虛擬現實技術在高等教育中的應用研究

羅國亮 車仝 王睿 肖美華 張巖

摘? ?要：傳統高等教育的形式在實施當中存在與前沿技術脫節、概念抽象等諸多局限性，探索基于新技術應用的高等教育方法迫在眉睫。文章基于虛擬現實技術的交互性、沉浸性等特點，以《操作系統》課程為例，提出基于虛擬現實技術在高等教育中的應用框架，重點設計了包括教學管理平臺和學生學習空間兩個子系統的虛擬現實教學系統，并論述了其部署、應用場景，并進一步研究和探討基于虛擬現實技術的授課及課堂討論、課程任務提交和實驗形式的實施方案。最后，結合虛擬現實技術特點及產業化發展現狀，分析虛擬現實技術在高等教育應用中的優勢，針對硬件設備瓶頸和內容制作等約束問題探討相應優化方案。

關鍵詞：虛擬現實技術;高等教育;教學系統框架;交互性;《操作系統》課程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：B? ? 文章編號：1673-8454（2021）12-0037-06

一、引 言

隨著計算機圖形學、計算機仿真技術等領域的不斷發展，虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術產業化的高速增長引發了各界對于VR教育游戲、基礎學科教學和專業技能教學等領域應用的不斷嘗試[1] [2]。就目前而言，沉浸式虛擬現實技術在教育界的應用基本上還處于初步的試探性階段，對于發展建設新工科，建立更加多樣化和個性化的工程教育培養模式有著重要的意義[3] [4]。

虛擬現實技術是基于多媒體計算機技術、傳感技術、仿真技術生成三維逼真的虛擬環境的技術[5]。Burdea G.和Philippe Coiffet定義虛擬現實技術的基本特征得到較多研究者的認同，包括交互性、沉浸感、想象性[6]。其中，交互性（Interaction）是指用戶在虛擬環境下對于虛擬對象的可操作性和得到反饋的自然程度。沉浸感（Immersion）是指虛擬世界中的多重表征和感官刺激帶給人身臨其境的感覺，如同在客觀的現實世界中一樣。想象性（Imagination）是指用戶根據在虛擬世界中得到的信息和自身行為，通過邏輯判斷、推理和聯想等思維過程，對未來進展進行想象的能力。

使用者戴上特殊的頭盔、數據手套等傳感設備或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，以及頭部、身體的追蹤裝置，確保身體運動和環境精確匹配后，將使用者的視覺、聽覺與外部隔離，進入虛擬空間，成為虛擬環境的一員，感知和操作虛擬世界中的各類對象，在虛擬場景中進行指向、選擇和縮放等動作以及手勢交互，從而獲得沉浸的感受和體會。從20世紀90年代開始，虛擬現實技術逐步由概念性產品轉向實際應用，包括軍事、科學與工程環境的模擬與仿真、教育與訓練、醫學、商業、藝術與娛樂等多個領域[7]。

2016年被稱為“虛擬現實技術元年”，在各大商業公司的推動下，虛擬現實技術進入全面發展階段，也出現了一些適合在高等教育教學活動使用的商業化產品[8]。高嵩等[9]提出重構VR教育中的VR技術屬性，以避免在VR教育研究中產生研究方法與價值判斷之間的矛盾。其包括四類屬性（如圖1所示）：①虛擬現實是對象的技術，體現在VR眼鏡與頭盔等方面;②虛擬現實是過程的技術，體現在VR虛擬與仿真體驗等方面;③虛擬現實是知識的技術，體現在VR虛擬場景與圖形合成方面;④虛擬現實是意志的技術，體現在仿真與虛擬學習思維等方面。

通過對以上四種技術特性的闡述，我們可知VR教育研究的價值取向在于解放人性，有效地應用虛擬現實技術到日常教學當中，將有助于實現工具理性和價值理性的和解。

二、傳統高等教育面臨的挑戰及局限性

隨著人們的生活方式因科技發展而產生變化以及高等教育理論研究的不斷推進，高校中的傳統教育模式逐漸顯現出其局限性，給教師和學生帶來冗余的業務負擔，不利于為高等教育注入新的活力。傳統高等教育形式面臨的挑戰及局限性主要表現為以下四個方面：

1.新興技術如VR、人工智能等發展迅速

當今社會發展越來越多地依賴信息技術的發展，繼互聯網改變人類社會生活方式、促進生產力提高之后，VR、人工智能等技術作為炙手可熱的新興技術，即將掀起一波新的浪潮，造成各類傳統領域受到沖擊與影響。具體而言，各類新型技術與產品的應用，在一定程度上增加了客觀數據的維度，且教育活動的實施場景可進行個性化設置和真實化呈現或交互，為現有教育范式的變革提供了契機[10]。

