虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的影響

何曉旭

（沈陽城市學(xué)院 遼寧·沈陽 110000）

0 引言

在過去的十年中，基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的應(yīng)用程序在醫(yī)療，教育和軍事等幾個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。Facebook，三星，微軟和谷歌等高科技公司開始增加對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的投資，甚至一些創(chuàng)業(yè)公司也被這些領(lǐng)先公司收購(gòu)。例如，F(xiàn)acebook于2014年3月25日以20億美元收購(gòu)OculusVR。VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）可以被描述為一個(gè)具有特定軟件和頭戴式受話器的人工環(huán)境。該系統(tǒng)以用戶將虛擬環(huán)境視為真實(shí)環(huán)境的方式呈現(xiàn)給最終用戶。VR系統(tǒng)的主要組成部分是硬件和軟件。硬件可以分為三類，即顯示系統(tǒng)，輸入設(shè)備和反饋設(shè)備。有一個(gè)基于顯示類型的分類法，它與浸入級(jí)別相關(guān)。例如，Oculus Development Kit 2是一個(gè)示例顯示。VR輸入設(shè)備的示例是Kinect，Leap Motion和STEMSystem。有幾種游戲引擎可以開發(fā)仿真環(huán)境，例如虛幻引擎，Unity和OpenSceneGraph。VR系統(tǒng)的真實(shí)性受圖像質(zhì)量和沉浸程度的影響。由于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)可以在VR應(yīng)用的幫助下輕松實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視覺材料的虛擬化，因此VR技術(shù)可以有效地教授高級(jí)理論內(nèi)容。因此，教育是應(yīng)用這種最先進(jìn)解決方案最適用的領(lǐng)域之一。隨著這些技術(shù)的改進(jìn)，新的教學(xué)方法也應(yīng)運(yùn)而生。例如，都柏林大學(xué)（UniversityCollege Dublin）的研究人員研究了一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目涉及MissionV學(xué)校試點(diǎn)項(xiàng)目范圍內(nèi)的20所小學(xué)，VR有助于將學(xué)生融入虛擬現(xiàn)實(shí)課堂。因此，社交能力有限且需要不同教學(xué)風(fēng)格的學(xué)生可以從這項(xiàng)技術(shù)中受益。此外，VR用于教育目的的其他優(yōu)點(diǎn)是增加學(xué)生的動(dòng)機(jī)，減少學(xué)習(xí)曲線，提高解決問題的能力，安全地與復(fù)雜人員進(jìn)行交互，并介紹學(xué)生特定的教學(xué)方法，而不是通用教學(xué)方法。通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生除了可以獲得理論知識(shí)外，還可以得到實(shí)踐練習(xí)的支持。

1 相關(guān)工作

當(dāng)采用互動(dòng)式教學(xué)方法時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)的更好。每個(gè)學(xué)生都可以以不同的方式回應(yīng)不同的方法；不同的方法可以為大學(xué)生群體營(yíng)造良好的氛圍。根據(jù)不同學(xué)習(xí)和教學(xué)方法的平均保留率，可以從最好到最差列出以下方法：教授他人或立即使用學(xué)習(xí)、實(shí)踐學(xué)習(xí)、討論小組、演示、視聽、閱讀和講座。根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀，學(xué)生通過與環(huán)境的互動(dòng)來學(xué)習(xí)，必須積極參與這一過程。在如下環(huán)境中，學(xué)生有五種角色：

