虛擬現實技術在教育中的應用與困境

摘 "要：虛擬現實（VR）技術發展至今已有60余年，而作為具有沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination）的計算機模擬技術，對VR技術能否應用于教育領域的討論已有許多。該文對VR技術的發展與其特點、VR技術在教育中的應用、VR技術存在的問題與教育推廣中面對的問題以及如何在我國推進VR技術在教育中的應用做出總結與分析。意在對這一新興技術能夠為教育領域帶來的影響與變革提出思路。使更多教育工作者對這一技術存在的可能性有更多的了解。

關鍵詞：虛擬現實；VR；教育應用；教學技術；混合學習

中圖分類號：G434 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0191-06

Abstract： Virtual reality （VR） technology has been developed for over 60 years， and as a computer simulation technology immersion， interaction， and imagination， there has been much discussion on whether VR technology can be applied in the field of education. This article summarizes and analyzes the development and characteristics of VR technology， its application in education， the existing problems and challenges in education promotion， and how to promote the application of VR technology in education in China. Intended to propose ideas on the impact and changes that this emerging technology can bring to the education field. Enable more educators to gain a better understanding of the possibilities of this technology.

Keywords： virtual reality; VR; educational applications; teaching technology; hybrid learning

虛擬現實技術（VR）作為計算機技術的一種，自20世紀60年代誕生便得到了較多行業的關注。幾十年來，VR技術能否做到為教育行業帶來革新是人們一直在討論的問題。人們認為，VR可以用于對特定場景進行模擬，來創造基于模擬的教育環境。學習者在模擬環境中進行新技能的練習，從而實現對在現實中存在危險無法實際練習的情境進行訓練學習。盡管人們對這一技術的作用給予了較高期望，但在VR技術發展早期，除了特定領域如軍事等外，其并沒有能夠得到廣泛的推廣和使用。

而VR技術真正被人所廣泛熟知并實際開始走向民用是從2013年開始，由Oculus推出了第一款面向消費者的消費級頭戴式顯示器（HMD）。以此為契機，競爭廠商們開始推出各自的VR產品，多以HMD為主，逐漸使得VR技術能夠更為廣泛地為公眾所使用，在教育領域開始有所建樹。技術逐漸成熟，一些VR使用中的關鍵問題逐漸得到解決。

同時，社會變化也推進了VR技術與教育領域的融合。自2020年以來，新冠感染疫情打亂了正常的教學和學習生活，混合式教學（Hybrid Learning）開始受到關注。混合式教學通過線上線下相結合，部分師生在教室內正常開課，而不能到場的學生可以通過線上進行學習。在這一情況下，便有部分地區嘗試將VR設備融入到混合式教學中，以提升教學效果[1-2]。毫無疑問地，VR技術正在越來越被教育領域所接納與重視，對相關狀況進行分析與討論是必要的。

1 "虛擬現實技術的發展歷程與其特點

1.1 "虛擬現實技術的發展歷程

虛擬現實（VR）是一種計算機模擬環境，通過將感官信息傳遞給人腦以與用戶交互并改變用戶的感知。如今的VR是由數十年的技術以及處理器性能發展相結合所得到的產品，以用戶能夠負擔的價格進行高水平計算。VR最早始于1960年，當時Morton Heilig發明了一種名為Sensorama的多感官模擬設備[3]。Sensorama被認為是當今頭戴式顯示器（HMD）的固定版本。通過在立體3D顯示器上播放預先錄制的電影，配合立體聲、風扇、氣味發生器與振動椅，來對用戶的感官進行刺激，使用戶能夠“沉浸”在電影中[4]。1984年，美國國家航空航天局航空航天人因研究部的Scott Fisher發明了第一個單色立體HMD，命名為虛擬交互環境工作站（VIEW）[3-5]。VIEW與當今HMD中使用的元素相類似，包括音頻、身體追蹤、觸覺反饋以及與遠程機器人系統的連接，這讓系統在使用中產生了交互[6]。80年代開始人們對虛擬現實在專業教育與培訓領域的應用產生了想法[7]。隨后90年代開始VR技術出現在高等教育應用中，在空間科學、安全科學以及原子科學等方向得到應用[8]。

