虛擬現實的教育應用現狀及面臨的挑戰

劉振生

(渤海大學 教育科學學院，遼寧 錦州 121013)

虛擬現實(Virtual Reality，VR)是繼互聯網之后又一項引領硬件革命的技術。VR憑借其逼真的沉浸感、自然的交互性以及構想性，已成功應用于商業、醫療、娛樂、社交、建筑、工業、旅游等多個行業?？梢哉f，隨著技術的不斷發展、應用模式的逐漸成熟，VR正試圖在改變世界,已經開始涉足教育領域，在給學生帶來良好用戶體驗的同時，能夠支持哪些交互方式，具有哪些教學應用情境，目前面臨怎樣的挑戰，都有待教育研究者的進一步探索。

一、虛擬現實概述

虛擬現實是指一種利用計算機仿真系統模擬生成虛擬世界的技術。使用者借助VR設備，能夠感知視覺、聽覺、觸覺等多種感官刺激，并能與虛擬環境進行交互，仿佛置身于真實世界。虛擬現實技術最早起源于1956年，當時人們就設想能夠突破通過二維屏幕進行觀看的方式。由于當時技術的限制，這項技術在當時并沒有產生大的影響。直到近幾年，隨著技術的不斷成熟，虛擬現實重新走進了大眾視野。

(一)虛擬現實的外設

應用VR資源，必須借助一定的硬件設備才能實現，其中必須的，也是最重要的外設是頭戴式顯示器，簡稱頭顯，也稱VR眼鏡。用戶只有在佩戴VR眼鏡觀看VR資源時，才能產生逼真的身臨其境之感。用戶可以上、下、左、右轉動頭部，就能看到不同視角下的三維虛擬世界，就像我們日常在自然環境中通過轉動頭部來轉換我們的觀看視角一樣。目前，VR眼鏡分為三種：移動端頭顯、PC端頭顯、一體機頭顯。移動端頭顯是指基于智能手機的頭顯。使用時，用戶只需在手機終端下載所需的虛擬現實APP，將其打開后將手機放到VR眼鏡中，戴上VR眼鏡后即可使用。PC端頭顯需要連接電腦并下載VR資源才能進行觀看。這種類型的頭顯能夠帶來更好的用戶體驗，但價格較昂貴。一體機頭顯不需要手機和計算機，在頭顯設備中不僅包含獨立的處理器，還具有計算和輸入輸出功能。

戴上VR眼鏡后，用戶通常會沉浸在虛擬世界中，視線也僅限定在VR眼鏡內。因此，在應用VR時，通常會通過一些外設與系統進行交互。一般用戶最常用的外設是手柄。通過手柄上的按鍵等與系統進行交互。此外，VR外設的種類很多，例如數據手套、數據衣等可允許用戶通過手勢和肢體語言與系統進行交互。理論上講，只要能夠將傳感器連接到某個設備上，該設備就可以成為VR外設。

(二)虛擬現實的特點

1.沉浸性

虛擬現實的最顯著特點是沉浸性，即虛擬現實能夠使用戶沉浸在一個由計算機生成的虛擬世界中。借助外圍設備，用戶能夠感知虛擬世界中的視覺、聽覺、觸覺等多種感官刺激。用戶不再在二維屏幕外進行觀看，而是“走進”虛擬世界，成為虛擬世界中的一個組成部分。虛擬現實的沉浸性，能夠帶給用戶更強烈、更逼真、記憶更深刻的感官刺激。

2.交互性

交互性是指虛擬現實能夠模擬人在自然環境中的交互方式實現用戶與虛擬世界的交互。利用頭顯，就可以通過轉動頭部來改變觀察世界的視角。用手柄可以實現現實世界中拿起、放下等操作。用戶通過位置移動，可以從一個場景走進另一個場景等。這些自然的交互方式為用戶帶來了更好的體驗。

3.構想性

構想性是指虛擬現實允許人們發揮無盡想象，不僅可以構建和還原現實存在的世界，也可以構建任意不存在的世界。

二、虛擬現實的交互方式

交互是學生利用資源進行學習的重要環節之一，也是資源設計開發者關注的重點。如何根據媒體資源特點、學習內容特點以及學生的認知特征進行人機交互設計，始終是教育研究者關注的焦點。VR將學習者從傳統的二維界面“拉進”了三維的虛擬空間，因此VR教育資源與其它教育資源的人機交互方式有很大的差異。根據目前的技術發展，VR教育資源的人機交互方式可以分為以下幾種。

