虛擬現實技術在教學中的作用研究

王美霞

摘? ?要：教育技術領域的創新非常突出，VR在教學中的應用一直是教育研究者關注的焦點。許多研究表明，這項技術在改善學習成果和學生動機、克服學校和考試焦慮、確保學生專注于教學內容等方面具有顯著的潛在益處。然而，學校在頭戴式顯示器以及虛擬現實軟件方面的投資仍然存在資金投入過大的問題。文章對虛擬現實在教育中的應用進行文獻綜述，重點介紹技術和教學方面、整合和評估標準。

關鍵詞：教育技術;沉浸式學習;沉浸式技術;虛擬現實

1? ? 虛擬現實技術背景介紹

信息和通信技術在教育內容中的使用極大地改變了學習環境，為學習方法和教學帶來了重大挑戰和持續變化。虛擬技術領域的創新為個人體驗虛擬現實和增強現實（Augmented Reality，AR）提供可能。同時，這也為教育部門使用這些技術提高學習效率提供了更多機會。

現代沉浸式技術創造了將學習轉化為令人興奮的努力的新機會。Kinshuk等（2016）指出，AR和沉浸式虛擬現實（Virtual Reality，VR）是創新技術的例子，可用于智能學習環境，以實現傳統環境中非常困難或不可能的學習機會。這兩種技術不同，但在某些特征和用途上有關聯。AR用虛擬對象補充現實世界，而虛擬現實則模擬整個現實，通常被定義為一個計算機生成的三維實時環境，允許用戶通過不同的輸入/輸出設備進行交互。在教育背景下，虛擬現實可以定義為各種技術（硬件和軟件）的集合，用來提供沉浸式學習體驗[1]。

2? ? 虛擬現實在教學中的應用

2.1? 沉浸式虛擬現實的優勢

沉浸式虛擬現實具有一定的優勢：提供一個實驗的機會，對現實生活中存在一定局限性的情境和對象進行實驗，例如不同的時間段、身體不可接近性、缺乏訪問權限或者對訪問具有高度危險性、倫理問題等情況。其可以在一個安全的環境中提供實踐和培訓，提升學習者的參與度和學習動力，支持不同的學習風格，促進內容理解和記憶。

2.2? 沉浸式虛擬現實的相關技術

20世紀中期以來，與虛擬現實相關的技術一直在開發中。沉浸式虛擬現實超出了學校的范圍，并且有許多問題阻礙了這種技術在教育中的廣泛應用，例如頭戴式顯示器（Head-Mounted Display，HMD）的高成本、用戶體驗較差以及虛擬學習環境的設計較差等。然而，基于桌面的虛擬現實在中學和高等教育中得到了應用，許多教育工作者已經將這些技術（模擬、游戲和虛擬世界等）整合到他們的教學實踐中。有研究人員進行了游戲類的13項研究、模擬類的29項研究和虛擬世界類的27項研究，結果表明，游戲、模擬和虛擬世界是有效的，對學習效果有積極影響，并且，游戲顯示出比模擬和虛擬世界更高的學習效果。

研究人員和教師對軟件（尤其是教育視頻游戲和嚴肅游戲）的興趣日益增長，他們強調商業視頻游戲也可以用作教育工具。游戲在創造、協作和分發方面具有巨大的影響作用，并且已經在世界各地的各種教育主題中使用。教師友好型平臺Minecraft：Education Edition和虛擬實驗室模擬實驗室被越來越多地用于正規教育環境中的學習。

2.3? 沉浸式虛擬現實類型

目前，兩種主要的沉浸式虛擬現實類型是洞穴自動虛擬環境（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）系統和HMD。

CAVE系統是1992年發明的基于房間的全沉浸式虛擬現實系統。一個立方體房間的側墻以及地板和天花板是由投影屏幕構成的，參與者戴著一副特殊的3D眼鏡，以獲得虛擬環境的立體視圖，使用不同的輸入設備在參與者和系統之間提供交互（用戶可以指出、選擇或拖放虛擬對象）。CAVE的潛在用途已在包括教育在內的各種領域進行了探索，但實際應用往往局限于研究項目。

沉浸式虛擬現實可以用于模擬學習（學生可以在安全和互動的環境中學習和實踐新技能），具有改革教育的潛在應用可能，至于是否可以實現這一觀點，人們已經討論了幾十年。然而，直到現在，HMD在教育環境中還沒有真正地大規模應用。由于2013年Oculus Rift推出了開發者版本Goggles，虛擬現實情況發生了變化，推動了新一代質量更好、價格更高的虛擬現實出現。2015年，谷歌通過探險先鋒計劃，使得全世界數百萬學生開始在課堂上使用這項技術進行學習[2]。

