VR在教學領域應用中的機遇與威脅分析

孟祥宇

摘要：本文首先分析了VR在教育領域應用中存在的優勢與劣勢，接著闡述了VR在教育領域應用中所面臨的機遇及威脅，以期能夠為VR在教育領域的合理高效應用提供指導和幫助。

關鍵詞：VR；沉浸感；交互性

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）13/14-0115-04

虛擬現實（Virtual Reality， 簡稱VR）， 這個名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾（Jaron Lanier） 在1989年提出的， 也稱靈境技術或人工環境。它是以計算機技術為核心，生成逼真的三維虛擬環境，使人的視覺、聽覺、觸覺都仿佛置身于真實的環境之中，并能通過語言、手勢等方式，借助傳感頭盔、數據手套、數據衣等設備與之進行實時交互，增強使用者的沉浸感與使用體驗。VR技術主要利用傳感技術、三維技術、人工智能技術、仿真技術、并行處理技術、多傳感器技術等來實現虛擬場景的構建。起初，VR技術主要應用于軍事、航空航天等領域，目的是降低訓練成本，避免潛在的意外傷害。而如今，在政府的政策支持和社會企業的大力投資下，VR產品逐漸走入教育領域，為廣大的學習者帶來福音。

● VR技術在教學中的優勢

VR的特征可以用“3I”來描述，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、思維構想性（Imagination）。沉浸感指學習者對虛擬環境的感受程度，虛擬環境的創設越接近現實，沉浸感越強。交互性指學習者可以對虛擬環境中的事物進行操作，并能得到反饋，如身臨其境一般。思維構想性指利用計算機技術建構與現實一樣的環境，也可以建構想象出來的空間，拓寬用戶的體驗范圍，豐富體驗種類。

1.激發學習動機，增強知識建構

VR技術通過構建多感官刺激的交互環境，豐富了學習者的學習體驗，學習者在虛擬的教學環境中可以充當各種角色，如在煤礦或核電站進行搶修的維修工人、在醫院進行手術的醫生、在太空探索的宇航員等。學習者在逼真的情境中充分參與教學過程，這就有效激發了學習者的學習動機。建構主義認為，知識不是通過教師傳授得到，而是學習者在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得。在VR技術發展迅速的今天，教學情境和文化背景都可以通過VR技術來實現，學習者在VR環境中展開學習，對事物的性質、規律以及該事物與其他事物之間的內在聯系的理解能夠達到較深層次，能夠增強知識的建構。

2.虛擬真實情境，提升創造能力

由于VR技術的特殊性，平時在現實中不敢嘗試的實驗都可以在VR環境中體驗，可以無限制地改變試劑的用量，或是大膽嘗試將不同的反應物進行融合，只有想不到的，沒有做不到的，這種突破性的嘗試可以有效提高學習者的創造能力。

3.打破時空壁壘，體驗身臨其境

在傳統教學中，教學的時間、地點是相對固定的，且對于比較抽象的知識點，教師只能通過口述或者多媒體來呈現其形象，而VR技術的出現打破了時空的界限，教學活動可以隨時進行。同時，VR教學可以把抽象的概念形象化、具體化，學習者可以在幾分鐘的教學時間內觀察生命成長的軌跡，也可以形象直觀地觀察分子原子的構成，甚至可以將宇宙天體掌握在自己手中，學習者能夠完全融入到VR技術所創設的情境中。

4.節約教學成本，實現可持續發展

在傳統教學中，實驗是一項消耗型的教學活動，為了讓學習者更好地掌握反應原理，大部分學校常常需要投入大量財力來購買實驗用具和材料，實驗的生成物又很難被再利用。VR技術出現后，可以大大緩解學校財力、物力的投入，學校只需引進相應的VR設備，并創設教學所需的虛擬環境和虛擬實驗用品，學習者就可以進入虛擬實驗室進行學習，這種學習方式有效地節約了教學成本。從長遠來看，學校引進的虛擬設備可以被各屆學習者反復使用，不存在傳統教學中的殘渣廢料，真正實現了可持續發展。

5.規避潛在風險，保證教學安全

很多實踐課程由于課程的特殊性，并不能在實際中進行操作，這時就可以利用VR技術。例如，講解核武器的實戰效果，教師可以利用VR技術模擬核爆炸的現場，學生通過身體傳感器感受核武器的爆炸威力，并通過視頻傳感器觀察核爆炸的特點。這樣通過VR技術建構核爆炸現場，可以有效避免核武器給學生帶來的傷害，又可以讓學生很好地理解晦澀的知識點。當然，也有很多實踐課程存在潛在的未知的風險，造成人身傷害，如應急情況的演練、地理的勘探、船舶汽車的制造等，此類動手操作要求很高，存在一定風險，學生在操作的過程中很容易受傷，為了避免這種情況的發生，教師同樣可以利用VR技術來進行教學，進而有效地保證教學安全。

