虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

薛濤 鄧業(yè)鵬 范世旭 許雅晴 蒯支睿

摘要：本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展歷程，研究了虛擬現(xiàn)實(shí)再課堂教學(xué)方面的理論基礎(chǔ)，討論了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課堂教學(xué)方面的應(yīng)用模型，最終為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展提出了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);教育;VR課堂

中圖分類號(hào)：TP391.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）06-0000-00

1 緒論

1.1 課題研究背景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）囊括計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，是一種由計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感和人機(jī)強(qiáng)大交互體驗(yàn)的技術(shù)。

《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》要求落實(shí)“虛擬現(xiàn)實(shí)”等新技術(shù)的技術(shù)研發(fā)和前沿布局。《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中的戰(zhàn)略任務(wù)明確要求發(fā)展自然交互與虛擬現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，5G的發(fā)展和推廣使得信息的傳遞更加快速更加穩(wěn)定，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用降低了一定的難度。

國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在上世紀(jì)末就開始研究、發(fā)展，并且嘗試在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，目前國(guó)外已經(jīng)有很多公司和組織將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到了教育領(lǐng)域，出現(xiàn)了classvr、Unimersiv、Nearpod等多個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教育平臺(tái)。

VR具有高度的交互性、沉浸感，將VR應(yīng)用在課堂教學(xué)中可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果，同時(shí)，將VR作為線上教育的一種手段也可以改善教育資源不平衡的現(xiàn)狀，我們旨在探究虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，為其進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1.2 基礎(chǔ)理論研究

1.2.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論依據(jù)

虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，依賴于模擬環(huán)境、感知、自然技能、專用設(shè)備四個(gè)理論。

模擬環(huán)境就是由計(jì)算機(jī)生成的具有雙視點(diǎn)的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像，這不僅包括三維視覺，還包括三維聽覺、觸覺甚至嗅覺等的逼真[1]。圖像可以是現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)存在的，也可以是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的技術(shù)構(gòu)造出來的。

感知是指理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具備人類一切的感知能力，不僅只有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)形成的視覺感知，還應(yīng)具有味覺、嗅覺、觸覺等，這也被稱以為多感知（Multi ?Sensation）。

自然技能是指計(jì)算機(jī)處理與將人在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的一切行為動(dòng)作，包括手勢(shì)、眼珠轉(zhuǎn)動(dòng)等相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)做出回應(yīng)。

專用設(shè)備是指各種三維交互設(shè)備，包括立體頭盔，三維手套、攝像機(jī)、傳感器等等。

1.2.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育相結(jié)合的理論依據(jù)

虛擬現(xiàn)實(shí)自提出以來，有不少學(xué)者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育相結(jié)合的理論依據(jù)進(jìn)行了研究，現(xiàn)較為普遍的有認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論、構(gòu)建主義理論和模擬法則理論。

認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)就是面對(duì)問題情境，在內(nèi)心經(jīng)過積極的組織，從而形成和發(fā)展認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程，強(qiáng)調(diào)刺激反應(yīng)之間的聯(lián)系是以意識(shí)為中介的，強(qiáng)調(diào)認(rèn)知過程的重要性。虛擬現(xiàn)實(shí)與教育相結(jié)合，使學(xué)習(xí)者能夠在虛擬的現(xiàn)實(shí)情景下學(xué)習(xí)，利用自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)去同化和順應(yīng)當(dāng)前學(xué)習(xí)到的新知識(shí)，從而賦予新知識(shí)以某種意義，主動(dòng)積極地構(gòu)建自己的知識(shí)。

構(gòu)建主義理論主張世界是客觀存在的，但是對(duì)事物的理解卻是由每個(gè)人自己決定。不同的人由于原有經(jīng)驗(yàn)不同，對(duì)同一事物會(huì)有不同理解。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)是引導(dǎo)學(xué)生從原有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，建構(gòu)起新的經(jīng)驗(yàn)。VR的沉浸性去除了參與者與計(jì)算機(jī)之間的界限，為個(gè)人了解世界創(chuàng)設(shè)了一種體驗(yàn)，從而促進(jìn)學(xué)生在VR學(xué)習(xí)平臺(tái)的學(xué)習(xí)過程中形成自己獨(dú)特的意見和觀點(diǎn)，構(gòu)建起自己的知識(shí)體系[2]。

