淺談虛擬現實技術的教育應用

裴培

（陜西師范大學 教育學院，陜西 西安710062)

近年來，隨著物聯網技術、可穿戴技術、云計算等技術的快速發展，虛擬現實技術逐漸滲入人們工作、學習生活的各方面。上世紀八十年代，就有虛擬現實技術在教學中的應用案例，只因當時的硬件發展水平較低，因此未得到廣泛的關注。而在21世紀，隨著硬件的快速發展，虛擬現實技術也得到了較快的發展，不僅為教師教學創設了新的教學環境，增添了新型教學工具，還有可能孕育出新的教學策略、方法以及模式。此外，它還為創客教育、STEAM教育賦予了新的生機與活力[2]，激發學習者的學習興趣，促使他們在愉快的心態下在體驗中學習，進而培養其想象力與創新思維，為發展21世紀學生的核心素養提供保障。

一、虛擬現實技術概述

1.虛擬現實技術的定義

當前，對于虛擬現實（Virtual Reality，VR）的定義，仍然眾說紛紜，但是從總體上來看，其本質沒有發生變化，人們普遍認為VR是一種計算機仿真系統[3]。VR是一種通過多種技術，利用計算機生成逼近現實的模擬情境，模擬人的多種感覺行為，借助頭顯、手柄等裝置進行自然的人機交互，給人以身臨其境般的體驗的技術。

2.虛擬現實技術的特點

對于VR的特征的認識，大多數人比較認可Coiffet與Burdea G的說法，即沉浸性、交互性與想象性[3]。

（1）沉浸性（Immersion）

沉浸性，簡而言之就是用戶感到自己本身是模擬世界中的一部分，具有“感同身受”、“身臨其境”的感覺，像在真實世界中一樣具有主動性，參與虛擬世界中的活動。當人們在任意位置，深處VR環境時，都可以像鳥類一樣體會翱翔的感覺，像游魚一般體驗水浪搏擊的痛快，而這比之普通的視頻給人類帶來更為震撼的體驗。

（2）交互性（Interactivity）

交互性，主要是指用戶與虛擬環境中的對象交互操作。過去，人們主要以鍵盤、鼠標等設備進行人機交互，而VR環境中的交互，主要是由人以手勢、體式、語言等自然方式與計算機進行互動，這樣，人可以感覺到自由落體、粗糙、疼痛等多種感覺，仿似在真實情境中一樣。

（3）想象性（Imagination）

想象性，主要是指VR為人類認識和改造世界提供了嶄新的方法，促使人們思考并構想真實世界中并不存在的事物或者當下沒有條件一覽的事物，進而提高認識，加強聯想。例如，學習者可以利用Tlit Brush、Blocks等工具進行三維創作，抓住一閃而過的靈感，使頭腦中想象的事物像搭積木一樣變為現實。

但是，也有部分教師及家長認為VR的使用可能會限制學生想象力的發展，主要是因為VR可以將抽象的知識具體化、場景化，這種“一覽無余”的呈現手段，在給學生帶來多種感官刺激的同時，卻在時間、空間上都給他們帶來了想象與幻想的限制，可能會造成學生的“同質化”發展，阻礙了教師對其創造性的培養，不利于學生個性化的發展。當前，對于VR是否能有效提高用戶的高階思維（如批判性思維、創造性思維等）的培養與發展，還缺乏大量的實證研究與實驗數據支持。

二、虛擬現實技術在教育中的應用

根據Edgar Dale著名的“經驗之塔”理論以及美國緬因州國家訓練實驗室提出的“學習金字塔”理論，可得知學習者參與學習情境的程度愈高，記憶亦愈牢固。VR課堂帶來的沉浸感促使學習者在虛擬情境中進行任務的操練。學習者可操控各種物品，與復雜的各種方程式、天體、古建筑等進行三維互動。再者，VR技術帶給學習者全新的學習體驗，對于激發他們的學習積極性與創造性也大有裨益。以下主要從課堂教學、實驗教學以及安全教育三個角度進行闡明。

1.理論知識——課堂教學

常言道，“耳聽為虛，眼見為實”，在教師的教學經歷中，常常會遇到有些學生考試成績很不錯，在課堂上對于教師提出的問題也可以流利應答，但是他們本身又對學習到的知識存在困惑、批判或質疑，這與他們對內容的理解或想象存在偏差不無相關。VR對于糾正學習者對概念理解的偏差或者加深與驗證正確的理解有一定的幫助。

