虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于青少年教育的探索與實踐①

何勰緋，梁嘉貴，孫昊文

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510625）

隨著時代的發(fā)展，科技水平在不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術(shù)也在不斷成熟，5G 時代的到來，標(biāo)志著VR 虛擬現(xiàn)實正在逐步滲透進(jìn)我們的日常生活中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也對各個行業(yè)起到了至關(guān)重要的作用，VR 虛擬現(xiàn)實設(shè)備不再只是用于玩游戲的設(shè)備，而是朝著一個新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)軍。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種仿真技術(shù)，其原理是運用計算機模擬技術(shù)，通過對系統(tǒng)的模擬形成一個有別于現(xiàn)實環(huán)境的虛擬世界，生成一個在體驗者空間范圍內(nèi)結(jié)合視覺、聽覺和觸感等方面的數(shù)字化空間，能夠較為逼真地產(chǎn)生與現(xiàn)實世界一樣的感官刺激，并且可以進(jìn)行與虛擬環(huán)境的交互動作。用戶如果想和虛擬世界進(jìn)行互動，則需借助外部設(shè)備來與之創(chuàng)建聯(lián)系。虛擬現(xiàn)實概念最早起源于20 世紀(jì)50 年代，虛擬現(xiàn)實之父Sutherland在《終極的顯示》一文中首次提出了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想。但由于那個時代信息革命技術(shù)的不成熟，這項技術(shù)在當(dāng)時并沒有產(chǎn)生大的影響。直到信息化的現(xiàn)代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展成熟并且逐漸成為大眾所知的一項新興技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用開始頻繁地出現(xiàn)在人類社會的許多領(lǐng)域，其中在教育領(lǐng)域的應(yīng)用是大多數(shù)人最為關(guān)注的。

信息技術(shù)的迅速發(fā)展令虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域中的作用越來越明顯，當(dāng)下，教育工作者和相關(guān)技術(shù)研究人員開始研究將信息技術(shù)與教育相融合，推動對“互聯(lián)網(wǎng)+教育”領(lǐng)域的研究探索及廣泛應(yīng)用。隨著各領(lǐng)域?qū)μ摂M現(xiàn)實技術(shù)的不斷引入，更多新型虛擬現(xiàn)實設(shè)備和產(chǎn)品被開發(fā)出來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在空間進(jìn)行全息投影，為教學(xué)營造更加逼真的立體環(huán)境，學(xué)生通過對相關(guān)知識和場景的模擬增加學(xué)習(xí)的樂趣和學(xué)習(xí)的體驗。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概論

（一）虛擬現(xiàn)實的外設(shè)

為了實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸特性，應(yīng)用于VR 環(huán)境資源中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)必須要借助一定的外在硬件設(shè)備（簡稱外設(shè)）來實現(xiàn)交互體驗。目前市面上最普遍的是虛擬現(xiàn)實頭顯（頭戴式顯示器），也稱VR 眼鏡。其是利用人體左右眼的瞳孔網(wǎng)絡(luò)獲取外部信息的差異，引導(dǎo)體驗者產(chǎn)生一種置身于虛擬環(huán)境中的現(xiàn)實立體感。

