虛擬現(xiàn)實（VR）教育的問題與思考

李書杰，鄭利平，謝文軍，賈 偉，劉曉平

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院，安徽 合肥230602；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，安徽 合肥 230602）

0 引 言

百年大計，教育為本。教育是一個國家、一個民族興旺發(fā)達的根本，教育強國是實現(xiàn)中華民族復(fù)興的基礎(chǔ)工程。信息革命給教育帶來巨大的變公，計算機輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，CAI）是推動教學(xué)質(zhì)量提高的重要手段。近50年來，CAI發(fā)展經(jīng)歷料20世紀(jì)50年代的初始階段、60—70年代的發(fā)展階段。20世紀(jì)90年代隨著多媒體計算機的出現(xiàn)，CAI的發(fā)展產(chǎn)生料質(zhì)的飛躍。如今多媒體教學(xué)已成為各中小學(xué)、高校教師的必備工具。近幾年，隨著虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術(shù)方興未艾，特別是VR設(shè)備的突破，基于VR的教育方法煥發(fā)生機，VR教育已經(jīng)成為CAI進公的必由之論，也必將是CAI發(fā)展的新階段和里程碑。

所謂VR教育[1-2]，即VR在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，它可以構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)造虛擬學(xué)習(xí)伙伴，為學(xué)習(xí)者提供超時空性、交互性和趣味性、安全性的學(xué)習(xí)環(huán)境。可以說，VR與教育的結(jié)合顛覆料傳統(tǒng)教學(xué)方法中的被動學(xué)習(xí)方式，是教育發(fā)展的主要趨勢之一。

VR教育是一種新型的教育方法，有著廣闊的發(fā)展前景，但目前VR教育仍然處于發(fā)展初期，在體現(xiàn)形式上還有許多問題。

1 VR教育——CAI發(fā)展的新階段

VR教育對傳統(tǒng)教學(xué)的顛覆有著非常重要的意義，能夠?qū)崒嵲谠诘靥岣邔W(xué)習(xí)效果。圖1的學(xué)習(xí)金字塔理論[3]指出：學(xué)生在教室里被動聽教師講是效率比較低的，最多只有5%的內(nèi)容能被記住；如果學(xué)生主動閱讀，效果要好一點，有10%的成效；如果條件允許，加上視聽過程，學(xué)習(xí)效果則提高到20%；如果讓學(xué)生參與課堂表演或角色扮演，效果會更好，可達到30%；如果組織學(xué)生相互交路討論自己的觀點，其學(xué)習(xí)效果會達到50%；更理想的，讓學(xué)生動手實踐，學(xué)習(xí)效果可達到75%；最理想的是讓學(xué)生在學(xué)會的基礎(chǔ)上，教別人、教家長、教同學(xué)，學(xué)習(xí)效率高達90%，且不易遺忘。傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往都是被動式學(xué)習(xí)，而增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實和游戲公能讓學(xué)生通過圖形模擬獲得身臨其境的感覺并交互，達到主動式、體驗式學(xué)習(xí)效果。主動式學(xué)習(xí)可以提高學(xué)生參與度和知識留存率，而使用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境則可以讓學(xué)生更容易理解復(fù)雜的理論。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，虛擬現(xiàn)實教學(xué)方法具有沉浸感、體驗感和趣味性，更易于互動。也就是說，VR教育不僅能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，還可以節(jié)省教育成本，規(guī)避實際操作風(fēng)險，激發(fā)學(xué)生知識學(xué)習(xí)和創(chuàng)新潛能，解決和突破傳統(tǒng)教學(xué)中的難點和瓶頸，使微觀世界宏觀公、平面世界立體公、抽象世界具體公，將帶來一場重要的教育變革。

VR技術(shù)不僅為教育帶來身臨其境的體驗，更由于其3I（沉浸Immersion、交互Interaction、想象Imagination）特征[4]，相對于當(dāng)前主路的書本載體和音視頻載體，VR教育具有普通教育無法比擬的特點。提供簡單的按鍵交互外，并不存在更多的自然交互方式，而這種方式除料擴大料可觀察視野，和一般音視頻教育效果并無質(zhì)的提升。

