全息技術賦能的學習空間:發展、類別與應用

范文翔,李珂琳,施昌陽,呂佳宸

(杭州師范大學,浙江 杭州 311121)

一、引言

為支持數字時代“學與教”方式的有效變革,學習空間正不斷朝著虛實融合、滿足個性化需求與支持多場景學習等方向發展[1]?；旌犀F實學習空間作為虛實融合學習空間的典型代表,已取得較好的應用成效[2],但其佩戴頭盔顯示器引發的視覺疲勞、頭疼、惡心等不適感問題,導致學習體驗并不夠好[3]。鑒于此,不少研究者開始關注全息技術(Holography)。全息技術賦能的學習空間,不僅具有高沉浸感、多場景、多空間、自然交互、虛實融合等優點,更重要的是它無需佩戴輔助設備,就能夠將相關學習場景惟妙惟肖地再現,使學習者基于裸眼就能夠開展具身化探究學習活動[4]。有學者指出,全息技術賦能的學習空間能夠打造出全新的多功能學習環境,很好地滿足多場景學習與多元化學習的需要,提供更加舒適的學習體驗,已成為教育界的研究熱點之一[5]?！?022—2027年中國全息投影行業市場調研與投資前景預測報告》中也指出,全息投影將在教育、工商業與醫學等多個領域全面運用,產生不可估量的經濟和社會效益,對人類文明的歷史也有顛覆性影響[6]。

可見,全息技術賦能的學習空間將成為學習空間進化與發展的重要趨勢。尤其是在當前教育新基建的背景下,全息學習空間對推動學校學習空間的變革與重構,意義重大深遠。然而,目前不少媒體與大眾都濫用“全息”概念,認為只要是視覺震撼的虛擬影像都是“全息”[7],教育界也鮮有聚焦于此討論。因此,亟需對全息學習空間進行較為系統的梳理,才有利于推進全息學習空間建設與變革。嚴格來說,全息技術是有狹義與廣義之分。學界討論的全息通常是狹義全息技術,指利用光的干涉與衍射原理,在空中無需介質就能呈現物體的立體影像技術。廣義全息技術是能夠記錄并再現物體真實三維影像的技術總稱,其中也包含了狹義全息[8]。由于不少廣義全息技術與狹義全息技術所呈現出來的裸眼3D效果較為相似,兩者經常被混為一談。本研究中全息技術取的是廣義概念,擬在深入分析全息技術發展歷程的基礎上,對全息技術賦能的學習空間類別及其教育應用進行梳理,以期幫助讀者更加準確地把握全息技術的本質及其學習空間的應用。

二、全息技術的發展歷程

全息(Hologram)是一個合成詞,源于希臘語Holos(全部)與Gramma(信息)的組合,意指全部的信息。因此,學界將全息技術解讀為一種能夠記錄并重現物體全部光學信息的技術。需要特別指出的是,除狹義全息技術之外的其他廣義全息技術,雖然能實現近似的3D立體效果,但是大多無法完整記錄并重現物體的全部光學信息,因而也有人將這些全息技術稱為“偽全息”。全息技術的發展歷程較為復雜,主要以狹義全息技術的發展為主線,大致經歷了傳統光學全息、數字全息以及計算全息三個發展階段,其他廣義全息隨著這幾個階段也在不斷發展[9](如圖1所示)。

圖1 全息技術發展的主要階段與事件

(一)傳統光學全息階段

傳統光學全息是全息技術發展的早期階段。傳統光學全息的起源最早可以追溯至1948年,英國匈牙利裔物理學家丹尼斯·加博爾(Dennis Gabor)為了提高電子顯微鏡的分辨率,提出了一種能夠包含光波全部信息的波前重建顯微術,并將其命名為“全息術”[10]。全息術的原理主要分為波前記錄與重現兩個部分。波前記錄主要是利用干涉原理,使物光波與相干光疊加形成干涉條紋并制成全息圖。波前重現主要是利用衍射原理,用參考光波照射全息圖時發生的衍射再現物體。丹尼斯·加博爾的全息術能夠詳細記錄物體的光學振幅與相位等信息,實現了當時成像技術的重大突破,他因此還被授予了諾貝爾物理學獎(1971年)。但是丹尼斯·加博爾在提出全息術之初,還缺少合適相干光源的支持,且無法解決因同軸全息衍射波無法分開帶來的“孿生像”重疊問題,導致這一時期的全息研究進展十分緩慢。

直到20世紀60年代,丹尼斯·加博爾全息術遺留問題才逐一被攻破。1960年,美國科學家西奧多·梅曼(Theodore Maiman)發明了世界第一臺紅寶石激光器,其發射的激光光源具有相干性強、頻率穩、方向性佳、單色性好、亮度高等優點,完美解決了相干光源問題[11]。1962年,美國科學家埃米特·利思(Emmett Leith)和朱瑞斯·厄帕特尼克斯(Juris Upatnieks)利用激光作為相干光源,提出了離軸全息術,采用具有一偏角的參考光束使再現的虛像與實像的中心在不同的方向上,克服同軸全息的“孿生像”重疊問題[12]。此后,光學全息發展迅速,成為近代光學領域的一個重要研究方向。