(一)頭部轉動

用戶在觀看VR資源時，需要佩戴VR眼鏡。隨著頭部的移動，VR主機或手機可追蹤頭部的位置，并進行實時計算，計算出頭部處于某個角度時應該呈現出的畫面。這樣，使用者戴上VR眼鏡轉動頭部時，就會看到不同視角的場景?？梢哉f，頭部轉動是觀看VR資源的最主要人機交互方式之一。使用者可以上、下、左、右各個角度轉動頭部，通過轉動頭部來觀看三維場景中的不同地方。

(二)眼睛“凝視”

通常情況下，人眼的視角是120°，也就是在不轉動頭部的情況下，我們能看到120°左右視線范圍的事物。當集中注意力時，視角則為25°。自然世界中，人們可以通過轉動眼球來改變注意力方向。但在VR技術中，目前無法追蹤眼球的移動位置，不能通過捕獲眼球的移動進行交互?，F在人們可采用一種變通的方法模擬眼睛 “凝視”，進而通過“凝視”完成人機交互。

(三)手勢交互

我們通過手完成各種活動，利用手與外部世界進行交互。目前的VR設備模擬了自然界中人利用手勢進行交互的方式，通過捕獲各種不同的手勢，識別出手的抓取、松開、移動、翻轉等動作，進而針對不同的手勢動作完成相應的交互。在現有的VR設備中，利用手勢進行交互的方式有兩種：徒手的自然手勢交互與帶數據手套的手勢交互。數據手套是一種能夠戴在手上的手套，手套內部有多個傳感器，計算機通過這些傳感裝置定位出手的位置，進而實現手勢識別，完成人機交互。目前，利用數據手套進行人機之間的手勢交互是一種識別精確度較高的交互方式。另一種手勢交互方式是徒手的自然手勢交互，這種交互方式的理想目標狀態是與現實世界相一致，不借助手套等外圍設備，而是直接徒手與虛擬世界進行交互。目前這種徒手的手勢識別技術的精確度還較差，特別在識別復雜的手勢時錯誤率較高。

(四)利用手柄等外設交互

自然世界中，人們除了用眼睛、語言、手勢、肢體動作與外界進行交互外，往往還借助工具。在VR中，通過捕獲用戶對手柄等真實的外圍設備的操作，實現對虛擬對象的操作，進而完成真實世界與虛擬世界的“統一”。通過捕獲用戶對手柄的移動以及對手柄上按鍵的操作來獲知用戶的意圖，實現自然、便捷的人機交互。除了手柄之外，理論上講，可以將一切外設與主機連接，捕獲用戶在真實世界中的數據，并將之映射到虛擬世界，與虛擬世界中的對象實現交互。目前，已實現了將滅火器、跑步機、玩具等與計算機相連接，用戶真實地操作這些外設與虛擬對象進行交互，顯著增強了用戶的沉浸感和興趣。

(五)空間定位

對用戶進行空間定位與位置追蹤，是另一種VR人機交互方式?，F有的空間定位技術，較多地在使用者頭顯和手柄等外設上設置多個激光或發光裝置，再使用接收設備獲取發出的信號并進行位置計算來獲取位置信息?？臻g定位使得虛擬世界中的畫面像在真實世界中一樣，能夠隨著身體的移動而發生改變，為用戶帶來更好的用戶體驗。目前，VR行業中的Oculus Rift、HTC Vive以及索尼PlayStation VR等基于桌面的VR廠商，為用戶提供了空間定位。有了空間定位，使用者可以在一定范圍的封閉空間中自由移動，就像在真實世界中一樣，通過頭顯就能看到不同的景象[1]。

(六)肢體交互

目前VR中的肢體交互主要是指利用數據衣實現基于肢體的人機交互。數據衣的原理與數據手套大致相同，通過衣服內的傳感器對身體的動作進行監測和跟蹤，是一種比較常用的動作捕獲方法。但目前這種技術還僅處于起步階段，主要的不足表現為：延遲較大，作用范圍小，識別準確率不好，使用不方便等。

三、虛擬現實在教學中的應用情境及典型案例

(一)客觀事物和過程的“真實”呈現

在戴爾經驗之塔的最底層，是“有目的的直接的經驗”，也就是學習者與客觀事物本身接觸后取得的經驗。通過這種“有目的的直接的經驗”進行學習，學習者最容易理解，印象也更深刻。然而在大部分的學習過程中，學習者很難有機會獲得直接的學習資源，多是基于“觀察的經驗”進行學習。VR憑借三維虛擬環境帶來的身臨其境的沉浸感，為學生構建了一個基于“直接經驗”進行學習的新世界。

