VR技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

尹范琪 吳燦琴 宋曉丹

(江西科技學(xué)院 管理學(xué)院，江西 南昌 330000)

0 引言

“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”背景下，以大力推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)等新興行業(yè)的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，形成一批穩(wěn)定的新增長點(diǎn)。確定以人才培養(yǎng)為核心，以科技創(chuàng)新為中心，并將推動(dòng)科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)有機(jī)結(jié)合，更多地發(fā)揮優(yōu)勢引領(lǐng)發(fā)展。因此，國家致力于面向投資發(fā)展VR相關(guān)產(chǎn)業(yè)。數(shù)據(jù)顯示， VR、AI、智能制造等已稱為全球技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)，逐步向消費(fèi)者日常生活滲透，為傳統(tǒng)行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供了創(chuàng)新技術(shù)。

不斷增長的人口數(shù)量對(duì)人口素質(zhì)提出了更高的要求，而科技的快速發(fā)展對(duì)人才的培養(yǎng)提供了更多的方式。虛擬現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)教育方式即將帶來變革，它將以往教育學(xué)生被動(dòng)接受的形式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)和探索。學(xué)生在網(wǎng)上虛擬教室置身于生動(dòng)、逼真的課堂中。這種帶有知識(shí)技能的VR課程，為學(xué)生帶來了無限虛擬體驗(yàn)，加深學(xué)生的學(xué)習(xí)印象，使學(xué)生學(xué)有所成。

1 VR虛擬技術(shù)介紹

1.1 概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種能夠創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)， 它利用計(jì)算機(jī)生成一種交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，其實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，它在多維信息空間上創(chuàng)建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，并有助于啟發(fā)構(gòu)思。所以說，沉浸-交互-構(gòu)想是VR環(huán)境系統(tǒng)的三個(gè)基本特性。虛擬技術(shù)的核心是建模與仿真。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

VR不僅僅被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖象領(lǐng)域，它可以涉及更廣的領(lǐng)域，如電視會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布計(jì)算技術(shù)，并向分布式虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的重要手段。其中，協(xié)同工作虛擬現(xiàn)實(shí)是VR技術(shù)新的研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，它引入了新的技術(shù)問題，包括人的因素和網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。如人的因素，需要考慮多個(gè)參與者在一個(gè)共享的空間中如何相互交互，虛擬空間中的虛擬對(duì)象在多名參與者的共同作用下的行為等。我們著重研究VR技術(shù)在教育方面的運(yùn)用。

1.3 特性

(1)沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在如今更多的是借助人體感知器官，這樣手指就成了很重要的媒介。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，認(rèn)知更加依靠觸覺，知識(shí)面開始受制于手指對(duì)于觸摸的影響。在觸摸時(shí)與觸摸屏進(jìn)行交互，再通過視覺、聽覺完成一系列想象的操作。全景應(yīng)用的沉浸性現(xiàn)階段多還是依靠頭戴式顯示器，通過顯示器展示的視野范圍廣闊，達(dá)到了人類正常的視線范圍。現(xiàn)下有的頭顯能夠擁有100度的視野，已經(jīng)接近人眼約120度的視覺范圍。這一功能可以讓人們忘記自己戴有設(shè)備，更深入沉浸在虛擬世界之中。

(2)交互性。按照交互性的特征，VR應(yīng)用進(jìn)一步加強(qiáng)了交互式體驗(yàn)。從只有消費(fèi)者感官輸入的被動(dòng)式體驗(yàn)(沒有任何對(duì)消費(fèi)的中間媒介產(chǎn)生任何影響的輸出)到消費(fèi)者可以對(duì)虛擬環(huán)境中物體的可操作能力和從中得到反饋，這體現(xiàn)從被動(dòng)式到交互式的一大進(jìn)步。在虛擬世界對(duì)里面的物體進(jìn)行隨意改變，VR技術(shù)將成為這一重要媒介。