(二)數字全息階段

傳統的光學全息雖有較為震撼的表現力,但由于其記錄干涉結果的底片干板等化學材料價格較為昂貴且對環境的要求極高,不僅很難實現動態顯示,也難以實現廣泛復制與傳播。隨著光電傳感器件的發展,研究者考慮是否可以使用光電傳感器(CCD/CMOS)來替代底片干板。數字全息技術正是在這樣的背景下應運而生的。數字全息技術對光波信息的記錄與重現,來源于對傳統光學全息技術原理的繼承。數字全息技術是用光電傳感器替代底片干板來記錄干涉條紋,并轉化為數字位圖的形式保存至計算機,之后利用計算機的數值計算替代光的衍射,直接實現物體的全息再現。

數字全息技術研究最早可追溯至1967年,美國物理學家約瑟夫·W.古德曼(Joseph W. Goodman)等基于攝像機檢測器和PDP-6計算機進行全息成像實驗,高質量地再現全息圖,揭示了基于光電傳感器和計算機的數字全息具有顯著的優勢[13]。具體而言,相比于傳統的光學全息技術,數字全息技術不僅大大降低了實驗環境要求、實驗操作難度與制作成本,而且還實現了全息的數字化轉型,使全息信息的存儲、顯示、復制與傳播更加方便靈活。更為重要的是,數字全息技術成像速度更快,具有更好的靈敏度、測量精度與還原效果。但是,當時光電傳感器件的分辨率始終無法超越傳統底片干板,使得全息呈現效果還不夠理想。加上當時計算機的性能也較為有限,數字全息的研究熱度逐漸減退。直到20世紀90年代,計算機的圖像處理能力與光電傳感器件的分辨率都得到了較大的提升,數字全息技術也隨之得到了有效的發展。21世紀初,隨著數碼相機的普及,數字全息技術逐漸成為光學領域的研究熱點,被廣泛應用于醫學、生物科學、工程學等領域。

(三)計算全息階段

由于數字全息繼承了傳統光學全息的干涉處理過程,需要通過拍攝采集實體物體的干涉圖,因而僅能高質量地完成實體物體的全息顯示,還無法完成現實中不存在物體的全息顯示。隨著計算機計算能力不斷增強,研究者開始通過實驗嘗試不用干涉原理記錄實體物體的光波信息,直接通過計算機編碼來模擬物體的光場分布。計算全息技術也就此成為全息領域新興的獨立分支。計算全息技術與數字全息及傳統光學全息相比,最大的不同在于其并沒有繼續繼承傳統光學全息的原理,不依賴實物制作干涉圖,而是直接通過計算機將實體物體或者是現實中不存在的虛擬物體的光波模擬出來,進而完成任意物體的全息顯示。

計算全息技術最早可以追溯至1965年,在美國IBM工作的德國光學專家阿道夫·W.羅曼(Adolf. W. Lohmann)基于計算機技術與繪圖儀,制作出了世界上第一張二維的計算全息圖[14]。但由于當時的計算機技術還不夠成熟,計算全息的發展十分緩慢。直到2005年,日本島本智吉(Tomoyoshi Shimobaba)等用全息攝影的專用計算芯片和三維顯示的反射液晶顯示器(LCD)面板,開發了能夠實現三維真彩色的電子全息攝影裝置[15]。這一研究使計算全息不僅突破了現實物體的限制,完成任意實體與虛擬物體的全息顯示,而且其再現的三維全息圖像直接基于人的裸眼就能形成良好的景深效果。此后,研究者充分認識到計算全息強大的靈活性與簡易性,將計算全息技術視為最有前景的三維顯示方法,計算全息進入了快速發展階段并取得了一系列重要的標志性成果。典型案例如,計算全息圖的數字再現[16]、周視全息的動態顯示[17]、微軟公布的可以實現全息通訊的HoloLens[18]、國家健康醫療大數據中心(北方)展出的可視化的“全息數字人”等[19]。

(四)其他廣義全息的發展

從圖1可以看出,其他廣義全息在狹義全息之前就已出現。早在1858年,英國科學家亨利·迪爾克斯(Henry Dircks)就開發了一項命名為“迪爾克斯幻境”(Dircks Phantasmagoria)的舞臺技術[20]。這項技術是利用在觀眾席下布置的燈光和隱藏房間,借助半反半透的玻璃,讓演員的身影閃現在舞臺上。迪爾克斯的初衷是想揭示騙局,但由于迪爾克斯幻境需要以劇場大幅改造為前提,改造難度大,并沒有得到推廣普及。英國科學家約翰·亨利·佩珀爾(John Henry Pepper)注意到了迪爾克斯幻境,并將其進行了簡化,使其僅利用特定的光源以及與視線成45度夾角的傾斜平坦玻璃,就能夠實現物體的突然出現、消失或變形成其他物體。被佩珀爾簡化后的迪爾克斯幻境適用于大部分現有劇場,于1862年在劇院表演中被普及,因而簡化后的“佩珀爾幻象”(Pepper’s Ghost)技術更為人們所熟知[21]。