1.三維模擬呈現教學內容

目前，VR在教育領域中主要通過三維模擬為學生呈現傳統學習中很難直接觀察到的客觀事物或者過程。學生戴上VR眼鏡后，仿佛是在直接接觸這些事物，或者親臨現場進行直接觀察。VR創建的三維虛擬世界所帶來的沉浸感近似于為學生提供了“有目的的直接的經驗”。例如，World of Comenius project是基于Oculus Rift和Leap Motion的用于生物學習的VR產品。借助Leap Motion的手勢感應，學生可以通過手指點擊，以及抓取、翻轉、放下等操作，不僅可以以不同比例觀察人體的構成，還可以對人體的骨骼或器官進行“拆卸”，以便360°進行觀察[2]。

Toti submarine VR experience是一款可在APP Store上免費下載的APP。學習者只需佩戴Google Cardboard，即可“進入”潛水艇內部，并在系統的引導下，“實地”參觀學習潛水艇各個艙的內部結構以及主要部件的功能。The Apollo 11 Virtual Reality Experience是一款模擬美國阿波羅11號飛船登月的VR資源。學習者佩戴Oculus頭顯，即可變身成宇航員達姆斯特朗，進入阿波羅11飛船內部，參觀飛船的內部結構，感受人類登月的壯舉。MoleculE VR則能夠帶領學生進入人體細胞的微世界，在細胞世界里為學生“現場”講解細胞如何在周圍環境中接收和發送信息，以及如何與其他細胞進行通訊，并協同完成各種生物過程[3]。

谷歌公司則推出了基于安卓系統和Cardboard的Expeditons Pioneer Program。Expeditons Pioneer Program是一個VR資源集成平臺，提供大量建筑物、博物館以及水下、太空等各類三維虛擬場景，還有個人用戶上傳的三維虛擬場景。教師可以利用Expeditons Pioneer Program，在課堂上帶領學生到世界的各個地方進行參觀，并配合相應的學習活動。

2.虛擬實驗

實驗是理工科目教學過程中必不可少的關鍵環節。但是，一些實驗存在高成本、高風險或者對實驗環境要求極其嚴格的因素，很多實驗都無法進行，或者較難重復進行。利用VR，可以為學生提供虛擬的實驗環境，使學生可以規避危險，突破環境限制，利于觀察實驗現象，也可以縮短或延長實驗時間，放大或縮小實驗比例，還可以重復多次地對實驗對象進行研究，根據需要改變、取消某個實驗變量，進行實驗對比，發現客觀規律。同時，VR帶來的沉浸感還可以提高學生的學習興趣，促進學生熱愛實驗、熱愛科學。Chemistry Lab VR是一款基于HTC VIVE的虛擬化學實驗系統。學生使用HTC VIVE手柄，在虛擬環境中進行實驗，不僅能夠完成真實環境中的實驗儀器的操作，還可以來回走動，模擬從一個操作臺到另一個操作臺等動作。

(二)營造逼真環境，感受臨場氛圍

情境認知理論強調學習的設計要以學習者為主體，內容與活動的安排要與人類社會的具體實踐相聯通。與其他形式的學習資源媒介相比，VR資源最顯著的特征在于能夠為學生營造近乎真實情境中才能感受到的現場氛圍。通過VR資源營造的三維虛擬世界，使學生仿佛置身于真實環境中，能夠切身感受到現場帶給人的各種真實體驗。同時，還可以在虛擬的教學場景中，通過主機連接外設，判斷學生的活動是否正確，并給予及時的反饋。目前，VR已經在教師專業發展、學生的安全教育、外語學習、職業技能訓練等方面進行了很好的嘗試。

1.VR在教師專業發展中的應用

聽課是教師研究他人課堂教學、提高新手教師教學水平的最直接和最有效的途徑[4]。一般情況下，聽課的途徑有兩個：現場聽課和看課堂錄像。在現場聽課，聽課者無論坐在教室的哪個角落，都很難觀看到全體學生的課堂表現。通過課堂教學視頻進行聽課，僅能從攝像機拍攝到的某個視角進行觀看，看到的是教師或某些學生的表現，不能有選擇地進行觀察和分析。而VR錄播可以360°無死角地進行現場拍攝，為聽課者還原真實課堂。聽課者可以帶上VR眼鏡，根據需要隨時調整視角，360°觀察課堂上的每個角落、每個學生的不同表現，切身感受真實課堂的教學氛圍。VR錄播可應用于國家級、省級等異地教師培訓，一方面能夠節約成本，另一方面也為360°觀看課堂提供了可能。