現(xiàn)在的VR 顯示設(shè)備是以眼鏡頭盔的形式被使用。在此之前則是以二維屏幕的方式呈現(xiàn)，其從屏顯演變成眼鏡的必然性也顯而易見。其一，為了避免干擾物和其他光線等不穩(wěn)定因素的影響，眼鏡的方式能更好地提升用戶沉浸式的體驗效果。其二，做成眼鏡的構(gòu)式能夠利用多屏成像的原理，通過技術(shù)在眼鏡顯示屏上構(gòu)成一個更富立體感的成像。其實對于許多受試者來說，長時間戴著設(shè)備會非常累，會使體驗者的鼻子受壓和頭部承重過久，極易造成長時間的佩戴疲勞，體驗感較差。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的逐步成熟，使得VR 設(shè)備也在外觀上有許多對其實用性和便捷性方面的改造。蟻視頭盔相比其他常規(guī)頭戴式顯示器在設(shè)計上考慮了眼鏡使用人群的佩戴情況，主要是增加了頭盔佩戴的預(yù)留空間，用戶即使在佩戴自己的眼鏡的同時也能使用此設(shè)備，便于用戶對外界的事物做出反應(yīng)，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)更具合理性和安全性。一些VR 展廳里的眼鏡設(shè)備會配合一些能晃動的蛋椅，這些椅子內(nèi)置了多個傳感器和震動、觸覺反饋模塊，能夠支持旋轉(zhuǎn)、傾斜、上升下沉等功能。配合VR 眼鏡使用，當(dāng)你觀看的電影出現(xiàn)墜機情節(jié)時，蛋椅會進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，同時觸發(fā)觸覺裝置，給你帶來失重、飛機快速下降的錯覺。有趣的是，當(dāng)你戴上VR 眼鏡之后，一切沉浸效果都來得非常自然，不會讓人產(chǎn)生眩暈感。

（二）虛擬現(xiàn)實的交互

交互是使用者與虛擬資源利用之間的必須環(huán)節(jié)，也是虛擬資源在開發(fā)時不可或缺的一項功能。如何根據(jù)各種信息資源的特點與不同人群的學(xué)習(xí)特性交織在一起進(jìn)行良好的人機交互學(xué)習(xí)，這是教育研究者與虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域者所關(guān)注的重點。這種VR 的教育形式把原先傳統(tǒng)的“二維界面”拉進(jìn)了一個“三維的空間”，相當(dāng)于一個平面紙片上的人突然站立起來成為一個活生生的人，極富立體性。這種方式在VR 資源和其他相關(guān)的教學(xué)資源之間的交互還存在極大的差異。根據(jù)目前對人體特性的交互技術(shù)開發(fā)，VR 虛擬資源的人機交互方式有許多種。

1.交互方式

（1）頭部轉(zhuǎn)動

使用者在佩戴頭盔觀看VR 資源時需要借助頭部的轉(zhuǎn)動去體驗里面的場景，頭盔的主機系統(tǒng)會追蹤使用者的頭部位置并進(jìn)行實時計算，計算出使用者頭部所在視角在場景里面的位置并映射出來，使用者只需要通過上下左右各種角度的頭部旋轉(zhuǎn)就能觀察場景中的地方。

（2）凌空手勢

即用戶只需戴上設(shè)備直接借助手勢動作、語言等人類自然的方式就能與虛擬空間里的物體產(chǎn)生交互，進(jìn)行交流溝通。所以你可能經(jīng)常會見到一些佩戴者用手在空中比劃的現(xiàn)象，設(shè)備會抓取用戶的手勢等動作并進(jìn)行反饋，此時他的動作和虛擬世界進(jìn)行了交互后得到了反饋。用戶的動作指令同虛擬空間中產(chǎn)生的變化兩者反饋在一起，就形成了一次交互作用。

（3）操縱手柄或其他輔助設(shè)備

如前面所說，外設(shè)就是使用者與虛擬世界之間的橋梁。自然界中，人們除了用語言、肢體等動作信號交流外，還會借助必要的硬性工具，提高操作性的同時提高效率。

2.感受特征

虛擬現(xiàn)實在多層面運用的特征基本可以概括為沉浸性 （Immersion）、交互性 （Interaction）、想象性（Imagination）、存在感（Existence）、自主感（Autonomy）五個方面，也常簡稱為“兩感三性”。