直到2010年，商業化VR系統開始推出，如三星Oculus Rift和HTC Vive，當時VR系統價格較高，通常需要數千美元的價格，這限制了其商業化推廣[9-10]。隨后部分公司開始推出由紙板以及移動設備（智能手機）等組成的廉價VR設備[11]。但這類設備相較于以PC鏈接為基礎的能夠提高算力的VR設備存在體驗低、弱交互、沉浸感低的問題[12-13]。而提供高算力的PC鏈接的VR設備受限于傳送速率，要求設備通過線纜鏈接，加以定位器等對活動空間的限制，使用限制更大。

但隨著大數據云計算技術的成熟以及5G技術的普及推廣，計算能力以及傳輸速率已不再成為VR設備的瓶頸，這為虛擬現實設備的移動化、便攜化提供了有利條件，VR設備具有如同手機在3G以及4G時期智能手機一樣成為下一代移動互聯網終端的潛力。

1.2 虛擬現實技術的特點

虛擬現實技術被定義為具有3個典型特征，即具有沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination）。其中沉浸感指VR環境可以為使用者提供視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等多種感官上的體驗，從而為使用者帶來身臨其境的感覺；而交互性是指在虛擬環境中，往往會為使用者提供可以進行交互的人機操作界面，以及針對交互所產生的反饋；構想性則是通過沉浸感與交互性，能夠讓使用者隨著環境狀態以及交互行為的變化從而產生對未來的構想，增強創想能力。而VR的這三個特征決定了其應用方向：通過提供VR環境，復現現實情況中可能存在危險或現實中難以設置的場景。如VR最早投入使用便是針對軍事訓練、火災救援訓練、飛行員及航天員訓練等場景的應用。通過VR的使用，能夠提供較為逼真的訓練場景，同時大大減少了相應訓練的成本，并且能夠切實起到訓練的作用，為相關行業提供了便利條件。而VR的這些特點也決定了將VR技術運用在其他場景下能夠提供作用的基礎。因此隨著VR技術的成熟以及成本的降低，教育領域逐漸將其引入到教學之中，以期望得到更好的教學效果。

2 虛擬現實技術在教育方向的應用

通常認為，學生在學習的過程中，傳統課堂如在教室內進行課程教學，教師通過板書或PPT的形式進行講解。這個過程是以教師為主體，教師為主動方。但學生作為接受者是被動的一方[14]。在進行學習的過程中會導致學習效果的削弱。尤其是一些概念或者操作過程，僅通過書面講解，難以直觀展示。麻省理工學院使用技術驅動的主動學習（TEAL），該學習方法以學生為中心，提高他們的學習經驗和理論思維。這是由于動手實驗和互動，技術支持的學習和現象可視化的可視化和參與，以及基于探究的科學教學[15]。因此可以認為，學生學習狀態從被動到主動的變化會產生積極的認知和教學結果。將虛擬現實作為一種教育工具，引入教學過程，將積極吸引學生，并具有積極的認知和教學效益。借此可將VR技術運用在以下方面。

2.1 模擬實操訓練場景

在教學過程中，尤其是工科、醫學專業相關以及職業教育過程中，對進行實操要求較高。通過VR構建虛擬的操作場景，一方面可以獲得類似于現實實操的操作經驗，如通過虛擬現實模擬急救學習環境，提升初級學員的知識與信心[16]；通過模擬手術進行虛擬正頜手術，這是一組需要在患者身上進行的測試，但通過虛擬環境與觸覺反饋，能夠為學員提供更多的培訓機會[17]；通過開發與驗證模擬建筑工地VR程序，使學生在安全的課堂中提高實踐與安全體驗等[18]。另一方面，可以降低校園為學生提供實操環節的投資成本，如車床加工實操項目中，為了讓學生能夠熟練地使用相關機械，保證訓練人數與次數，需要進行大量的投資購入較多車床設備，并且提供素材為學生練習。如果能夠營造VR環境，配套練習程序，當學生在VR程序中獲得一定程度的經驗后再進行實操，便能夠減少對設備的需求數量以及使用次數，從而降低所需成本。