3? ? 在教育環境中實施沉浸式虛擬現實

最適合在教育環境中實施的沉浸式虛擬現實是MVR，因為大多數學校計算機的配置不滿足Oculus Rift或HTC Vive的要求。基于智能手機的虛擬現實耳機具有經濟優勢，故而更適合課堂使用。

高昂的價格一直是HMD在教育環境中使用的最大障礙之一，然而，隨著低成本MVR HMD的出現，這一問題逐步得到了解決，如MVR與Google Cardboard的視圖可以成功地集成在低資源的教育環境中。

3.1? 在教育環境中實施沉浸式虛擬現實的理論基礎

Liu等[3]提出了將虛擬現實應用于教育的3個關鍵理論基礎：

首先，建構主義。將學生作為學習環境的中心，通過活動和互動不斷挑戰學生先前的經驗，并促進新知識的學習。情境學習、體驗學習、協作學習等教學策略（從這一理論延伸而來）適用于虛擬現實教學。

其次，自主學習理論。學生可以選擇學習目標以及如何實現目標進行自主學習，然而，學生必須有相當的自控能力且具備運用向老師或環境反饋的能力。VR技術可以為自主學習和實踐提供一個合適的學習環境，學生可以檢查他們的學習情況并從環境中獲得實時反饋。

最后，認知負荷理論。人類在精神活動（思考、解決問題等）中的工作記憶具有局限性，VR學習環境具有多種信息形式，豐富的模擬可能會導致注意力分散效應和心理負荷過載。學生可能會忽略真實的學習目標，只關注特定的刺激物，有時，當心理負荷超過能力時，會對學習結果產生負面影響。

3.2? 在教育環境中實施沉浸式虛擬現實的類型

虛擬現實在教育中的使用可以分為4種非互斥的類型：（1）觀察式學習，沉浸式體驗可以加深對學習內容的理解，并展示不同的時間和空間視角。（2）操作式學習，虛擬現實環境可以用作更安全的觸覺和動能培訓平臺。（3）社會學習，虛擬現實提供了在模擬環境中進行互動和合作的平臺，克服物理距離的限制，適合于遠程和混合/混合教育。（4）學術研究，虛擬現實技術能夠模擬不同的科學和工程實驗，并可以在模擬環境中進行預測，減輕風險和成本負擔[4]。

4? ? 結語

虛擬現實與其他信息和通信技術不同，它可以與各種教育技術相連接，并通過計算機和移動設備與教學相連接。簡單的集成是必要的，因為在智能學習環境中，異構設備必須成功地相互連接和組合，以支持環境適應和個性化。虛擬現實技術帶來了獨特的優勢，可以提供沉浸式的視覺和動覺體驗，這在傳統的教室和講堂環境中是不可能實現的。將虛擬現實作為教學工具與教育者將沉浸式技術融入其教學工具包和教學實踐能力密切相關。

[參考文獻]

[1]顧君忠.VR、AR和MR—挑戰與機遇[J].計算機應用與軟件，2018（3）：1-7，14.

[2]夏蕾.探析VR/AR應用場景及關鍵技術[J].電腦編程技巧與維護，2018（10）：144-146.

[3]LIU D，BHAGAT K K，YUAN G，et al.The potentials and trends of virtual reality in education[M].Singapore：Springer，2017.

[4]孟利清，徐藝，王浩，等.VR技術在高校實訓教學中的應用—以物流工程專業為例[J].物流技術，2018（1）：150-152.

Research on the application of virtual reality technology in teaching

Wang Meixia

（Department of Mechatronics， Jiangsu Vocational & Technical Shipping College， Nantong? 226010， China）

Abstract：The innovation in the field of educational technology is very prominent， the application of immersive virtual reality in teaching has always been the focus of educational researchers. Many studies have shown that this technology has significant potential benefits in improving learning outcomes and students motivation， overcoming school and exam anxiety， and ensuring students focus on teaching content. However， head mounted displays and virtual reality software used in schools still has the problem of over investment. This paper reviews the application of virtual reality in education， focusing on technology and teaching， integration and evaluation criteria.

Key words：educational technology; immersive learning; immersive technology; virtual reality