(3)想象性。總體來說，全景應(yīng)用的想象性就是基于沉浸性，依據(jù)互動(dòng)性增加知識(shí)的同時(shí)，提高自己的理性和感性程度，拓展聯(lián)想和想象能力，從而啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維。使用者在虛擬環(huán)境中，可以依據(jù)虛擬環(huán)境中傳遞出來的信息，在自身系統(tǒng)中進(jìn)行一系列意識(shí)行為與物體互動(dòng)后，根據(jù)自己的邏輯、聯(lián)想等能力，將虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中沒有直接展現(xiàn)的畫面和信息想象擴(kuò)充并進(jìn)行物像化，發(fā)揮創(chuàng)造力。

2 VR技術(shù)在教育中的應(yīng)用

2.1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

20世紀(jì)以來，VR技術(shù)是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，它可以運(yùn)用于中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，通過對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的一些危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，可以解決現(xiàn)實(shí)生活中遇到的實(shí)踐教學(xué)困難等。VR 技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，可以為學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和熱情，有助于學(xué)生知識(shí)的掌握，鍛煉基本技能，提高學(xué)習(xí)效率[1]。

如果利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)交互性的特點(diǎn)構(gòu)建虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行危險(xiǎn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，既避免學(xué)生操作不當(dāng)而受傷，又為學(xué)生提供生動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境、得到實(shí)踐鍛煉、豐富想象力，從而掌握學(xué)科的重難點(diǎn)。學(xué)生穿好智能感應(yīng)設(shè)備后，就會(huì)置身于一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器齊全，實(shí)驗(yàn)藥品豐富的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以通過移動(dòng)身體來配取藥品、操作儀器，以此來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與現(xiàn)實(shí)生活中進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的感覺相同，但又不存在實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)，充分鍛煉的學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

2.2 青少年交通安全知識(shí)普及教育中的應(yīng)用

近年來，我國的科技取得了飛速的進(jìn)步，人們的生活也隨之發(fā)生巨大的改變。隨著我國科技發(fā)展和人們生活水平的提高，交通工具如汽車、火車、地鐵、飛機(jī)等相繼出現(xiàn)，給人們出行帶來便利的同時(shí)，也出現(xiàn)了交通安全事故。2019年我國發(fā)生的重大交通事故就高達(dá)38起，造成了不同程度的人員傷亡[2]。然而青少年缺乏相應(yīng)的安全意識(shí)，尤其是在交通安全方面。因此，在交通安全教育方面使用虛擬技術(shù)具有重要意義。

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的出現(xiàn)，豐富了交通安全宣傳教育方式。宣傳者可以利用VR對(duì)現(xiàn)實(shí)生活的交通情況進(jìn)行全景模擬，到學(xué)校進(jìn)行交通安全主題教育宣講會(huì)，讓學(xué)生參加并體驗(yàn)。一方面，利用虛擬技術(shù)仿真模擬現(xiàn)實(shí)生活中的交通環(huán)境，讓青少年身臨其境融入到環(huán)境中去，體驗(yàn)不同的交通行為，可以幫助青少年學(xué)習(xí)交通安全知識(shí)，還能幫助青少年們提高明辨是非的能力，以此來提高青少年的交通安全意識(shí)；另一方面，還可以通過模擬現(xiàn)實(shí)生活中的各種違反交通法規(guī)的行為，如闖紅燈、酒駕等場景以及違反規(guī)則可能導(dǎo)致的后果。在保證青少年能夠接受的前提下，讓他們適度體驗(yàn)這些場景，感受缺乏交通安全知識(shí)和違反交通安全法規(guī)的后果，從而促進(jìn)他們交通安全意識(shí)的形成。

2.3 沉浸式閱讀中的應(yīng)用

相對(duì)于普通閱讀方式，VR 技術(shù)在沉浸性、交互性和想象性等方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，這與數(shù)字教育出版所具有的快速交互能力的特點(diǎn)及構(gòu)建能夠獲得最好效果的學(xué)習(xí)支持系統(tǒng)的需求相吻合[3]。VR不僅在教育方式帶來巨大革新，也改變了未來人們閱讀方式。如提出“VR閱讀”概念的企業(yè)，將傳統(tǒng)書籍場景化通過全景應(yīng)用將讀者置身虛擬閱讀場景與知識(shí)內(nèi)容互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了真正的“讀萬卷書，行萬里路。”