2.2 建立虛擬現實實驗室

實驗室作為大學研究的場所，在提供所需知識方面發揮至關重要的作用。由于實驗室對學習的積極影響，實驗室在科學教育中發揮的核心和獨特作用的重要性一直被人們所重視。一些學校通過VR環境建立虛擬現實實驗室，作為對校園內由于設備、空間以及預算限制而缺少實驗室的補充和延伸。通過VR程序，實驗室工作從固定的空間導向轉向了設備導向，學生若能夠擁有自己的虛擬設備，便可以不受實驗室是否在現實中設立的限制，在虛擬現實實驗室中進行研究學習。Zacharia等[19]比較了學生在虛擬實驗室和傳統實驗室中的物理入門課程測試結果，發現與傳統實驗室組相比，使用虛擬實驗室的學生更好地理解和開發了復雜電路的適當概念模型，還發現學生在兩種實驗室中所獲得的知識結果是相似的。可見通過建立虛擬現實實驗室，可以降低對設備、空間以及預算的要求，并且獲得與傳統實驗室相似甚至更良好的學習成果。

2.3 "進一步推進遠程教育普及

通過VR技術，對提升遠程學習學生以及有特殊需求（如殘疾）學生的學習體驗有所幫助。一方面，如通過遠程學習與虛擬現實實驗室的結合，可以讓遠程學習學生也從實驗室學習中有所收益，這是傳統遠程教育所不能夠做到的，從而進一步提升遠程學習的吸引力。另一方面，使用VR設備并不需要學生處于活動或站立姿態，有特殊需求的學生可以通過控制器來達成在虛擬環境中的移動和互動操作，無需進行活動，便能擁有身臨其境的體驗。對于聽障學生，可以通過增加字幕的方式使其能夠更加便利地對學習內容進行理解。除此以外，還可以通過虛擬環境便利地對優質的師資資源進行整合溝通，將我國發達地區優質師資通過教學點對偏遠地區進行課堂教學以及教學經驗交流等。通過對VR的使用，可以讓一些原本無法接受教育的人群接受相應的教育，提升遠程教育的普及率。

2.4 "提供直觀的學習環境

虛擬現實技術可以呈現立體直觀的學習環境，從多感官多角度對學習過程進行優化，將課本中對物體或場景的描述具現化。如：在進行地理課程的過程中，相較于提供二維的地貌圖片，以及描述性語句，若能夠通過VR技術將地貌3D化，并在課堂中直觀地向學生進行展現，從而讓學生身臨其境地了解現實中的地貌特征，加深對于相關知識的理解。先前便有歷史教師在教學過程中利用游戲展現法國大革命期間法國當地的人文風情與城市建筑。而利用VR可以使這一過程更加沉浸與真實，從而取得更佳效果。

2.5 "進行心理治療與矯正

VR對心理治療領域的探究也較早，1995年時便有人使用VR暴露療法來替代現實情境暴露療法以治療恐高癥[20]。根據研究表明，VR環境在治療恐高癥、幽閉恐懼癥等焦慮障礙方面是有效的，經過治療后，被試者能夠重新獲得對情境的掌控感。除此之外，還可以通過VR環境對特殊兒童進行多感官的訓練和學習。可以作為對傳統教學與康復治療的補充和改良[21]。經過研究，在如肢體康復訓練、多動癥、自閉癥兒童的治療中，均取得了成效[22]。總體來講，相較于傳統心理治療和矯正，結合VR方法，能夠更好地被來訪者接受，并取得更好的效果。

3 "應用推廣中存在的問題與瓶頸

雖然虛擬現實技術的運用能夠給教育領域帶來充足的益處，但是其至今尚未能夠得到廣泛應用。究其原因，盡管VR技術發展已有約60年的時間，但在使用過程中出現的一些問題還不能夠完全地解決。同時VR技術的使用仍然存在一定的技術瓶頸，推廣應用存在困難。

3.1 "虛擬現實技術應用中存在的問題

3.1.1 "使用過程中導致的身體不適

Clarke等[23]指出，部分使用HMD的VR用戶在VR環境中會感到頭暈。Kennedy等[24]認為這種頭暈是一類精神功能障礙，包括頭脹以及難以集中注意的感覺，其進一步指出在使用過程中還可能出現其他生理反應如眼疲勞、全身不適、頭痛和惡心等。多項研究一致認為VR會使使用者產生不適，Regan[25]的一項研究顯示，61%用戶出現不適，5%的用戶出現中度不適，2%的用戶產生嚴重不適。目前使用VR產生不適的機制尚未產生統一結論，當前的研究成果并不能夠解決用戶在使用VR過程中產生不適感的問題。雖然產生不適感的用戶多為輕度不適，但這說明VR的使用仍然存在一定的使用風險。

