VR教學的特征及應用模型探究

陳征 覃夢河

摘要：VR作為一種新興的IT技術，為教學手段升級提供了新的解決方案。目前眾多教育領域對VR教學應用前景進行了廣泛的研究，但關于VR教學特征的系統性概括與應用模型研究較少。文章結合豐富的案例研究與VR教學項目實踐經驗，總結出VR教學的6大特性，提出具有參考價值的VR教學建設MIRAI應用模型，給不同教育領域的VR教學建設提供有益參考。

關鍵詞：Virtual Reality;VR教學;教學特征;應用模型

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0099-03

1 引言

VR（Virtual Reality）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統[1]。它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中。其利用計算機模擬產生一個虛擬世界，提供給使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，具備沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、構想性（Imagination），本文概括為I3特性。

VR教學即將VR技術應用于教學過程。VR技術作為一種新的教學工具，亦是一種新的教學手段。VR技術的I3特性符合教學技術的發展趨勢。沉浸式體驗與沉浸式教學完美結合，VR教學具有廣闊的應用前景。雖然目前在教育領域對VR教學應用前景進行了廣泛的探討，但關于VR教學的特征概括與應用模型研究較少，本文結合豐富的案例研究與VR教學項目實踐經驗，開展了VR教學特征、應用模型研究，希望能給相關的教學研究與實踐工作提供參考。

2 VR教學相關背景

教學工具與手段的發展歷經文字、圖形、多媒體。目前，多媒體教學已得到廣泛普及，成為必不可少的教學工具之一。教學技術的發展，旨在將知識更加全面、完整地傳遞給學生，并力爭學生更全面、準確地吸收掌握。知識的表達在傳遞過程中存在衰減，越抽象的表達衰減越嚴重。隨著教學技術的發展，基于VR的沉浸式教學成為一個新的成長方向，“教——學”過程中信息衰減逐漸降低。這一現象可以用圖1形象地描述：

2016年以來，VR教學相關研究與實踐方興未艾。VR教學應用于中小學教育領域。國內黑晶科技首推VR超級教室，涉及天文、地理、物理、化學、歷史等多科目，目前已在國內40余省市落地。VR的沉浸性為中小學生帶來更加直觀形象的知識認知，幫助其理解與提升學習興趣。VR教學在教授抽象概念（電磁波、磁力線）、宏觀事物（宇宙天體）、微觀事物（分子結構、生物結構）、歷史場景、未來場景等方面具有很高的應用價值。2018年，教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知，要求加強虛擬現實技術在教育中的深入應用[2]。

VR教學應用于安全教育領域。日本愛知縣在311地震5周年，采用VR技術模擬地震場景，進行防災自救教學演練。在國內，VR教學越來越多應用于煤礦、高壓電等危險環境作業教學[3-4]。VR的構想性為安全教育領域帶來更加安全、低成本的教學方式。在虛擬的環境中，構建出在現實世界危險、較難出現的特殊場景開展教學，不僅降低了構建現實環境的成本，更加避免了某些真實環境對人員、周邊生態可能造成的危害。

VR教學應用于職業技能培訓領域。美國最早將VR教學應用于軍事技能訓練，結合VR設備開展室內跳傘訓練[5-6]。VR教學給軍事訓練方式帶來深度創新[7]。國泰安教育推出VR焊接教學，實現了焊接技能的實訓教學。VR焊接教學在愛華德州立大學開展了對比研究，通過VR焊接教學的學生綜合認證通過率提高41.6%，耗時節約23%。VR的交互性為職業技能培訓提供了一個虛擬的實訓平臺。基于VR的腹腔鏡手術模擬器已被很多醫院手術技能培訓中心和醫學院引入[8]。VR教學在物流、制造、航空、航天、工業、醫療培訓等領域提供了新的培訓手段升級解決方案。

3 VR教學的特征

根據相關案例研究與VR教學項目實踐經驗，我們發現：VR教學利用VR技術的I3特性，正在逐漸形成具有低成本（low-cost）、高效率（high-efficiency）、高安全（high-security）的新一代教學工具與手段。沉浸性、交互性、構想性與低成本、高效率、高安全共同構成了VR教學的6特性，如圖2所示。

VR教學的6特性為分析VR教學的優勢、當前研究與實踐存在的問題、誤區提供了參考。VR教學的6特性，決定了VR教學的價值與廣闊的應用前景。同時，背離6特性的VR教學建設的價值就會受到影響。值得注意的是，目前VR教學研究與實踐存在兩個誤區，VR作為全新的教學工具與手段也還存在兩個方面的問題。

