyze the state-of-art research of VLE based on virtual reality and augmented reality.Some examples for the purpose of education and simulation are described. These applications show that VLE can be means of enhancing, motivating and stimulating learnersrsquo; understanding of certain events, especially those for which the traditional notion of instructional learning have proven inappropriate or difficult. Furthermore, the users can learn in a quick and happy mode by playing in the virtual environments.
r 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Keywords: Virtual reality; Mixed reality; Cooperative/collaborative; Virtual learning environment (VLE); Edutainment
- Introduction
Virtual reality (VR) is the use of computer graphics systems in combination with various display and interface devices to provide the effect of immersion in the interactive 3D computer-generated environment. We call such an environment a virtual environment (VE).Research and development into VR and VE applications can be found in many places all over the world.
Mixed reality (MR) refers to the incorporation of virtual computer graphics objects into a real three dimensional scene, or alternatively the inclusion of real world elements into a virtual environment. The former case is generally referred to as augmented reality, and the latter as augmented virtuality. Azuma has defined three characteristics that are integral to an augmented
reality interface. Firstly, it combines the real and the virtual. Secondly, it is interactive in real time. Third, it is registered in three dimensions.
VR and MR have been proposed as a technological breakthrough that holds the power to facilitate learning. The research and application of VR/MR technology in education have enriched the form of teaching and learning in current educational strategy. Virtual learning environment (VLE), not only provides rich teaching patterns and teaching contents, but also helps to improve learnersrsquo; ability of analyzing problems and exploring new concepts. Integrated with immersive, interactive and imaginational advantages, it builds a sharable virtual learning space that can be accessed by all kinds of learners inhabited in the virtual community.
Based on VR/MR techniques, learning action may be processed as following scenery: History students can learn about ancient Greece by walking its streets, visiting its buildings, and interacting with its people. Biology students can learn about anatomy and physiology through adventures inside the human body. The range of worlds that people can explore and experience is unlimited, ranging from factual to fantasy, set in the past, present, or future . That is the VLEsrsquo; first important task. In the virtual community, learners can model, act and express anything they want as long as the system provides the tool. As an advanced facility toolkit for learning, training and simulation, the principal components of a VLE requires:
▪Knowledge Space provides integrated learning resource, including the tool that helps to access to learning resources, assessment and guidance.
▪Communication Community supports general communications, including email, group discussion, web access and social communication.
▪Active Action functions as the tool for learners that express their active actions. In VLE, learners are not simple knowledge accepters. They are information providers, question askers, question answers and concept analyzers.
▪Facility Toolkit helps to map of the curriculum into elements (or lsquo;chunksrsquo;) that can be assessed and recorded, helps to track student activity and achievement against these elements.
In addition, precision of knowledge visualization for learning materials and realistic social interaction among learners are two critical technical factors for building VLEs.
At present, E-Learning shows its power on global learning market. Though lack of immersion factor, it still hits the peak of learning market. Estimated by IDC , the E-learning market in 2001 was US$ 5.2 billion and will grow to $23.7 billion in 2006, an increase of 35.6% worldwide. With the application of VR/MR to E-Learning, the market will bloom in the near future.
This paper overviews recent works and applications in several fields related to VLE. Some examples of applying VLE in different fields are presented. Finally, a conclusion is drawn.
- Virtual learning environments
In this section, we discuss prominent capabilities by analyzing the educational using of VLE. Since VLE is a developing technique in most of the education/training areas, researchers from each of the main communities involved have different starting positions and still, rather different perspectives. Thus, these technologies are far from homogeneous or universally agreed.