（1）學(xué)生通過與給予他們的材料或設(shè)備互動(dòng)來學(xué)習(xí)。

（2）學(xué)生通過實(shí)踐來學(xué)習(xí)。

（3）學(xué)生通過解決問題來學(xué)習(xí)。

（4）學(xué)生通過搜索多個(gè)資源的信息來回答所提出的問題。

（5）學(xué)生通過與一組學(xué)生互動(dòng)來學(xué)習(xí)改進(jìn)初始解決方案。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用急劇增加。除了虛擬現(xiàn)實(shí)使用外，還致力于教育中的可穿戴技術(shù)。在過去的兩年中，國(guó)外的堪培拉大學(xué)和麥格理大學(xué)組織了一些稱為“可穿戴技術(shù)教育”的研討會(huì)。此外，南威爾士大學(xué)將VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）應(yīng)用于工程教育。最近有幾項(xiàng)關(guān)于可穿戴技術(shù)用于教育的研究。事實(shí)上，VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）耳機(jī)只是可穿戴設(shè)備之一。截至2016年11月5日，Vandrico可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)由313家公司的454臺(tái)設(shè)備組成。這些設(shè)備屬于娛樂，健身，游戲，工業(yè)，生活方式，醫(yī)療和寵物動(dòng)物類。OculusRift和三星Gear VR是這些設(shè)備中的一部分。專注將VR技術(shù)用于計(jì)算機(jī)教育方面，但也可以將可穿戴技術(shù)應(yīng)用于同一學(xué)生群體。

有一些研究將可穿戴技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域。例如，據(jù)了解，Google Glass可穿戴技術(shù)適用于基于模擬的培訓(xùn)練習(xí)，Google Glass提供信息集成和更多連接。正如在最近的這兩項(xiàng)研究中所看到的，探索可穿戴技術(shù)在教育中的應(yīng)用具有巨大的潛力。

一些研究人員致力于通過使用VR技術(shù)創(chuàng)建虛擬教室體驗(yàn)，即Oculus RIFT VR耳機(jī)和Unity3D游戲引擎作為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的一部分。在該系統(tǒng)中，學(xué)生可以參加講座，向虛擬講師提問，并在此虛擬環(huán)境中接收預(yù)定義的答案。結(jié)果表明，與使用錄制視頻的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，所提出的系統(tǒng)提供了更高的效率。

基于VR技術(shù)具有特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。研究人員解釋了用于外科技能訓(xùn)練的設(shè)計(jì)因素。VR和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在神經(jīng)外科的教育改進(jìn)方面也有很大的潛力。由于醫(yī)學(xué)教育是VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)最適用的領(lǐng)域之一，在這個(gè)領(lǐng)域看到了幾個(gè)新的應(yīng)用。例如，研究人員目前正在評(píng)估基于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）的模擬課程的結(jié)果，如虛擬內(nèi)窺鏡中的人為因素，已納入到胃腸病學(xué)培訓(xùn)課程中。此外，VR模擬器最近在牙科學(xué)校開始流行。研究人員調(diào)查了VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）牙科模擬器Simodont的使用情況，發(fā)現(xiàn)新手學(xué)員和經(jīng)驗(yàn)豐富的牙科學(xué)員之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在另一項(xiàng)研究中，研究人員比較了兩個(gè)護(hù)理學(xué)生組在靜脈切開術(shù)中的表現(xiàn)。傳統(tǒng)方法和VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）模擬方法同樣有效，兩組之間的績(jī)效指標(biāo)沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

通過谷歌硬紙板等低成本虛擬現(xiàn)實(shí)觀眾的幫助，似乎可以將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于大多數(shù)的教室。然而，一些學(xué)生在使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)可能會(huì)遇到運(yùn)動(dòng)病問題。正如在這個(gè)例子中看到的，VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)不僅限于大學(xué)生，也可以用于K-12學(xué)校。

除K-12和大學(xué)級(jí)應(yīng)用外，VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）還可用于需要特殊教育的兒童。在最近的一項(xiàng)研究中，來自新加坡，荷蘭和中國(guó)的教育工作者和開發(fā)人員共同為虛擬粉紅海豚項(xiàng)目范圍內(nèi)的自閉癥譜系障礙（ASD）兒童創(chuàng)建學(xué)習(xí)內(nèi)容。個(gè)項(xiàng)目的動(dòng)機(jī)是海豚提高了自閉癥兒童的互動(dòng)和溝通能力。然而，一個(gè)真正的海豚治療是昂貴的，因此，虛擬粉紅海豚在新加坡開發(fā)，該系統(tǒng)被部署在特殊需求學(xué)校。

VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)通過提供真實(shí)世界的過程來協(xié)助理論講座。諾丁漢大學(xué)的教師觀察到化學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生雖然在課堂上授課，但無法識(shí)別工業(yè)工廠的設(shè)備。因此，他們開發(fā)了一個(gè)化學(xué)處理工廠模擬，以積極地讓學(xué)生參與學(xué)習(xí)過程。我們的研究目的與本研究類似，但部門和背景卻截然不同。