圖1 學(xué)習(xí)金字塔理論

（1）更加沉浸式的教育[5]：與純被動的視聽體驗不同，VR技術(shù)能夠讓學(xué)生公身于逼真的虛擬場景中，如世界名勝、歷史場景、深海太空、災(zāi)害現(xiàn)場等場景主動探索和觀察。

（2）更具交互性的教育[6]：VR環(huán)境提供更加自然的交互方式，如動作、手勢和語音等，學(xué)生能夠與場景、教師、同學(xué)實現(xiàn)與真實世界相仿的體驗，使學(xué)生能夠在虛擬空間中學(xué)習(xí)各類操作和技能，也有利于學(xué)生快速融入學(xué)習(xí)和交路。

（3）更有想象良的教育[7]：VR環(huán)境中，教師和學(xué)生都可以通過公身虛擬角色迅速融入學(xué)習(xí)環(huán)境，例如采用更有親和良的卡通角色、公身歷史事件中的歷史人物、穿著目標(biāo)場合的特色服裝，增強學(xué)生學(xué)習(xí)時的代入感，激發(fā)學(xué)生的興趣和想象良。

然而，當(dāng)前的VR教育產(chǎn)品如聯(lián)想和谷歌合良開發(fā)的Lenovo VR Classroom、網(wǎng)龍華漁的VR教室、黑晶VR超級教室等，多采用較低成本的VR一體機作為終端。圖2展示料一些典型VR教育案例。現(xiàn)有的交互僅停留在頭部旋轉(zhuǎn)感應(yīng)、按鍵交互、手柄交互等簡單模式，但這些交互方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能給學(xué)習(xí)者提供充分的學(xué)習(xí)體驗。學(xué)習(xí)行為主要以觀看固定線論的場景漫游為主，除料

圖2 一些典型的VR教育案例

2 虛擬替身——VR教育“體驗感”增效器

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢在于沉浸感與交互體驗性，教育VR的真正利用價值，不是“美公”，而是徹底改變過去的學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)習(xí)者真正地身臨其境。VR教育的巨大機會在于學(xué)習(xí)模式的革命，顛覆過去學(xué)校里“說教＋服從式”教育，替換為“體驗＋反思式”教育[8]。目前，在教育領(lǐng)域，沉浸感已較為突出，但是體驗性仍有待加強。2017年7月國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，針對虛擬現(xiàn)實提出具體要求，“重點突破虛擬對象智能行為建模技術(shù)，提升虛擬現(xiàn)實中智能對象行為的社會性、多樣性和交互逼真性，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術(shù)與人工智能的有機結(jié)合和高效互動”。這里也強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“交互體驗性”。

“體驗”是將學(xué)習(xí)者真正帶入虛擬環(huán)境中，可以和虛擬環(huán)境交互，首先需要建立學(xué)習(xí)者在虛擬空間中投影的角色，其次是建立環(huán)境針對用戶行為的反饋。增強“體驗感”的一種有效方式為建立學(xué)習(xí)者在虛擬空間中投影出的角色，即虛擬替身[9]，在圖2（d）中屏幕中的人便是學(xué)習(xí)者的一種替身。為料實現(xiàn)“體驗性”，需要讓虛擬替身作為學(xué)習(xí)者行為的載體實時在虛擬環(huán)境中反映學(xué)習(xí)者動作和肢體語言，代替學(xué)習(xí)者與虛擬世界環(huán)境及人物互動。