2.1. General architecture
VLE provides an environment based on network, and the resources in the network are free to share. Therefore,the study process can enhance the collaboration among learners. The VLE can help learners do cooperative study, and make necessary interactions between each other. For example, ExploreNet is a general-purpose object oriented, distributed two-dimensional graphic-based computational environment with features to support role-playing games for educational purposes,and cooperative learning of many kinds. Among the research works, Prada in his Belife system implements an explicit collaborative mode of utilization. The collaborative mode will c
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译文
虚拟现实和混合现实的虚拟学习环境
文摘
本文探讨了用于有关学习,培训和娱乐的虚拟学习环境（VLE）的教育使用方法。我们是基于虚拟现实和增强现实来进行虚拟学习环境的技术发展水平研究分析。有一些例子描述以教育和仿真为目的。这些应用程序显示VLE可以成为提高,激励和刺激学习者对某些事件的理解的有效方法,特别是对于已被证明不恰当或有困难传统的教学观念。而且，使用者可以通过在虚拟环境中玩乐，迅速且欢快地学习。
关键词: 虚拟现实 ; 混合现实 ; 合作/协作 ; 虚拟学习环境(VLE) ; 娱乐
1.简介
虚拟现实(VR)是利用计算机图形学系统结合各种显示和接口设备提供沉浸在交互式3 d计算机生成的环境。我们称这样的环境为虚拟环境(VE)。有关VR和VE应用程序研究和开发可以在世界各地很多领域找到。
混合现实(MR)是指将虚拟计算机图形对象的整合成一个真正的三维场景,或者另外将现实世界中所包含的元素整合成一个虚拟的环境。前者通常被称为增强现实,而后者作为增强虚拟世界。Azuma[1]定义了三个特征是不可或缺的对于一个增强现实的接口。第一,它结合了现实和虚拟。第二,它是实时互动。第三,它是三个维纬度的记录
VR和VR已经被提议作为一项技术突破,具有促进学习的能力。VR/VE技术的研究和应用技术在教育领域丰富了当前教育策略上教学和学习的形式。虚拟学习环境(VLE),不仅提供了丰富的教学模式和教学内容,而且还有助于提高学习者的分析问题和探索新的概念的能力。结合身临其境、互动和幻想的优势，它构建一个可共享的虚拟学习空间,可以接受各种各样的学习者在虚拟社区居住。
基于虚拟现实和混合现实技术，学习行动可以发生以如下情景:历史学学生可以了解古希腊历史，他们通过行走在步行街道,参观建筑,和与里面的人交流。生物学学生可以通过在人体内冒险来学习人体解剖学和生理学。这个世界上的人类可以探索和经验的范围是无限的,从实际的幻想,过去的事,现在,或者是未来的。这是虚拟学习环境的首要的重要的任务。在虚拟社区里，学习者可以通过模型、行动和表达任何他们想要的东西,只要系统提供了工具。作为学习的先进设备工具、培训和模拟,虚拟学习环境需要的主要组成部分如下:
- 知识空间提供了集成的学习资源,包括工具,有助于获得学习资源、评估和指导。
- 沟通社区需要支持通用的通信,包括电子邮件、小组讨论、网络接入和社会交流
- 积极的行动功能，作为学习者的工具,以表达他们的积极行动。在虚拟学习环境下,学习
者并不是简单的知识的接受者。他们也是信息提供者,问题的提问者,问题的答案和和概
念的分析者。
- 设施工具，有助于课程图的元素(或“块”),可以评估和记录,有助于对这些元素跟踪学
生活动和成就。
此外,对于构建虚拟学习环境，精密的知识可视化让学习者学习材料和对现实的社会互动是其中两个关键重要的技术因素。
本文概述近期的作品和有关虚拟学习环境在各个领域的应用。展示的是虚拟学习环境技术在不同领域的应用。最后,会得出结论。
2.虚拟学习环境