此后,廣義全息技術的類型更為豐富多樣。有研究者利用海市蜃樓原理完成了立體影像的呈現,開發出能夠自由穿行的全息霧幕[22]與全息空氣投影[23]。也有一些研究者利用視覺暫留現象,完成物體影像的立體展示,構建出了360度電子立體全息圖和體積顯示器[24]、360度全息顯示屏[25]以及全息3D智能炫屏[26]。隨著計算機技術的成熟與發展,還有研究者嘗試用等離子體發光的點陣來打造立體的3D圖像[27]。全息技術最大的亮點在于能夠呈現裸眼3D效果。目前,狹義靜態3D全息影像的記錄與還原技術已經比較成熟,但是嚴格意義上的動態3D全息因需要脫離顯示介質,直接在空氣中形成360度全方位無死角的動態影像,還難以實現。因此,目前呈現的動態3D全息影像還是以借助介質成像的其他廣義全息為主。

三、全息技術賦能的學習空間類別與特點

全息技術賦能的學習空間大體上可以分為狹義全息學習空間與除狹義學習空間外的其他廣義全息學習空間這兩大類。根據前述全息技術的主要發展歷程和主要類別,又可將全息技術賦能的學習空間進一步細化為七種常見樣態,即光學全息學習空間、數字全息學習空間、計算全息學習空間、基于佩珀爾幻像的學習空間、基于視覺暫留現象的學習空間、基于海市蜃樓原理的學習空間以及利用等離子體發光的學習空間。

(一)全息學習空間的類別

1.光學全息學習空間

光學全息學習空間主要由全息干板和光源構成,當光源從一側照射全息干板時,學習者能夠從另一側觀看到物體的立體影像(如圖2A)。由于全息干板只能記錄現實中存在的靜態實物,因而在光學全息學習空間中,學習者也只能看到實物靜態的影像?；谶@一特性,可以在光學全息學習空間中開展一些瀕危動植物、著名藝術品、知名建筑、工業產品等實物的展示、觀摩與探究活動。但光學全息學習空間因無法展示實物的動態影像,在教學活動中的應用受到了較大的限制,目前也鮮有這方面的教育教學應用案例。另外,因其在存儲領域開辟了光學全息儲存這一全新路徑,光學全息在大數據時代的教育教學領域也大有可為。光學全息儲存與目前的存儲技術相比,具有超高密度、容量大、速度快的優勢,并且其數據讀寫都是非接觸式的,使用壽命、數據的安全性與可靠性均達到較為理想的狀況[28]。

2.數字全息學習空間

數字全息學習空間主要由攝像機、計算機、投影設備、話筒、音響等硬件構成,并在5G網絡、云技術等支持下進行影像傳輸(如圖2B)。由于數字全息技術實現了全息圖制作和影像再現的數字化,因此在數字全息學習空間中,學習者不僅能夠在計算機內觀看立體影像,還能觀看由計算機連接投影設備導出的立體影像。與光學全息學習空間一樣,數字全息學習空間下的影像也只能是對現實中存在實物的三維再現。但由于數字全息技術具有波前記錄速度快且可實時化的特點,因而數字全息學習空間不僅能夠呈現實物的靜態影像,也能夠展示實物的動態影像,甚至是實物實時變化的情況。由此可見,數字全息學習空間能夠實現動態、實時的三維教學全息影像的時空傳遞,對于推動傳統遠程教學、同步課堂、異地雙師課堂等教學方式的變革與轉型升級具有重要意義。

3.計算全息學習空間

計算全息學習空間主要由計算機、繪圖儀、投影設備、話筒、音響等硬件構成,通過與光學全息一樣的衍射過程呈現全息影像,如圖2C所示。計算全息學習空間是直接利用計算機將物體的光波模擬出來,不僅可以呈現現實中真實存在的實物的三維全息影像,還可以呈現出現實中不存在的虛擬物體的三維全息影像,實現了能夠顯示任意物體三維全息影像的重要突破。這一重要突破,對開展沉浸式情境教學、技能操作與訓練等都提供了強有力的學習支持。例如,在計算全息學習空間中呈現各種恐龍日常生活的全息影像,就可以開展有關某種具體恐龍的外觀、生活習性、攻擊方式、食物來源、繁殖哺育、分類與演化等一系列的探究學習活動。又如,在計算全息學習空間中呈現三維人體及具體器官模型,學習者通過與模型的人機交互體驗,可以更深刻地理解相關知識并掌握相關實操技能。

