概念·歷程·教育展望：虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展脈絡(luò)

摘要：目的：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，人們的生活、工作和學(xué)習(xí)方式發(fā)生了翻天覆地的變化。以虛擬現(xiàn)實(shí)為代表的新一代信息技術(shù)扮演著越來越重要的角色，為進(jìn)一步加深對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的認(rèn)識(shí)，文章首先厘清虛擬現(xiàn)實(shí)的有關(guān)概念，其次對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行分析。方法：對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理，其大致可分為初期發(fā)展、商業(yè)化嘗試、技術(shù)進(jìn)步、全面發(fā)展、應(yīng)用開拓五個(gè)階段，同時(shí)闡述虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的發(fā)展歷程。整個(gè)進(jìn)程表明，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展十分迅猛。結(jié)論：近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)進(jìn)入教育領(lǐng)域。一是虛擬現(xiàn)實(shí)可以提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，滿足不同學(xué)生的需求；二是虛擬現(xiàn)實(shí)可以為跨學(xué)科學(xué)習(xí)提供更多可能，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供更多的選擇方式；三是虛擬現(xiàn)實(shí)可以提升學(xué)生的實(shí)踐能力，提供真實(shí)且更安全的環(huán)境；四是虛擬現(xiàn)實(shí)在全球化教育中發(fā)揮著不可替代的作用；五是虛擬現(xiàn)實(shí)讓職業(yè)培訓(xùn)變得更加便捷，能夠潛移默化地推進(jìn)終身教育。結(jié)果：運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)加快教育方式的轉(zhuǎn)變，克服虛擬現(xiàn)實(shí)的種種弊端，推動(dòng)未來教育的發(fā)展，是值得深入研究實(shí)踐的重要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；發(fā)展脈絡(luò)；教育領(lǐng)域；未來教育

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2024）01-0-04

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和傳感器技術(shù)創(chuàng)建三維虛擬環(huán)境的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）等特點(diǎn)［1］3，還具有極強(qiáng)的操作體驗(yàn)和技術(shù)融合，是一種嶄新的人機(jī)交互方式。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality）是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，是使用增強(qiáng)組件［2］將虛擬世界投射在顯示世界中的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三維配準(zhǔn)三大特點(diǎn)［3］。在教學(xué)過程中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景中看到虛擬生成的模型對(duì)象，在最貼近自然的交互形式下為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)自主探索的空間［4］。

混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)

一步發(fā)展，該技術(shù)通過現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息［5］。為了增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感，通常將虛擬和現(xiàn)實(shí)對(duì)象相結(jié)合。

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Expander Reality）是虛擬現(xiàn)實(shí)的高級(jí)發(fā)展階段，虛擬和現(xiàn)實(shí)的邊界變得更加模糊，人們很難分辨自己是在現(xiàn)實(shí)世界還是在虛擬空間。

總之，虛擬現(xiàn)實(shí)的重點(diǎn)是虛擬世界，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的重點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)世界，混合現(xiàn)實(shí)則結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)，而擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)是人聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的整合，將現(xiàn)實(shí)和虛擬融為一體。

虛擬現(xiàn)實(shí)的教育意義在于利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供沉浸式和互動(dòng)性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)，學(xué)生可以身臨其境地參與各種場(chǎng)景，如歷史事件、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、藝術(shù)創(chuàng)作等。這種親身體驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，提高他們的參與度和學(xué)習(xí)效果。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展脈絡(luò)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷史

迄今為止，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，并在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。然而，虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展并非一蹴而就的，它經(jīng)歷了多年的研究和實(shí)踐，才逐漸成為現(xiàn)在為人所熟知的形態(tài)。

2.1.1 初期研究（20世紀(jì)80年代以前）

1935年，美國(guó)科幻小說家斯坦利·溫鮑姆在他的小說Pygmalion’s Spectacles（《皮格馬利翁的眼鏡》）中首次提出了有關(guān)VR的想法，即小說中的人物通過佩戴護(hù)目鏡進(jìn)入了一個(gè)虛構(gòu)世界。這是最早關(guān)于VR的構(gòu)想。