2 采用方法

在本節(jié)中，詳細(xì)介紹了所提出的VR-ENITE系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

提出的系統(tǒng)包括兩個(gè)不同的模塊，即講師應(yīng)用程序和學(xué)生應(yīng)用程序。VR-ENITE系統(tǒng)的講師通過講師應(yīng)用程序啟動(dòng)學(xué)習(xí)課程。此移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)槠桨咫娔X設(shè)備而構(gòu)建，以配置實(shí)驗(yàn)以可視化所選的排序算法。在啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程之前，學(xué)生通過他們的學(xué)生應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)并連接到教師應(yīng)用程序。這些多點(diǎn)連接是通過藍(lán)牙技術(shù)建立起來的，形成一個(gè)分散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。建立連接后，下一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是維護(hù)設(shè)備之間的連接。由于移動(dòng)操作系統(tǒng)的節(jié)能模式，這通常難以實(shí)現(xiàn)。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了心跳機(jī)制來檢查會(huì)話中的活動(dòng)連接。如果網(wǎng)絡(luò)中有Wi-Fi，則所有應(yīng)用程序首先嘗試使用Wi-Fi而不是藍(lán)牙。所有操作均由教師應(yīng)用程序操作。學(xué)生申請(qǐng)的主要職責(zé)是用VR頭戴式耳機(jī)以3D形式顯示分類實(shí)驗(yàn)。

由于對(duì)等點(diǎn)的數(shù)量和通信基礎(chǔ)的復(fù)雜性，應(yīng)用程序邏輯需要在性能上具有優(yōu)勢(shì)。因此，傳輸必須以優(yōu)化的方式進(jìn)行，以減少延遲。通過初始化流服務(wù)管理器，學(xué)生應(yīng)用程序和講師應(yīng)用程序統(tǒng)計(jì)信息之間的交互。在實(shí)驗(yàn)投影之前的一段時(shí)間內(nèi)建立對(duì)等連接。同時(shí)，講師生成實(shí)驗(yàn)參數(shù)并設(shè)計(jì)用于在實(shí)驗(yàn)中顯示的場(chǎng)景。使用教師應(yīng)用程序引發(fā)的命令激活3D場(chǎng)景。

2.2 多用戶連接框架

為了使應(yīng)用程序在iOS設(shè)備上順利運(yùn)行，采用了iOS的多點(diǎn)連接框架來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的通信方式。在兩個(gè)設(shè)備之間建立傳統(tǒng)的藍(lán)牙連接。主要的想法是將選定的設(shè)備配對(duì)到一個(gè)短程通信表單上。另外，iOS的多用戶連接框架允許在一次訪問中與多個(gè)設(shè)備通信。對(duì)等ID用MCPeerID象表示，以唯一標(biāo)識(shí)正在運(yùn)行的應(yīng)用程序。MCSession對(duì)象維護(hù)設(shè)備之間的活動(dòng)連接，MCNearbyServiceAdvertiser對(duì)象敘述學(xué)生應(yīng)用程序渴望加入指定類型的活動(dòng)會(huì)話的鄰居設(shè)備。教師應(yīng)用程序可以連接到多個(gè)設(shè)備，并且此框架可以處理所有連接問題，例如連接編排。該框架使我們能夠?qū)Ｗ⒂趹?yīng)用程序邏輯，而不是處理基礎(chǔ)架構(gòu)問題