在本节中,我们将通过分析VLE教育应用来讨论它的突出能力。因为VLE在大多数的教育/培训领域是一个发展中技术,相关的每个主要领域的研究人员有不同的起始位置,因而有不同的观点。因此,这些技术还远未普遍大众所认可。
2.1.总体构架
VLE是基于网络提供的一个环境,在网络上的资源是免费共享的。因此,这样的学习研究过程可以提高学习者之间的协作。VEL可以帮助学习者进行合作学习,在彼此之间产生必要的互动。例如,ExploreNet是一种通用的面向对象的,分布式计算二维平面设计领域环境特性来支持以教育目的角色扮演游戏和各种合作学习。研究工作中,普拉达(Prada)在他Belife系统实现一个明确的协作模式的利用率。合作模式将要求学习者共享虚拟温室。每组将能够改变一些环境条件参数来最大化他们的作物。刘关注基于web的协作的虚拟学习环境。他提供了一个基于建构主义的认知学习体系结构。这个原型学习系统基于评估是有效的。
2.2.人机交互
互动可以促进学习者主动地学习。在学习体验,交互可以提供学习者各种控件,比如与虚拟环境交互，操作字符或虚拟环境中的对象。VLE技术可以解决广泛的交互功能。例如,梅斯用人工代理构造了一个基于视频的互动被称为活着的系统。该系统被定义为适合教用户物理技能,为了更方便地使用和即时反馈。皮卡德和她的情感计算组描述情感的可穿戴计算机与用户在很长一段时间,像衣服一样,因此潜在地够建立用户表达方式和偏好的长期模型。情感可穿戴提供了新的方法，来增强人的能力,如协助语言能力受损者，帮助记住重要的信息。这点是被承认的。
2.3.合成角色
带有鲜明互动性能和智能行为特征合成角色可以在虚拟学习环境中为学习提供一个潜在的工具。大量的有价值的合成角色行为控制系统和体系结构提出了。例如,布隆伯格和他的合成字符组重点开发了一个实时学习使用合成字符的实用方法。他们的实现是基于强化学习的技术和从动物训练的观察中获得的依据。他们致力于建立那些具有日常生活常识,学习能力,和同理心的感觉,某种发现于动物之中，例如狗[13](见图1)。
同样,南加州大学/情报局开发了一个教育代理叫做史蒂夫,用于支持学习过程。代理人史蒂夫可以展示技能给到学生,还能回答学生的问题,监管学生执行任务,并且如果学生遇到了困难他会给出意见和建议。多个史蒂夫代理可以居住在一个虚拟的环境,以及同时伴随多个学生。因此,它有助于去使得培养学生开展团队任务变得很容易。
同时,开发出的具有性感和人格特征的合成角色拥有一个强大能力去吸引并且保留住学生的注意力。例如,Gratch设计了一种身临其境的培训系统,模型模拟了一名美军士兵在波斯尼亚执行维和任务。每一个史蒂夫代理可以配置不同的外表和声音。图2显示了情感系统体现了一个正在扮演孩子母亲的虚拟角色正在使用强烈的情感传达给学员，学员反过来管理情绪，情感和理性的结合,以致最终得出一个行动的决定。
2.4.讲故事
讲故事对于孩而言是具有有效和重要教育意义的。随着增强现实(AR)技术的发展,讲故事变得越来越互动和在屏幕中直观的人机交互。虽然基于“增大化现实”技术的技术并不是最新的,暗藏的潜在教育领域使用基于“增大化现实”技术才刚刚开始。
虚拟学习环境也可以通过讲故事培养小学学生的创造性和想象力的能力。例如,Cavazza构建了一个虚拟互动的故事。这应该使可能的实时生成故事并且同时用户可以干预故事情节。用户参与可以采取多种形式:一个用户可以参与的故事,扮演一个演员的角色,或者从旁观者的角度来以某种行为来进行干预(见图3)。
2.5.虚拟学习环境的生理和心理因素
唐进行了一个实验，通过研究调查那些已经参加了一个全球远程学习课程的68名学生，然后总结出在虚拟学习环境中可能影响学习效果的因素。他们的研究结果显示了学生的性格特点,效果、对虚拟学习环境的态度，他们的研究结果也显示出对于虚拟学习环境的态度对于学习效果而言是非常重要的一个因素，当在一般的有效性上技术疗效预测更的更多的时候发现自我效能感在主体有效性有更多的影响，媒体丰富性和虚拟团队的支持与虚拟学习的有效性。虚拟团队的支持对于技术贡献学习的效率是非常关键的。
2.6.学习与娱乐的融合
Funbrain网站是专门根据不同级别的学生和课程提供在线互动游戏。这个网站分为六个部分:所有孩子的游戏,数学的大脑,拱廊,父母、教师、和测试实验室,在所有孩子的游戏部分,它为一个到12年级提供了教育性游戏。数学的大脑部分提供了许多数学类型游戏。除了这些游戏,家长和老师的部分为父母提供一系列的服务。同样地,GameGOO设计游戏是为了教学语言根据美国二年级的学生。另一个我们众所周知的网站是Gamequarium。这个网站教育类游戏的搜索引擎。Learning planet是一个商业网站，它也为学生提供许多教学的游戏。