2.傳統教育方式對學生抽象理解能力要求高

在計算機專業相關課程中，采用教師傳統課堂授課的方式進行教學，對于提升學生理解知識的效果并不理想。其主要原因在于課程當中的知識點較為抽象，且現實世界中無法直接觀察到數據在計算機當中的變化過程，僅憑教師的語言講授，學生難以理解和復現一些抽象的數據結構和算法過程。同時，學生在聽課過程中亦容易出現理解上的偏差，從而對所學課程倍感枯燥，造成學生課堂參與程度不高的困局，使后續過程的教學活動無法順利實施。

3.傳統教育方式加重了教師教學工作負擔

由于統一制定的教學計劃和規定課時的限制，教師在傳統教育模式中不得不將教學重心放在完成教學計劃規定的內容上，以達到講授知識的完備性。由此造成課程的重復、機械性教學，教學進度難以根據學生狀況調整，使得教學質量不佳。學生在這樣的模式下學習，無法在教學過程中進行主動思考，對所學知識進行遷移形成體系，學科思維較難得到合理的培養和建構。

4.傳統教育方式導致教學管理過程繁瑣

在教師對學生的成績評估問題上，傳統課堂通常采用計算出勤率、課堂提問、課后作業以及結課考試等方式進行，所有的評估項一般都由教師拿著表格逐個記錄，在期末成績評定時，再將所有評估項按記錄進行總分加成。這種課程管理方式的整體過程難以準確評定每位學生的真實學習狀況和學習成果，只能在教師合理制定的情況下，對大部分學生有相對公正的判斷。不僅教師在制定評定規則、判定、統計等方面非常繁瑣，學生在反饋不佳的情況下亦容易產生抵觸情緒，從而只為應付分數而學習，忽略了課程學習過程中對自身思維和學習能力的鍛煉。

綜上所述，傳統高等教育在計算機科學人才培養中呈現的局限性亟待解決和改進，應充分利用目前已有的先進技術與先進教育理念的結合，結合教學實踐，提出將虛擬現實技術應用于高等教育的方案。

三、虛擬現實技術在高等教育中的應用框架

虛擬現實技術在高等教育中的應用框架——以《操作系統》課程為例，主要由虛擬現實教學系統、《操作系統》課程的授課及課堂討論、《操作系統》課程的任務提交和實驗以及《操作系統》課程的算法流程模擬四部分組成。

1.虛擬現實教學系統

首先，師生日常教學活動的有序進行，需要合理設計虛擬現實教學系統以提供基礎。考慮到該系統需要為學生提供適應個性化用戶的學習視圖，包括個性化資源和學習過程以及策略，其整體應當分為教學管理平臺和學生學習空間兩個子系統（如圖2所示）。

（1）教學管理平臺

教師通過瀏覽器進入教育系統主頁，以教師權限登錄系統，進入教學管理平臺。課前，教師將教學所需的學習資源上傳至教學管理平臺，存儲至數據庫。課程開設期間，教學管理平臺提供相關功能，輔助教師及時了解學生的學習情況、有效制定授課及評估策略、加強師生課堂內外的交流與聯系。課程結束時，由該平臺輔助教師完成結課成績的評定工作，并發布至學生系統。

（2）學生學習空間

學生通過瀏覽器進入教育系統主頁，以學生權限登錄系統，進入學生學習空間。學生在校期間的學習數據都將存入多用戶數據服務器上的個人賬號中。學生在學習空間提供的不同類型虛擬空間中，將完成一系列課堂內外的學習活動，如預習、聽課、討論、交互式任務提交、實驗、測試等。課程結束后，最終成績將在學習空間發布給學生個人，一系列相關學習信息也將追加至服務器。

相比傳統教學模式，本文提出的虛擬現實教學系統幫助用戶更便捷地使用高校已有的圖書資源和網頁資源，使學生在虛擬現實環境下完成預習、聽課、測驗、實驗、討論交流等多個教學環節。根據這些需要，設計了虛擬現實教學系統的可選虛擬空間環境，其中包括虛擬報告廳、虛擬體驗區、虛擬實驗室、虛擬圖書館、虛擬展廳、虛擬咖啡廳等。

①虛擬報告廳：包括講臺、桌椅、投影系統、音響設備、電子白板等設施，用于教師講授知識，學生交流、匯報學習成果。

②虛擬體驗區：包括操作系統形象化場景、各類數據模型、提示窗、答題板等設施，提供算法演示功能，用戶的虛擬化身可以化為任何一種數據模型，在虛擬空間中體驗程序運行過程中數據的變化。