著重說明虛擬現(xiàn)實最顯著的特點———沉浸性，即用戶能夠恍如現(xiàn)實世界一般沉浸在計算機生成的虛擬世界中，從感官、聽覺等接受刺激，仿佛自身就是虛擬世界中的一部分。虛擬現(xiàn)實的沉浸性能給用戶的體驗造成更強烈且逼真的感官刺激。VR 眼鏡通過凸透鏡來放大人眼看到的即時圖像范圍（參見圖1、圖2）。目前VR 眼鏡對于使用者所形成的視野區(qū)域大概是90°到120°之間的范圍，不過眼鏡在設(shè)計上也考慮到了人眼在貼近屏幕的倍距問題，戴上眼鏡后能被外界干擾的幾率很小。同時使用者只需扭頭便能360°觀察這個空間，借助于設(shè)備頭部的陀螺儀，這是一種用于測量角速度的傳感器，通過它獲取本體xyz 軸上的角速度并將數(shù)據(jù)以（x,y,z）的形式存儲，模擬并實時更新本體在虛擬空間里的位置和對應(yīng)畫面。

圖1 人眼視距機制

圖2 人眼即時視野

3.虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)

目前，常見的虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)有動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維建模技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具、多種系統(tǒng)集成技術(shù)、用戶的適應(yīng)性、人工智能技術(shù)。

4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

在科技興國的影響下，信息產(chǎn)業(yè)不斷沖擊著傳統(tǒng)教育行業(yè)。教學(xué)被認(rèn)為是未來VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)最有前途的應(yīng)用場景，虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)能使學(xué)生不拘于文本，而是將多維的事件整理在虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)。就如同此前讀者只能從書本或媒體資源上去了解恐龍，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)能還原一個恐龍的虛擬場景，體驗者能從中與之互動進(jìn)而了解它們的習(xí)性，在教學(xué)中起到一定程度的啟示作用。未來需要更多的人投入VR 教育領(lǐng)域，開發(fā)更多適合兒童和成年人的VR 內(nèi)容和軟件應(yīng)用，形成一個更大規(guī)模的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（2）在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用主要分為兩類，一類是虛擬人體即數(shù)字化人體，醫(yī)生可以在三維圖像上對“可視人”進(jìn)行身體局部結(jié)構(gòu)的縮放，賦予醫(yī)生“看穿”的能力。另一類是虛擬手術(shù)環(huán)境，即在計算機視窗中建立一個虛擬手術(shù)環(huán)境，利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中模擬手術(shù)開始前的手術(shù)計劃以及手術(shù)排練，提高手術(shù)成功率。除此之外，虛擬手術(shù)系統(tǒng)還能用于醫(yī)學(xué)生的手術(shù)教學(xué)、手術(shù)技能訓(xùn)練等，幫助醫(yī)學(xué)生更直觀地了解手術(shù)過程。

（3）在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中表現(xiàn)在模擬作戰(zhàn)環(huán)境、軍事模擬訓(xùn)練、軍事演習(xí)、維護(hù)和優(yōu)化軍事裝備等方面。VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)還能模擬真實的戰(zhàn)場環(huán)境，可以使士兵迅速熟悉戰(zhàn)場環(huán)境，快速制定作戰(zhàn)策略，同時還能提高士兵隨機應(yīng)變能力。這樣在面對突如其來的戰(zhàn)事時能有所準(zhǔn)備，能夠快速在實際戰(zhàn)斗中做出決策并參與戰(zhàn)斗，同時也減少了實地演練所帶來的作戰(zhàn)風(fēng)險，為士兵們的安全提供了雙重保障，這對信息化軍事上的影響是極其深遠(yuǎn)的。

（4）在藝術(shù)與娛樂層面的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)未來在藝術(shù)領(lǐng)域和娛樂方面的上升空間無限大，VR 技術(shù)同時也能成為文化輸出的載體。許多靜態(tài)的藝術(shù)形式都可以在虛擬現(xiàn)實中轉(zhuǎn)化成三維的動態(tài)渲染呈現(xiàn)，觀眾能隔空欣賞表演的同時取得很好的數(shù)字化傳播效果。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，許多虛擬博物館、虛擬圖書館等虛擬體驗館隨之興起。游戲玩家是虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)的狂熱擁護(hù)者，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)下的許多游戲都十分出色，其中的畫面特效體驗感能達(dá)到以假亂真的效果，這也是越來越多的人開始接觸和探索VR 的原因。