模擬法則理論通常運(yùn)用在工程鄰域，分為物理模擬和數(shù)學(xué)模擬。虛擬現(xiàn)實(shí)與教育相結(jié)合適用的是物理模擬，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過設(shè)計(jì)與原型相近的模型，將難以完成的實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)，捕捉稍縱即逝的自然現(xiàn)象等等，讓學(xué)生切身發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，感受自然科學(xué)的魅力。

2 效果

VR應(yīng)用于教育中時(shí)能讓學(xué)生更加專注，同時(shí)學(xué)生也能在VR教學(xué)中有更好的主動(dòng)性。這樣的優(yōu)勢(shì)來自于VR本身的沉浸感，這樣的沉浸感是傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法提供的，在VR的教學(xué)過程中，學(xué)生自己能夠擁有更高的參與度，這也讓學(xué)生自己能夠很好的融入整個(gè)學(xué)習(xí)的過程。

已有研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)研究對(duì)于不同學(xué)科、不同學(xué)習(xí)方面的教育效果會(huì)有所不同。傳統(tǒng)使用PPT的教學(xué)更加擅長(zhǎng)于記憶需要通過文本和圖片記憶的特定知識(shí)，如特定的數(shù)字，而VR教學(xué)則難以完成。但虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)于原理或者方法的理解，以及對(duì)于問題的主觀感受上有著更好的結(jié)果。

目前VR可以作為一個(gè)用于補(bǔ)充常規(guī)授課內(nèi)容的理想工具。雖然VR游戲?qū)τ诮逃姆e極影響也取決于某些變量，但不可否認(rèn)的是他對(duì)于教育是一個(gè)有所貢獻(xiàn)的工具。在大量研究已證明虛擬現(xiàn)實(shí)有主意學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到教育游戲中，學(xué)生能夠在使用VR進(jìn)行游戲的情況下有更好的注意力。

由于技術(shù)的限制，目前的VR教育依然存在體驗(yàn)感較差、難以獲得高精度的人體運(yùn)動(dòng)等問題。對(duì)于交互性很強(qiáng)的課堂，虛擬現(xiàn)實(shí)的效果并不理想。來自美國(guó)德克薩斯農(nóng)工大學(xué)教育學(xué)院的Zahira Merchant團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)學(xué)生單獨(dú)進(jìn)行游戲而非小組進(jìn)行游戲時(shí)，學(xué)生的游戲成績(jī)會(huì)有所提高[3]。

來自美國(guó)的Lei Zhang團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)VR應(yīng)用在教學(xué)過程中，互動(dòng)程度對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)過程的收獲影響并不明顯，同時(shí)也沒有證據(jù)能夠表明中等水平的互動(dòng)性能給學(xué)生帶來最大的收益。

對(duì)于需要一定想象力的學(xué)科來說，虛擬現(xiàn)實(shí)可以從全方位模擬一些普通課堂中無法實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景。Aftab Alam團(tuán)隊(duì)通過模糊邏輯的方法定量測(cè)定了學(xué)生的學(xué)習(xí)技能，并將其用于改變3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境（3D-VLE）內(nèi)容的適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，以解決3D-VLE的自適應(yīng)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法用于為學(xué)生定制學(xué)習(xí)內(nèi)容能夠有效地增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

來自臺(tái)灣師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研究了虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于科學(xué)教育時(shí)是否展現(xiàn)出顯著的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該VR課堂對(duì)學(xué)生們的學(xué)習(xí)成績(jī)有積極影響，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性也比接受傳統(tǒng)教學(xué)的對(duì)照組要好不少。除此之外，教師也能通過VR教師的記錄制定教學(xué)策略，更好的糾正學(xué)生的弱點(diǎn)。

Olga López Ríos團(tuán)隊(duì)利用VR模擬真實(shí)過程，并以此完成不同場(chǎng)景下的教學(xué)，通過這樣的方式來培養(yǎng)本科工程專業(yè)學(xué)生在統(tǒng)計(jì)方面的思維。研究的結(jié)果證明接受VR教學(xué)的學(xué)生在統(tǒng)計(jì)學(xué)思維方面會(huì)有更好的認(rèn)識(shí)。研究團(tuán)隊(duì)還認(rèn)為，學(xué)生能夠在VR的教學(xué)中收獲相關(guān)領(lǐng)域的一些技能。

