虛擬現實和增強現實技術及其教育應用研究

馮建平，王 軍

（海南師范大學，海南 ?？?570100）

如今，越來越多的教育工作者習慣于在教育教學過程運用新技術來輔助教學活動的開展，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術、增強現實（Augmented Reality，AR）技術在教育領域中的應用越來越廣泛。在這樣的背景下，本文采用一個特殊視角，試圖把虛擬現實及其相關技術與傳統的教育環境融合起來，形成一種新型的互動性的虛擬學習環境。

1 相關技術簡介

1.1 虛擬現實技術

1.1.1 概念及特征

VR指通過計算機技術模擬現實或者想象世界中實體的存在，構設出一種虛擬環境。參與者可以在構設的環境中發生沉浸性的交互行為，是一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真[1]。在虛擬現實技術構設的虛擬環境中，用戶能受到視覺、聽覺等感官上多方位的刺激，加強其沉浸感的體驗，以滿足廣大消費者追求真實感官體驗的心理需求。

1.1.2 發展歷程

在1968年，世界上出現了第一個能夠呈現虛擬圖像的頭戴顯示器，該顯示器由Ivan Sutherlan成功研發，在設計中采用了計算機圖形驅動，并能夠實時跟蹤頭部運動軌跡。1977年，美國麻省理工學院創建了科羅拉多州阿斯彭市的虛擬仿真系統。1989年，由Jaron Lanier提出的“虛擬現實”這一定義首次正式以計算機專業術語被界定。截至2015年，三星等大型科技集團紛紛加入虛擬現實相關行業，研發虛擬現實相關設備產品，國內也出現眾多虛擬現實相關產業公司。

1.1.3 存在的問題

盡管虛擬現實已經被研究了半個多世紀，但關于使用這種技術至今仍然存在一些問題。有一些產品長期使用可能會引起一些與健康相關的如眩暈、迷失方向或失去平衡等副作用。這些問題都是由于頭部運動時受頭顯高延遲、低圖像顯示率和高像素持久性的影響而產生。像素密度是VR目前發展的另一個挑戰，VR要達到與人類視覺相當的水平，還有很長的路要走。

1.2 增強現實技術

1.2.1 概念及特點

AR是一種實時計算攝影機影像位置及角度并加上相應圖像、視頻、3D模型的技術[2]。在體驗者所能觀察和感受的真實世界里嵌入由計算機生成的虛擬信息是AR想要實現的最終目的。增強現實的主要特征表現為能夠在真實環境中結合虛擬事物，實現兩者在同一環境下共存；使虛擬和真實兩個世界同時存在，保持同步，使用者能夠在現實世界中直觀地體驗虛擬的空間事物；在三維空間中可以準確添加定位虛擬物體，獲得新的視覺感官體驗。

1.2.2 發展歷程

“增強現實”明確定位為一個技術概念最早是在1992年，由Tom Caudell提出，當時他將AR描述為在真實環境中疊加電腦呈現的材料所表現的場景[3]。近些年來，計算機技術發展迅猛，隨之硬件設備的價格也受到影響而逐漸下降，在此基礎上，基于增強現實技術的系統研究也得到了推進。

1.2.3 存在的問題

就像對于使用VR存在擔憂一樣，對于AR也存在著同樣的問題。其中，最關鍵的一點的是，除了現有相關技術方面的挑戰，消費者使用AR產品時可能還存在著泄露個人隱私風險的困擾。產生這一問題主要是因為目前AR設備已變得非常強大，具有實時分析環境的功能，還具有實時人臉識別算法，能夠進行實時人臉識別，這很容易侵犯個人隱私，造成信息泄露。

2 虛擬融合環境中的教育應用

2.1 虛擬現實技術在教育中的應用

2.1.1 虛擬遠程教育

遠程教育是網絡技術與環境支持開展的教育，主要采用互聯網等傳播媒體的教學模式。在構建虛擬現實系統時，會設計智能虛擬的引導者角色，以引導學生更好地體驗虛擬教學環境。學生可以在以網絡信息和多媒體功能為基礎的虛擬環境中，充分調動自己的自主學習能力，足不出戶便可享有豐富的學習資源。