③虛擬實驗室：包括虛擬編譯環境、任務提示器、計時器等設施，用于個性化監測評估學生的學習效果，提供團隊協作比賽功能。

④虛擬圖書館：包括參考咨詢大廳、圖書閱覽室等設施，提供有關課程的各種學習資源，便于預習和復習以及提供使用幫助。

⑤虛擬展廳：包括圖片展板、投影系統、虛擬講解員等設施，用于介紹所學課程的歷史發展和應用領域。

⑥虛擬咖啡廳：包括桌椅、吧臺等設施，提供學生、師生之間課外交流的虛擬場所。

學生可先由虛擬展廳了解所學課程的歷史發展和應用領域，對所學課程有大致的了解和學習興趣，再進入虛擬報告廳聽取教師的授課和在虛擬角色環境下進行課程討論。在學習一些復雜算法和過程時，根據系統的引導，進入虛擬體驗區，觀察數據模型的形象化展示，并且可重復對未掌握的知識點進行練習。在教師發表虛擬空間實驗指導時，可進入虛擬實驗室進行相應的實驗，在限定的時間內完成相應的任務。課后，學生可自行進入虛擬圖書館查閱資料，或進入虛擬咖啡廳與同學、教師進行課下交流。

上述虛擬現實教學系統為學生提供了學習過程所需的完整虛擬空間，合理的分布式結構便于日常的教學管理，通過各個不同功能的空間轉換，使學生跨越現實世界的限制，投入自身的學習生活，更好地掌握學習的主動性。

2.《操作系統》課程的授課及課堂討論

近年來，MOOCs的快速發展使得在線教育得到廣泛的應用，促進了高等教育的變革[11]，將優質在線課程引入《操作系統》課程的課堂教學中，能進一步提升VR融合遠程教育教育資源的可行性和優勢。虛擬環境下，MOOCs的場景更為真實，學生可通過瞬移功能進行各類空間的轉換，在觀看遠程VR課程學習《操作系統》時，能獲得置身于授課場地之感，從而拉近師生空間上的距離。

同時，教師借助MOOCs資源對于課程的講授仍然具有較大的靈活性，例如教學視頻的選擇、必要的補充講解和思維引導，都影響著教學效果[12]。優質的MOOCs資源使得概念和原理的講解角度更為多樣化，對于引發學生興趣和主動探究也大有裨益。而《操作系統》課程中的部分概念和原理過于抽象，學生在短時間內對講授知識點的理解有限，此時課堂討論就顯得尤為重要。在課程內容討論的過程中，學生和教師通過選擇各自的虛擬角色進行交流，打破了常規課程的枯燥模式，有利于提升學生交流思考的積極性。

如圖3所示，本文提出的虛擬現實教學系統模塊主要分為管理系統、資源系統、交互系統、評價系統四大功能部分。

（1）管理系統

為學生選課、注冊以及預習等課前準備階段提供相應的功能。

（2）評價系統

包括成績模塊、測驗模塊以及實驗的心得報告模塊。為了提高課程教學質量并不斷改進，還設置了追蹤學生狀態的交互評估模塊和學生評價系統問卷調查模塊。

（3）交互系統

虛擬編程模塊作為虛擬實驗室的重要組成部分，為學生提供模擬實驗的環境;答題模塊則設置在聽課期間，引導學生思考、便于教師掌握學生的學習情況;聊天模塊和郵件模塊則為師生的課下交流提供工具。

（4）資源系統

包括教師上傳的課件、作業以及圖書館的電子書資源和網絡瀏覽器當中查詢的資源，為學生的課程學習提供必要的資源。

虛擬現實環境下的《操作系統》課程，在交互系統和評價系統提供的功能輔助下，能在聽課過程中通過答題模塊不斷給出引導和任務，促進學生主動思考，在模擬實驗中通過虛擬編程模塊提供的良好虛擬機環境，并通過交互評估模塊反饋學生狀態，使系統根據學生當前的學習狀態進行及時的教學調整。

3.《操作系統》課程的任務提交和實驗

在虛擬現實環境下，通過給出課堂任務進行交互，能個性化監測評估每位學生的學習效果，給出相應的指導提示，幫助學生主動、高質地完成相關內容的學習。例如在講授內存保護相關知識的過程中，由系統抽取一些先導性的問題顯示給學生，使學生對內存保護機制先有主動的思考和設想，再學習課本上設置界限寄存器的方法。并且在教師授課過程中，系統給出一些相關的小問題，學生提交后，教師能更直觀地通過系統了解學生的學習狀況，對于學生較難理解的知識點，可以及時進行詳細講解。

