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摘 要： 摘要：近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為了一個(gè)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(shí)技術(shù)的引入是我國(guó)教學(xué)信息化改革的重點(diǎn)之一，該技術(shù)可以應(yīng)用于課堂教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)、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(shí)技術(shù)成為了一個(gè)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(shí)技術(shù)的引入是我國(guó)教學(xué)信息化改革的重點(diǎn)之一，該技術(shù)可以應(yīng)用于課堂教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)、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(shí)的教育應(yīng)用尚存在包括技術(shù)、引入成本、實(shí)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(shí)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)普遍化的教育應(yīng)用，為我國(guó)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(shí)技術(shù);教育;應(yīng)用
1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述
1.1基本特征
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有學(xué)科交叉的特點(diǎn)，其融合了包括傳感器技術(shù)、計(jì)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(gè)實(shí)時(shí)變化的虛擬環(huán)境，使用戶在體驗(yàn)過程中能夠獲得真實(shí)的觸覺、聽覺、嗅覺、視覺等體驗(yàn)效果，讓用戶獲得在虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)VR設(shè)備，而在市場(chǎng)上主流的頭戴顯示器設(shè)備是Oculus Rift，而移動(dòng)VR設(shè)備則以Gear VR、Google cardboard和國(guó)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(guó)教育學(xué)刊雜志》創(chuàng)刊于1980年，是由中華人民共和國(guó)教育部主管、中國(guó)教育學(xué)會(huì)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(zhǎng)談教改、課改視窗、學(xué)校管理、教師專業(yè)化、科研動(dòng)態(tài)、教學(xué)探索、教改實(shí)踐文萃等欄目。
輸出設(shè)備：輸出硬件設(shè)備主要為動(dòng)作捕捉設(shè)備和動(dòng)作控制設(shè)備，常見的包括數(shù)據(jù)手套、眼動(dòng)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(jì)算機(jī)，從而進(jìn)一步形成仿真環(huán)境對(duì)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(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，計(jì)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(shí)交互的目的。
2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng)的教學(xué)往往都是線下教學(xué)，理論知識(shí)教學(xué)往往會(huì)出現(xiàn)理論知識(shí)晦澀抽象、學(xué)習(xí)過程被動(dòng)、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(huì)涉及到實(shí)訓(xùn)教學(xué)，但是教學(xué)卻經(jīng)常會(huì)因?yàn)槿狈σ恍┛陀^條件(場(chǎng)地、器材等)而受到限制，除此之外，一些學(xué)科實(shí)操起來可能會(huì)有一定的危險(xiǎn)性，這也是目前實(shí)訓(xùn)教學(xué)所面臨的一個(gè)重要問題。
而虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)知識(shí)有更深刻的理解，而如果能夠?yàn)閷W(xué)生配備虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔等設(shè)備，使學(xué)生獲得真正的沉浸式的感官體驗(yàn)，同時(shí)學(xué)生可以依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)課件內(nèi)容與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，這相對(duì)于桌面式的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)而言將會(huì)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(duì)于實(shí)訓(xùn)教學(xué)而言，虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)訓(xùn)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)比進(jìn)入真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)軌蚬?jié)省很大一筆開支。由此可見虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)模式有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)。
3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用現(xiàn)狀
當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用主要集中在技能實(shí)訓(xùn)、虛擬實(shí)驗(yàn)室、特殊教育等幾個(gè)方面。
3.1技能實(shí)訓(xùn)
如今教育行業(yè)越來越注重實(shí)踐教學(xué)，而實(shí)踐技能的養(yǎng)成往往需要學(xué)生進(jìn)行大量的實(shí)訓(xùn)操作，而再這樣的情況下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)便能派上用場(chǎng)。德國(guó)的Ruhr大學(xué)建立了一個(gè)有關(guān)工程控制的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)生在直觀的三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景內(nèi)可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行實(shí)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(shí)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(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)系統(tǒng)開發(fā)出虛擬現(xiàn)實(shí)解剖教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生在計(jì)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(shí)例，尤其是在職業(yè)教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)于學(xué)生職業(yè)技能的培養(yǎng)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