1956年，著名電影攝影師莫頓·海利格研究并發(fā)明了Sensorama全傳感仿真器（見圖1），集成了3D顯示器，具有較大的視場(chǎng)角和立體聲。莫頓·海利格因此被譽(yù)為“VR之父”。

1961年，飛哥公司研發(fā)了一款頭戴式Headsight，集成了頭部追蹤和監(jiān)視功能［6］126。

1962年，美國(guó)科學(xué)家伊萬·蘇瓦爾托設(shè)計(jì)了第一臺(tái)頭戴式顯示器，此舉被視為虛擬現(xiàn)實(shí)的起源。

1965年，美國(guó)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父”伊萬·蘇澤蘭在《終極顯示》中提出了虛擬世界的概念。

1966年，GAF View Master通過內(nèi)置鏡片來達(dá)到3D效果，是簡(jiǎn)易VR眼鏡的原型。

1968年，伊萬·蘇澤蘭開發(fā)了第一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形驅(qū)動(dòng)的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統(tǒng)。同年，麻省理工學(xué)院開發(fā)了Sword of Damocles（見圖2），但因設(shè)計(jì)復(fù)雜、組件沉重，所以需要一個(gè)機(jī)械臂吊住頭戴來使用，這被認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的真正開端。同年，哈佛大學(xué)的艾倫·凱伊發(fā)明了頭戴式顯示器系統(tǒng)（Head-Mounted Display System）。

1970年，首個(gè)功能齊全的頭戴式顯示系統(tǒng)面世。

1976年，游戲巨頭日本的雅達(dá)利公司發(fā)布了第一個(gè)3D游戲《夜晚駕駛者》。

1977年，麻省理工學(xué)院制作了關(guān)于白羊的虛擬仿真電影。

1980年，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Jaron Lanier（杰倫·拉尼爾）創(chuàng)造了“虛擬現(xiàn)實(shí)”（Virtual Reality）這個(gè)術(shù)語。

1981年，愛姆斯研究中心開發(fā)了關(guān)于虛擬接口和界面環(huán)境映射系統(tǒng)的工作站。

1984年，第一款商用VR設(shè)備RB2誕生。同年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測(cè)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬視覺顯示器。同年，杰倫·拉尼爾和托馬斯·齊默爾曼創(chuàng)立了VPL（visual programming lab），開始對(duì)外發(fā)售第一套投放市場(chǎng)的VR商業(yè)產(chǎn)品。

1985年，NASA創(chuàng)建了虛擬界面環(huán)境工作站，使用了一款LCD光學(xué)頭戴顯示器（見圖3）。同年，美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書館開展人體解剖圖像數(shù)字化研究，一些國(guó)家也開始了實(shí)驗(yàn)室虛擬技術(shù)的研究［7］。

1987年，VPL創(chuàng)始人杰倫·拉尼爾正式提出了“Virtual Reality”一詞。

1989年，VPL公司把虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)為商品，推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。

2.1.2 商業(yè)化嘗試（20世紀(jì)90年代）

1991年，NASA設(shè)計(jì)了一套VR系統(tǒng)用于模擬火星機(jī)器人的操作，推出了VR街機(jī)，廣受歡迎。同年，美國(guó)谷歌公司的創(chuàng)始人之一杰里·楊在加州大學(xué)圣塔克魯茲分校開發(fā)了第一套商用化的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。同樣在90年代初，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸起步。

1992年，美國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)公司VPL Research推出了第一套商業(yè)化的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備——DataGlove，它可以追蹤手部動(dòng)作，使用戶能夠與虛擬環(huán)境交互。

1993年，游戲廠商世嘉為游戲機(jī)開發(fā)了一款頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，但因內(nèi)測(cè)時(shí)反應(yīng)平淡而夭折［6］127。1994年，日本游戲公司Sega和任天堂針對(duì)游戲產(chǎn)業(yè)推出Sega VR-1和Virtual Boy，但由于成本較高，因此曇花一現(xiàn)［8］。

1995年，伊利諾伊大學(xué)研發(fā)出CAVE系統(tǒng)。同年，美國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)公司SEGA發(fā)布了名為“SEGA VR”的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲機(jī)，但由于技術(shù)和商業(yè)原因，所以該產(chǎn)品并未成功推廣。

