5虛擬現實：教育技術發展的新篇章

沈陽 逯行 曾海軍

[摘? ?要] 趙沁平院士從虛擬現實技術內涵、虛擬現實與人工智能技術的結合、虛擬現實在教育培訓中的應用、技術實現路徑、未來發展趨勢幾個方面提出了諸多有價值的建議。他提出，隨著技術的發展，VR的3I特征已經演化為4I特征;與人工智能結合可能成為終極性的教育技術;VR技術構建的智慧學習環境，應建立在教學參與者較好的信息化素養基礎上，具備體驗性、交互性、可信性與可評價性等特征;深度結合教與學的過程要素，給出了VR+教育應用及研究的10個突破點。同時，呼吁研究者深入探討VR教育活動中何以敬畏和堅持的倫理問題，從倫理層面對教育管理者、產業界和政策制定者等相關角色進行倫理規范。

[關鍵詞] 虛擬現實; 教育技術; 虛擬仿真實驗; 智慧教育

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

一、虛擬現實技術的意蘊溯源及其發展現狀

訪談者：趙院士您好！很榮幸采訪您。作為中國VR技術領域的第一位院士，請您先簡要介紹一下VR技術及其特點。

趙沁平：我先簡單談談VR的產生和發展的必然性。從人類探索自然界開始，模擬仿制真實世界中的對象，為人類生產生活所用，始終是人類實現進步的一個重要方式。比如，“草船借箭”“紙船明燭照天燒”，其中都講述了古代人類用智慧進行簡單的實物仿真。現代科學技術的發展，將人類的這一追求不斷推向新的階段和高度，如機電類仿真（早期的車輛駕駛仿真）、計算機數字仿真（早期的飛行模擬器）等。隨著高性能計算、圖形圖像處理、人機交互等計算技術的發展，人類模擬現實世界所達到的新高度就是“虛擬現實”。

關于VR概念的含義，具有代表性的是Wikipedia、Bryson、NASA等給出的定義。早年，我對VR是什么也給出過一種較為嚴謹的表述：虛擬現實是以計算機技術為核心， 結合相關科學技術，生成與一定范圍真實/假想環境在視、聽、觸感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，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗[1]。VR具有4I特征，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、構想性（Imagination）和智能化（Intelligence）。早期的VR主要具有前三種特征，智能特征是隨著VR技術和人工智能技術的發展相互結合形成的。此外，常與VR同時出現的還有增強現實（Augmented Reality，AR）。增強現實是將計算機生成的數字化對象或環境疊加在用戶感知到的現實對象或環境之上，向用戶呈現出一種虛實混合的新環境;此外還有增強虛擬（Augmented Virtuality，AV）和混合現實（Mixed Reality， MR）等。廣義的VR包括以上三者，通常人們使用VR的狹義概念，以便于和AR、MR等其他幾類技術、設備及其不同的應用相區分。

VR的目標和技術特點，使其對現有技術形成一定的顛覆性：它致力于突破二維顯示，實現各種機制的三維顯示;突破鍵盤鼠標的傳統輸入方式，實現手、眼、行協調的人景自然交互;突破固定屏幕顯示，實現眼鏡式自由觀看;突破時空局限，使體驗者沉浸在歷史或未來、宇觀或微觀的逼真虛擬環境中。VR技術的顛覆性會對人類社會和生產力產生重大影響，許多專家認為VR是繼個人電腦、智能手機之后的新一代計算平臺，是包括教育在內的各行業發展的新的信息支撐平臺，是互聯網未來的新入口和新的社交環境，也是一種新的媒體[2]。

訪談者：您從20世紀90年代初開始研究虛擬現實技術至今，虛擬現實有了很大發展，特別是2016年VR產業熱，被媒體稱作“虛擬現實元年”。請您談談虛擬現實的主要應用和對相關行業發展帶來的影響。

趙沁平：所謂的“虛擬現實元年”，實際上是VR技術經過幾十年的發展，一些新技術產品進入大眾消費領域，新技術、新產品帶來的新鮮體驗促成了新的大眾消費市場，巨大的商機引起產業界、投資界以及媒體的關注。因此，2016年應該是“虛擬現實產業元年”。實際上，早在30多年前，VR就在多個行業開始了高端應用，如今已經在軍事、制造、醫療、教育等領域取得了很多應用成果。現在，“VR+”已經成為一個行業發展趨勢。

