虛擬現實在教育領域的應用：機遇與挑戰

徐舒婕

（安徽師范大學 教育科學學院，安徽 蕪湖 241000）

計算機網絡與通信技術、仿真技術與人機交互技術等科學技術的飛速發展使得人類的學習方式發生了巨大變革，教育手段也從文字發展到圖像、從多媒體技術逐漸向虛擬現實技術演變。虛擬現實技術與教育的結合從20世紀80年代開始，進入21世紀后由于各種虛擬現實設備的誕生，虛擬現實在教育中的應用變得更加廣泛。這種趨勢使得許多國家相繼開展了關于虛擬現實的研究項目，其中以澳大利亞和新西蘭在2009年合作成立的虛擬世界工作組和美國林登實驗室開發的 Second Life項目最為顯著[1]。而且自2011年起，全球每年都會舉辦關于虛擬現實技術的專業國際會議。

雖然和西方發達國家相比，我國虛擬現實技術在教育中的研究較為落后，但是我國十分看好虛擬現實與教育教學融合發展的前景。在政策方面：《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》指出虛擬現實技術現已成為信息技術領域重點發展的三大前沿技術之一[2]；《2017新媒體聯盟中國高等教育技術展望：地平線項目區域報告》將虛擬現實技術列為十二項教育技術的重要發展之一[3]。在實踐層面：到2016年為止我國已經建成了300個國家級的虛擬仿真實驗教學中心和35個虛擬現實科技館項目[4]。盡管虛擬現實的前景十分美好，但是現實中仍然存在許多問題與挑戰，比如虛擬現實本身存在的技術難題挑戰，以及與傳統課堂的融合問題等，只有解決了這些問題才能在真正意義上實現虛擬現實與教育的融合。因此，本文通過探究虛擬現實在教育領域的機遇與挑戰，以期為有關“VR+教育”的實證研究奠定理論基礎。

一、虛擬現實的概念與特點

目前，學術界對于虛擬現實的定義尚未完全統一，但是在總結各個學者所下的定義之后，我們發現虛擬現實的概念包含了三方面的含義：其一，虛擬現實是通過計算機生成的相對人體而言在視覺、嗅覺、聽覺、觸覺四方面均有真實效果的“實體”；其二，用戶通過頭動、眼動、手勢等其他肢體動作與這個“實體”產生交互行為；其三，這些交互行為必須要利用三維設備和傳感設備才能實現。也就是說，虛擬現實是綜合多種技術模擬產生了一個虛擬的空間環境，在這個環境中用戶借助特定設備獲得視覺、聽覺、觸覺等感受，從而產生身臨其境的體驗感。由此可以看出，虛擬現實具有三個特點：沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指使用者在佩戴產品設備之后感覺自己像是處于一個真實環境中一樣，計算機技術為用戶創造立體顯示產生了視覺沉浸、立體聲產生了聽覺沉浸、力反饋產生了觸覺沉浸、虛擬嗅覺產生了嗅覺沉浸，讓用戶有一種身在真實世界中的感覺；交互性是指用戶可以通過輸入輸出設備操縱計算機模擬出來的虛擬對象，并且虛擬對象會根據用戶的行為做出相應的反饋；想象性是指在虛擬現實系統中能夠實現現實中不可能出現的景象或物體，并且可以將用戶腦海中抽象的想法變為可視化的形象。這三個特點打破了真實環境的局限，克服了傳統教學環境的弊端，使用戶能在虛擬環境中充分發揮想象力，提高學習興趣，增強學習體驗感。

二、虛擬現實在教育領域的應用

虛擬現實技術具備的三個特點使其在教育領域的應用中具有獨特優勢，它所創設的虛擬課堂和虛擬校園既能滿足學生對基礎學科的學習，有助于學生理解抽象、復雜的知識內容；又能滿足學生學習專業技能時所需的嚴苛條件，提供逼真的虛擬訓練環境；還能促進遠程教育和特殊兒童教育的發展，其應用潛力巨大、前景廣闊。