6.豐富實踐經驗，彌補動手能力不足

在傳統的操作類課程中，由于教學設備有限，通常是教師在設備前進行操作，學習者圍繞在其周圍觀摩，然后再逐一或分組進行實踐，而課堂時間有限，部分學習者還沒有操作就下課了，或者只操作了一遍，這樣就導致學習者只了解大致流程，并沒有真正掌握。在VR技術的支持下，每位學習者都可以充分發揮主觀能動性，每個實踐技能都可以經過反復的訓練，每臺設備都可以用身體去感知、觸摸，這就彌補了傳統教學中動手能力不足的缺憾。

7.資源共享，實時交互

交互性是VR技術的特征之一，它在教學中具有很明顯的優勢。交互性包括師生交互、生生交互、單人-機交互、多人-機交互，在同一虛擬空間內，教師和學習者可以同時進入，并在其中進行實時交流，學習者之間也可以進行及時的討論，學習者使用輸入設備可以對虛擬的物體進行操作，并通過輸出設備感受虛擬物體所發生的變化，如向空中拋出一個球，可以感受到球受重力的作用發生自由落體運動。這種實時交互的感官刺激可以帶給學習者真實的體驗，提高學習的效率。另外，虛擬現實技術在教育教學上還能夠實現課程的數字化學習，可將課程學習內容作為學習者的學習資源，并與其他的相關資源一并提供給學習者，實現資源共享。

● VR技術在教學中的劣勢

1.虛擬與現實之間存在落差，對學習者心態產生消極影響

由于虛擬環境帶給學習者沉浸性體驗，逼真的三維立體環境會深深地吸引學習者，當課程結束時，學習者可能還會沉浸在情境中，回到現實中時會產生一定的落差，這種落差可能是負面的，學習者可能更渴望回到虛擬的世界中，沉迷于虛擬情境，如基于VR技術的游戲化教學，這會對學習者的心態產生消極的影響，不利于學習者的學習。

2.VR技術在教學中沒有統一的標準，無法完全保證教學質量

2016年被稱為是“VR元年”，所謂“元年”是指事物開端之年，對于VR領域來說，“元年”意味著各大主流生產商相繼推出面向普通消費者的VR產品，全球科技公司紛紛布局民用VR產業。隨著VR技術由高端化向平民化轉型，VR技術在教育領域的應用也更加廣泛，目前很多知名的科技公司開發了用于教育領域的VR產品，國內也有部分高校成立了VR實驗室。VR技術如雨后春筍一般在教育領域生根發芽，但是目前仍沒有一個VR應用于教學的規范標準，各知名企業和各大高校很難將自己的VR產品與其他VR產品進行聯通，這就降低了VR產品的兼容性。

目前，我國VR行業仍處于起步階段，供應鏈及配套產品還不成熟，硬件設備、軟件工具、內容生產等各層面標準的制訂迫在眉睫。

3.在教育教學中盲目推廣VR技術

VR技術在教學中的應用為媒體教學提供了新的途徑和教學方法，然而這并不代表VR技術在教學中可以泛用。開發一套VR教學設備和教學內容需要花費巨大的人力、物力、財力，而且還有一些教學內容不適合用VR技術來進行教學，如小學階段一些偏識記的知識點。另外，還存在一些使用VR技術不能達到顯著效果的科研類課程，此類課程若非要用VR教學媒體那就是畫蛇添足，并會造成不必要的浪費。所以，在教育教學中，教師要根據課程的教學目標和課程特點來選擇合適的教學方式，要避免為了追求科技上的高精尖而盲目地推廣VR技術。

4.VR設備仍無法做到無線連接，阻礙教學體驗

VR技術在教學中的應用能夠為學習者帶來前所未有的體驗，但仍然擺脫不了空間的約束。到目前為止，我們所熟悉的VR設備仍需有線連接，且要多個設備協同工作。例如，現在大家比較認可的Oculus Rift、HTC Vive VR頭顯，它們大體由主體頭戴顯示器一只、2.5mm線纜一根、MiniUSB一根、攝像頭一個（自帶支架）、短焦透鏡2個、各個國家不同制式插頭4個、帶國標插頭的電源一個等組成。若要實現更多的感官刺激還要連接更多的線纜，學習者在體驗的過程中要時刻注意線的連接，不能隨心所欲地移動，降低了體驗的滿意度。

● VR技術在教學應用中的機遇

1.國家政策的支持

2006年國務院頒布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中，VR技術被列為信息領域優先發展的前沿技術之一。2016年4月9日在深圳市舉辦的第四屆中國電子信息博覽會“虛擬現實產業發展論壇”中，工業和信息化部電子工業標準化研究院發布了《虛擬現實產業發展白皮書》（以下稱《白皮書》）?！栋灼诽岢觥笆紫仁翘崆爸\劃布局做好頂層設計，加快制定產業發展路線圖，建立和完善相關標準體系；其次是推進產業化和行業應用，通過財政專項支持虛擬現實技術產業化，支持虛擬現實領域核心技術突破，加強重點領域應用示范；最后是加強文化和品牌建設”。截至2016年，教育部已批準300個國家虛擬仿真實驗教學中心（教育部，2016）。在國家政策的支持和正確引導下，VR技術逐漸走向成熟，再加上我國經濟發展迅速，更為VR技術在教學中的應用提供了保障。