3.2虛擬實(shí)驗(yàn)室
虛擬實(shí)驗(yàn)室的作用即允許實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)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(gè)軟件進(jìn)行虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)，再到真實(shí)實(shí)驗(yàn)室上手操作，這樣可以節(jié)省上百萬(wàn)美元的開支，不僅如此，學(xué)生們?cè)谔摂M實(shí)驗(yàn)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?yàn)樯锇踩珕栴}學(xué)校不予開展的實(shí)驗(yàn)同樣也可以通過這個(gè)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(shí)驗(yàn)室的研究和開發(fā)。
3.3特殊教育
虛擬現(xiàn)實(shí)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(guó)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(dòng)能力和視覺動(dòng)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(duì)唐氏綜合征兒童的運(yùn)動(dòng)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(dòng)能力顯著提升。盡管目前虛擬現(xiàn)實(shí)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(jí)階段，未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在特殊教育領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用還有很大的潛力。
4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用存在的不足
盡管虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)條件缺乏等問題，但是當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用大部分還處于研究實(shí)驗(yàn)和小規(guī)模應(yīng)用的階段，想要實(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)的空間有限，一定程度上會(huì)影響使用者的沉浸式體驗(yàn)感。盡管還有一些設(shè)備屬于移動(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)設(shè)備，那么意味著學(xué)生將會(huì)長(zhǎng)時(shí)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(dòng)癥的癥狀。
4.2成本問題
虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯的市場(chǎng)價(jià)格在幾百元到上萬(wàn)元不等，如果學(xué)校想要真正實(shí)現(xiàn)沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，那么這些設(shè)備就必須另行購(gòu)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(duì)于動(dòng)輒上千人的學(xué)校來說成本負(fù)擔(dān)較大，因此現(xiàn)今國(guó)內(nèi)的一些學(xué)校即便是采用了虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)模式，使用的還是桌面式的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)軟件的開發(fā)成本，一些用于虛擬現(xiàn)實(shí)建模與渲染的軟件已經(jīng)被開發(fā)了出來，學(xué)校實(shí)際上需要采購(gòu)的是相應(yīng)課程的虛擬現(xiàn)實(shí)課件，而不同的課程對(duì)應(yīng)的課件內(nèi)容都會(huì)完全不同，市場(chǎng)上高質(zhì)量的VR視頻外包制作費(fèi)用能達(dá)到每秒1萬(wàn)元，VR課件內(nèi)容往往只有幾分鐘，而如果要設(shè)計(jì)學(xué)生與虛擬環(huán)境互動(dòng)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(gè)很大的障礙。
4.3教學(xué)效果問題
虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)知識(shí)有更深入的理解和更準(zhǔn)確的把握，盡管虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從理論上來說能夠使學(xué)生對(duì)虛擬環(huán)境中所呈現(xiàn)的知識(shí)有更好的掌握，但是在虛擬環(huán)境中過于豐富的場(chǎng)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(diǎn)上，再考慮人機(jī)交互的情況，學(xué)生在主動(dòng)地與虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(huì)產(chǎn)生新的問題影響實(shí)際的教學(xué)效果。
5.對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)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(tái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)的教育領(lǐng)域是一個(gè)大的趨勢(shì)，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用存在的一些問題，我們提出以下幾點(diǎn)建議：
選取部分學(xué)校開展試點(diǎn)性的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(diǎn)教學(xué)。
加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)學(xué)生的監(jiān)督和管理，例如在教學(xué)內(nèi)容中插入測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)中更多考慮教師的主導(dǎo)作用等。
政府針對(duì)學(xué)校引入虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)候可以給與一定的補(bǔ)貼或者對(duì)供應(yīng)商的稅收優(yōu)惠。同時(shí)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(shí)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(duì)VR課件內(nèi)容進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，在特定模板的基礎(chǔ)上根據(jù)教學(xué)要求對(duì)VR課件進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，這樣既可以使課程內(nèi)容更加豐富，讓教師對(duì)新的教學(xué)模式更易上手，同時(shí)也可以避免重新制作課件，從而降低成本。
盡管當(dāng)前我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)教育領(lǐng)域普遍化的應(yīng)用，從而進(jìn)一步深化我國(guó)的教學(xué)改革。——論文作者：傅昊 蘭嘉琪 冷嘉露 林海燕 程思嘉