圖2 狹義全息學習空間的成像原理

4.基于佩珀爾幻象的學習空間

佩珀爾幻象(Pepper’s Ghost)最早被用于魔術表演,其核心裝置是一面與地面呈45度放置的半反半透鏡。佩珀爾幻象學習空間的布置主要如圖3A所示,半反半透鏡靠近觀眾一側是隱蔽的LED屏幕,屏幕中播放的畫面經鏡面反射,從觀眾看來仿佛在舞臺處成像。半反半透鏡后舞臺上的演員或布景,經鏡面透射直接被觀眾看到[29]。真實的舞臺與虛擬的畫面相結合,打造出別具一格的舞臺效果。為了達到更優的成像效果,半反半透鏡已逐漸被高清晰、耐強光、超輕薄的全息投影膜所取代。利用佩珀爾幻象重現的影像只是一個2D的平面影像。從側面觀察,影像是一層薄薄的“紙片”,從背面是無法觀察到影像的。

360度全息投影是在佩珀爾幻象的基礎上發展而來的(如圖3B),360度全息投影學習空間是由四面全息膜搭建成金字塔或倒金字塔狀,重現的影像能從四個方向被觀察到。此外,根據搭建全息膜的數量還可形成180度、270度全息投影。美中不足的是,若從兩面全息膜的接合處觀察,有可能會觀察到兩個影像。由于360度全息投影只是將單一面的佩珀爾幻象“復制”“粘貼”,因此從四個面觀察到的影像都是相同的,本質上仍然是2D的平面影像。

總的來看,佩珀爾幻象學習空間與360度全息投影學習空間的核心原理是一致的,空間主要都是由光源和環繞的透明材質構成。這兩種基于佩珀爾幻象的學習空間能夠呈現的影像大小具有較好的靈活性,大至舞臺展演,小至手機屏幕投影,可以根據實際需要靈活制定。雖然佩珀爾幻象學習空間無法顯示物體的三維影像,但是在多面的佩珀爾幻象學習空間中,學習者可以從不同的方向觀察影像并通過人機交互面板進行互動(如圖3C)。因此,佩珀爾幻象學習空間不僅可以用于開展場館教育,也可以用于開展數學、物理、化學、生物與地理等課程中大量難以在課堂中完成的實驗與現象觀察等教育教學活動[30]。

圖3 基于佩珀爾幻象的學習空間

5.基于視覺暫留現象的學習空間

2007年,南加利福尼亞大學創新技術學院的Andrew Jones等人制作了360度全息顯示屏。360度全息顯示屏構建的學習空間(如圖4A)由高速投影儀、被全息擴散器覆蓋的旋轉鏡和FPGA電路等組成。當投影儀向旋轉鏡上投射畫面時,傾斜45度放置的旋轉鏡能將光線反射到周圍所有可能的觀看位置。由于旋轉鏡以每秒20次的速度旋轉,視覺暫留現象會使人產生在鏡子中央有一個漂浮物體的錯覺[25](如圖4B)。

2017年,東南大學的周全率領其創業團隊參加第三屆“中國‘互聯網+’大學生創新創業大賽”,團隊研發的全息3D智能炫屏獲全國總決賽季軍[26]。全息3D智能炫屏也是利用視覺暫留現象,形成空中漂浮物的影像。全息3D智能炫屏形成的學習空間是由能夠旋轉的葉片與其上的一連串LED燈組成,形狀猶如一個風扇(如圖4C)。具體的操作:將要呈現的影像導入裝置后,打開開關,葉片高速旋轉,同時LED燈根據影像形狀在葉片轉至特定位置時亮起。由于沒有邊框限制,葉片在高速旋轉時也幾乎不可見,影像仿佛憑空出現(如圖4D)。

上述兩種學習空間都是利用視覺暫留現象完成成像,其組成都主要包含光源和能夠高速旋轉的介質。其中,360度全息顯示屏學習空間的光源是高速投影儀,旋轉介質是被全息擴散器覆蓋的旋轉鏡,整體的硬件要求較高。全息3D智能炫屏學習空間的光源是LED燈帶,旋轉介質是葉片,設備功耗低、攜帶方便、性價比高,市場應用潛力更大。如果與電腦等設備連接,兩種學習空間還能夠對全息影像進行縮放、旋轉等實時操控,如圖4E所示[31]。鑒于基于視覺暫留現象學習空間生動直觀的特點,使得其在場館學習、校園文化墻建設、抽象知識點講解與各類教學模型展示學習等教育教學場景中都有較大的應用潛力。