試講訓練是職前教師提高教學水平的主要手段。目前我國多采用微格教學的形式進行試講訓練，試講學生和聽課學生集中到微格教室，在指導教師和微格教學技術人員的共同配合下完成訓練。一般情況下，學生很難有機會多次重復地進行試講訓練。學生自己去空教室進行試講，又缺少真實的課堂氛圍。利用VR，可以模擬真實的課堂環境。試講者戴上VR眼鏡，仿佛置身于真實課堂，感受真實課堂的氛圍。還可以在虛擬環境中進行設置，模擬師生互動環節。通過這種方式，學生可以隨時隨地進行授課訓練，盡快提高授課技能。

2.VR在安全教育中的應用

在日常進行安全知識的學習和訓練時，教師很難為學生營造現場的緊張、危險氛圍，往往導致一旦危險真正發生時，很多學生在巨大的恐懼、緊張等情緒影響下完全忘記所學知識而無所適從。通過VR提供的三維虛擬場景，并配合其他感官刺激模擬災害現場，預先讓學生感受真實現場的危險、恐怖、緊迫。在學生緊張、害怕的心理狀態下進行模擬訓練，能夠取得更好的訓練效果[5]。目前，已將VR技術應用于地震、火災、洪水、恐怖襲擊等方面的安全教育。例如，美國的達特茅斯醫學院創建的OPS-PLUS，能夠模擬恐怖襲擊場景，訓練人們如何應對恐怖危害[6]。現在也有VR產品模擬真實的城市街道場景，用于訓練兒童安全過馬路[7]。在安全教育中，往往將虛擬場景與外設相連接，通過傳感器判斷學生的反應是否正確，并對相應的操作給予及時反饋。

3.VR在外語學習中的應用

真實情境下的學習是提高外語水平非常重要、有效的途徑[8]。創造和提供真實的語言交際資源，是外語課堂教學的最基本目標[9]。House of Languages是一款基于三星手機的VR學習產品，學習者戴上VR眼鏡后會置身于一個虛擬場景中，一個卡通角色會引導學習者學習這個場景中出現的各種物件，并通過頭顯設備上的觸摸按鈕來回答卡通人物提出的問題。這種學習方式與傳統的外語學習具有很大的不同，學習者在“真實”情境中的體驗式學習，會使學習效果更好。

4.VR在戰地醫學培訓方面的應用

目前，英國政府已將VR技術應用于戰地醫生的培養和訓練。通過模擬真實的戰爭場景，受訓者能夠真切感受到戰爭，“親眼”看到某個人被炸彈炸飛雙腳，還能聽到各種爆炸聲、子彈從耳邊飛過的聲音。在這種極度緊張、恐怖、焦急的心理狀態進行各種醫學訓練，使受訓者能夠更快適應戰場并更快地投入到工作中。

5.VR在職業技能訓練中的應用

職業技能訓練是VR教育應用的主要陣營。加涅在《學習的條件和教學論》中強調，“反復練習”和“言語指導”是掌握動作技能的關鍵[10]。由于真實環境訓練的高成本、高風險以及師資有限等原因，傳統的職業技能教學存在三個較難解決的問題：提供真實的訓練場所、反復練習、及時的言語指導。

VR能夠模擬逼真的訓練場景，提供趨于自然的交互方式，使得受訓者可以無風險、低成本、反復多次地在“教師”的耐心指導下更好地完成訓練。目前，VR正在外科手術訓練、汽車維修、飛行訓練、電力維修、交通管理、車床模擬訓練等領域發揮著重要的作用。[11-12]

6.為協同創新搭建平臺

創新能力培養是各國人才培養的重中之重，為學生提供能夠進行自主探究和假設檢驗的信息技術平臺是創新能力培養的有效途徑[13]。當前各級教育部門在促進創客教育的普及、推廣方面進行了大膽嘗試，并取得了一定的成果。基于VR的創客教育，為學生的創新能力培養開啟了一扇新的大門。VR能夠創建和模擬真實世界，可以將真實世界中的問題置于VR虛擬世界中，讓學生主動發現問題、自主探究并解決問題，甚至可以讓學生按照自己的想法構建自己的虛擬世界。