2.1.2 虛擬實驗環境

虛擬現實實驗是指基于虛擬現實環境所呈現的接近真實的實驗。在虛擬實驗室中，實驗儀器、操作設備和實驗試劑等都是虛擬的，學生可以根據實驗要求利用VR實時生成所需設備進行實驗。這樣一來，就減少了學校實驗經費支出方面的壓力，能夠解決學校實驗方面存在的設備不足、場地受限、經費缺乏等普遍問題。虛擬實驗室提供豐富生動的教學資源和3D實驗教學環境，能夠實現實驗的操作演示，使用靈活，操作簡單，可以呈現最精確的實驗數據和真實的實驗現象。

2.2 增強現實技術在教育中的應用

AR教育就其根本性質來說，只不過是因為在教育的基礎上附加了AR作為技術支撐，就使得原本的基礎教育產生了新的特性，同時也會衍生出新的教學方式供教師使用。

2.2.1 AR閱讀

AR讀物主要是在紙質書本頁面中借助圖像識別技術來疊加一些虛擬圖像信息，使讀者產生更直觀新穎的感官體驗。一般情況下，通過圖書相關APP掃描可實現書中平面化的內容跳出顯示為立體圖像，使圖書內容更加形象直觀。將AR閱讀應用在中小學立體幾何教學中，讓同學在課堂上通過直接掃描書本觀看立體三維圖形，可以解決那些空間想象能力較弱的學生在知識理解方面存在的難題。

2.2.2 教學演示

在教學活動開展中教師最慣用的教學形式之一就是教學演示。在傳統教學活動開展過程中，教師通常采用的是基于平面的多媒體教學演示，學生的體驗感不強烈。但在教學活動展開過程中基于AR技術的教學演示，教師和學生接觸更多的是在真實的教學場景環境中疊加進去一些虛擬的三維立體模型或者虛擬動畫效果。

3 虛擬融合環境中教育應用的優勢及不足

傳統教育中，往往存在受教育者無法參與到課堂中、無法和教師進行互動的困難，VR，AR技術和教育的結合則很好地解決了這個難題。將新技術應用于具體的教學環境中，可以實現學生在課堂中與知識的自然交互，還可以在一定程度上提升學生的體驗感，進而推動學生在教師安排的課堂探究環節中能自覺主動的進行學習。另一方面，基于VR，AR技術的情景化虛擬教學學習環境，能夠為學生提供聲音、動畫等多樣的數字化媒體教學內容，能夠使學生能夠對學習產生興趣。

對于基于虛擬現實和增強現實技術的系列教育產品，普通教育者追求的并不是技術方面炫酷的體驗，而是學生學習水平和教學效果實實在在的改善和提高。但是目前，AR，VR產業尚處于起步階段，還存在應用不足、技術儲備不足、數據庫建設不足等問題，使得其在教育領域中的實際應用還存在著一些弊端。在實際課堂教學中，并不是所有的知識內容的教授都可以應用新技術，而且，有些教師對于新技術的學習運用持抵觸心理，新技術的教學優勢很難在課堂中完全發揮出來。

4 結語

AR，VR技術是一種改變下一代人機交互模式的新技術，能夠促進教育相關產品研發，提高學生的學習效果，促進教育信息化發展。現如今，作為虛擬現實和增強現實技術的載體，移動設備正處于的全面推廣的階段，在不久的將來，大家能夠基于虛擬現實和增強現實技術，借助不同的移動設備，以不同的感官視野看到另一個全新的世界。同時，隨著科學技術的發展，虛擬現實和增強現實技術也在不斷完善，其應用的硬件設備價格也會隨之下降。憑借自身在教學應用中具有的優勢和潛力，教育工作者會逐漸青睞于虛擬現實和增強現實技術構建的教學環境，使得其在教育領域大放光彩。

[參考文獻]

[1]張鳳軍，戴國忠，彭曉蘭.虛擬現實的人機交互綜述[J].中國科學（信息科學），2016（12）：1711-1736.

[2]周森，尹邦滿.增強現實技術及其在教育領域的應用現狀與發展機遇[J].電化教育研究，2017（3）：86-93.

[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.