二、青少年使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)情況調(diào)查

經(jīng)調(diào)查了解，目前國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域較廣，但在教育方面的應(yīng)用普及率還極低，一是由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)備昂貴，人力成本高；二是大眾的認(rèn)知度不夠。對于青少年人群而言，全新的科技產(chǎn)品對他們的誘惑非常大，在線營銷研究公司Touchstone Research在調(diào)查了500 位10~17 歲的青少年后，發(fā)布過一項關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)認(rèn)知度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)：79%的人都聽說過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，68%的人因慢慢摸索而了解，47%的人對虛擬現(xiàn)實技術(shù)有一定的了解或了解程度較深。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在青少年中的前景還是極其樂觀的，在10~17 歲的青少年人群中，不少人對虛擬現(xiàn)實有非常大的興趣。“VR 虛擬現(xiàn)實設(shè)備對未成年人的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電視、計算機等產(chǎn)品。”人們對世界的認(rèn)知方式正在被虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸改變，特別是對于10~17 歲這個年齡段的學(xué)生來說，這一技術(shù)帶來了顛覆性的影響。

為了更直觀地了解虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域中對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響，HTC Vive 于2016 年在北京一所重點中學(xué)關(guān)于VR 教學(xué)成果進(jìn)行了調(diào)查，他們從不同成績層面抽取部分學(xué)生，安排同一名老師分別在VR 和傳統(tǒng)模式下進(jìn)行相同的課程學(xué)習(xí)并考試，結(jié)果竟是VR 組平均成績比傳統(tǒng)模式的要高。北京師范大學(xué)PTA 實驗室對VR 教學(xué)模式和電腦學(xué)習(xí)方式也進(jìn)行了英語口語的實驗測試，結(jié)果接受實驗的非英語專業(yè)學(xué)生在VR 教學(xué)下的成績更優(yōu)。除此之外，斯坦福大學(xué)中的一份報告也指出，VR 教學(xué)相對于傳統(tǒng)教學(xué)的考試成績提高了27.4%。

由此可見，VR 教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)效果更顯著，不僅能幫助孩子提升成績，更能幫助孩子更有效地吸收知識，增強學(xué)習(xí)動力。這意味著青少年用戶在虛擬現(xiàn)實的世界占據(jù)著越來越重要的地位。

廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院在對青少年的科普教育活動中發(fā)現(xiàn)，對于大部分偏遠(yuǎn)地區(qū)以及教育相對落后的城鎮(zhèn)而言，大部分青少年對虛擬仿真現(xiàn)實技術(shù)的了解僅停留在“聽過”的階段，認(rèn)為虛擬仿真現(xiàn)實技術(shù)是用來游戲娛樂的。但是在對VR 設(shè)備接觸之后產(chǎn)生了濃厚的興趣，在佩戴頭戴式設(shè)備的過程中，學(xué)生的機動性和動手能力得到提高，學(xué)生通過MR 全息技術(shù)，在侏羅紀(jì)世界中親自孵化恐龍蛋，在海洋世界里與魚群們一起遨游，在熱帶叢林中喂食老虎，等等。在虛擬現(xiàn)實世界中，學(xué)生足不出戶就能實現(xiàn)360°感受現(xiàn)場環(huán)境，與生物身臨其境地互動，這些都不會在現(xiàn)實生活中出現(xiàn)，更無法在現(xiàn)有課堂上體驗。