由于Windows、Linux等主流操作系統內部機制過于復雜，不利于學生在學習操作系統原理時進行實驗，而使用Raspberry Pi實現真實機器上的代碼又存在一定的難度和限制。為此，采用虛擬現實技術為學生提供合適的小型虛擬機，可使學生將精力放在理解基本的原理與過程上，并且享受動手編碼的樂趣。同時，使用虛擬現實技術將教師給出的實驗指導形象化，便于學生理解實驗任務和明確目的。例如，對FIFO、LRU等經典算法的模擬，學生可在VR場景下查看系統給出的形象化實驗要求，觀察頁面如何由對換區和文件區換入換出，各類情況下不同種算法的性能對比。使學生在理解算法的基礎上，設計合理的數據結構，編制模擬程序，提交給系統并觀察實驗結果。

如圖4所示，本文提出的虛擬現實教學系統通過在系統內部建立學生模型、教學模型、評估模型與學生交互，構成了完備可行的交互架構。

（1）學生模型

學生登錄個人學習賬號后，系統通過評估學生已有的知識基礎建立該生的學生模型。

（2）教學模型

根據學生模型的情況生成教學模型，向學生呈現教學內容。

（3）評估模型

根據教學模型的教學內容，生成評估模型，向學生提出學習建議和問題，學生提交對問題的解答，用以生成反映自身學習情況的相關參數。

（4）學習記錄、進度標識

由評估模型對比學生解答和計算機中的答案生成學習記錄（例如學生是否理解掌握知識點）、課程學習的進度標識等重要信息，用以更新相應的學生模型，形成反饋循環。

虛擬現實交互系統依據學生情況不斷更新適合學生的教學內容，對于較難理解的算法流程模擬教學，得以在借助虛擬現實技術將抽象問題形象化的基礎上，為學生的個性化練習提供良好的交互性，提高學習效率。

4.《操作系統》課程的算法流程模擬

如何理解較為抽象的概念和復雜的算法過程，是學生在以往教學過程中最為棘手的問題。在虛擬現實教學系統提供的虛擬體驗區內，則可進行相應的形象過程模擬，將枯燥的概念知識點化為可見的模型，期間輔以系統提示引導學生逐步學習所學知識，使其有意識地進行重復觀察和嘗試。必要時學生還可化身數據元素視角進入模型，觀察過程中的數據變化。

例如，對于《操作系統》課程中存儲器管理相關知識的教學，VR場景可以模擬為多道程序分配內存空間以及裝入和鏈接的動態過程，通過學生的學習情況反饋，著重呈現學生尚未理解到位的部分，使得學生對于使用不同算法如何減少碎片空間有具象的認識和體會，更好地分析理解內存動態分配和靜態分配的異同。而像對段頁式存儲涉及地址變換這類硬件相關又難以直接觀察到的復雜過程的理解，采用VR場景則可以展現微觀的數據模型和相關指令，使學生對于變換過程中指令和數據的變化有更生動和清晰的理解，同時增強了趣味性，如圖5所示。

上述流程表明，在虛擬體驗區內采用可視化模型逐步分解算法步驟，根據學生在每個步驟的問題任務提交情況，系統能個性化地引導學生根據自身學習程度對算法細節進行反復揣摩、各個擊破，從而使學生深入理解整個算法流程，減輕師生教與學的負擔。

四、虛擬現實技術在教學中的優勢分析

基于上述情況，以《操作系統》為例介紹VR技術在高等教育中的應用框架，其在該高等教育教學中的優勢主要如下：

1.虛擬現實技術教學應用幫助學生理解抽象概念和流程

虛擬現實技術的想象性使得其應用于教學時有對抽象符號的具體化呈現，提高了學生對于知識點的感性和理性認識，進而深化概念并引發其新的聯想。虛擬現實教育空間提供的各類功能，作為良好的知識可視化工具，既有利于學習者更直觀地了解所學的知識、深入掌握知識組件及其內在聯系，又提供將學生所學知識通過流程圖、思維導圖等形式表示出來的合理途徑， 便于教師、學生發現知識建構過程中存在的問題。