1996年，Sony進(jìn)軍虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)，但Glasstron并沒有太大的技術(shù)提升，在當(dāng)時(shí)基本沒有造成轟動(dòng)。

1997年，飛利浦發(fā)布了Scuba VR。同年，佐治亞理工學(xué)院和埃默里大學(xué)的研究人員合作創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)模擬越南戰(zhàn)區(qū)為退伍軍人治療PTSD病癥，這種醫(yī)療手法至今受用。

1999年，虛擬現(xiàn)實(shí)電影《黑客帝國(guó)》上映，真正將虛擬現(xiàn)實(shí)這個(gè)話題變成了主流。

2.1.3 技術(shù)進(jìn)步（21世紀(jì)初）

2008年，美國(guó)國(guó)家工程學(xué)院（NAE）公布了題為“21世紀(jì)工程學(xué)面臨的14項(xiàng)重大挑戰(zhàn)”的報(bào)告，虛擬現(xiàn)實(shí)位列其中，與新能源、新藥物等技術(shù)并列［1］6。

2009年，Oculus Rift問世，真正將商用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶向復(fù)興。

2.1.4 全面發(fā)展（2010年以后）

2010年，美國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)公司Oculus VR成立，開始研發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示器。

2012年，帕爾默·洛基創(chuàng)建了Oculus公司，將VR設(shè)備的價(jià)格降到300美元，這使VR向大眾視野走近了一步。

2014年，Google發(fā)布了Google Class，該產(chǎn)品具有和智能手機(jī)一樣的功能。同年，F(xiàn)aceBook宣布收購(gòu)Oculus，CEO扎克伯格公開發(fā)表VR將是下一代計(jì)算平臺(tái)。Oculus和三星合作，共同研發(fā)出了Gear VR。

2015年，《紐約時(shí)報(bào)》推出了VR新聞應(yīng)用程序——NYT VR，這意味著VR在新聞行業(yè)將迎來全新的發(fā)展。

2.1.5 應(yīng)用開拓（2016年至今）

2016年被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)元年”。蘋果公司發(fā)布了View-Master頭盔，HTC的HTC Vive、索尼的LayStation VR相繼出現(xiàn)。同時(shí)，Intel和高通開始從芯片層支持VR。同年，我國(guó)兩會(huì)發(fā)布的《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》強(qiáng)調(diào)了虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域要加大發(fā)展力度。2020年以后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步進(jìn)入成熟階段。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用的發(fā)展歷程

1985年，MIT成立了媒體實(shí)驗(yàn)室，AftabAIam團(tuán)隊(duì)用模糊邏輯及定量的方式測(cè)量，改變3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，解決3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的自適應(yīng)能力問題［6］128。20世紀(jì)末，一些國(guó)家開始研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并試圖將其應(yīng)用于教育領(lǐng)域。隨后，多個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育平臺(tái)出現(xiàn)，如Classvr、Unimersiv、Nearpod等。2009年，澳大利亞和新西蘭合作成立虛擬世界工作組和美國(guó)林登實(shí)驗(yàn)室的Second Life項(xiàng)目，提出要探索個(gè)體在虛擬現(xiàn)實(shí)世界獲得教育與成長(zhǎng)的可能。2016年，我國(guó)批準(zhǔn)了300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，公布了35個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)科技館項(xiàng)目的建設(shè)。同年，微視酷推出了虛擬現(xiàn)實(shí)課堂教學(xué)系統(tǒng)，跨越了全國(guó)多個(gè)省市，制訂了“VR課堂1工程”計(jì)劃。

總的來說，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育的時(shí)間可以追溯到20世紀(jì)90年代。然而，早期的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展受限于硬件和軟件以及高昂的成本。到了21世紀(jì)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的不斷改進(jìn)和推出，以及教育界的需求，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用開始加速發(fā)展。2010年以來，越來越多的學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)開始嘗試在課堂中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提供更加沉浸式和互動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。如今，我國(guó)已建成多個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)課程共享平臺(tái)，如西南交通大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、華東師范大學(xué)虛擬仿真課程共享平臺(tái)等。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)與未來教育

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的前景是非常廣闊的，具有巨大的潛力和機(jī)會(huì)。教育在社會(huì)中具有極其重要的作用，因此，要實(shí)時(shí)更新，使之與新技術(shù)、新生活方式相適應(yīng)［9］。