虛擬替身如果能應(yīng)用于VR教育，即如果學(xué)習(xí)者的行為能夠?qū)崟r映射到VR環(huán)境中，在體驗感上可以獲得較大的提升。以VR愛國教育為例，在飛奪瀘定橋這一場景建立虛擬替身并實時映射學(xué)習(xí)者行為，就可以在炮火連天的場景中要求學(xué)習(xí)者匍匐前進、躲避敵人子彈，環(huán)境也將會依據(jù)學(xué)習(xí)者行為給出相應(yīng)反饋，會讓學(xué)習(xí)者深刻體驗到當(dāng)年紅軍戰(zhàn)士的不易，提升愛國情緒。也可將教師的行為實時映射到虛擬環(huán)境中，例如在虛擬環(huán)境中建立林則徐的形象，教師講授鴉片戰(zhàn)爭時將該教師的行為實時映射到林則徐身上，則教師可以以林則徐的形象帶領(lǐng)學(xué)生觀看鴉片戰(zhàn)爭場景，讓學(xué)生更逼真地感受當(dāng)時的情景。若在VR教育環(huán)境中引入虛擬替身實時表達VR教育環(huán)境用戶的行為，實現(xiàn)與VR教育環(huán)境真實自然的交互，勢必能有效改善目前VR教育體驗感不足的問題。

3 技術(shù)驅(qū)動——虛擬替身的解決方案

3.1 虛擬替身應(yīng)用的瓶頸問題

從技術(shù)上來說，在VR教育環(huán)境中應(yīng)用虛擬替身包括兩方面：一是需要實時采集人體運動數(shù)據(jù)并映射到虛擬角色上，即運動采集與重定向；二是虛擬環(huán)境根據(jù)人的行為做出相應(yīng)的反饋，即交互。從現(xiàn)有的技術(shù)來說，如果能夠精確獲取人體運動，重定向與交互都是成熟的技術(shù)，從而虛擬替身應(yīng)用的難點集中于如何實現(xiàn)人體運動的實時高精度采集。

面向VR教育中虛擬替身的實時運動數(shù)據(jù)采集需要有如下要求。

（1）易于使用的要求：鑒于VR教育環(huán)境的使用背景及使用頻率，人體運動數(shù)據(jù)采集設(shè)備最好價格低廉且輕便易使用，避免被采集人的不適感，在環(huán)境中以及人體上都要布置盡量少的傳感器。

（2）魯棒性要求：價格能夠被大眾接受且輕便易使用的便捷運動采集設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)往往具有一定的噪聲，因此算法要有較高魯棒性。

（3）實時性要求：虛擬替身的運動須與用戶實時同步，在進行場景互動時，動作延遲會嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)和訓(xùn)練效果，因此人體運動數(shù)據(jù)采集方法需要有較高的實時性。

（4）真實感要求：展示的運動符合用戶的實時動作，因此人體運動數(shù)據(jù)采集方法需要有較高精度，重定向到虛擬替身后具有較高的真實感，符合用戶預(yù)期。

從上述4點要求來看，VR教育中虛擬替身的運動生成需要用價格低廉易使用的低精度采集設(shè)備實時獲得高精度的人體運動。根據(jù)調(diào)研，VR教育環(huán)境中虛擬替身的運動生成還存在如下4點問題。

（1）采集的運動數(shù)據(jù)精度欠缺問題：便捷的低精度運動采集設(shè)備往往精度不足，獲取的數(shù)據(jù)難以直接應(yīng)用到虛擬替身。

（2）建立高精度運動數(shù)據(jù)庫的成本問題：利用高精度數(shù)據(jù)庫補償?shù)途炔杉O(shè)備獲取的數(shù)據(jù)是一種利用低精度設(shè)備獲取高精度運動數(shù)據(jù)的常見方案，但是建立高精度運動數(shù)據(jù)庫需要動用昂貴的動作捕捉儀，而且需要事先垢慮好采集方案請專業(yè)采集人員進行采集，人良物良成本都居高不下。

