非视觉虚拟现实：对视障儿童实体数学体验教学设计的思考外文翻译资料

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非视觉虚拟现实：对视障儿童实体数学体验教学设计的思考

Nikoleta Yiannoutsou¹, Rose Johnson² and Sara Price^2*

¹欧洲委员会联合研究中心，西班牙塞维利亚// ²英国伦敦大学学院

摘要：数字技术的发展为感官身体和动作的互动提供了接触数学思想的新途径。具身认知理论认为感觉运动交互作用在认知基础中起着重要作用。对于视障（VI）儿童来说，这是特别有希望的，因为它提供了在身体经验中建立数学思想的机会。鉴于视觉在沉浸式虚拟世界中的核心作用，沉浸式虚拟现实（iVR）技术在视障儿童中的应用并不明显。本文提出了一个迭代的、基于设计的案例研究，以帮助视障儿童了解iVR中具体学习体验的教学设计。它借鉴了具体化教学法，探索了实现基于教室的非视觉虚拟现实体验的过程，旨在让视障儿童在虚拟空间中移动时，提供笛卡尔坐标的具体位置体验。互动录像与教师和儿童的反馈相结合，通过识别三种类型的教学实践，有助于了解iVR学习在正式环境中的应用：表演空间的创建、表演动作和连接不同视角的动作。

关键词：虚拟现实；视障儿童；具身学习；笛卡尔坐标

1.介绍

鉴于有证据表明数学知识是具体化的，具体化学习在塑造如何教授数学方面越来越重要（Alibaliamp;Nathan，2012）。具身学习对于视障（VI）学生的教学具有特别的潜力，因为它涉及多种感官，包括本体感觉、身体动作、触觉和听觉，而不是仅仅关注视觉资源。沉浸式虚拟现实（iVR）有可能通过全身感觉运动互动培养具体的数学教学形式（e.g.,Price et al.，2017），但鉴于视觉在沉浸式虚拟世界中的核心作用，VI儿童的益处并不明显。大量工作探索了触觉和多模态反馈在虚拟现实中的技术应用，特别是将空间信息转换为听觉线索以支持导航（Cobbamp;Sharkey，2007）。然而，iVR在VI儿童中的教育应用仍处于研究阶段。

与“有视力”的儿童相比，VI儿童在科学和数学方面通常落后一到三年（Quek et al., 2006）。笛卡尔坐标的学习对于发展空间理解很重要，这是VI在日常生活中的一项挑战性能力，被认为是数学和科学的基本概念（Knuth，2000）。虚拟现实应用通过其支持与学习环境的具体互动的潜力，使其适合笛卡尔坐标等空间概念（Johnson Glenberg，2018）。然而，很少有研究检验iVR在支持VI儿童在学校环境中的具身学习方面的应用。具身学习不仅对数字环境的设计具有重要意义，而且对围绕课堂实施的教学设计也具有重要意义。如果数学学习是由我们具体的物理和感官经验形成的，那么我们设计的特定物理和感官经验以及它们在教学上的促进方式对于形成数学理解是非常重要的。鉴于不同的物理空间和设置要求以及教学编排，iVR在打破现有课堂实践方面具有重要意义。在学校环境中对VI儿童使用iVR带来了额外的挑战。虽然在教育中提及iVR的研究将其设计和实施置于学习理论中，如具身学习（Johnson Glenberg，2018）和整合学习内容（Dalgarnoamp;Lee，2010；Hansonamp;Shelton，2008），但很少关注课堂环境中的实施，也没有明确提及教育学（Southgate,2020）。鉴于技术本身并不能教学，这一点尤为重要：“决定学生学习效果的是教育实践，而技术不是一个过程，而是一种中介教育实践的工具”（Rappaport cited in Niederhauser, 2013, p. 249）。