構建虛擬世界，需要三維建模。而三維建模的工作繁雜，不僅需要耗費較長的時間，而且對建模人員的相關技術水平和能力都有較高的要求。目前已有可供學生使用的VR編輯器，學生可通過拖拽3D素材庫中的相應素材，并在素材上設置相關事件的方式，方便快捷地根據教師布置的主題創建自己設想的虛擬世界，或者重建歷史場景、自然遺址等。例如，我國網龍公司的101創客教室系統就屬于這類平臺。

7.沉浸式遠程教學

基于VR的遠程教學，能夠帶給學生完全不同的學習感受。講授埃及歷史時，教師可以與學生一同置身于埃及進行現場講授；講解海洋生物時，教師可與學生一起在海底近距離觀察各種海底生物；介紹太陽系的構成時，教師可以帶領學生一同遨游太空。學生也可以根據教師布置的學習任務，在虛擬世界中自主探究，或者同其他學習者進行協作、交流。基于VR的遠程教學，學生不必擁有與教學相關的各種VR資源，但可以充分共享遠程教學平臺中的VR資源。

Lecture VR是一款基于HTC VIVE或者Oculus Rift的遠程虛擬學習平臺。教師可以根據自己的教學內容選擇“授課地點”，還可以從素材庫中選擇與教學內容相關的素材呈現給學生，而這個過程就像教師展示PPT一樣方便。

四、虛擬現實教育面臨的挑戰

(一)人機交互設計的挑戰

信息設備的進化都伴隨著人機交互方式的變革。從PC機到智能手機，再到現在的虛擬現實設備，人機交互方式也發生著巨大的變化。作為一種全新的資源形態，VR在人機交互方式上具有顯著的不同。在虛擬世界中，操作對象不再是二維平面圖形，而是三維的空間圖形圖像。此外，不同的VR設備的人機交互方式也不盡相同。為此，如何根據不同學科和不同類型知識的特點、學生的認知特點，以及現有的VR設備支持的交互方式，科學合理地進行交互設計，把響應動作融入到虛擬環境中，同時盡可能少地干擾用戶的正常體驗，在虛擬世界中完成PC機和智能移動終端的所有交互并能夠超越，都有待進一步研究。

(二)資源呈現方式設計的挑戰

VR資源以360°全景方式呈現給學生。戴上VR眼鏡后，學生的自由度很大，關注點很可能停留在無關緊要之處。因此，在進行資源設計時，需要考慮各個角度呈現什么內容，哪些內容呈現是必要的，呈現在什么方位。在使用眼睛“注視”進行交互時，能夠被“注視”激活的對象也是虛擬世界的一個組成部分。在眾多虛擬對象中，如果沒有特殊提示或標識，使用者很難“注視”到這個對象，進而造成迷航。如何在不影響用戶體驗的情況下進行有效導航設計，有待進一步探索。

(三)VR教育資源開發面臨的挑戰

三維虛擬環境需要360°全景素材，不僅對之前的二維素材無法重復利用，而且開發三維素材的周期、成本都會成倍增加。VR資源交互的程序開發與傳統的WEB開發或者APP開發也有較大差別。總之，VR資源的開發門檻高，周期長，成本高。目前，VR在教育行業中的應用才開始嶄露頭角，多數教師、學生和家長對VR并不了解。無論是VR教育資源的開發者，還是VR的使用者，都急需進行VR人才和VR用戶的培養。只有擁有一定的用戶群體，新的技術才能較快地發展與普及。

(四)VR教育資源評價面臨的挑戰

VR資源與其硬件設備綁定，不同的VR資源需要的硬件設備也不同，在人機交互方式上也存在較大差異。如何針對VR資源獨有的特性，對其進行有效評價，以及如何制定VR教育資源的規范與標準，都有待教育研究者進一步研究。

五、結語

虛擬現實作為新興信息技術手段，在教育領域的應用已經取得了很大進展。未來虛擬現實的教育應用將如同互聯網、智能移動終端等技術一樣，會引發更大的教育變革。同時，我們也認識到任何一項新技術在教育領域的成熟應用都需要一個長期過程。實現虛擬現實在教育應用中的美好愿景，需要教育工作者不斷探索實踐。