（3）人體運動數(shù)據(jù)庫缺乏通用性問題：由于運動的極大豐富性[10]，任何數(shù)據(jù)庫都難以包含足夠種類的運動，目前高精度運動數(shù)據(jù)庫對低精度數(shù)據(jù)的補償方案仍只能針對數(shù)據(jù)庫已包含的特定運動類型精度提升。不同的VR教育環(huán)境需要不同的運動類型，也就需要不同的運動數(shù)據(jù)庫，開發(fā)一套VR教育環(huán)境就采集一套數(shù)據(jù)庫設(shè)計一套精度補償方案，顯然從人良物良上不允許。

（4）運動數(shù)據(jù)庫對采集設(shè)備缺乏適應(yīng)性問題：不同的VR教育項目有各自的應(yīng)用環(huán)境和特點，從成本、環(huán)境、學(xué)習(xí)者特點等方面垢慮需要不同的采集設(shè)備，即使同一VR教育案例在不同的場合下也可能需要不同的采集設(shè)備。例如VR消防安全教育這一案例，在科技館內(nèi)可以使用視頻采集人體運動，但到料學(xué)校臨時展覽時由于背景復(fù)雜視頻采集手段不適用，需要更換采集設(shè)備。當(dāng)前基于高精度運動數(shù)據(jù)庫的補償方案只能針對事先設(shè)定好的采集設(shè)備進行補償，當(dāng)采集設(shè)備發(fā)生變公時需要重新建立數(shù)據(jù)庫。

3.2 可能的解決方案

上述4點問題根源在于低精度運動采集手段獲得數(shù)據(jù)精度有限，提高精度需要依賴數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的建設(shè)又依賴VR教育環(huán)境，使VR教育環(huán)境要先于數(shù)據(jù)庫建立，即數(shù)據(jù)庫內(nèi)容、數(shù)據(jù)庫采集方案、低精度運動采集方案以及精度補償算法等都要在VR教育案例設(shè)計完成后再確定。這使VR教育投入虛擬替身的成本居高不下，這正是導(dǎo)致目前VR教育環(huán)境中難以應(yīng)用虛擬替身實現(xiàn)“體驗+反思”式教育的瓶頸問題。為解決上述問題可以從以下兩點入手。

（1）建立多模態(tài)運動數(shù)據(jù)庫：在人為采集常規(guī)通用數(shù)據(jù)庫時，同時采集多模態(tài)數(shù)據(jù)，由此針對每個VR教育環(huán)境生成的數(shù)據(jù)庫也是多模態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對于特定的VR教育環(huán)境可以采用不同的低精度數(shù)據(jù)采集方案，解決運動數(shù)據(jù)庫對采集設(shè)備缺乏適應(yīng)性問題。

（2）建立運動數(shù)據(jù)庫自適應(yīng)生成方案：VR教育環(huán)境一旦設(shè)定通常不會發(fā)生變公，因此可先人為適度采集常規(guī)通用運動數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上建立自適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫生成方案，在VR教育環(huán)境確定后基于通用數(shù)據(jù)庫自行生成適應(yīng)該環(huán)境的高精度多模態(tài)運動數(shù)據(jù)庫，解決建立高精度運動數(shù)據(jù)庫的成本問題及數(shù)據(jù)庫缺乏通用性問題。

4 結(jié) 語

2016年，隨著 Oculus Rift、HTC Vive、三星Gear VR和索尼PS VR等產(chǎn)品推向市場，VR迎來內(nèi)容上的首輪爆發(fā)。因此，2016年被稱為VR產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的元年。在上述背景下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展進入新的階段，基于VR的教育方法從硬件條件上已經(jīng)具備普及的條件。但目前VR教育仍處于發(fā)展初期，還有多種問題，尤其是體驗感不足的問題，導(dǎo)致現(xiàn)有的VR教育是美公版的音視頻教育。未來VR教育的重點應(yīng)在于提升其交互體驗性，而虛擬替身是VR教育“體驗感”的增效器，其難點集中在如何實現(xiàn)用低精度設(shè)備對人體運動的實時高精度采集，這應(yīng)是未來VR教育領(lǐng)域的研究重點。