VR教學研究與實踐存在的兩個誤區：

一是應用建設相互割裂與低成本特性相背離。VR教學構建虛擬的教學訓練環境，代替現實世界構建教學訓練環境。當構建虛擬教學訓練環境的成本遠低于構建真實教學訓練環境的成本時，VR教學的價值得到凸顯。在民航教學訓練領域，VR教學構建的虛擬程序訓練器、虛擬駕駛艙、虛擬維修培訓教室部分代替了成本高昂的飛行模擬機，充分體現了VR教學的低成本優勢[9-10]。VR教學建設的成本主要集中在VR模型構建的成本。在VR教學研究與實踐初期，VR教學應用按照教學科目為單位進行相對獨立的建設，VR教學應用之間相互割裂。用于不同VR教學應用的VR模型不能夠相互復用共享，造成了低利用率、重復建設、成本增加的問題。以民航教學訓練為例，昂貴的實體飛行模擬機可以覆蓋大部分教學訓練科目。同時，VR教學構建的虛擬駕駛艙，若僅用于個別科目的學習，成本就會升高。

二是應用建設重體驗輕教學與高效率特性相背離。VR教學打破了物理環境空間、時間限制，更有利于知識重構與展示。以VR教學應用于需要實地教學的領域為例。虛擬環境中的“空間瞬移”，有效節約教學路途中耗費的時間。VR的沉浸性特性，為教學帶來較好的體驗效果。然而，若重體驗而輕教學，會導致在實際教學過程中，VR教學作為工具與手段較難融入教學過程當中，老師較難接受與掌控，反而導致教學效率降低。實際調研發現，老師普遍反映VR教學消耗課時高于傳統教學。VR教學的交互性給學生帶來更多的自主空間。但是在教學過程中，不能將“教”與“學”的地位完全等同。教學過程強調傳授與反饋，體現在VR教學系統的功能上存在差異。然而，目前多數VR教學單純強調沉浸式體驗，甚至老師與學生只有相同的功能，VR教學退化為VR自學。

VR教學作為全新的教學工具與手段也仍然存在兩個方面的問題：

一是VR硬件設備正在快速迭代成長但還未普及。2016年，消費者版本虛擬現實頭盔OculusRift正式發售。同年，虛擬現實頭盔HTC Vive發售，并提供BE（商業版）版本。VR逐漸走進大眾視野。2018年Vive Pro發售，其分辨率達到2880×1600，高分辨率提供更清晰的畫面，整體VR體驗變得更流暢。設備便捷性方面，VR一體機異軍突起。2019年，Oculus Quest率先實現一體機6向自由度（6DoF），它提供了6Dof的同時，提供了更好的人體工程設計、多模式應用與VR 5G云功能[11]。VR技術的發展解鎖了更多的VR教學應用需求。同時，不可否認的是VR硬件設備的易用性還需要進一步提高，VR硬件設備還未普及。在實際的VR教學過程中，由于VR設備未普及，很多學生第一次使用VR頭盔。初次使用的學習成本必須考慮到VR教學的建設過程中。在當前硬件條件下，老師對設備的熟悉程度要遠高于學生，不能用老師接受程度作為VR教學建設的易用性標準。VR教學設計過程中，學生的操作需要盡量地簡單易用。

二是VR教學缺乏VR教學平臺支撐[12]。缺乏教學平臺支持的VR教學退化為單機版應用。作為單獨的應用適用于VR游戲、VR參觀體驗卻不適用于VR教學。知識傳授的過程是靈活多變的。變化體現在兩個方面，其一、不同老師、不同學生的教學風格、學習重點存在差異;其二、教授的教學點本身也會出現變化。VR教學中的變化在流程類、規范類教學中尤為突出。若VR教學不能支持教學內容的調整，當教學內容發生變化后，相應的VR課件就失去了教學價值。VR教學平臺提供VR教學關于資源、工具的支持，是VR教學具有持續生命力的重要保證。當前，學界與企業均認識到平臺對為VR教學的重要性，提出VRPPT的類比概念，提出了像編輯PPT一樣編輯VR的平臺建設目標[13]。