3.1.2 "沉浸感會對教學結果產生影響

一些研究報告在對教育場景下的VR使用進行研究后稱，在使用過程中部分被試會由于某些原因而產生分心的情況。包括但不限于在虛擬環境中會發生移動的物體[26]，或者在虛擬環境中添加用戶的手，一些3D的聲音，以及部分的圖形渲染等[27]，均會導致被試在任務過程中分心。而研究表明，在虛擬環境中添加更加真實的細節，其目的是為了讓用戶在虛擬環境中的感知結果更加接近現實世界，從而增加用戶的沉浸感。如對用戶手部的添加，研究稱通過添加用戶手部，可以使用戶在虛擬環境中的距離感知結果偏差降低等[28]。針對以上情況，有的研究提出簡化虛擬環境[29]，減少或消除觸覺設備等輔助設備[30]，設計以學習目標為主而非美學為主的虛擬環境。通過簡化的環境限制被試在學習或實驗中的注意力。但與之相對的，減少或消除觸覺反饋設備等輔助設備意味著虛擬環境中能夠進行的任務復雜程度將大大降低，這與進行訓練和學習所要達成的目標并不相符。

3.1.3 "虛擬環境擬真程度不足

搭建虛擬環境的目的是為了能夠創造出一個與現實世界相似的環境，這需要增加用戶的沉浸感、交互性與構想性。為了創造接近真實的虛擬環境，以往的研究從硬件與軟件兩方面入手，硬件上如采用不同類型的虛擬現實設備（洞穴式虛擬現實、頭戴式顯示器等）、增加可視角度、提升顯示器分辨率等。軟件上采取如增加程序貼圖分辨率、光影效果、增設3D聲音、開發新引擎和添加用戶虛擬身體、增加交互的自然程度等。盡管采取多種方法，去提升虛擬環境的真實程度，但由于現實中存在著種類繁多、構型復雜的信息，同時部分抽象的信息模型并不能夠被人所直接感知，這便要求擁有高效的建模方法與實時的圖像生成技術。這對硬件與軟件均提出了較高的要求，當前仍然不能夠滿足以上條件。用戶在體驗的過程中仍然會察覺到其中存在的差別，導致用戶在使用中存在不自然感，從而降低體驗。在虛擬教學過程中會導致占用心理資源從而降低教學效果。

3.2 "推廣應用中的瓶頸

盡管近些年人們對將VR引入課堂擁有樂觀的態度，因為硬件成本降低，大多數消費者也能夠承擔這一筆消費。但是在推廣應用中仍然存在一些障礙。

3.2.1 "需要教師擁有一定的技術水平

當前VR平臺的應用相較于成熟的PC平臺與手機平臺來說相當匱乏，尤其是教育資源。這便要求教師必須使用虛擬現實來創建自己的教學內容。并對制作VR應用有一定的了解。同時在設備使用過程中，要面對頻繁的軟件更新，流媒體材料的加載與更換，用戶文件的配置。這也要求教師對學生所擁有的VR設備進行調試與設置。大大提高了對教師技術水平的要求。對于一些教學經驗豐富，但年齡較大的教師來說這毫無疑問是一個巨大的挑戰。

3.2.2 "公平與平等接受教育的問題

雖然VR設備的價格下降，大多數消費者能夠負擔這筆費用，但是仍然存在著部分偏遠地區或貧困家庭無法購買高質量的VR設備。盡管可以通過智能手機等價格較低的設備來構建虛擬環境，但能夠得到的虛擬環境質量較差。同時不同的學習者在使用VR設備時體驗是不相同的，如同前文中提到的，部分用戶在使用VR設備后會產生不適感。此外，Janssen等[31]表明，性格特征對VR的體驗有很大影響，這反過來又會影響學習結果。因此在進行推廣使用的過程中不僅要考慮到使用環境的安全，還要考慮是否能夠帶來公平與平等的教育體驗。

3.3.3 "傳統教育培訓模式轉換難

多年以來，我國教育與培訓產業已經形成成熟的模式，以線下教學為主，部分情況輔以線上教學，保持了以教師為中心的教育體系。而技能培訓領域，通常各高校與技術學校已與國內或國外的設備廠商達成合約，由廠商為學校提供設備與技術支持，或提供實操場地與條件。在此大環境下，對傳統教育培訓模式的轉換阻力較大。首先，引入新的教學方法與教學設備需要面對學生家長對教育效果的質疑與考驗；其次，學校與廠商之間的合作通常需要數年的努力才能夠達成，投入大量的時間成本、金錢成本與人力成本，引入VR設備需要與VR廠商再次進行溝通交流，前期投入成本較大；最后，由于國內對相關領域的探究尚處于起步階段，成果較少，國家對VR進入教育領域從資金到政策的支持力度遠不及傳統教育領域。