1.虛擬現實技術創設學習環境

利用虛擬現實技術可以呈現逼真的場景，實現在真實世界中無法實現或難以實現的事，使學生更直觀、深入地理解知識，使教師更快速地得到學生的反饋。比如，學生可以開展有危險性的實驗而不用擔心人身安全，可以觀察動植物在各種條件下的生長狀況而不受外在環境的影響，可以遠距離遙控手術的操作而不受時空的限制。另外，虛擬現實技術加上增強現實技術還能創設多用戶的虛擬學習環境，即學習者能以第一人稱視角行走在虛擬的校園場景中，并且能與其他虛擬學習者溝通交流。虛擬校園里不僅可以提供有學習者資料的圖書館，還可以有提供學習者上課的教室，甚至可以按照個人喜好設計校園的建筑風格。曾經在美國十分受歡迎的網絡虛擬游戲Second Life以及當今國際上十分流行的虛擬現實軟件VR Chat都是以第一視角和小組的形式開展交流活動，這種沉浸式的學習體驗使學習者更容易投入到學習情境中，而且和傳統的網絡教學相比學習者更具參與感和認同感。VR Chat就被國外一所大學運用于遠程教學，使學生在學習過程中獲得了沉浸感，可以說部分實現了虛擬現實技術與教學的融合[5]。

2.虛擬現實技術滿足特殊訓練

虛擬現實技術與仿真技術等其它技術的結合能夠創設出與真實訓練環境相同的虛擬訓練系統。和真實訓練環境相比，虛擬訓練系統能夠優化教學環境、降低訓練危險、減少培訓成本、增強學生學習專注度。不僅如此，虛擬現實的沉浸性特點還有利于轉變傳統教學中以教師為主體的教學模式，有利于增加學生學習的主動性和積極性，使學生成為教學活動的中心，這些優勢恰好是一些需要學生親自動手操作、演練的實踐課所需要的。例如模擬飛行的訓練，飛行員在虛擬環境下不僅能進行多次的飛行演練及戰術訓練，還能在實際飛行過程中嘗試難度大、危險性高的動作。在仿真系統中，飛行員所有感官獲得的感受都有助于快速掌握飛行技能。除了特殊訓練外，物理、化學、生物等學科的虛擬實驗也被廣泛應用于教學領域，未來將會是一個應用熱點。比如，在虛擬的實驗環境中，學生能夠更仔細地觀察燃燒、爆炸等危險的化學現象，探究復雜的物理原理，開展高精度的生物實驗，以更直觀的形式接受知識、學習技巧。

3.虛擬現實技術促進語言學習

借助技術手段能夠保障所有學習活動的開展，達到促進學習的效果[6]，語言學習也不例外。技術促進語言學習不僅是指利用技術促進學習在語言學習系統中的應用，還是指利用技術創設語言環境開展學習。通常，技術在促進語言學習方面會存在一定困難，比如由于技術的限制無法創設恰當的語言使用場景，使學習者的代入感不強，也不能針對每個學習者的特點提供個性化學習的需求。而虛擬現實技術恰好可以彌補這些缺陷，它能夠根據學習者的要求創設所需要的語言環境，并通過游戲的形式學習語言。已有相關實驗表明，在虛擬現實環境中練習口語的學生，其語言表達水平有所提高，平時容易害羞的學生進步則更大。

4.虛擬現實技術輔助特殊教育

虛擬現實技術對特殊兒童群體的教育有極其重要的作用。特殊兒童群體包括聾啞兒童、盲童、自閉癥兒童等，由于一些原因，使得他們在某個或多個生理機能上弱于常人，尤其是自閉癥兒童，因為自閉癥兒童在社會交流、情感表達和自我認知障礙方面都存在嚴重缺陷，在接受教育方面會遇到很多難以克服的障礙，所以傳統的教育方式并不適合他們。而虛擬現實技術可以幫助自閉癥兒童進行學習交流，已經有實驗證明，虛擬現實技術不僅能夠提高自閉癥患者的情感識別和情緒控制能力，還對社會歸因和類比推理等方面有促進作用，虛擬現實因此成為輔助自閉癥兒童進行學習的一種教學手段。

三、虛擬現實教育應用具備的機遇

1.促進知識和技能的遷移

在傳統教學中，學生通常是在脫離真實情境的情況下接受知識的，缺乏主動摸索和嘗試的機會，不能及時運用所學的知識和技能解決實際問題，從而導致學生的遷移能力普遍不強。由于虛擬現實能為學習者營造出符合知識、技能應用的場景并能提供即時反饋，使學習者可以將在虛擬場景中學到的內容遷移到真實環境中，實現情境式學習[7]，因此，對于復雜空間關系的理解和物體內部結構的學習可以通過虛擬現實技術完成。比如化學的分子結構和幾何的空間關系。此外，對于一些抽象、晦澀難懂的概念，也可以通過虛擬現實技術創設相應情境促進學生知識、技能的遷移。