2.3 核心運(yùn)動(dòng)框架

為了增加實(shí)驗(yàn)的實(shí)際因素，頭部運(yùn)動(dòng)被捕獲并轉(zhuǎn)移到學(xué)生應(yīng)用程序。使用Apple的CoreMotionFramework來獲取內(nèi)置陀螺儀和智能手機(jī)加速度計(jì)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。移動(dòng)數(shù)據(jù)已經(jīng)統(tǒng)一在cameraRollNode和cameraYawNode用于相機(jī)移動(dòng)。

iOS通過SpriteKit，Metal和SceneKit提供2D和3D應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境。使用SceneKit渲染框架作為主要平臺(tái)，因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的功能，如著色器修飾符，約束和骨架。已選擇Xcode IDE使用Swift3編程語言開發(fā)教師和學(xué)生應(yīng)用程序。教師應(yīng)用程序充當(dāng)所有實(shí)驗(yàn)的配置和控制屏幕。講師可以在實(shí)驗(yàn)期間在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建自定義實(shí)驗(yàn)。數(shù)字?jǐn)?shù)組根據(jù)講師的偏好進(jìn)入冒號(hào)排序，選擇排序或插入排序算法。另一方面，學(xué)生應(yīng)用程序?yàn)榻o定數(shù)組元素的所選排序算法的應(yīng)用設(shè)置動(dòng)畫。該可視化基于具有雙目視覺的立體視覺技術(shù)來執(zhí)行。該技術(shù)的主要目的是通過為學(xué)生創(chuàng)建3D視圖來提供和增強(qiáng)幻覺的視覺深度。在VR會(huì)話期間，數(shù)組元素根據(jù)所選算法的工作原理作為動(dòng)畫移動(dòng)。 移動(dòng)元素以不同顏色突出顯示，以吸引學(xué)生的注意力。此外，這些實(shí)驗(yàn)在培訓(xùn)課程中通過講師的敘述獲得了授權(quán)。教師可以從他自己的應(yīng)用程序中看到處于活動(dòng)會(huì)話中的學(xué)生，該應(yīng)用程序以藍(lán)色表示活動(dòng)，以灰色表示被動(dòng)。此列表允許講師監(jiān)控哪些學(xué)生在課堂上使用 VRENITE應(yīng)用程序。

將VRENITE系統(tǒng)與其替代品區(qū)別開來的最重要特征是它可以在iOS操作系統(tǒng)上運(yùn)行。可以輕松地使用流行的VR眼鏡，如Oculus Rift和HTC Vive作為此系統(tǒng)的一部分，我們也可以從Unity3D和虛幻引擎等游戲引擎中獲益。由于我們?cè)O(shè)計(jì)了不需要高級(jí)可視化的培訓(xùn)場(chǎng)景，因此該決策使我們能夠使用iOS的本機(jī)框架開發(fā)系統(tǒng)。這一優(yōu)勢(shì)有助于使用基于iOS的智能手機(jī)的學(xué)生僅使用一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬現(xiàn)實(shí)玻璃（如谷歌硬紙板）進(jìn)行幾次實(shí)驗(yàn)。OculusRift和HTCVive等頭戴式顯示器（HDM）需要一臺(tái)帶外置顯卡的電腦。因此，它被認(rèn)為是一種高成本的解決方案，限制了這些系統(tǒng)的適用性。還必須建立一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)室，以便在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中有效地使用這些昂貴的設(shè)備。VR-ENITE解決方案不僅設(shè)計(jì)成低成本，而且可以隨時(shí)隨地輕松訪問。

3 結(jié)果分析

教授一門課程來做實(shí)驗(yàn)。作為課程的一部分，每周為學(xué)生提供2小時(shí)理論講座和2小時(shí)實(shí)驗(yàn)室工作。在這2小時(shí)的實(shí)驗(yàn)室工作期間，VR-ENITE系統(tǒng)用于特定的學(xué)生群體。因此，在實(shí)驗(yàn)室時(shí)間內(nèi)與VR-ENITE互動(dòng)的學(xué)生與未與我們基于VR的系統(tǒng)互動(dòng)的學(xué)生進(jìn)行比較。如果我們?cè)谡n程上有更多的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，我們可以有更好的改進(jìn)。每周都會(huì)分配作業(yè)，因此，學(xué)生可以通過解決棘手問題的實(shí)際解決方案來補(bǔ)充他們的理論知識(shí)。

志愿學(xué)生分為兩組：一組獲得傳統(tǒng)教育，另一組通過VRENITE互動(dòng)補(bǔ)充教育。培訓(xùn)結(jié)束后，向?qū)W生提供了關(guān)于排序算法的10個(gè)選擇題的多項(xiàng)選擇考試，然后對(duì)所有這些考試進(jìn)行了評(píng)估。我們應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析技術(shù)來評(píng)估學(xué)生的表現(xiàn)，并進(jìn)行測(cè)試以檢查這兩組之間是否存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。確定顯著性水平 =0.05。

