發(fā)布時間：2020-09-02所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為了一個熱門的研究領(lǐng)域，它在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入是我國教學(xué)信息化改革的重點之一，該技術(shù)可以應(yīng)用于課堂教學(xué)、實訓(xùn)教學(xué)、虛擬實驗、特殊教育等方面，改善現(xiàn)有的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)形式，
摘要：近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為了一個熱門的研究領(lǐng)域，它在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入是我國教學(xué)信息化改革的重點之一，該技術(shù)可以應(yīng)用于課堂教學(xué)、實訓(xùn)教學(xué)、虛擬實驗、特殊教育等方面，改善現(xiàn)有的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)形式，克服傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，缺乏教學(xué)條件等問題。但是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實的教育應(yīng)用尚存在包括技術(shù)、引入成本、實際教學(xué)效果等方面的問題，還需要進(jìn)一步的發(fā)展和完善，相信未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)普遍化的教育應(yīng)用，為我國乃至全世界的教育事業(yè)做出貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);教育;應(yīng)用
1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述
1.1基本特征
虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有學(xué)科交叉的特點，其融合了包括傳感器技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、人工智能等技術(shù)在內(nèi)的多種技術(shù)特征，目的是創(chuàng)造一個實時變化的虛擬環(huán)境，使用戶在體驗過程中能夠獲得真實的觸覺、聽覺、嗅覺、視覺等體驗效果，讓用戶獲得在虛擬現(xiàn)實中的沉浸感，它總體上可以概括為具有三大特性：沉浸性、交互性和想象性。
1.2設(shè)備構(gòu)成
虛擬現(xiàn)實解決方案中常見的硬件設(shè)備可分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備兩大類。
輸出設(shè)備：從感官的角度分類輸出硬件設(shè)備可以分為：視覺、聽覺、前庭系統(tǒng)和體感幾個方面，其中視覺輸出設(shè)備為主要的輸出設(shè)備，包括大型投影系統(tǒng)(cave)、3D展示系統(tǒng)、Mobile VR設(shè)備和頭戴顯示器(HMD)。我們常見的VR輸出設(shè)備主要為頭戴顯示器和移動VR設(shè)備，而在市場上主流的頭戴顯示器設(shè)備是Oculus Rift，而移動VR設(shè)備則以Gear VR、Google cardboard和國產(chǎn)的暴風(fēng)魔鏡等幾款產(chǎn)品為主。
相關(guān)期刊推薦：《中國教育學(xué)刊雜志》創(chuàng)刊于1980年，是由中華人民共和國教育部主管、中國教育學(xué)會主辦，面向基礎(chǔ)教育的綜合性學(xué)術(shù)刊物。設(shè)有：教育研究、教育言論、區(qū)域教育發(fā)展、教育廳局長談教改、課改視窗、學(xué)校管理、教師專業(yè)化、科研動態(tài)、教學(xué)探索、教改實踐文萃等欄目。
輸出設(shè)備：輸出硬件設(shè)備主要為動作捕捉設(shè)備和動作控制設(shè)備，常見的包括數(shù)據(jù)手套、眼動儀、位置追蹤儀等。這些設(shè)備將用戶的操作以另一種信息形式傳遞給計算機(jī)，從而進(jìn)一步形成仿真環(huán)境對用戶行為的反饋。
輸出設(shè)備與輸入設(shè)備之間的聯(lián)系主要依靠虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的計算機(jī)處理技術(shù)，計算機(jī)模擬系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸入與輸出信息的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，即接收輸入的信息并輸出相應(yīng)的反饋信息，從而達(dá)到用戶與虛擬現(xiàn)實交互的目的。