基于这一观点，我们的研究问题是：什么样的教育实践能够支持VI儿童通过在课堂上使用iVR进行数学概念的具体探索？因此，我们的研究侧重于通过检查iVR环境中的学生-促进者互动，为使用iVR支持具体化学习的教学实践提供信息。我们报告了教学设计的迭代开发，以支持VI儿童使用专门设计的iVR环境（笛卡尔花园）学习笛卡尔坐标。笛卡尔花园为VI儿童提供了一个可进入的空间，它将注意力集中在与声音相关的空间中的本体感觉和身体运动上，而不是主要依靠视觉。通过对互动和访谈数据的定性分析，我们探索了VI儿童如何利用iVR环境的多感官启示来产生意义，以确定教学方法，使儿童能够在没有视觉反馈的情况下有效地参与数学思考。我们根据具身教学法的概念（Nguyenamp;Larson，2015）讨论这些发现，以概述在学校课堂上为VI儿童实施和支持虚拟现实具体化学习体验的关键教学策略。

2.背景

2.1. 具身学习与数学

Lakoff和Nunez（2000）断言，数学知识是通过位于物理环境中的身体来理解的。对儿童和教师的研究（e.g., Alibali amp; Nathan, 2012; Lakoff amp; Nuacute;ntilde;ez, 2000）表明了数学体现基础的证据，以及行动在支持重要的感觉运动表征方面的关键作用，这些表征可在以后的推理中使用（e.g., Abrahamson amp; Saacute;nchez-Garciacute;a, 2016; Nemirovsky et al., 2012）。具身学习对于技术设计和相关学习经验的编排具有重要意义。

笛卡尔坐标的研究对象通常是那些没有视觉障碍的高年级学生（e.g., Boyce amp; Barnes, 2010; Knuth, 2000）。笛卡尔平面的概念被认为是空间感知、空间关系和导航以及理解函数等数学概念的关键（Knuth，2000）。笛卡尔坐标提供了一种使用环境作为导航参考的方法，特别是对于无差别的大比例尺环境（e.g., grids on city maps) (Dokic amp; Pacherie, 2006）。特别是对于VI儿童，通过运动模式体现的参与已被认为是发展空间感知和整合空间信息的工具（Jones，1975）。对盲人空间感知的研究为视觉在空间理解中的作用提供了不同的理论。虽然这一争论超出了本文的范围，但这些理论表明，用于探索空间的不同模式塑造了空间信息的结构方式。在本文中，iVR旨在通过声音和感觉运动与学习环境的交互来支持对笛卡尔坐标的具体探索。

2.2. 沉浸式虚拟现实与具身教学

iVR使用户能够在模拟现实的各个方面或情况的世界中进行交互，从而提供新的教育机会。大多数教育虚拟现实应用研究涉及大学、学院或培训环境中的成年人（Freinaamp;Ott，2015）。涉及中学生或小学生的研究较少，部分原因是对潜在健康（e.g., dizziness）和涉及幼儿使用头戴式显示器（HMD）的道德问题的认识不足，尽管据报告幼儿增加使用5-10分钟不会造成问题（e.g., dizziness）。

对于视力受损者，iVR提供了合适的导航培训，因为它为此目的提供了一个受控、可定制和安全的环境。该领域的研究有限，主要涉及青少年或成年人，主要集中在技术和可用性方面（see Allain et al., 2015）。其他使用非沉浸式虚拟现实技术对虚拟现实儿童进行的研究探索了声音在虚拟现实儿童心理结构构建和空间意象中的作用（Laacute;nyi et al., 2006; Sanchez amp; Lumbreras, 2000）。虽然这些研究为VI儿童的空间概念化提供了有价值的见解，但非沉浸式虚拟现实研究并不关注环境的全身探索：这是空间思维的一个重要方面。此外，很少有研究探讨iVR在学校环境下的使用，而不是在实验室环境中对正常发育或VI儿童的使用。因此，缺乏对教育学的关注（Southgate，2020）。虽然早期的尝试着眼于整合内容的方式（Dalgarnoamp;Lee，2010；Hansonamp;Shelton，2008），但最近的研究包括向学习者和教师介绍iVR技术、与课程的联系、反馈类型以及协作问题解决活动的整合（Southgate，2020；Johnson Glenberg，2018）。Johnson Glenberg（2018）提出了一些指导原则，具体涉及如何将手势和身体隐喻整合到教学设计中。然而，尚未探讨在课堂环境中实施iVR和制定适当的教学策略的挑战。