3.3.4 "需要形成完成度高且資源統一的教育平臺

當前我國擁有如慕課平臺和超星學習通這樣的線上課程平臺，這些平臺對推廣線上教育、分享教育資源做出了極大貢獻。而要將VR技術結合到教學中進行推廣，也要求擁有類似的VR課程分享平臺。想要創建這樣的平臺首先要求擁有一批高質量、高完成度和大數量的教學內容，還需要擁有整合這批教育資源，進行分享的平臺。毫無疑問地，對中小學或一所單獨的大學院校是難以承擔資源創建與分享的，這不僅需要大量優秀的師資力量進行合作，還需要有力的技術資源支持。

4 "展望

通過對以往研究，結合VR特性與當前教育模式的分析，將VR技術與現代教育相融合，將VR作為新型教學的手段與方法，從客觀上來看是具有極大的潛力，且能夠從多方面取得較好的收益。一是可以通過建立虛擬實操場景與虛擬實驗室等大大減少教育成本；二是能夠作為遠程手段更好地對優質教育資源進行整合推廣；三是能夠提供更加直觀和沉浸的教學體驗提升教學效果；四是能夠對教育中出現的心理問題進行治療與矯正。這些優點對教育模式發展具有積極的意義，值得去進行嘗試。但雖然前景樂觀，一些VR使用中的問題仍然亟待解決：包括但不限于使用中出現的身體不適，技術瓶頸所導致的使用體驗下降，教學資源較少，技術平臺要求高，以及模式轉換所帶來的陣痛等。因此，想要將這一技術引入教育教學中，仍然需要對VR技術進行進一步的挖掘與改良。

4.1 "推進國內的VR技術研究

由于VR技術研究內容屬于新興技術范疇，當前國內對相關內容的研究起步較晚，研究成果也較少。當前大部分VR研究的成果來自于國外高校與研究機構。而國內的VR公司產品相較于國外前列公司有一定的技術差距，產品競爭能力較弱。因此必須對VR技術研究進行推進，以對VR技術目前使用過程中存在的痛點加以改善，完善使用體驗，減少技術推廣中可能存在的危險性。

4.2 "國家提供進一步的政策支持

VR技術具有復雜性，僅憑研究機構和高校的研究難以對研究成果加以轉化，想要以教育推廣為目標，就要求能夠開發以教育模式為導向并行之有效的VR應用與內容。這需要國家進行政策與預算上的傾斜，以建立健全行業標準、支持產品技術研發、組建科研團隊與課題組，跨學科研究，完成VR環境下的教育教學體系建立。

4.3 "轉變教育思維模式與技術研發模式

提供VR技術與產品的公司在技術層面與學校、大學等平臺存在較大的差距。因此導致教師等角色在這一供應鏈中處于技術弱勢，難以對公司開發的產品做出自己的修改，缺少自主權與個性化定制的能力。這就要求從公司層面，研發產品時要尊重教育模式與規律，尊重教師與學生在產品使用中的積極性與主動性，從多角度對產品方向進行研判。而從教育者層面，要考慮如何讓已有的教育模式與新生技術進行結合，立足學生需求與教學要求，對可能使用的VR產品做出選擇和判斷。同時積極對新興技術進行學習，避免使用過程中被技術瓶頸所影響。

4.4 "借鑒已有的成功案例

教育技術的引進與教育方法的轉變需要對已有的成功經驗進行借鑒。在國外存在大量的案例能夠借鑒，如River City、Quest Atlantis、SAVE Science等成功案例。當前國內并沒有類似的案例。建議在已有案例的基礎上，結合我國學生發展需求與歷程，面向部分學科、部分地區、部分學校進行設計，展開VR教學，建立教育試點。以此為基礎，拓展應用面與應用范圍，促進VR技術在教育過程中的發展與融合。

5 "結束語

每一種技術的出現與興起，都會對其他領域產生廣泛而深刻的影響。計算機、互聯網、智能手機等技術在發展之初并沒有人能夠預料到其為人類社會帶來的巨大變革。VR技術作為能夠為人們提供前所未有的沉浸式體驗的技術，具有不可想象的廣闊前景，其在教育領域也必將大有可為。

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