本文認為在將VR教學手段應用到各教學領域中時，應注意避免以上兩個誤區，并注意彌補VR作為全新的教學工具與手段存在的兩個問題。

4 VR教學的應用模型

VR教學6特性對VR教學表現出來的特征進行了較為全面的抽象總結。在此基礎上，本文結合大量的VR教學應用案例，通過分析當前VR教學研究、實踐中存在的誤區與問題發現：盡管VR教學在不同教學領域有著不同的特點、差異，但是其應用模型相對一致。該發現對指導VR教學平臺建設具有一定價值。筆者將VR教學應用呈現的模型概括為MIRAI模型，如圖3所示：

4.1 Modeling，即以模型為基礎

VR教學以模型為基礎。VR模型不僅是構建沉浸式體驗虛擬環境的基礎，也是VR交互式設計的基礎。

構建沉浸式體驗虛擬環境的手段，除了VR模型構建外，還包括720度全景圖、VR動畫與VR視頻多種方式。目前，以720度全景圖為代表的構建方式，大量應用于房地產營銷、旅游景點介紹領域。然而，這些手段構建出來的場景難以開展多人教學互動、交互性差、靈活性差，并不適用于VR教學領域。

4.2 Interaction，即以交互為核心

VR教學以交互設計為核心。VR交互設計的過程即是，將教學知識、知識反應的交互規律、現象內置于軟件系統的過程。其本質是利用交互實現信息的輸入輸出，達到教學培訓的目的，包括人機交互設計和教與學的交互設計。

人機交互設計受到硬件設備的制約，VR硬件設備的快速迭代發展，VR交互方式越來越多樣化，越來越符合人體自然動作交互。隨著聽覺全向三維定位、跟蹤技術的發展，部分VR頭戴式顯示設備（頭盔）不僅實現了對體驗者視覺模擬，而且集成了3D空間化聲效的耳機[14]。教與學的交互設計即教學過程中，老師提問，學生反饋;學生提問，老師反饋;老師演示，學生觀摩。教與學的充分互動是保障教學效果的關鍵。VR教學中，學生的自主空間更大，卻不能忽視老師對學生學習狀態、進度的控制。

4.3 Reusable，即模型可復用

模型可復用極大地降低了VR教學的建設成本。VR模型是構建虛擬現實場景與VR教學交互的基礎，同時也是VR教學建設成本主要部分。主要體現在功能設計上，可描述為模型可查、可用、可改、可分享這一閉環的過程。一個VR教學課件包括的VR模型多達數千個。Sketchfab是著名的VR模型資源網站，模型數量已超過75萬。面對海量的VR模型，構建模型庫，實現模型的組織與管理，是實現模型可查的基礎。目前，絕大多數VR硬件設備對主流的VR模型文件格式均兼容，包括Unreal Engine 4、Unity3D等開發引擎對主流VR模型格式文件實現互轉，并支持可視化編輯。

4.4 Adjustable，即課程可修改

課程可修改賦予了VR教學持久的生命力，也是VR教學與其他VR應用在功能需求上最大的差異之一。

VR課程不是一成不變的，VR教學平臺需要提供VR課程編輯功能，對VR課程進行二次編輯。課程可修改的權限需要掌控老師手中。VR課程的編輯比傳統PPT課件的修改更加復雜。類別傳統PPT的修改，VR課程編輯除了對素材（文字、圖片、音頻、視頻）的增刪查改，還包括流程編輯、場景編輯等高緯度修改。

4.5 Independent，即課件可獨立發布

課件可獨立發布有效提高VR教學使用的靈活性。基于統一的平臺開展VR教學課件的開發，VR教學課件之間在教學功能上相對獨立。針對不同需求設計開發的VR應用之間共享統一的系統管理、基礎資源。目前，VR應用普遍采用C/S架構，在平臺的基礎上，僅安裝教學需要的課件，能夠節約終端設備的資源消耗，在推廣VR教學過程中更加靈活。

5 結語

綜上所述，VR技術作為一種新興的IT技術，為升級、優化、創新教學訓練工具、手段提供了新的解決方案。本文從VR教學的研究與實踐現狀出發，總結出VR教學價值體現的6特性，并以該6特性為參考，分析了VR教學存在的問題與誤區，提出了可用于建設VR教學平臺的MIRAI應用模型。2020年，VR教學再次成為技術應用熱點，VR教學平臺建設相關研究也逐漸成為關注重點，相信本文能給相關的教學研究項目與實踐工作帶來一定的啟迪與指導意義。

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【通聯編輯：王力】