與普通閱讀相較而言，VR全景沉浸式閱讀讓讀者處于一個(gè)可聽、可看、可以用身體感受的環(huán)境中，可以通過模擬現(xiàn)實(shí)和立體形象展示將書本抽象難懂的概念準(zhǔn)確表達(dá)出來，更加有利于讀者理解。不僅如此，VR全景沉浸式閱讀層層遞進(jìn)，將文字轉(zhuǎn)換為畫面、圖片等，有利于加深印象，便于記憶。依托于 VR 技術(shù)，知識(shí)內(nèi)容被構(gòu)建于三維立體環(huán)境中，為讀者提供“穿越”到特定場景的閱讀體驗(yàn)[4]。因此，運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行閱讀還解決了讀者想象力不足的問題，突破讀者自身能力水平的框架限制。

3 VR技術(shù)在教學(xué)中運(yùn)用的意義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在支持學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)、支持技能實(shí)訓(xùn)、支持語言學(xué)習(xí)、支持特殊兒童教育等方面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的潛力源于其在激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、創(chuàng)造心理沉浸感、實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識(shí)更新等方面的優(yōu)勢。VR技術(shù)是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，也是學(xué)生獲取知識(shí)的重要方法，VR模擬技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用具有以下意義。

3.1 保障實(shí)驗(yàn)時(shí)人員安全

現(xiàn)實(shí)生活中學(xué)校的教學(xué)安全已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)話題，在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能會(huì)碰到硫酸等強(qiáng)腐蝕性的化學(xué)試劑以及一些有毒的化學(xué)藥劑，而學(xué)生由于經(jīng)驗(yàn)不足，在實(shí)驗(yàn)過程中一旦操作失誤便會(huì)造成安全事故。運(yùn)用VR技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)試劑和化學(xué)藥品豐富，滿足學(xué)生的需求，更主要是學(xué)生不會(huì)直接碰到這些危險(xiǎn)的化學(xué)藥品，不會(huì)對(duì)身體造成傷害。即使在操作過程中失當(dāng)，也不會(huì)造成教學(xué)事故，并且逼真的操作反饋可以規(guī)范學(xué)生的操作，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。學(xué)生還可以切身感受化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，便于學(xué)生學(xué)習(xí)提高。因此，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)不僅可以避免此類安全事故發(fā)生，還能使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)習(xí)積極性

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)，即利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬產(chǎn)生三維的虛擬世界，讓使用者及時(shí)且沒有限制的感知虛擬世界內(nèi)的事物。VR利用視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等對(duì)人體進(jìn)行全方位影響，達(dá)到讓使用者產(chǎn)生的效果。在日常教學(xué)中使用虛擬影像，可以給學(xué)生帶來全新的觀察視角，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。使用虛擬現(xiàn)實(shí)讓學(xué)生進(jìn)行閱讀和對(duì)身邊事物的觀察，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠提升教學(xué)效率。

3.3 增強(qiáng)學(xué)生交通安全意識(shí)

在對(duì)交通安全知識(shí)宣傳方面使用虛擬現(xiàn)實(shí)顯示出逼真的效果。在對(duì)于危險(xiǎn)或?qū)θ梭w有害的實(shí)踐中，一般都是采用視頻觀看的方式來取代實(shí)際操作，學(xué)生無法直接參與到實(shí)踐中，也不可能獲得直接認(rèn)知。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就可以模擬現(xiàn)實(shí)中違反交通規(guī)則的行為以及產(chǎn)生的后果等。以此讓學(xué)生感受到因?yàn)檫`反交通法規(guī)而造成的嚴(yán)重后果，提高學(xué)生的交通安全意識(shí)。

3.4 改變傳統(tǒng)教學(xué)理念

VR技術(shù)教學(xué)將在未來逐步普及。VR技術(shù)運(yùn)用于教學(xué)中，有利于教師改變?cè)械慕虒W(xué)方式，進(jìn)行教學(xué)調(diào)整，以學(xué)生更容易接受的、更加有效的方式實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。VR體驗(yàn)將改變傳統(tǒng)的教學(xué)理念，教師不僅可以在黑板、多媒體進(jìn)行知識(shí)展示講解，還可以帶領(lǐng)學(xué)生沉浸式體驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生探尋知識(shí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。