2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應(yīng)用的優(yōu)勢
傳統(tǒng)的教學(xué)往往都是線下教學(xué)，理論知識教學(xué)往往會出現(xiàn)理論知識晦澀抽象、學(xué)習(xí)過程被動、學(xué)習(xí)效率低下等問題，而在一些職業(yè)教育中也經(jīng)常會涉及到實訓(xùn)教學(xué)，但是教學(xué)卻經(jīng)常會因為缺乏一些客觀條件(場地、器材等)而受到限制，除此之外，一些學(xué)科實操起來可能會有一定的危險性，這也是目前實訓(xùn)教學(xué)所面臨的一個重要問題。
而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)卻能使當(dāng)前的教學(xué)困境得到很大程度上的改善。即便只運(yùn)用電腦、鍵盤和鼠標(biāo)，只要有相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實課程內(nèi)容，學(xué)生就能進(jìn)行自主的操作和學(xué)習(xí)，這種主動的參與過程能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對知識有更深刻的理解，而如果能夠為學(xué)生配備虛擬現(xiàn)實頭盔等設(shè)備，使學(xué)生獲得真正的沉浸式的感官體驗，同時學(xué)生可以依據(jù)虛擬現(xiàn)實課件內(nèi)容與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，這相對于桌面式的虛擬現(xiàn)實教學(xué)而言將會起到更好的教學(xué)效果，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率得到大幅度的提升。
對于實訓(xùn)教學(xué)而言，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用能夠很大程度上避免客觀條件的限制，例如醫(yī)學(xué)專業(yè)的實訓(xùn)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)就可以很大程度上避免醫(yī)療器材缺乏的限制，一個虛擬現(xiàn)實實驗室軟件再加上相應(yīng)的硬件設(shè)備供學(xué)生進(jìn)行模擬實驗對比進(jìn)入真實的實驗室進(jìn)行試驗?zāi)軌蚬?jié)省很大一筆開支。由此可見虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用對比傳統(tǒng)教學(xué)模式有著十分明顯的優(yōu)勢。
3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應(yīng)用現(xiàn)狀
當(dāng)前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的實際運(yùn)用主要集中在技能實訓(xùn)、虛擬實驗室、特殊教育等幾個方面。
3.1技能實訓(xùn)
如今教育行業(yè)越來越注重實踐教學(xué)，而實踐技能的養(yǎng)成往往需要學(xué)生進(jìn)行大量的實訓(xùn)操作，而再這樣的情況下虛擬現(xiàn)實技術(shù)便能派上用場。德國的Ruhr大學(xué)建立了一個有關(guān)工程控制的虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)生在直觀的三維實驗場景內(nèi)可以通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備進(jìn)行實訓(xùn)操作。北京科技大學(xué)開發(fā)了純交互式汽車模擬培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)模仿真實的駕駛環(huán)境，投入使用之后獲得了良好的使用反饋。江方記等基于中視典VR全息臺的虛擬現(xiàn)實設(shè)備制作出了典型機(jī)械產(chǎn)品虛擬裝配的VR內(nèi)容，從而根據(jù)不同機(jī)械裝配的教學(xué)要求在虛擬環(huán)境下完成機(jī)械裝配體的拆裝要求。在醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域，一些醫(yī)學(xué)院基于桌面式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)出虛擬現(xiàn)實解剖教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生在計算機(jī)上操作可以全面觀察并進(jìn)行虛擬解剖。除此之外還有很多相關(guān)的實例，尤其是在職業(yè)教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對于學(xué)生職業(yè)技能的培養(yǎng)具有很大的現(xiàn)實意義。