從心理學的角度來看，學習者對于“放大”自己、“縮小”自己以及“穿越時空”很感興趣。所以，當學習者借助VR，佩戴相應設備，遨游太空，感受整個太陽系就擺在自己面前，“親眼”觀看太陽系中各行星的表面狀態、運動軌跡及其相應位置時，更能準確且深入地理解所學地理知識，體驗“放大”自我的樂趣。當學習者借助VR，仿佛進入顯微鏡下的世界，感受血液的流動，用觸控筆剖開細胞，觀察細胞的結構，體會細胞的增殖及新陳代謝。而且，借助教育游戲還可以模擬癌細胞與正常細胞的變化，理解這兩類細胞的特點，感受“縮小”自己的樂趣。當學習者借助VR，“穿越”到白堊紀時期，可以親自觀看恐龍的生活習慣及其生活環境，讓想象更豐滿，寫出更具震撼力的作品，繪出更炫目的畫作。

VR為學習者在課堂上進行合作學習也拓寬了思路。例如，zSpace所推出的一體式虛擬現實解決方案，不必佩戴笨重的3D眼鏡或頭盔，學習者就可以輕松進行協作學習與個性化自主學習。

2.實踐操作——實驗教學

虛擬現實仿真實驗室為師生開展實驗教學與學習提供了重要平臺。在一些技能訓練任務中，學習者可以借助虛擬實驗室按需進行數次操作練習，這樣，學習者在不斷的假設、實驗、驗證等過程中逐漸提升批判性思維、問題解決能力，進而提升自身核心素養。

圖1 VR仿真實驗室

例如，Michael Bodekaer團隊借助智能手機與VR頭盔為學習者提供了全方位模擬的價值百萬的常春藤實驗室（如圖1所示），學習者可以利用實驗室中的各種設備做多種多樣的實驗，如聚合鏈酶反應（PCR）、瓊脂糖凝膠電泳等等[4]。此外，虛擬現實仿真實驗室中還包括下一代的基因測序機器、顯微鏡、學生自己的實驗機器設備以及智能平板，學生可以用它查詢相關知識，觀看相關視頻及其他內容。更重要的是，實驗室中還有作為學生實驗助理的教師，可以指導學生在實驗室中完整的操作。VR實驗室還為學生提供了PCR機器，有了它，學習者能夠獲得即使在現實實驗室中也不能嘗試的經歷與體會，PCR機器允許學習者在理論上將自己縮小一百萬倍，幾乎與分子大小一般，切實體會到實驗對象正在發生的變化。

眾所周知，教師在開展實驗教學中最先突出強調的就是實驗操作的安全性問題，而VR實驗室對于降低安全風險有一定幫助。比如做關于沙氏門菌的認識這一實驗，基于安全性的考慮絕大多數學校都不會安排實驗課，然而這一實驗內容又包括極其重要的知識點，這樣，VR實驗室就可以“一展拳腳”了。

此外，也有專家研究采用VR教學對學習者學習效果的影響，例如有心理學家對來自斯坦福大學和丹麥技術大學的160名學生進行準實驗研究，即將實驗對象分為2組，實驗組采用VR實驗室教學，對照組仍采取傳統教學方法，在相同的時間內開展教學，結果表明，實驗組比對照組學習效果高76%，研究人員進一步的實驗還表明，當教師采用VR實驗室教學并加以現場指導時，學習者的學習效果提高了101%，實現了翻倍的可能。當前，對采用VR進行教學的應用效果的研究，從整體上來看，絕大多數研究都表明VR在教育領域存有巨大的潛力，對學習者的學習具有積極的影響。

3.安全教育

當前，國內甚至國際上越來越強調“以人為本”的理念，因此，安全教育就更是具有舉足輕重的地位。但是，傳統的學校安全教育方式主要是理論灌輸或者在理論知道的前提下進行實地模擬，而只采用理論教導進行安全教育，常常會產生效果甚微的結果，當理論教導與實地模擬相結合開展安全教育時，又需要花費大量的人力、財力來部署模擬環境，在實地操作時，甚至可能發生事與愿違而又無法估量的安全事故。

而將VR運用到安全教育環節，有可能減少以上損失，甚至達到事半功倍的效果，使學習者在安全體驗中實現安全教育的目標。這是因為VR可以根據學習者自身特點、災害類型以及災害大小為他們提供有效的應急方案，學習者在安全體驗中可能會感到重物沖擊身體的疼痛感，感到規避障礙物的成就感，感到洪水淹沒的窒息感，當其完成一次體驗后，VR會根據學習者的運動數據給予反饋，而學習者可以據此進行新一輪的體驗，逐漸提高自身安全意識以及應對風險的實踐能力。