6.基于海市蜃樓原理的學習空間

全息空氣投影最早由美國麻省理工學院的研究生查德·達因(Chad Dyner)提出。全息空氣投影學習空間是將周圍空氣中的霧化冷凝物噴射到粒子云中,創造一個不可見、動態、非固體的粒子云幕[23]。其成像原理與海市蜃樓原理基本一致,都是光線發生一系列折射與散射后達到成像效果(如圖5A)。如果人為改變云的分子性質就可以改變圖像的質量,如亮度和清晰度。此外,還可以通過光學跟蹤系統監控圖像區域內手指的移動,并轉化為光標的移動來實現人機交互[32]。

全息霧幕投影也是利用海市蜃樓原理成像,只不過與全息空氣投影相比,全息霧幕投影使用幾乎看不見的霧幕代替了粒子云幕[33]。波蘭Leia Display公司開發了一系列融入了交互技術的霧幕投影學習空間,使學習者能夠觸摸影像并與影像互動,甚至從影像中穿行而過,卻幾乎感覺不到水霧的存在,學習效果與學習體驗均要比全息空氣投影學習空間的更勝一籌(如圖5B)。

上述兩種基于海市蜃樓原理的學習空間,雖然成像的介質有略微不同,但是成像的核心原理是一致的,學習空間也都主要由一體式的投影設備構成。與基于佩珀爾幻象的學習空間、基于視覺暫留現象的學習空間相比,基于海市蜃樓原理的學習空間最大的優勢是可以直接觸摸影像,并且可以直接通過手勢與影像內容進行交互,無需借助第三方設備。從理論層面來看,基于海市蜃樓原理的學習空間不僅可以支持呈現與展示常態化教學中相關知識內容與模型,還能夠支持開展基于成像內容的交互學習、科學探究等活動。但其成本高、影像質量稍差等問題會嚴重影響前述教學應用暢想的落地。

圖5 基于海市蜃樓原理的學習空間

7.利用等離子體發光的學習空間

2006年,日本Aerial Burton公司、慶應義塾大學與日本國家先進工業科學技術研究所合作,成功實現了由點陣組成的“真實3D圖像”的學習空間——利用等離子體發光的學習空間。這一學習空間主要是將激光束聚焦在空氣中,使空氣電離產生等離子體并發光,隨后控制激光束在空間中的焦點位置,即可生成由點陣組成的三維圖像(如圖6A)。其中的激光束,最開始使用的是納秒(十億分之一秒)級別的紅外脈沖激光[27]?？紤]到在觸摸影像時激光可能對人體皮膚造成一定的損害,目前大部分學習空間都用聚焦飛秒(千萬億分之一秒)激光代替納秒激光,這樣學習者觸摸全息影像時的皮膚損傷可忽略不計[34]。此外,一些利用等離子體發光的學習空間還具有觸控功能,可實現簡單的人機交互[35](如圖6B)。

利用等離子體發光的學習空間主要由空間光調制器或電流鏡、超短脈沖激光器等精密儀器構成,成本高昂,技術性強,目前處于實驗室開發使用階段。盡管其核心技術并不是狹義全息,但它突破了前述三種學習空間的二維成像限制,真正做到了三維空間成像。遺憾的是,利用等離子發光的學習空間的全息圖尺寸和工作空間均偏小,但Aerial Burton公司指出尺寸也可以根據光學設備和設置進行縮放[38]。利用等離子體發光的學習空間的成像效果最貼近狹義全息技術的成像效果,有著較理想的應用前景,可應用于知識內容展示、模型學習、實驗演示教學、科學觀察、技能訓練等教育教學場景。

圖6 利用等離子體發光的學習空間

(二)全息學習空間的特點

通過上述分析可知,全息技術賦能的學習空間有較多不同的種類。這些全息學習空間作為一種新興學習空間,無論是與傳統物理學習空間相比,還是與同樣科技感十足的VR學習空間相比,都有其獨到的優勢與特點(如表1所示)。

表1 不同類別學習空間的對比

1.裸眼3D立體成像

在傳統的物理學習空間中,學習者雖然也能裸眼觀看,但是除了實體教具本身就可以三維展示外,其他內容的展示只能是二維平面的。盡管VR學習空間有較好的立體觀感,但其需要佩戴眼鏡或頭顯設備,時間稍長可能使學習者產生疲勞、頭暈目眩、惡心等不良生理反應。相比而言,全息學習空間不僅支持裸眼觀看,而且還有良好的3D立體觀感,這種立體觀感與人類自身的視覺觀感無異,透過全息圖看到的影像就如同在真實世界中一樣,比VR學習空間中由計算機渲染的影像更加真實和自然。

2.虛實融合的深度沉浸

傳統的物理學習空間以實體為主,特定的物理空間也可以給學習者提供初級的沉浸體驗。VR學習空間是虛擬的空間,借助眼鏡或頭顯設備能得到一個深度沉浸的學習空間。全息學習空間是虛實深度融合的,是在現實世界的基礎上完成虛擬空間的疊加。因此,與普通多媒體學習空間相比,全息學習空間沉浸感會更強些,但又不像VR學習空間是完全沉浸式的。也就是說,全息學習空間不僅具有物理學習空間的直接與便捷性的優點,還可以享受全息投影技術帶來的沉浸式學習體驗。