3.2虛擬實驗室
虛擬實驗室的作用即允許實驗人員在虛擬的環(huán)境中模擬進(jìn)行物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的實驗操作。例如一位名叫Michael Bodekaer的演講者曾在TED演講中向大家展示了他們團(tuán)隊開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實實驗室模擬軟件，他們還和麻省理工學(xué)院合作，將最前沿的癌癥研究帶到學(xué)生的面前，學(xué)生們先通過這個軟件進(jìn)行虛擬仿真的實驗，再到真實實驗室上手操作，這樣可以節(jié)省上百萬美元的開支，不僅如此，學(xué)生們在虛擬實驗室中可以從分子層面了解到機(jī)器里到底發(fā)生了什么，而原來一些因為生物安全問題學(xué)校不予開展的實驗同樣也可以通過這個軟件進(jìn)行。除此之外還有很多高校也在開展相關(guān)的虛擬實驗室的研究和開發(fā)。
3.3特殊教育
虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以被應(yīng)用于自閉癥兒童、唐氏綜合征兒童等特殊群體的教育。我國研究者雷顯梅等人用kinect體感游戲?qū)ψ蚤]癥兒童進(jìn)行干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自閉癥兒童的上下肢運(yùn)動能力和視覺動作協(xié)調(diào)能力有所提升。Wuang等人使用以VR為基礎(chǔ)的體感設(shè)備Wii對唐氏綜合征兒童的運(yùn)動功能進(jìn)行訓(xùn)練, 結(jié)果表明VR-Wii的干預(yù)效果較標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)治療更加明晰, 粗大運(yùn)動能力顯著提升。盡管目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在特殊教育中的應(yīng)用范圍和效果有限，但是考慮到目前的應(yīng)用尚處于初級階段，未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在特殊教育領(lǐng)域的實際應(yīng)用還有很大的潛力。
4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應(yīng)用存在的不足
盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域能夠有效解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自主參與度不高、學(xué)習(xí)效率低下、實驗實踐教學(xué)條件缺乏等問題，但是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應(yīng)用大部分還處于研究實驗和小規(guī)模應(yīng)用的階段，想要實現(xiàn)在教育領(lǐng)域的普遍應(yīng)用仍存在技術(shù)、成本以及教學(xué)效果等方面的問題，可能導(dǎo)致實際效果不達(dá)預(yù)期。
4.1技術(shù)問題
當(dāng)前的一些虛擬現(xiàn)實設(shè)備例如Oculus Rift和HTC Vive屬于連接PC端的顯示設(shè)備，這類設(shè)備供使用者移動的空間有限，一定程度上會影響使用者的沉浸式體驗感。盡管還有一些設(shè)備屬于移動式的設(shè)備，例如Gear VR和Google Cardboard,此類設(shè)備并不受空間的限制，但是它們和連接PC端的設(shè)備一樣，都存在著像素的問題，有研究表明虛擬現(xiàn)實設(shè)備至少需要達(dá)到4K的像素才能有效體現(xiàn)其沉浸性，但是當(dāng)前大部分的VR頭顯都無法達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)。此外如果未來學(xué)校能夠普遍配備沉浸式的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，那么意味著學(xué)生將會長時間地使用，這可能導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)眼部的疲勞、不適，乃至出現(xiàn)暈動癥的癥狀。
4.2成本問題
虛擬現(xiàn)實頭顯的市場價格在幾百元到上萬元不等，如果學(xué)校想要真正實現(xiàn)沉浸式的虛擬現(xiàn)實教學(xué)，那么這些設(shè)備就必須另行購買，此外如果考慮交互性，想讓學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行自主的操作，那么還必須配套其他的交互設(shè)備例如手柄，這對于動輒上千人的學(xué)校來說成本負(fù)擔(dān)較大，因此現(xiàn)今國內(nèi)的一些學(xué)校即便是采用了虛擬現(xiàn)實教學(xué)模式，使用的還是桌面式的虛擬現(xiàn)實教學(xué)設(shè)備，即電腦、鼠標(biāo)和鍵盤等。
