趙沁平：虛擬現實在教育和培訓領域的應用

由于“虛擬現實+教育”的發展，“人工智能+教育”的發展，會出現大量的虛擬現實（VR）教育應用系統，使得教育技術得到升級換代式發展。

趙沁平 中國工程院院士、教育部科技委主任

“虛擬現實”+和“互聯網+”一樣，各種行業都在應用。虛擬現實（Virtual Reality,VR）的目標是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成一定范圍的真實環境，在視、聽、觸覺等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用，相互影響，產生親臨相應真實環境的感受和體驗。虛擬現實系統具有3I特性，即：沉浸感、交互性、構想性。

大家會認為這不就是模擬仿真嗎？其實就是模擬仿真，而且模擬仿真是人類自古以來就有的一件事情。早期的實物仿真，比如草船借箭，到機電類仿真，隨著技術發展，模擬仿真的對象、材料、技術都在發展。隨之，產生計算機仿真，從模擬機仿真到數字機數值仿真，再到虛擬現實等。

人類模擬現實世界之夢

虛擬現實是隨著計算機技術發展，特別是高性能計算、計算機圖形學和人機交互技術的發展，人類在模擬真實世界方向上達到的最新的境界。虛擬現實技術有哪些特征呢？

第一，從2D到3D，不論是用圖形技術產生三維，還是用光學等其他技術產生的三維，三維是基本的顯示特征。第二，目前無論多大的屏幕，總有物理尺度的限制，但虛擬現實可以突破屏幕的界限，突破物理尺寸的顯示，帶上頭盔之后，能全景式的觀賞。第三，它使計算機系統完全對用戶透明，是人和虛擬環境的自然交互。第四，它可以構造任意時空的物理世界和現實世界，構造它的虛擬空間，有一個物理對象就有一個數字化的虛擬對象。第五，它可能是互聯網未來的新入口和新的智能環境。

虛擬現實對未來的影響

首先，有人認為虛擬現實是新的計算平臺，個人電腦、手機都是計算平臺，其實很難說是屬于新的計算平臺，可能是對新的計算平臺有其作用，可以疊加在上面；其次，有人認為它是行業發展的新信息技術支撐平臺，個人比較贊成這個看法；第三，它將是互聯網未來的入口；第四，它給我們帶來一種新的發展思維和新的技術途徑；第五，不論各行業做的什么事，虛擬化設計、體驗、培訓、演練，最終人所感知的世界將會成為真實和虛擬兩個世界，或者是虛擬與現實混合的新世界。

虛擬現實的應用

經過30多年的發展，虛擬現實在軍事、航空航天、裝備制造、智慧城市、醫療、教育等許多行業取得了令人矚目的應用成果，成為各行業發展的技術支撐平臺。

隨著虛擬現實技術及設備的發展，“虛擬現實+”成為發展趨勢，教育也成為一個非常重要的應用領域。隨著科學技術的發展，“虛擬現實+人工智能”可能是終極性的教育技術。

虛擬現實應用于教育，第一，可以使學習者進入任何逼真的學習場合，如分子、人體、太空、歷史事件等，實現沉浸式的現場學習，提高學生的學習興趣和學習成效。

第二，可以進行各種交互實驗，特別是危險性高的，比如某些化學實驗，或者是真實環境下不可能做的實驗，比如人體解剖，或者體驗黑洞，從而提高學習的成效。

第三，虛擬現實和人工智能、大數據結合，可以構造虛擬教室、虛擬教學、虛擬老師，隨時隨地地在教室指導學習。

現在各個大學都建有虛擬校園，可以用于校園管理、校園交通、校園的地下管線、校園的各種建筑等，并和數據結合起來。虛擬課堂可以進行真實感的教學研究，比如構造虛擬心臟，使身體的某一部分展示出來，并講解構造。比如用于體育教學、體育訓練，能把它和數據采集結合起來，分析動作。

要實現虛擬現實系統，大體需要有四方面的技術：一是數據采集、數據獲取；二是對數據進行分析和建模；三是建模以后的繪制與表現。繪制，不僅是視覺上的繪制，還包括聽覺、味覺等方面的研究；四是傳感和交互，傳感和定位等等的交互。這四個方面的技術涉及到：硬件平臺和裝置、核心芯片與器件、軟件平臺與工具、軟硬標準與規范，以及虛擬現實+各行業領域的內容和研究系統。所以虛擬現實是一個學科高度交叉的、綜合性的科學技術領域。

虛擬現實在教育的應用中，有以下幾方面的問題：一是虛擬現實教育應用的需求分析問題，例如哪些方面需要虛擬現實，哪些方面有二維圖片或者文本就足夠了；二是基于虛擬現實技術的教學方案與過程創意設計，比如物理課、生理課，哪些內容與虛擬現實結合，需要怎樣的工序進行創意和設計；三是新概念數據獲取機制、設備及各類教育數據的獲取，比如教師的數據、學生的數據等；四是整體的數據獲取；五是生理模型與進化演化；六是教育應用中人的行為模型；七是自然化人機交互機制與交互設備；八是虛擬現實課堂、虛擬現實教室技術；九是虛擬現實教育應用效果的評價；十是虛擬現實心理學與虛擬現實社會學等。

“虛擬現實+教育”的發展趨勢

第一，由于“虛擬現實+教育”的發展，“人工智能+教育”的發展，會出現大量的虛擬現實（VR）教育應用系統，使得教育技術得到升級換代式發展。

第二，出現基于VR教育環境的教育方法與學習方法。

第三，在VR關鍵技術研究和VR+教育應用研發過程中，會形成一批有知識產權的硬件設備、平臺軟件與研發工具軟件、VR教育設備標準等，從而帶動形成新的VR教育儀器設備產業和VR教育服務產業。

VR技術應用于教育，只是一種教育技術，是教育教學的輔助手段，代替不了教師教學。今后要加強VR的教育教學方法研究，同時要研究VR環境給學生帶來的影響，以及對社會的影響。因此需要教育領域開啟VR心理學、VR社會學和VR法學等方向研究，開展相關的人工智能研究，這是對人文社科的一些希望。