2.虛擬現實技術教學應用打破課堂在時間和空間上的約束

虛擬現實技術對MOOCs引入教學提供了更優質的沉浸體驗，根據雙重編碼理論，視覺信息與聽覺信息組合呈現相比單獨使用更能刺激學生選擇、組織和加工所接收到的信息，從而進一步提升學生的學習效果[13]。將視、聽覺和交互實踐結合，課堂效果將得到進一步提升[14]。通過虛擬現實環境下個性化學習環境的創設，學生只需穿戴虛擬現實設備，在教室里便可實現多種空間的轉換，由此得以充分利用遠程的優質教育資源，打破課堂在時間和空間上的約束。

3.虛擬現實技術教學應用提高學生學習主動性

虛擬現實技術使師生以角色扮演的方式，在虛擬情境下通過自己選擇的角色進行交流成為可能，將學生由知識的被動接受者轉變為信息加工意義建構的主體[6]。對于《操作系統》這類較為抽象的計算機基礎課，將轉變傳統方式下教師講授為主的情況，使學生以打破現實環境禁錮的方式成為新視域下的主動參與者。在這種情境下，學生主動進行的學習和社會互動能持續地挑戰已有的經驗，促進新知識形成良性循環。

4.虛擬現實技術教學應用增強學生在課程中的參與感

虛擬現實技術的交互特性，使學生參與獲得知識的整體過程，而不局限于低效的傳統聽課模式，學習和探索如何確定學習目標、選擇學習方法、監控學習過程、評價學習結果。對于《操作系統》這類邏輯性強、知識體系較為結構化的課程，學生在反饋信息的交互作用下保持高度參與，使每個學生成為自身的課堂中心，養成對課程知識體系的準確掌握和解決實際問題的能力，合理檢測學習成果，最終達到課程要求。

五、虛擬現實技術在高等教育應用中存在的問題和改進方案

與此同時，VR技術作為一種快速發展的新興技術，在高等教育中的應用還存在以下一些問題：

1.設備性能問題

硬件方面，VR頭顯存在使用者頭暈、設備發熱耗電、高端頭顯配置麻煩以及線纜等問題。當前45人以上的用戶同時連接、下載VR內容將對網絡產生較大壓力。

改進方案：考慮設置定時休息提示，避免長時間佩戴頭顯為使用者帶來的不適。引入“瘦終端”設備，將大量數據處理任務轉移至云端。改進網絡基礎設施和部署WAN（特別是5G）以提高整體帶寬，部署可靠性更高的WiFi基礎設施至建筑物中，方便建立一對多的連接。在網絡邊緣投入云計算和CDN，確保內容高效分發和傳輸。

2.課堂設計、制作問題

虛擬空間模型的“第一人稱”視角可能阻礙學生的遷移和發散性思考。豐富的視覺元素可能分散學生對關鍵內容的注意力，造成認知負荷超載[15]。模型和場景的制作成本較高，創建的內容很難標準化，版權保護存在一定問題。

改進方案：在課程的制作中注重模型的合理設計，并在交互模型中設計遷移對比知識的相關引導問題。簡化演示空間的視覺元素，在關鍵內容出現時給出提示和對應的問題。采用一些運營商內容服務平臺提供的模塊化組件和開源軟件工具，構建高質量的教學應用。

3.課程測評問題

系統任務的提交情況作為反映學生參與教學活動狀態的主要部分，是影響最終成績評價的重要指標，而每位學生在上課過程中與系統的交互情況各不相同，若沿用傳統教學的評定方法，將難以制定公平的測評標準。

改進方案：為交互評估模塊設計合適的統計模型和算法合理評定成績，以學生提交答案反映出對知識的掌握程度達到課程要求為準，必要時應當由教師布置相應的綜合任務進行人為判斷。

六、結語

虛擬現實技術在影視制作和游戲等領域的成熟應用，使得該新興技術受到人們的廣泛關注。如何將新技術的優勢應用于高等教育領域，對于突破傳統教育形式的教育改革有著非凡的意義。針對計算機科學傳統教學中存在的知識點過于抽象、難以理解導致學生興趣不高、教學質量較低的問題，本文以《操作系統》課程為例進行了虛擬現實技術應用的探究，依據相關的學習理論，合理設計了集成的虛擬現實學習環境，旨在為學生提供主動學習的良好環境，并減輕教師在教學統籌和管理上的負擔。

目前VR教育的相關研究正方興未艾，盡管大量的研究表明，虛擬空間對學生學習有積極的作用，但如何提升學習者的感官體驗和提供更加智能適度的交互，仍然有很多值得探究和挑戰之處。未來應用虛擬現實技術的教育改革方案，應當發揮優勢而不濫用，使工科高等教育發展有自由而蓬勃的動力。

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（編輯：李曉萍）