虛擬現實技術在教育課程中的應用

王美霞

摘 要：文章主要研究虛擬現實在教育課程中的運用，討論了使用虛擬現實的原因，介紹了利用虛擬現實的優缺點，并提出了何時使用和何時不使用虛擬現實，給出了一般模型。可用于確定何時在教育課程中使用虛擬現實。

關鍵詞：虛擬現實；教育課程；應用

在教育領域中使用虛擬現實（Virtual Reality，VR）可看作是計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，CAI）或計算機培訓（Computer Based Training，CBT）的某種變化。使用計算機作為教學輔助工具有很長的歷史，最早起始于20世紀50年代初，而對其進行研究則始于20世紀60年代初。自1977年微型計算機問世以來，計算機（特別是微型計算機或個人電腦）逐漸應用到了許多形式的教育之中。而虛擬現實可用于所有類型的計算機，因此其發展也遵循了這一發展趨勢[1]。

1 虛擬現實技術在教育課程中的應用研究現狀

自20世紀80年代以來，對虛擬現實在教育方面的應用和有效性進行了許多研究。有研究表明，虛擬環境可以激發學習和理解，因為它提供了符號和經驗信息之間的緊密耦合。許多研究集中在兒童和年輕學習者如何在3D環境中進行互動和學習，如虛擬游樂場、洞穴等。以物理學為例，學生幾乎不能“感知”和“理解”他們所研究現象。但是，利用虛擬現實可以實現這個目標。這也可以為學生的概念的理解與進一步的學習提供幫助。3D環境對學習概念的最重要的貢獻是促進了空間知識的理解。Burdea等[2]在1994年提出了虛擬現實的3個基本特征：沉浸感（Immersion）、構想性（Imagination）、交互性（Interaction），這3個基本特征也經常被簡稱為虛擬現實的3I特征。

盡管VR被認為是一個非常有前景的學習工具，但仍有許多問題需要進一步研究。這些問題主要包括：確定適當的理論或模型來指導其設計和開發；研究其特性使其能夠支持學習；了解它的使用是否可以提高預期的性能和理解等。此外，在使用此技術時如何達到更有效的學習，對不同天賦的學習者的影響等也需進一步研究。

2 在教育課程中使用虛擬現實的原因

在每一個層次的教育，虛擬現實都有可能有所作為，可以引導學習者的新發現，對其進行激勵和鼓勵和激發。

VR可以從第一人稱的角度使學生身臨其境（即沉浸感），提供非象征性的經驗，以幫助學生學習。學習者可以參與到學習環境中，擁有一種存在感，成為環境的一部分。而在傳統教育課程中，不能以任何其他方式獲得這些經驗，而是更傾向于促進第三人稱的象征性體驗。許多學生由于不能很好地理解與掌握學科的理論知識而學習不好。VR卻為學生提供了一個新的途徑，它可以促使學生通過沉浸式的體驗學習掌握抽象的概念。就此而言，VR也許是最好的和最可能的解決方案。

3 在教育課程中使用虛擬現實的優缺點

使用VR教學的優點在許多方面與使用計算機或交互式仿真的優點相似，尤其是三維計算機模擬。例如，一個模擬可以提供真實的和相關的場景，利用關卡的形式，激發用戶的興趣，迫使他們采取行動，并為他們提供不受限制的選擇。使用虛擬現實教學目標的一個主要優點是它具有很強的激勵性。

虛擬現實可以比其他方法更準確地說明某些特性、過程等。VR允許對一個物體進行極端的特寫檢查。VR給出了基于新視角的洞察力的機會。從內部或頂部或底部查看對象的模型，顯示以前從未見過的區域。例如，一旦一個分子被建模在VR，學生可以詳細研究它，進入分子內走動，并熟悉其部分。VR允許從遠處檢查物體，顯示整體而非部分。社區的VR模型使居民對建筑物、街道和開闊區域之間的互聯有不同的看法。

VR可以改變學習者與主題的互動方式。VR需要相互作用，它鼓勵積極參與，而不是被動。通過立即查看結果，鼓勵與虛擬環境交互的參與者繼續進行交互。VR為學習者提供了一個機會，讓他們知道以前未知的發現。通過對現實世界進行建模，新的觀點是可能的，研究模型可以提供前所未有的洞察力。VR允許殘疾人參加實驗或學習環境時，否則他們不能這樣做。他們可以做化學和物理實驗和學習。VR允許學習者以自己的速度進行體驗。學習者決定在與虛擬環境進行交互時應該做什么。VR允許學習者在不按常規班級時間表固定的寬時段內進行體驗。

VR允許學習者通過做一個建構主義的方法來學習。VR通過實際使用來提供新技術的經驗。用新設備模擬一個新的過程可以訓練一個工人。VR為通過遠程教育教授的一些目標提供了一種方法，以前不可能用這種方式教授。

使用虛擬現實的缺點主要與成本、學習如何使用硬件和軟件所需的時間、可能的健康和安全效果有關，以及處理可能不情愿使用和集成新技術到課程中。與所有新技術一樣，隨著時間的推移，這些問題可能會逐漸消失，而虛擬現實在教育之外的領域中更普遍地被使用。