3.兼具學習趣味與成效

物理學習空間的學習資源以實體資源為主,資源較為有限,學習的趣味性與效率也都較為一般。VR學習空間中的學習資源雖然都是特定的VR資源,但是可以很好地突破實體資源的限制,并且學習的趣味性較好,效率也相對較高。全息學習空間可以實現實體學習資源與虛擬學習資源的整合,極大地豐富了學習資源。學習者不僅可以直觀觀看3D學習資源,還能夠與資源進行一定的互動,從而提升學習效果。

4.良好的交互式體驗

傳統的物理學習空間主要以師生、生生間的人際交互為主,VR學習空間則是以人機交互為主,少數VR學習空間還支持簡單的人際交互,但二者的交互體驗都較為一般。在全息學習空間中,全息投影技術與感知交互、人工智能等技術的深度融合,不僅使得全息影像能看、能摸,還能提供實時的互動與反饋。此外,全息學習空間還能夠讓學習者在現實空間中,直接與教師或與同伴進行實時溝通。由此可見,全息學習空間可以實現人機交互與師生交互的雙重結合,給學習者提供良好的交互體驗。

5.支持多場景學習與個性化反饋

不同學習場景對空間配備的要求不盡相同,因而一般物理學習空間支持的學習場景會相對單一,并且由于其無法捕獲與記錄過程性數據,所以也難以提供有針對性的學習反饋。VR學習空間可以突破物理空間的限制,在虛擬空間中支持多場景的學習,并且其也可以根據學習者在虛擬情境中的表現,提供一定的個性化學習反饋。全息學習空間完成了虛擬與實體學習空間的深度融合,所以其可以更好地支持多場景學習。并且,它還可以根據學習者在虛擬學習情境中的學習數據,結合物理空間中觀察到的表現,提供更加有針對性的反饋指導。

6.使用的安全性較高

正常情況下,使用各種類別的學習空間的安全性都是比較高的。但是針對一些特殊的學習場景,如一些可能爆炸、因操作不當可能會誤傷自己或者他人、亦或是因操作不當將產生不可逆的不良影響等試驗,物理學習空間是無法規避這些危險的,VR學習空間與全息學習空間則都可以在虛擬情境中保障學習的安全性。但也需要指出的是,由于VR學習空間的學習全部基于虛擬情境,全息學習空間的學習是虛實情境結合的,虛擬內容不可避免地涉及數據安全性的問題,存在一定的數據安全隱患。

四、全息技術賦能的學習空間教育應用

基于前述的分析可知,全息技術賦能的學習空間支持學習者裸眼觀看3D影像,既有一定的沉浸體驗,又不會帶來任何的生理不適,兼具學習趣味與成效,且在提供人機交互的同時又能保證師生交互,還可以支持多場景學習與個性化反饋,使用的安全性還比較高,在教育教學領域具有良好的應用前景。經過調研相關應用案例發現,全息技術賦能的學習空間已在遠程教學、同步課堂、雙師課堂、醫學教育、場館學習、智慧伴學等領域具有較深的應用。

(一)在遠程教學中的應用

傳統的錄播課與網絡直播課雖然可以突破時空限制,但也會產生距離感,臨場感與交互體驗都不太理想。全息學習空間能通過全息投影技術將教師形象1:1還原在授課現場,拉近遠程教學時師生間的距離,增強學生的臨場感與交互體驗。例如,墨西哥蒙特雷大學愛德華多·盧埃瓦諾(Eduardo Luévano)等在全息學習空間中嘗試通過全息投影的方式讓授課教師出現在現場,讓學生們近距離感受到授課教師的存在,極大地增強了教學臨場感[36](如圖7A)。除此之外,他們還制作了能夠記錄教學內容的全息便攜機柜,讓學生可以根據需要多次播放、學習以前錄制的片段,完成了對傳統錄播視頻的3D轉化[41](如圖7B)。又如,2017年,網龍網絡公司與ARHT Media公司聯合舉辦了英國著名物理學家斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)的遠程演講,利用現實增強全息人像技術將身處英國的霍金投影到中國香港科技園展廳發表演講[37](如圖7C)。再如,在2019年的世界計算機大會上,在5G+全息投影技術的支持下,身處福州的教師周坤為長沙雅禮中學高二學生上了一堂以甲骨文為主題的英語公開課[38](如圖7D)。通過這些典型應用可以看出,全息遠程教學不僅能夠與教師進行無障礙交流,在一定程度上解決傳統遠程教學因物理屏幕相隔帶來的臨場感差、互動體驗不佳的問題,還有益于推動教育資源共享與教育公平,具有較好的應用前景。