3.1 個(gè)性化學(xué)習(xí)

虛擬現(xiàn)實(shí)可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣，為其提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)［10］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓學(xué)生以自己的方式和節(jié)奏展開學(xué)習(xí)，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果和興趣［11］。教育者和VR設(shè)計(jì)者可以使用明確的教學(xué)框架來支持教師的發(fā)展，構(gòu)建擴(kuò)展和一致的課程選項(xiàng)，以引發(fā)反思，提出見解，并確保創(chuàng)新和可衡量的結(jié)果［12］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為學(xué)生提供更加豐富、真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3.2 跨學(xué)科學(xué)習(xí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過打造逼真的情境和場(chǎng)景，讓學(xué)生在跨學(xué)科環(huán)境中學(xué)習(xí)。例如，學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)模擬環(huán)境，同時(shí)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理、生物等學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)綜合思維能力。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)還可以實(shí)現(xiàn)各種實(shí)際情境的融合，如歷史事件、文化遺產(chǎn)等。這種交互沉浸的學(xué)習(xí)方式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

3.3 實(shí)踐技能訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)可以為實(shí)踐訓(xùn)練提供安全且真實(shí)的環(huán)境，確保學(xué)生獲得更多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技能。例如，醫(yī)學(xué)院的學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)模擬手術(shù)操作，提高手術(shù)操作技能；工程學(xué)院的學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)模擬建筑設(shè)計(jì)和施工過程，增強(qiáng)實(shí)踐能力。虛擬現(xiàn)實(shí)還可以為遠(yuǎn)程教育提供更加便捷和高效的解決方案。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過模擬教室和實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)景，讓學(xué)生與老師、同學(xué)面對(duì)面交流，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的互動(dòng)性和實(shí)踐性。

3.4 全球化教育交流

虛擬現(xiàn)實(shí)可以打破地域限制，實(shí)現(xiàn)全球范圍的教育交流和合作。學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備參與跨國(guó)課程和項(xiàng)目，與來自不同文化背景的學(xué)生一起學(xué)習(xí)和合作。虛擬現(xiàn)實(shí)可以幫助學(xué)生跨越地理和文化障礙，參觀世界各地的歷史遺跡、博物館、藝術(shù)展覽等，體驗(yàn)不同國(guó)家和地區(qū)的教育資源和文化。

3.5 職業(yè)培訓(xùn)和終身學(xué)習(xí)

虛擬現(xiàn)實(shí)能夠提供高質(zhì)量的職業(yè)培訓(xùn)，并且為終身學(xué)習(xí)提供更多可能。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，員工可以進(jìn)行模擬工作場(chǎng)景的培訓(xùn)，提高職業(yè)技能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為學(xué)習(xí)者提供更加靈活的時(shí)空安排，學(xué)生可根據(jù)自己的日程安排展開學(xué)習(xí)，不再受傳統(tǒng)教育的時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)終身學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

然而，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用仍然面臨一些挑戰(zhàn)和問題。首先，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成本相對(duì)較高，需要投入大量的資金和資源進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用［13］。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安全性和隱私保護(hù)是一個(gè)值得深入研究的重要課題。一旦信息被泄露或?yàn)E用，將對(duì)學(xué)生的隱私和安全構(gòu)成潛在威脅。因此，相關(guān)的法律法規(guī)和技術(shù)措施必須與時(shí)俱進(jìn)，確保虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用安全可靠。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)在未來教育中擁有巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。它不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，還可以為遠(yuǎn)程教育提供更加便捷和高效的解決方案，促進(jìn)教育普及和均衡發(fā)展。當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實(shí)在教育應(yīng)用中還須克服成本、安全等挑戰(zhàn)和問題。只有在充分考慮和解決這些問題的基礎(chǔ)上，虛擬現(xiàn)實(shí)才能真正發(fā)揮在未來教育中的作用。未來，VR將滲入人們的生活，無所不在。

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作者簡(jiǎn)介：劉月敏（1990—），女，江蘇揚(yáng)州人，碩士在讀，助理工程師，研究方向：現(xiàn)代教育技術(shù)、信息技術(shù)教育、虛擬現(xiàn)實(shí)與教育。