三、虛擬現實技術運用于教育領域所面臨的挑戰

將VR引入教育領域，除了因為其自身沉浸性、交互性等特點外，還因為借助VR在一定程度上能夠體現出建構主義理論以及認知理論的要求，此外，部分相關實驗也表明VR對于學習者的學習具有積極影響[5]。但是，從教師、學生、教學內容等教學要素來看，將VR引入教育教學領域，仍然面臨巨大的挑戰。以下主要從媒體技術的性能、教師的教學內容、學生的操作技能三方面進行說明。

1.提升人機交互的自然性

雖然VR頭顯設備能給人帶來沉浸感，但是用戶的體驗效果并未達到理想效果，比如對眩暈問題的處理就并未完全實現突破性的進展。因此，未來VR的發展需要采取更適合于人的多種感官知覺以及語言的人機交互方式，促進用戶之間的溝通與合作。

2.改進教學內容的科學完整性

VR應用于教學中也存在多種多樣的問題，對于教師而言，所面臨的挑戰主要突出體現在VR教學內容設計的科學性與系統完整性。VR在教學中若要實現規模性的發展，就需要學校、企業、教師、研究人員等根據學習者的學習風格、學習策略等學習特點，開發與設計系統而又完整精良的VR教學內容，其中還包括VR教學情境、知識點等多種內容的規劃與設計，促使學習更加有效地發生，并避免學習者認知負荷超載[6]。此外，VR應用于教學時，教師對學習者的學習過程及結果的評估也存在困難，因此研究人員需要對該模塊進行更加細致的開發，教師也要采取輔助方法加強對學習者學習過程的跟蹤與記錄，最終利用數據進行科學有效的評估。

3.提升操作實踐技能

對于學習者而言，VR應用面臨的挑戰一方面體現在學習者的VR操作技能上，部分學習者不能熟練操作VR設備，完成教學任務。然而，學習者若對VR產品不能靈活熟練地進行運用，就可能會產生抵觸情緒，甚至引發焦慮，最終與教師期望背道而馳，影響教學效果。因此，教師以及相關研究人員需要針對這一現象對學習者開展相應的技能訓練，以適應信息時代生存與學習發展的需要。

四、總結與展望

在信息技術與課程不斷融合的信息時代，可穿戴技術、自適應學習技術、3D打印等新技術不斷滲入到學習的方方面面，VR也因其自身優越性及其對教學的促進作用，頗受教育工作者的青睞。比如，VR的沉浸性特點對于激發學習者的學習興趣、進行個性化學習以及培養其合作探究能力都發揮出一定的積極作用，而且在技術應用過程中，對于培養學習者的創客精神及核心素養也具有重大意義。

但是，國內對于VR的教育應用還處于嘗試的初級階段，VR自身在設備性能、資源設計、教學方法、教學評估等方面仍面臨巨大的挑戰。此外，還要注意避免舍本逐末，重視技術而忽視教學的現象的發生，始終秉持技術服務于教學的理念。要實現VR與課程的融合還有很長的路要走[7]，需要學校、政府以及相關企業鼎力配合，共同挖掘VR的潛能，設計并開發優質資源，使之更好地滿足智慧教育的需求。隨著軟硬件技術的不斷發展，相信VR有朝一日定能在教學中發光發亮。

參考文獻：

[1]張枝實.虛擬現實和增強現實的教育應用及融合現實展望[J].現代教育技術,2017,27(1):21-27.

[2]王同聚.虛擬和增強現實(VR/AR)技術在教學中的應用與前景展望[J].數字教育,2017,3(1):1-10.

[3]丁楠,汪亞珉.虛擬現實在教育中的應用:優勢與挑戰[J].現代教育技術,2017,27(2):19-25.

[4]Michael Bodekaer，This virtual lab will revolutionize science class[EB/OL].http://www.ted.com/talks/michael_bodekaer_this_virtual_lab_will_revolutionize_science_class，2016-06-07.

[5]單美賢.虛擬現實與教育相結合的理論依據[J].開放教育研究,2001(6):23-25.

[6]Maciasdiaz，J.E.(2008).Numerical study of the transmis-sion of energy in discrete arrays of sine-Gordon equations in two space dimensions［J］.Physical Review E Statistical Nonlinear&Soft Matter Physics,77(2):981-984.

[7]喻思孌.虛擬現實，路還很長[N].人民日報,2016-06-06(018).