在中国,中国科学院软件研究所的研究人员设计了一个儿童游乐园系统。这个软件利用文本、图像、照片、音频、视频和最新的互联网软件创建一个在线学习环境同时又充满了互动解决问题的练习来加强课程材料。这个软件将娱乐整合到教育中，提供了一个自然而有趣的虚拟学习环境。把课程材料融入情节与人物，使得这些材料有趣的和生动。孩子们可以在玩游戏的同时进行学习。这一系统也是利用笔交进行互,使得操作更容易和直接。
当这些学生融入了其中的一个课程故事，他们会被强制却解决角色身上所附带的学科问题。这就产生了多课程材料的理解，这个理解比独自那里死记硬背要更深更透彻。为了充分理解一个概念或者一个解决方法，学生必须去看清问题的本质或者结构，然后他们就不得不自己去做到。
3.为学习设计的虚拟现实和混合现实应用实例
由于虚拟学习环境在学习，训练和娱乐等方面都扮演了非常重要的角色。在这部分，我们呈现一些典型的例子，是由分别来自于中国和新加坡的两组代表开发的。
3.1.用于孩子的E-Teatrix
E-Teatrix为学生提供了各式各样的生动、新奇的3 D图形化来表示孩子们非常熟悉的人物。孩子可以通过角色表达自己的想法和感觉,这激发他们的创造力和想象力。E-Teatrix还提供了一个协作学习环境保持在同一个虚拟空间。他们可以互相合作制定的故事。这种协作环境培养孩子适应能力和社交能力。在E-Teatrix中,有六种基本情绪。学生可以输入这种情绪的原因。这些信息可以帮助其他学生做出清楚为什么他是这样的性格，并且感受到他做事的方式。E-Teatrix也给这些角色不同的特征。例如,他们可以是坏的,有益的,英雄和魔法。图5显示了一些E-Teatrix中的角色和不同个性的类型。
E-Teatrix是被用于小学,而学生的反馈表明,学生是满意它的内容和教学方法的。老师也说E-Teatrix加强所有参与学生之间的合作能力。
猫王项目的另一个任务是在小学应用合成人物行为训练。我们研究一般性的虚拟学习环境的潜力，和合成人物特别是用于提高中国的学校课程和转移合成特征技术成为开放源形式,这样它就可以很容易地在中文学校展开工作。作为一个有意义的补充代理系统,开放源码库AgentLib,被开发成用于支持创建3 d合成角色。图6显示了一个示例与Agentlib发达,这是来自一个传统的故事叫做“YY拿起蘑菇”。在这个场景中,YY(一个漂亮的年轻女孩)在地上,拿着蘑菇，如果她发现他们，然后,她变得非常高兴。
3.2.运动仿真
3.2.1.集体体操的虚拟演练系统
随着奥运会将于2008年在中国举行，科技奥运为智能虚拟环境提供了一个广泛的实验机会。浙江大学和国家体操局发展形成(或模式)和虚拟演练系统健美操组[24]。团体健美操是一种大众体育锻炼行为，它是基于体操运动与高竞技体育和艺术的结合。传统的培训意味着大群体的人，以至于会导致浪费大量的人力和低效率。为了处理这些问题,这个系统采用的指导人群运动的技术来模拟团体健美操的转变过程。系统提高了规划团队模式的设计质量和效率以及规划团队模式的转变。图7显示了两种模式的转换。
3.2.2.虚拟保龄球游戏机器
潘先生在浙江大学设计一个虚拟机称为EasyBowling保龄球游戏机。EasyBowling是一个教学模式基于虚拟现实等技术,动画和图像处理用于训练目的。球员扔一个真正的保龄球,然后EasyBowling系统采用PC摄像头检测真正的球的运动。后运动参数(球方向,球力等)计算,保龄球的运动及其与针碰撞在实时模拟，结果显示在一个大的显示屏上。这样保龄球游戏机器的最明显的好处是,该系统集成了身体锻炼把他变成游戏,而且是适合教用户物理技能。图8显示了虚拟保龄球机和虚拟保龄球玩的模拟结果。
3.3.魔法故事集—一个用于讲故事的增强现实接口
在本节中,我们提出一个三维混合媒体故事立方体，这个是使用可折叠立方体作为实实在在的和互动的故事接口。在这里,我们嵌入基于“增大化现实”技术的概念和实际互动的概念。它包含了多种形式包括演讲、3 D音频、3 D图形并且是可以被触摸的。
图9显示了魔方故事立方体的物理设置。用户戴着头安装显示(HMD)，上面有着相机安装在前，会提供3 D场景的第一人称视角,两只手进行交户直接操纵故事的过程。
在一个特定的阶段,魔法故事立方体的物理布局立方体只允许用户不断展开立方体多维数据集在一个独特的秩序。通过展开多维数据集,六个阶段的故事将会顺序地由多维数据集物理配置限制一个一个的依次打开。这个物理约束使连续讲故事成为可能。正如图9所示。多维数据集在一个特定阶段的演变是独一无二的。这就漂亮的符合了故事的连续性要求。魔法故事立方体多维数据集应用了一个简单的模型状态转换形成互动讲故事。
图10显示了演示的漫画。适当的音频段和3 D动画是在一个预定义的序列当用户展开多维
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