iVR技术在设备和交互方式方面各不相同。决定使用哪种类型的虚拟现实对课堂实践具有重要影响，从成本要求到物理空间、设置、学生参与和互动以及教学策略。用于iVR的HMD将用户与物理环境隔离，需要至少3X3米的空间。iVR的破坏性也给课堂环境中的教学实施带来了重大挑战，这一点以前从未解决过。本文探讨了iVR在VI儿童课堂上的教学实施，特别关注互动的体现性，以根据具身教学法的概念确定关键的教学要求。

具身教学法关注如何让身体和空间参与学习（Nguyenamp;amp;Larson，2015）。它被定义为“在知识建构的生理和心理行为中连接身心的学习”。这种结合需要对身体、空间和社会环境有深入的认识”（Nguyen amp; Larson, 2015, p. 332）。在具身教学法中，知识建构发生在一个表演空间中，该空间不仅规定了对象的空间安排，而且规定了身体位置、方向、运动和动作的空间安排。身心之间的关系扩展到包括表演空间的物质状况和人（i.e., teacher- student, student -student）的相互依赖性（Southgateamp;amp;Smith，2016）。具身教学法中的意义建构涉及到一个周期性的注意行动和反思过程，这一过程塑造了学习者以及行动发生的空间和空间安排。行动不仅仅是在环境中进行的。取而代之的是，人与环境通过持续的交易相互转化和塑造（Sund et al., 2019）。虽然这些交易有助于进步，但在行动-反思周期中引入不同的视角可以以意想不到的方式将身体灌输到反思中，将反思灌输到身体中，从而产生新的学习模式（Southgateamp;amp;Smith，2016）。iVR技术在教学和学习过程中突出了空间和物理行为，因此要求采用具身教学法。我们的研究借鉴了体现式教学法的原则，以确定可以在VI课堂中实施iVR的特殊考虑因素，从而有效地构建具身学习体验。

3.笛卡尔式的花园环境

该环境使用HTC Vive创建了一个5mtimes;5m的虚拟体验空间，由一个基于地面的虚拟花园形式的虚拟网格组成，每个坐标上都有鲜花。在子坐标系的标准布局中，X轴和Y轴从0到5。孩子们沿着轴线找到并收集指定坐标的目标花。对于VI儿童，控制器上的声音和振动提供了将运动映射到坐标的反馈。当孩子在网格周围移动时，他们会听到一组扬声器发出的声音，这些声音表明了他们与网格线的位置。当孩子遇到交叉点时，用皮带系在孩子腰上的控制器会震动。为了找到它们的确切位置(相对于坐标)，子元素按下控制器触发器，位置是使用声音定义的。

声音：声音传达方向和数学特性：沿x轴的运动由长笛音符表示，沿y轴的运动由小提琴音符表示。当孩子沿着x轴行走时，他们只听到长笛的音符，当他们沿着y轴行走时，他们只听到小提琴的音符。声音的方向特性涉及到具体的动作：孩子从原点沿一个轴移动得越远，他们听到的音符就越多。为了听到音符的组合，他们需要在花园的中间（象限内）移动。因此，位置（3，2）由三个长笛音符表示，然后是两个小提琴音符。两种不同的乐器按顺序演奏并映射到两个轴上，旨在证明坐标是描述正交方向上距离的成对数字。环境声音表示孩子在网格线上，但当孩子离开网格线时停止，当他们到达交叉点

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