2.社會力量的加入

從上世紀90年代起，我國從開始重視VR技術的研究和應用，由于技術和成本的限制，VR主要應用的對象為軍用和高檔商用。近年來，隨著芯片、顯示、人機交互技術的發展，VR產品才逐步進入市場并實現平民化。很多大型科技公司和各大高校也相繼將VR技術推向教育領域，如愛奇藝在2015年發布了一款非商用的VR應用，黑晶科技推出了VR/AR超級實驗室，百度教育事業部預計在2017年推出VR教育產品，HTC與美國Life liqe合作，打造VR教育啟蒙工具等。北京航空航天大學、清華大學、同濟大學建筑學院、山東大學、北京大學等高校也建立了VR實驗室，這足以說明VR技術在教育領域具有巨大的潛力。

3.VR技術在技能培訓中的需求日益增加

VR之父托馬斯·費內斯（Thomas Furness）說過：“VR改變社會，從教育開始！”VR技術作為一種新型的教學方式在教育技能培訓領域得到廣泛應用，如軍事教學、醫學實習、體育訓練、仿真實驗、特殊教育、工業實訓、藝術創作、游戲教學等。傳統的技能培訓是一項消耗型的教學活動，教學成本很高，且伴有一定的風險，而隨著VR技術的逐漸成熟，可以有效緩解這一問題，VR技術善于創造三維立體的、逼真的教學環境，這就降低了高額的教學成本，又由于所有的教學內容都是虛構的，因而也有效地保證了學習者的安全。正是VR技術這種低投入、低風險的特點，在各種技能培訓中，教師們越來越傾向使用基于VR技術的教學方法。

● VR技術在教學中的威脅

1.產品價格與產品性能不平衡

VR技術在教學中的應用不斷向平民化發展，但VR設備的性能和價格仍然呈正相關，產品的性能越好價格越高，目前市面上的VR產品從十幾元到幾百萬不等，如CAVE（洞穴狀自動虛擬系統）系統價格高達百萬以上，在軍事演練或航空航天專業領域，這個價格是可以承受的，但在基礎教育領域，價格不菲，這就在很大程度上制約了VR產品的平民化。雖然，也有價格便宜的VR產品，但是其設備內部不具備陀螺儀，使用者暈眩感強烈，基本上不能使用。因此，VR產品性能和價格還存在悖論，VR產品是以學習者體驗滿意度來進行迭代更新的，不能以犧牲VR產品的性能來換取價格的降低，所以降低VR產品開發成本，提高VR產品的普及率是開發商和各高校VR實驗室需要重點解決的問題。

2.不適感降低學習體驗滿意度

目前，VR產品學習者體驗的滿意度還有待進一步提高，一方面是VR教學產品主要通過頭顯來觀察變換的環境，對畫面的質量要求很高，至少要達到4k的畫質，但目前大部分的VR產品分辨率很低，難以使學習者沉浸其中。另一方面是畫面延遲引起的暈眩癥、疲勞感。研究表明，產生眩暈癥的原因是眼睛看到的畫面和耳朵聽到的聲音信息位置不匹配，導致腦負擔過大，從而產生暈眩感。數據表明，延遲時間最多不能超過20ms，由于技術和設備上的限制，目前的VR設備還無法做到大面積地將延遲時間控制在20ms以內，這也是目前VR設備的一個致命弱點。因此，為了提高學習者的學習滿意度，縮短延遲時間和提高分辨率是亟待解決的問題。

● 總結

VR作為一種新興的多媒體技術被廣泛地應用在教育領域，其獨特的沉浸性、交互性和構想性，可以使學習者有身臨其境的感受，增強學習體驗，其優勢遠勝于傳統的媒體教學，在教育領域有巨大的潛力。但同時需要注意到的是，VR技術畢竟是一種新技術，還處于發展的初級階段，VR產品的性能和產業鏈都還有待完善，學習者的體驗滿意度也有待提高，VR產品可以被廣大學習者使用還有很長的一段路要走。

相信，隨著技術的不斷發展，VR技術以其強大的優勢必定會在教育領域占有一席之地，對未來的教育事業產生深遠的影響。

參考文獻：

[1]馬仁杰，王榮科，左雪梅.管理學原理[M].北京：人民郵電出版社，2013（9）.

[2]胡衛紅，劉道光，王倩，李萌.虛擬現實技術在教育教學中的應用與研究[J].山東省青年管理干部學院學報，2007（6）：139-141.

[3]佟海靜，傅鋼善.虛擬現實在教育應用中的問題及改進策略[J].中小學電教，2011（11）：23-25.

[4]李明珠.2016VR元年：虛擬現實在藝術教育中的應用展望[J].藝術教育，2016（10）：36-39.

[5]張志禎.虛擬現實教育應用：追求身心一體的教育[J].中國遠程教育，2016（6）：5-15.

[6]中國電子技術標準化研究院.虛擬現實產業發展白皮書[R].[2016-4-14].http：//www.cesi.cn/cesi/guanwanglanmu/biaozhunhuayanjiu/2016/0414/12496.html.