2.提供豐富的個性化學習環境

我國自古以來就有“因材施教”的教育理念，但由于學生數量眾多、師資力量有限，長期以來只能實行程序化和標準化教學。隨著技術水平的進步，計算機在教學中的應用范圍越來越廣、作用越來越大，漸漸改變了傳統教學的形式，但是技術水平的限制使得個性化教學并未真正實現。虛擬現實技術滿足了學生能夠按照自己的喜好設計教學環境的愿望，也滿足了學生根據自己的個性特點和學習風格設計教學環節的需求。因此，虛擬現實能為學生提供比傳統教學和遠程教育更多樣化的學習情境，能給予學生更高效的自主學習體驗。

3.激發學生的學習動機

在教學過程中，一部分學生常常被課堂上發生的細微變化吸引而轉移注意力，還有一部分學生由于自身個性特征等原因很難集中注意力，而且教師和學生人數的比例差異過大使得學生不能擁有教師同等的關注度，容易產生心理落差從而影響其學習的熱情。因此，如何激發學生的學習動機一直是教師亟待解決的問題。虛擬現實環境恰好彌補了這些缺陷，其沉浸性特點能讓學生產生深度學習的體驗感，其想象性特點能讓學生進行個性化學習，其交互性特點則能讓學生和學習環境產生互動行為，學生由此獲得了生理和心理上的滿足感，也增強了學習動機。

四、虛擬現實教育應用面臨的挑戰

1.技術難度制約教育應用

虛擬現實技術目前仍存在著很大的問題。在圖像顯示方面：設備呈現的視覺范圍較小，清晰度不夠，甚至會有重影的現象，用戶觀看久了容易產生眩暈感。在設備使用方面：虛擬現實的頭戴式顯示設備不夠小巧輕便，用戶不宜佩戴時間過長，否則會出現疲勞、惡心等癥狀，而且設備必須要通過數據線與主機連接才能保證其正常運行，因此使用者體驗起來十分不便。在技術難度方面：采用虛擬現實技術設計教學內容需要教師具備一定的技術基礎，而設計出完整的教學方案通常需要一個專業的團隊來完成。以上三方面因素均限制了虛擬現實在教育領域的應用。

2.認知負荷超載

虛擬學習環境是由計算機模擬多個圖像、文字和聲音的信息組建而成的，從聽覺、視覺、觸覺等通道讓用戶產生真實的感覺，這些信息給學習者帶來了沉浸式的學習體驗。但同時，豐富的信息元素給學習者造成了認知負荷超載，多重感官的刺激則會分散他們在重難點知識上的注意力[8]，使學習者無法在第一時間準確地判斷和獲取最重要的知識。因此，在構建虛擬現實空間環境和設計教學內容時應該借鑒認知負荷理論，并提前掌握學習者的知識結構和接受信息的能力，防止信息超載現象發生，以免影響學習者的知識建構和注意力的集中。

3.缺乏有效的學習監控和評估工具

在傳統課堂上，教師對學生的學習狀態一目了然，但在虛擬環境中，教師很難通過觀察學生的神情和行為來判斷學生在虛擬學習環境中是否處于學習狀態。雖然有研究顯示虛擬化身的行為能代表學生的真實狀態，教師可以據此加以辨別，但是學生在虛擬學習環境中的所作所為并不完全與真實世界中相同。因此，為使教師能掌握學生的學習動態，為了教學活動能高效進行，我們需要開發有效的監控和評估工具，使教師能及時了解學生的學習情況，對學生的學習結果做出正確評價。然而，即使虛擬現實系統能夠用數據記錄下學生的學習過程，但是如何通過分析數據達到有效監控學習行為、評價學習結果的目的，目前仍沒有具體的可操作方案[9]。

目前，虛擬現實技術在教育領域具有極其廣闊的應用前景，虛擬現實的固有優勢意味著“VR+教育”將成為未來教育及其重要的一個發展趨勢，將會推動教育教學改革進一步發展，而且還將提高教育水平、豐富教育資源、改善教學環境，為學習者提供個性化學習服務，讓學習者在學習中獲得成長與進步。雖然現在虛擬現實與教育的融合才剛剛開始，并且面臨技術與教學的雙重挑戰，但是伴隨虛擬現實技術的不斷發展與提高，虛擬現實與教育的融合將變得逐漸廣泛和深入。未來，虛擬現實技術存在的挑戰一定會得到有效解決。