軍事是應用VR比較早的一個領域。現在VR技術已經全面應用于美軍各軍兵種及聯合作戰訓練，作戰規劃、預演和決策。進入21世紀，行動更復雜、節奏更快速、空間更廣闊的未來戰爭，對VR技術提出了更新、更高的需求。VR技術應用于裝備制造，產生了許多新的制造技術，如沉浸式設計、虛擬樣機與評價、虛擬組裝、AR裝拆導引，以及裝備操作維護培訓等。1992年，波音777的管線布局設計采用VR技術，縮短研發周期50%，降低成本60%。近年來，在制造業界興起的數字孿生，將VR技術應用于裝備從設計到操作培訓、售后服務的整個生命周期。醫療健康是VR技術具有廣闊應用前景的領域。為了降低手術技能培訓對動物活體、尸體的依賴，并提高技能培訓的有效性，如口腔手術模擬器、腹腔鏡手術模擬器等VR智能醫教系統已經批量應用于醫學教學中;虛擬人體器官和虛擬人體的研究取得進展，將成為全新的醫藥研究、轉化醫學和醫學教育培訓的新平臺，為手術規劃、手術預演與評價、手術導航以及新藥研發提供實驗支撐，對醫藥行業的發展產生顛覆性影響[3]。

我們可以看到，VR在這些行業的應用，拓展了人類的感知能力，改變了這些行業的產品形態和服務模式，使這些行業得到升級換代式的發展。教育也是VR的一個極有生命力的應用領域，VR是新的強大的教育技術。

二、虛擬現實與人工智能相結合可能構成

終極性的教育技術訪談者：您剛才說VR技術是新的強大的教育技術，是智慧教育的重要構成技術，依據是什么呢？

趙沁平：教育技術的內涵和外延，隨著時代的發展會有一個不斷豐富和更迭的過程。早期的教育技術主要體現在實物教學模型和相關教學輔助器具的設計和制作。計算機、信息技術的發展，特別是互聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等技術的出現，開創了教育技術的新領域，進入教育信息化發展的新篇章。

計算機、互聯網為教育信息化提供了平臺，VR則可以為教育教學情景設計、展示和教學的實施提供全新的平臺和手段。VR校園是智慧校園的基礎，可以隨時隨地線上漫游體驗校園及其開放場所，對校園進行全景安全監控等;VR應用于教育教學，可以通過情境創設，使教師、學習者和參與者投入到可感知的逼真的學習環境中，如微觀世界的分子、原子運動;人體三維器官及組織、循環系統;太空、太陽系;重大歷史事件的場景等，在合理的認知負荷下，提升學生學習動機、投入度和學習績效;基于VR技術可以進行可交互的實驗教學和技能訓練，特別是危險性高的一些實驗操作（如某些物理電磁實驗、激光實驗、易燃易爆化學物質合成實驗）或者現實生活中不可能真實開展的實驗（如人體解剖、高空作業、體驗相對論世界和黑洞等），從而大幅度提高學習的體驗，強化“具身學習”，加速知識的建構。例如，目前，在實驗教學改革進程中，教育部大力推進的國家虛擬仿真實驗教學項目，利用網上做虛擬交互實驗的方式，降低對實體實驗室的依賴，就解決了許多因現實條件、資源不均衡等導致的實驗教學問題。此外，VR/AR圖書的出現，將傳統紙質圖書內容動態地、立體化地呈現給讀者，形成對傳統閱讀方式的顛覆，極大地提升了圖書的閱讀沉浸感和理解效果。現在已經出現了一些VR/AR教育類圖書，收到較好效果，這將對未來的教學用書和教學方式產生深遠影響[4]。

綜上可見，通過VR技術可以實現任何設想的教育教學環境，使學習者沉浸式體驗學習對象和教學過程，拓展并深化教育信息化的維度和內容，同時，會催生新的教育教學模式和方法。因此，可以說VR開啟了一種全新的教育技術。

訪談者：您多年前指出VR與AI相互滲透融合是必然趨勢，VR的特征已經由3I發展為4I，VR+AI可能成為終極性教育技術。為什么會有如此判斷？您認為VR+AI對未來教育會帶來什么影響？

趙沁平：VR和AI技術有天然的關系，且呈現出“你中有我、我中有你”的融合趨勢。隨著VR應用不斷拓展深化，越來越多地需要表現VR環境中各種自主個體和群體對象的信念、愿望、意圖等高層次精神狀態和復雜行為，于是引入了AI中關于Agent的建模方法。此外，隨著VR技術和AI技術的不斷發展與相互滲透，VR交互的智能化和VR對象及內容生產的智能化、自動化也在不斷增強。VR與AI的這種融合，非常適用于分布式虛擬仿真條件下的教育場景應用。可以實現虛擬課堂、虛擬實驗、虛擬培訓場景中的智能化交互，促進高階的探究式、自適應學習，對未來教育產生深刻影響。