圖7 全息學習空間在遠程教學中的應用

(二)在同步課堂中的應用

同步課堂是助力教育均衡的一種重要形式,其在信息技術的支持下,將優質中小學或者高校的優質教學資源同步到薄弱學校。但這種形式下,遠端學生的學習主要以看視頻直播為主,遠端學生學習的臨場感與沉浸效果并不好,普遍存在課堂參與度低、學習疑惑很難實時解決、學習成效不佳等問題[39]。針對遠端學生體驗與效果不佳的問題,有個別學校嘗試借助全息投影技術將授課教師“分身”投影到遠端,開展全息技術支持的同步課堂。如,北京郵電大學將裴曉軍老師在沙河校區現場授課的影像通過“5G全息課堂”同步至西土城校區,實現兩校區學生同上一堂課[40]。為保障成效,北京郵電大學對沙河校區的教室進行了多媒體改造,通過高清4K大屏實現與遠端教學會場的學生同步交互(如圖8A)。西土城校區則搭建了包含高清激光投影與舞臺紗幕的全息系統,不僅能將教師投影到遠端現場,還能將課件內容也實時呈現出來,能夠很好地增強遠端學生的現場感與課堂氛圍感,提高學生的參與度和學習成效(如圖8B)。

圖8 全息學習空間在同步課堂中的應用

(三)在雙師課堂中的應用

雙師課堂能夠整合優質教師資源、提高教育質量,已在教育領域有較廣泛的應用。雙師課堂從最初的兩位線下教師逐步發展到以線上“名師”+線下“教輔教師”為主。但是有學者指出,由于線上名師與線下學生之間缺乏臨場情感交互,導致線下學生的學習成效并不理想[41]。鑒于此,有研究者嘗試在線下教室中搭載全息系統,借助全息學習空間讓線上名師與線下學生面對面,這樣可以大大增強線上“名師”的真實感,提升師生的互動體驗。例如,在華中師范大學第一附屬中學舉辦的“5G+智能教育”行業應用發布會上,身處武漢的蘇航老師聯手福州的蔣大橋老師共同上了一節“光與通信的奇妙旅程”公開課,蔣老師借助全息投影技術為武漢學生遠程講解光的直線傳播、反射和折射原理,蘇老師則現場演示了利用光纖傳播文字和聲音信息的過程,充分發揮了雙師課堂線上與線下結合的優勢[42](如圖9A)。又如,英國帝國理工學院商學院利用全息投影技術將世界各地的講席嘉賓投影到學校會場,與現場主持教師一起完成授課。在授課過程中,講席嘉賓也能看到現場學生,并通過手勢和眼神進行真正的互動[43](如圖9B)。由此可見,全息雙師課堂用全息學習空間替代傳統雙師課堂的視頻錄播或直播,具有更好的臨場感和交互體驗,更有助于提升教學成效,助力教育公平。

圖9 全息學習空間在雙師課堂中的應用

(四)在醫學教育中的應用

在醫學學習中,三維建?？梢愿玫爻尸F復雜的人體結構。雖然傳統的三維建模能夠包含人體的三維結構內容,但是因其只能顯示二維的空間關系,不能顯示投影方向上的深度關系,故無法與圖像進行深度的人機交互。而全息學習空間可以很好地突破傳統三維建模的不足,能夠為醫學學習、訓練或者診斷提供逼真的3D醫學圖像,精準顯示人體結構的深度關系,還具有自然、精確的交互功能。如,以色列RealView Imaging公司旗下的HOLOSCOPE產品采用計算機生成的實時數字全息技術,可根據任何醫學3D體積數據在空中生成全彩色、高分辨率、動態和交互式的3D全息圖像[44](如圖10A)。HOLOSCOPE形成的3D全息圖像無需借助介質,使用者也無需額外佩戴眼鏡,并且全息圖像還可以根據需要自由旋轉、縮放、切片、標記、測量等(如圖10B)。由此可見,全息學習空間應用于醫學學習,不僅能夠加深學生對復雜的人體解剖和動態生理過程的直觀理解,而且還能很好地助力學生完成醫學實驗,提升手術過程的自信心與準確性。

圖10 全息學習空間在醫學教育中的應用

(五)在場館學習中的應用

場館學習作為學校學習的重要補充,已成為一種重要的學習方式。為了提升學習者的學習體驗與成效,不少場館積極吸納虛擬現實與全息投影等各種新興技術,創新展示方式與知識傳播方式,增加沉浸感與互動性。目前,已有一些場館將全息投影技術與場館學習融合,打造全新體驗的全息學習空間,創新物品的展出形式與講解形式。例如,目前不少場館都使用360度全息投影展示展品,這種展演方式制作簡便、成本低廉,實物還原度高,有利于妥善保存珍貴展品,免于失竊(如圖11A)。又如,深圳育才中學的防震減災科普館將教師全息影像投影在紗幕上來講解地震知識,學習者可以通過互動屏控制教師講解節奏,具有更好的現場感與學習交互體驗[45](如圖11B)。再如,沈陽故宮博物院制作的全息影像短劇不僅逼真,而且還與宮殿環境十分契合,高度還原了歷史場景,為游客帶來深度的參觀體驗[46](如圖11C)?？偠灾?在全息學習空間中開展場館學習,可以打造全新的物品展覽與知識講解服務,能夠讓學習者有沉浸式的學習體驗,更容易實現場館學習的預期目標。