圖3 科普活動中的小學(xué)生在體驗VR 設(shè)備

三、教育中的應(yīng)用情境

如今虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)逐步滲透到各領(lǐng)域，尤其是在教育成為熱點的當(dāng)今社會，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也為教育領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)了它的作用和價值。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的教育方式相結(jié)合，將兩者的優(yōu)點最大化地發(fā)揮出來。

（一）學(xué)習(xí)環(huán)境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以設(shè)計一些不被允許承載太多人且有一定要求的特殊環(huán)境，或者演練歷史中無法重現(xiàn)的場景。比如虛擬的紅軍長征紀(jì)念館，甚至是紅軍真實的長征場景，這些都可以被建模出來并在虛擬現(xiàn)實中展示，可以讓體驗者極大地感受前輩們艱苦的奮斗歷程，有助于促進(jìn)學(xué)習(xí)者對知識的吸收，而且這種方式較傳統(tǒng)書面上的刻板更具趣味性和互動性。現(xiàn)在社會上許多教育活動都能通過虛擬現(xiàn)實的方式去了解歷史，虛擬博物館、虛擬圖書館等根據(jù)現(xiàn)實而建造的虛擬情景也被大多數(shù)人所熟知、所體驗，其不僅能減少一些文物破壞的發(fā)生率，又能使用戶足不出戶就能身臨其境地學(xué)習(xí)千里之外的知識。

（二）游戲啟示

虛擬現(xiàn)實技術(shù)最開始是為游戲領(lǐng)域服務(wù)的技術(shù)，其發(fā)展至今也衍生了許多十分出色的VR 游戲。它不只是一個玩樂的方式，教育創(chuàng)新提倡寓教于樂，游戲在教學(xué)的基礎(chǔ)上能激發(fā)孩子的潛能，提高益智力。因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)也有助于青少年群體進(jìn)行趣味游戲的探索，培養(yǎng)青少年對事物的好奇心。戴上虛擬設(shè)備可以進(jìn)行創(chuàng)作、運動等交互動作，增強青少年的實踐性。

（三）遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)

遠(yuǎn)程教育與現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)形式比較相近，遠(yuǎn)程教育是師生暫時性分離的一種形式，隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教育的發(fā)展，教育載體越來越靈活和開放，因此一般的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)難免會造成一些情感的缺失，學(xué)生難以沉浸且枯燥。但是虛擬教學(xué)能將一些難以展示、難以理解的內(nèi)容通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)出來，使其中的內(nèi)容更加立體、生動和直觀，幫助教育工作者更好地講授知識，促進(jìn)學(xué)生群體對知識的理解。但也不難發(fā)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實教學(xué)中教師的工作量會大大縮減，發(fā)揮的作用會降低，學(xué)生對虛擬網(wǎng)絡(luò)世界的依賴性會提高。這就意味著教師需要以更高的教學(xué)素養(yǎng)嚴(yán)格要求自己，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬教學(xué)，但他們不能摒棄傳統(tǒng)的教育方式，脫離現(xiàn)有的教育理念，更應(yīng)提升自身的信息化水平，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)達(dá)到更加高效的教學(xué)效果。

四、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，為教學(xué)創(chuàng)造了逼真的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，改變了以往以灌輸式和說教式為主的教學(xué)模式，豐富了傳統(tǒng)課堂以文字、圖片、聲音為主要手段的教學(xué)環(huán)境。然而，根據(jù)目前國內(nèi)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用情況來看，還需要與教學(xué)機制不斷地磨合，需要提升師生群體對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的認(rèn)知度，不能讓虛擬現(xiàn)實技術(shù)只停留在游戲娛樂的印象階段，應(yīng)該把虛擬現(xiàn)實技術(shù)更多地推廣至為人類服務(wù)進(jìn)步的領(lǐng)域上。

目前，國家已經(jīng)提出積極推動虛擬教育教學(xué)環(huán)境建設(shè)的號召，相信未來教育與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合應(yīng)用會更加高質(zhì)有效，相信未來的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用會越來越廣泛，更好地為人類服務(wù)。