已經出現和將要出現的VR+AI教育應用系統，采用大數據分析，可以實現VR+AI輔助的以學生為中心的情景化、個性化學習，使得“因材施教”成為可能。VR與AI、云計算等技術的結合，可以構造虛擬類人教師，并可以實現學生在類人教師陪伴、指導下的泛在學習。作為人工智能與新聞采編融合的產物，我國首個AI合成的主播“新小萌”已經出現在兩會會場，進行新聞報道。能夠自動完成語音識別，回答多種類型知識問題的智能機器人大量上市，帶給人們智能化教學的初步體驗。相信不久的將來，足以亂真的類人教師就能夠和學生進行實時交互、開展教學活動，其海量知識和快速解題速度可成為人類教師的搭檔，或部分取代人類教師。從此種意義上講，VR+AI將成為終極性教育技術。再繼續發展，就是將各種電腦芯片直接植入人腦，但這已不是教育技術，而是人工智能領域的腦機技術了。

訪談者：VR/AR應用教育的場景是廣泛的，在終身學習的時代，您認為依托VR/AR技術構建的學習環境是怎樣的？應具備哪些基本特性？

趙沁平：終身學習非常重要，建設終身學習體系和環境是我國的基本國策，我對此研究不多。不過，我深信隨著5G、AI、互聯網VR、邊緣VR/AR等技術的發展，VR將成為互聯網的新入口和新的社交環境，從而使終身學習體系的內涵和效能得到豐富和提升。

首先，VR/AR的重要特征是交互，強調用戶體驗，在教育的語境中，就是注重通過多感知通道、自然化的交互來全面提升學習者的學習體驗。作為一名教育工作者，我深有體會，教師在設計傳統課堂教學時，都會考慮學生對學習內容的感受和體驗，但限于傳統教學環境和條件，只能通過語言表達、互動問答和實物展示等方法進行課堂教學。而VR/AR學習環境可以真正成就“翻轉課堂”，使得教學過程以學習者為中心，學習者可以發揮主體作用，充分體驗教學內容，并與之進行交互。學習者還可以圍繞教師提出的某一個問題，分小組協作探究，得出開放性的答案。整個課堂是“活”的，而不是事先預定好的“規程”。所以，VR技術構建的智慧學習環境，應該建立在教學參與者較好的信息化素養基礎上，具備體驗性強、交互性強的特征。其次是可信性與可評價性。一個完善的VR學習環境和一門好的VR課程必須由VR研發人員和教師密切合作、充分溝通，共同完成。真正有效的VR/AR教學資源和學習環境應當具有可信性和可評價性。可信性是指VR教學環境中各種VR對象模型及其對交互響應的可信度，也即與相應真實事物的吻合程度，可信性度量是目前VR研究領域尚未完全解決好的一個問題。

許多難以建模的復雜事物，將其影響因素簡化后都可以進行建模，現有的絕大多數VR教育應用對象模型都是簡化后得到的。問題是，將事物簡化以后得到的模型在多大程度上可信，在什么范圍可用，這就是VR對象模型的可信性的評價度量問題。與此相關的問題是，應該如何結合具體的VR教育應用，確定對模型可信性的期望值，以及平衡模型的復雜性和可用性兩者的關系。可評價性是指對學習者學習體驗、學習投入度和學習績效等的自主量化評價。這也是目前AI領域的重要研究內容，比如，通過眼動追蹤技術對學習者的學情進行實時評價和反饋等。

三、“VR+教育”應用系統的實現技術及未來發展趨勢

訪談者：實現一個VR教育系統需要掌握哪些技術？還存在哪些有待解決和發展的關鍵技術問題？

趙沁平：設計與實現一個VR教育系統和實現一般VR系統一樣，大體需要數據采集、分析建模、繪制呈現、傳感交互四個方面的技術。第一，數據是VR建模和構建VR教育系統的基礎。數據獲取設備有VR通用型和領域專用型兩大類，前者如照相、攝像、3D激光掃描等，后者如醫學領域的CT、核磁等。數據獲取的準確性直接決定了VR技術在教育等各行業的應用效果。第二，建模是現實世界中的對象在計算機數字空間中的數據表示。就是利用數學、物理以及各種數字化技術將現實世界中的對象及其相互關系、相互作用及動態變化規律映射到數字空間中的靜、動態數據表達。第三，虛擬環境對象的呈現和感知，包括視覺、聽覺、觸覺、嗅/味覺等多個方面。VR呈現技術將虛擬環境中的各種對象模型通過不同的表現形式和方法繪制在輸出設備上，以沉浸方式呈現給用戶。表現方法和對象模型與輸出設備直接相關。第四，人對虛擬世界中對象的操作，以及虛擬世界中對象對人的感知和反饋，也就是VR的自然交互問題。上述四個方面的技術均涉及硬件裝置（如數據采集、頭戴顯示、裸眼3D、定位跟蹤、體感交互設備等）、芯片器件（如GPU、PPU、專用芯片、傳感器等）、軟件平臺（如圖形引擎、物理引擎、建模、視頻圖像處理等）、標準規范，以及不同學科教學中的VR內容設計與制作。VR是多學科高度融合交叉的科學技術領域。