零假設(shè)是兩個(gè)組的平均性能相等。在對(duì)所有的考試進(jìn)行評(píng)估后，計(jì)算出第一組的平均成績(jī)是60分。第二組的平均成績(jī)是72分。

第一組的標(biāo)準(zhǔn)偏差為15，第二組的標(biāo)準(zhǔn)偏差為13。這兩組的樣本量為18。當(dāng)進(jìn)行T檢驗(yàn)時(shí)，確認(rèn)了這兩組的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。選擇這種統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的原因是樣本量不是很大（每組18名學(xué)生），而且事先不知道人口的變異性。根據(jù)這些結(jié)果，拒絕零假設(shè)，并指出第二組的表現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)上優(yōu)于第一組。為了測(cè)試這種方法，使用了SPSS統(tǒng)計(jì)工具。

4 結(jié)論與探討

盡管VR這個(gè)術(shù)語在20世紀(jì)60年代首次被使用，但由于VR設(shè)備的高成本，直到2000年才被許多終端用戶采用。現(xiàn)在OculusRift或三星Gear VR等耳機(jī)的價(jià)格實(shí)惠，因此VR更常見，基于VR技術(shù)的應(yīng)用程序也多種多樣。

目前，VR在房地產(chǎn)、房屋建筑、汽車和科學(xué)可視化等許多行業(yè)都取得了成功。它不僅支持創(chuàng)新，而且支持制造商的決策過程。除了VR的工業(yè)應(yīng)用外，它還有很大的潛力來提高教育水平。

不同的群體，如大學(xué)生，兒童和有認(rèn)知障礙的學(xué)生可以從這些系統(tǒng)中受益。在本文中，旨在通過VR-ENITE（虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)）的VR系統(tǒng)來提高學(xué)生在學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)。講師的平板電腦和學(xué)生的耳機(jī)之間建立了多點(diǎn)連接。講師可以輕松定制內(nèi)容，學(xué)生可以快速訪問內(nèi)容。學(xué)生現(xiàn)在使用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）耳機(jī)，而不是使用視頻材料進(jìn)行排序，講師可以從平板電腦定制內(nèi)容。

（1）利用傳統(tǒng)教學(xué)技術(shù)獲取信息的學(xué)生。

（2）與VR系統(tǒng)互動(dòng)并通過傳統(tǒng)教材系統(tǒng)獲取信息的學(xué)生。

這些學(xué)生是在自愿參與的基礎(chǔ)上選出的，這兩組的學(xué)生人數(shù)共計(jì)36人（每組18名學(xué)生）。在將內(nèi)容發(fā)送給學(xué)生之后，為這兩個(gè)小組進(jìn)行了多項(xiàng)選擇考試。根據(jù)對(duì)這些問題的回答，對(duì)兩組學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行了計(jì)算和比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用VR-ENITE的學(xué)生在考試中表現(xiàn)較好，說明該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的成績(jī)有積極的影響。在評(píng)估了所有考試之后，發(fā)現(xiàn)使用VR系統(tǒng)和傳統(tǒng)教學(xué)技術(shù)的小組比對(duì)照組更成功。此外，使用VR系統(tǒng)的學(xué)生積極參與講座，發(fā)現(xiàn)這個(gè)主題非常有趣。當(dāng)學(xué)生很難理解一門課程的主題，或是因?yàn)樘碚摶鵁o法具體化時(shí)，決定創(chuàng)建類似的系統(tǒng)。

該觀察結(jié)果表明，所提出的VR系統(tǒng)可有效地用于軟件工程課程。此外，從學(xué)生那里得到了關(guān)于這個(gè)系統(tǒng)的非常積極的反饋，一旦他們與這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行交互，他們就會(huì)非常積極。除了改善教育目的外，學(xué)生現(xiàn)在對(duì)在該部門實(shí)施基于VR的系統(tǒng)更有信心。