同時(shí)，研究結(jié)果還表明VR更適合于需要學(xué)生理解的知識(shí)的傳授，而那些需要記憶的知識(shí)則不便于通過VR傳授。由于在VR畫面中放入一大段文字也很難有學(xué)生愿意閱讀，因此VR也并不適合傳授文字一類的內(nèi)容。

3 應(yīng)用

在線上教育應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外許多研究團(tuán)隊(duì)在體育、采礦工程、殘疾人教育等多個(gè)方面均進(jìn)行了應(yīng)用研究并取得一定成績(jī)。其中較為成功的有Multigen creator平臺(tái)、VREX云平臺(tái)、NCLS。

Zhao Guoliang的研究團(tuán)隊(duì)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于采礦工程數(shù)字教育，開發(fā)了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Multigen creator平臺(tái)，具有三維場(chǎng)景漫游、動(dòng)畫制作、交互控制等功能。它不僅可以應(yīng)用于學(xué)習(xí)數(shù)字化教育，還可以應(yīng)用于技術(shù)培訓(xùn)、安全救援決策、事故模擬和調(diào)查分析等方面。

Li Ying教授團(tuán)隊(duì)通過VREX構(gòu)建了一個(gè)開放的、沉浸式的虛擬的教室，讓學(xué)生能夠讓學(xué)生在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何頻率體驗(yàn)交互式學(xué)習(xí)，虛擬現(xiàn)實(shí)教育表現(xiàn)了學(xué)習(xí)效率高、效果好、及時(shí)反饋、低成本、操作安全等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

Shuang Li的研究團(tuán)隊(duì)基于VR技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)合作學(xué)習(xí)系統(tǒng)（NCLS），分析了其典型應(yīng)用的工作流程和信息流程研究如何可以方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作學(xué)習(xí)，分布式學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。

天津理工大學(xué)體育學(xué)系基于體育教學(xué)與訓(xùn)練的本質(zhì)，構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育教學(xué)與訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用模型和VR系統(tǒng)培訓(xùn)軟件，可以為人們提供視覺展示，并結(jié)合游戲、情境化、協(xié)作學(xué)習(xí)、在線教育等手段，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。

武漢首義學(xué)院的尹坤坤設(shè)計(jì)出了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的虛擬軟件搭建的方案，目前該方案主要應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中各細(xì)分領(lǐng)域的虛擬軟件搭建，基于該方案搭建完成的虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)械領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室已在華中地區(qū)部分高校中應(yīng)用并取得較好成果。

德雷克塞爾大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的Pramod Abichandani團(tuán)隊(duì)介紹了一個(gè)可擴(kuò)展且可遷移的基于云的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)云服務(wù)的可擴(kuò)展性和可訪問性與VR的沉浸式教育潛力結(jié)合在了一起。

從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究來看，大部分的應(yīng)用都收獲了較好的成效。但是從研究方法和結(jié)果來看，目前還沒有一套VR線上教育的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這就會(huì)使得VR應(yīng)用顯得參差不齊。

4 總結(jié)和展望

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，雖然在教育領(lǐng)域的應(yīng)用并不成熟，但已有的研究表明虛擬現(xiàn)實(shí)教育具有很大的潛力，能夠突破時(shí)間與空間的限制，讓學(xué)生獲得沉浸式的體驗(yàn)與更直觀的感受。虛擬現(xiàn)實(shí)能夠模擬出傳統(tǒng)教學(xué)中無法提現(xiàn)的過程，這是虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域中最大的優(yōu)勢(shì)，其次，虛擬現(xiàn)實(shí)中學(xué)生所感受到的事物都是模擬的，使得學(xué)生有更多的精力放在關(guān)注點(diǎn)上，從而提高學(xué)生的注意力與學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]申蔚.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[D].北京：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2001.

[2]單美賢.虛擬現(xiàn)實(shí)與教育相結(jié)合的理論依據(jù)[J].開放研究教育，2001（6）：23-25.

[3]Merchant Z， Goetz E T， Cifuentes L， et al. Effectiveness of virtual reality-based instruction on students' learning outcomes in K-12 and higher education： A meta-analysis[J].Computers & Education，2014（70）：29-40.

收稿日期：2020-04-11

作者簡(jiǎn)介：薛濤[A1]，男，江西贛州人，本科，研究方向：軟件工程。