囿于人類認識世界的局限性以及現實環境形態的復雜性、變化的無限性，數據獲取、建模、交互等成為VR領域永不枯竭的研究熱點。經過幾十年的發展，VR技術取得巨大進步，但是仍然存在許多有待解決的問題，同時，新的問題也在不斷涌現。對于VR教育教學系統及應用來說，如下一些問題的進一步突破會帶來VR+教育的巨大發展：VR教育應用的需求調研分析、基于VR的教學方案及學習活動創意設計、與教學內容相關的新概念數據獲取機制與設備、與學習過程相關的新交互機制與設備、多源數據/模型的無縫融合、學習對象的物理、生理建模以及對象的自由交互與實時逼真響應、教育教學應用中人的行為模型、模型的可信性度量、VR教育教學應用效果的評價[5]。

訪談者：5G的普及將解除制約VR發展的數據傳輸瓶頸，您認為VR在教育領域的一些重要平臺和關鍵技術將取得哪些突破性進展？

趙沁平：5G的普及，將解除制約VR發展的數據傳輸瓶頸，VR教育領域的一些重要平臺和關鍵技術將取得突破性進展。目前，進入校園課堂的VR教學應用產品，能做到的主要是對一些科普內容的VR體驗，能夠真正深入進行課程教學的并不多，且缺少有效性評價。其原因是多方面的，除了前面談到的許多核心關鍵技術尚需突破以外，VR教學內容需要快速從云端向大量智能終端傳輸也是一個重要問題。5G的出現使這一問題迎刃而解，大體量、多內容、高質量的VR教育云平臺和基于邊緣VR計算的“AR/VR智能終端”將得以快速發展;相應的教育內容構成數據和對象單元模型庫會大量出現，以滿足不斷增長的VR教育教學資源建設和內容開發需求。這又進一步帶動新概念數據獲取機制與設備、高度自然的VR/AR交互，以及多源數據—模型的無縫融合、設備實時逼真響應等技術的發展，實現交互式學習。大量優質VR教育教學系統在教育教學過程中的應用，會催生基于VR教育環境的教學方法，推動教育改革的發展。

訪談者：虛擬和現實之間的對象高度融合，將隨著技術的飛速發展變得虛實難辨。AI存在倫理問題，那么VR呢？可以采取何種VR教育應用的倫理構建原則？

趙沁平：隨著VR教育應用的多樣化，所帶來的一些倫理問題也日漸引起人們的重視。AI技術在教育中的應用所帶來的倫理問題是顯而易見的，例如，AI教學機器的身份與權力邊界認定等。對于VR教育應用來說，我認為首先值得研究的是對VR教育受眾的心理影響和可能的負面作用。例如，對幼兒來說，在他們需要接觸現實世界、與同伴交流互動的發育階段，采用VR教育環境和手段是否會產生負面作用？虛擬環境的發展是否會加重“宅害”，帶來一定的社會問題？所以，我一直希望教育界的學者們未雨綢繆，開展VR心理學和VR社會學研究。

同時，也要對VR教育應用可能帶來的倫理問題進行研究，明確其可能產生的倫理失范以及導致倫理失范的根源。VR教育可能表現出內容與形式的致癮性、虛實邊界模糊導致道德失范、VR教育活動忽視人的主體性等問題，不可避免地會涉及技術層面和人類主體性層面的倫理問題，如虛擬世界中生命的有限性與無限性、虛擬教育活動主體的尊嚴與生命性、虛擬世界中的主體認同與本體性安全、數據隱私安全等倫理問題。此外，當前的VR教學產品設計與開發不成熟，虛擬和現實的偏差導致了學習者謬誤，即虛擬和真實之間的失切性導致學習者產生認知偏差，比如，虛擬情境與真實世界參數表征的差異性，導致學習者對客觀知識的記憶性錯誤、操作經驗結果分析的錯誤等。這就需要在VR應用于教育時，深入探討VR教育活動中何以敬畏和堅持的倫理問題，對教育管理者、產業界和政策制定者等相關角色進行倫理規范。

[參考文獻]

[1] 趙沁平. 虛擬現實綜述[J]. 中國科學：信息科學， 2009， 39（1）：2-46.

[2] 趙沁平. 虛擬現實技術邁入“+”時代[N]. 中國信息化周報，2017-03-20（007）.

[3] 趙沁平，王涌天，梁曉輝，等. 虛擬現實技術與產業發展戰略研究[M]. 北京：科學出版社，2016.

[4] 楊燕婷. 趙沁平：虛擬現實在教育和培訓領域的應用[J]. 中國教育網絡，2018（6）：24-25.

[5] 趙沁平. 虛擬現實中的10個科學技術問題[J]. 中國科學：信息科學，2017，46（6）：800-803.