4 如何選擇使用虛擬現實

虛擬現實并不能適用于每一個教學目標。有一些教學場景可以使用，有些時候則不應該使用。那么，何時使用和何時不使用呢？

殘疾人由于身體的缺陷，在常規教學中許多實驗是無法參與的。另外，有一些實踐教學環節，也會因為其身體的原因無法參加。這都給殘疾人的學習帶來了相當大的困難，導致許多殘疾人不能選擇自己所喜歡的專業。虛擬現實的出現卻帶給了他們無限的希望，讓他們有機會與正常人一樣不受身體條件的束縛，從事自己所喜愛的職業。

在教學或訓練中，常常會遇到使用真實的東西時有比較大的危險性或者不可能、不方便進行。有時候，學習者或受訓者使用真實的東西所犯的錯誤可能對學習者造成破壞，導致情緒低落。有的對環境有害或者會對設備造成損害，導致財產損失。還有的，本身價格高昂，不能任由學習者廣泛使用。所有的這些傳統教學所面臨的問題與挑戰，正是虛擬現實技術的專長。

在學習的過程中，通常都會涉及許許多多的概念，尤其是相當一部分的概念十分抽象。這讓抽象思維有所欠缺的學習者的學習充滿挑戰。虛擬現實技術，可以利用可視化，使用圖形符號，使得抽象的概念更容易理解。一些教學任務涉及靈巧的手工或身體的運動。虛擬現實可以讓學習者直接進入虛擬世界，使得學習更加有趣[3]。

那是不是意味著無需真實的東西就可以了呢？答案當然是否定的。無論是教學亦或者是訓練，無論是教師還是學生，真實事物還是不能用虛擬現實所完全替代。盡管虛擬現實有著許多傳統教學所不具備的優異特性，然而不可否認的是：過度使用虛擬環境可能會對身體或情感造成損害。使用虛擬環境可能導致學習者混淆虛擬的模型與現實。并且，有些虛擬現實成本太高，無法合理使用，不能達到預期的學習效果。

5 在教育課程中確定何時使用虛擬現實

學習的過程可以由數以百計的具體目標組成，每一個都必須由學生掌握。傳統上，目標是使用教科書、講座、討論和某些形式的媒體來講授的。虛擬現實可以用來教授其中的一些目標，它可以用來確定是否已經掌握了某些目標。教師必須決定任何一個課程在何時何地使用VR。決定何時使用VR會導致決定在何處使用VR。模型可以幫助他們作出這些決定。

確定何時使用虛擬現實的模型一般包括以下內容步驟。首先，我們需要制定具體的課程目標。然后選擇可以使用模擬、計算機生成的模擬或虛擬現實（3D模擬）作為度量或實現手段的目標。在選擇時，應充分考慮使用虛擬現實的原因和優點。通過選擇可以使用虛擬現實的3D模擬作為衡量或實現課程目標的手段來細化選擇列表。對于列表中的每個目標，都要確定需要的現實主義水平，從非常象征性到非常真實的規模；確定所需的浸入式和存在的類型，從沒有浸入3D環境（例如桌面VR）到完全浸入（使用頭部安裝顯示、手套等），即并沒有感覺的存在與強烈的存在感；確定與之交互的類型，以及感知輸入和輸出，到和從虛擬世界或環境所需要的（例如，觸覺或感覺，3D聲音，音頻，視覺，文字，手勢）。接著選擇虛擬現實的軟件、硬件、交付系統等。再根據目標的要求，由教師或虛擬世界構建者建立虛擬環境，學生則可以對虛擬環境預建和修改。由此產生的虛擬環境將使用一組學生進行評估，評估結果用于修改虛擬環境，直到虛擬環境顯示成功地衡量或幫助實現目標。最后使用目標填充對虛擬環境進行評估，評估結果用于修改虛擬環境，以保持與目標相關的虛擬環境。只要虛擬環境與目標人群一起使用，評估和修改就會繼續進行。

6 結語

虛擬現實在教育課程中的應用占有一席之地。使用VR和優勢的原因有很多。隨著時代發展，社會進步，虛擬現實技術在教育領域的應用范圍必將越來越廣，呈現多元化的發展趨勢。它與教育教學的深度融合將會進一步推進教學改革的發展，對于提高教育技術水平、改善教學環境、豐富教學資源、優化教學過程，培養個性化、創新型的人才具有重要作用。隨著虛擬現實教育應用水平的逐步提升，希望虛擬現實在教育課程中的應用所面臨的問題能夠一步步得到有效解決。

[參考文獻]

[1]徐大敏，于兆勤，郭鐘寧.虛擬現實技術及其應用與展望[J].機床與液壓，2006（7）：35-37，79.

[2]BURDEA G，COIFFET P.Virtual reality technology， second edition[M].New York：John Wiley & Sons，2003.

[3]王同聚.虛擬和增強現實（VR/AR）技術在教學中的應用與前景展望[J].數字教育，2017（1）：1-10.