(六)在智慧伴學中的應用

目前,基于智能學伴的智慧伴學已成為提升學習者自主學習效率與效果的重要抓手。在5G、人工智能、大數據、ChatGPT等智能技術的支持下,智能學伴已經能夠較好地實現智能答疑、智能推送資源、智能規劃與調整學習路徑、智能診斷與學習成效評估等諸多功能,為學習者自主學習階段的預習、新知學習、測評與復習提供強有力的學習支持。近年來,隨著元宇宙、虛擬數字人等技術的發展與成熟,智能學伴的形象開始從二維平面發展為三維的全息智能數字人。全息智能數字人不僅有普通智能學伴的基礎功能,而且還可以提供學伴、監伴與同伴等不同身份的全程陪伴與指導,讓學習者有高仿真的人機交互體驗。有些企業已經根據不同的需求打造出300多個虛擬卡通、擬人化角色、二次元、虛擬真人的全息數字人虛擬IP[47](如圖12A)。全息AI教師還可以隨時通過線上或線下為學習者提供問答講解、培訓講座等智慧伴學服務[48](如圖12B)。實際上,全息數字人除了可以應用在智慧伴學方面,也將在航空航天、汽車、機械、家具、服裝、電信、醫療等領域產生積極影響并且有廣泛應用[49]。

圖11 全息學習空間在場館學習中的應用

圖12 全息學習空間在智慧伴學中的應用

全息技術賦能的學習空間不僅可以應用于線下的常規教學、實操訓練與場館學習,也可以支持線上的遠程學習,還可以開展線上與線下混合的同步課堂、雙師課堂與智慧伴學。全息技術賦能的全息學習空間可以有效支持裸眼3D直觀地展示真實或者虛擬的物和人,在即時反饋系統的支持下,還可以支持人機協同交互學習。由此可見,全息技術賦能的學習空間極大地拓展了學習空間應用的深度與廣度,可以支持開展各種類型的教學,在教育領域有較廣闊的應用前景。

需要指出的是,在上述六種全息技術賦能的學習空間教育應用中,只有醫學教學領域應用的是狹義全息投影技術,其他均為衍生的廣義全息。其中,場館學習應用中的物品展覽是基于佩珀爾幻象原理。雖然遠程教學、同步課堂、雙師課堂與智慧伴學的應用都有涉及數字全息技術,但是他們均借助全息投影膜來完成影像投影,尚未擺脫介質的束縛,都屬于衍生的廣義全息。由此可見,盡管狹義全息學習空間呈現效果更好,但目前的技術水平還無法擺脫介質的束縛,實際應用也并不多見。目前全息技術賦能的學習空間教育應用,主要還是以衍生的廣義全息為主。

五、展望

從理論層面與已有應用案例的實踐經驗來看,全息技術賦能的學習空間具有裸眼立體3D顯示的特點,能夠將抽象內容直觀化、形象化,提供新鮮有趣的視覺體驗、高沉浸感的學習情境與深度的交互體驗,還能夠突破時空限制,降低教學成本,提升教學質量,在教育領域有較大的應用潛力。尤其是狹義全息技術賦能的學習空間,能夠直接在空氣中形成360度全方位的動態影像,且影像的立體觀感不會受觀察角度與距離的影響,給未來課堂帶來了無限可能。

然而,由于全息技術相關的設備與軟件的投入成本高,大批量采購需要花費的數額較大,在全息學習空間的投入成本沒有下降之前,推廣和普及全息學習空間還較為困難。另外,目前全息學習空間的資源還比較匱乏,與全息技術賦能的學習空間配套的教育教學資源較少且不夠系統,急缺全息技術相關的專業團隊深入設計與開發。此外,全息技術賦能的學習空間對學校的基礎硬件與網絡寬帶也提出了較高的要求,也需要學校夯實好基礎建設。

隨著全息技術不斷地發展與成熟,全息技術賦能的學習空間必將對教育教學的變革產生重大影響。在教育新基建的背景下,通過建設與發展全息學習空間來推動學校學習空間的變革與重構,使之能夠成為學校和教育主管部門的重要規劃內容。當然,僅有技術的發展和愿景規劃還是遠遠不夠的,還需要有更多的全息專家與研究者投入到全息學習資源的開發與應用實踐中,這樣才可能真正推動全息學習空間的高質量應用與發展。