除了硬件成本外，還有虛擬現(xiàn)實軟件的開發(fā)成本，一些用于虛擬現(xiàn)實建模與渲染的軟件已經(jīng)被開發(fā)了出來，學(xué)校實際上需要采購的是相應(yīng)課程的虛擬現(xiàn)實課件，而不同的課程對應(yīng)的課件內(nèi)容都會完全不同，市場上高質(zhì)量的VR視頻外包制作費(fèi)用能達(dá)到每秒1萬元，VR課件內(nèi)容往往只有幾分鐘，而如果要設(shè)計學(xué)生與虛擬環(huán)境互動的課件內(nèi)容必然面臨更高的花費(fèi)，因此成本問題是虛擬技術(shù)普遍應(yīng)用于教育領(lǐng)域的一個很大的障礙。
4.3教學(xué)效果問題
虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應(yīng)用的最終目的是更好地達(dá)到教學(xué)目的，使學(xué)生對知識有更深入的理解和更準(zhǔn)確的把握，盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)從理論上來說能夠使學(xué)生對虛擬環(huán)境中所呈現(xiàn)的知識有更好的掌握，但是在虛擬環(huán)境中過于豐富的場景和內(nèi)容可能使學(xué)生無法集中注意力在學(xué)習(xí)重點上，再考慮人機(jī)交互的情況，學(xué)生在主動地與虛擬現(xiàn)實交互的過程中如果缺乏教師的引導(dǎo)有可能偏離原來的學(xué)習(xí)目標(biāo)。這也意味著在虛擬現(xiàn)實教學(xué)過程中即便傳統(tǒng)的教學(xué)問題能夠得到彌補(bǔ)，可能會產(chǎn)生新的問題影響實際的教學(xué)效果。
5.對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應(yīng)用的建議與展望
隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和政策的不斷出臺，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于我國的教育領(lǐng)域是一個大的趨勢，針對實際應(yīng)用存在的一些問題，我們提出以下幾點建議：
選取部分學(xué)校開展試點性的虛擬現(xiàn)實教學(xué)，選取范圍可以從不同的角度進(jìn)行劃分，例如理論性的課堂教學(xué)和實訓(xùn)教學(xué)，初等教育、中等教育和高等教育或者根據(jù)不同的學(xué)科劃分，選取典型的學(xué)科進(jìn)行試點教學(xué)。
加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實教學(xué)的過程控制。為了避免出現(xiàn)上述的教學(xué)效果問題，我們認(rèn)為可以引入一套過程控制的機(jī)制，加強(qiáng)在學(xué)習(xí)過程中對學(xué)生的監(jiān)督和管理，例如在教學(xué)內(nèi)容中插入測驗環(huán)節(jié)評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)中更多考慮教師的主導(dǎo)作用等。
政府針對學(xué)校引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成本問題應(yīng)當(dāng)給予一定的政策考慮，在恰當(dāng)時候可以給與一定的補(bǔ)貼或者對供應(yīng)商的稅收優(yōu)惠。同時應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)，幫助供應(yīng)商企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，從而真正地降低應(yīng)用成本。在軟件開發(fā)方面，現(xiàn)今的VR課件的制作成本都十分高昂，教師往往也只能按照設(shè)定的方式開展教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容不具有靈活性，不同的課程內(nèi)容都需要進(jìn)行新的開發(fā)制作。而如果對VR課件內(nèi)容進(jìn)行模塊化的設(shè)計，在特定模板的基礎(chǔ)上根據(jù)教學(xué)要求對VR課件進(jìn)行模塊化的設(shè)計，這樣既可以使課程內(nèi)容更加豐富，讓教師對新的教學(xué)模式更易上手，同時也可以避免重新制作課件，從而降低成本。
盡管當(dāng)前我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育應(yīng)用尚處在研究開發(fā)和小規(guī)模應(yīng)用的階段，但是隨著技術(shù)領(lǐng)域的不斷突破和商業(yè)化的應(yīng)用，VR技術(shù)極有可能在未來實現(xiàn)教育領(lǐng)域普遍化的應(yīng)用，從而進(jìn)一步深化我國的教學(xué)改革。——論文作者：傅昊 蘭嘉琪 冷嘉露 林海燕 程思嘉
