虛擬現實在教育中的應用

◆唐智昊

(青島西海岸新區第一高級中學)

虛擬現實技術，英文名VirtualReality。近年來，利用三維圖形生成、多傳感交互、多媒體、人工智能、人機界面、高分辨率顯示等技術來模擬現實世界是一項新興的高新技術。VR往往是通過電子計算機對使用者模擬出一個三維空間，它允許用戶看到360度全景圖像，除視覺之外，還有聽覺、觸覺等感覺，使得用戶可以最大限度地感知三維空間中的一切事物。甚至當使用者發生位移時，虛擬現實系統可以同步復雜的操作，并將相應的精確的3D虛擬世界圖像發送回用戶。虛擬現實技術有著廣泛的應用，它的沉浸性、交互性等特點能給傳統的教育行業帶來新的變革。

一、虛擬現實的發展

第一階段：思想階段

1963年以前，虛擬現實技術只是處于第一階段，單純處于思想階段，應該歸類于仿真技術。是一種對生物的動作和感官等行為以及大自然環境的交互模擬技術。例如風箏，在戰國時期就是模擬人和飛行類動物進行交互的自然環境。在國外，發明出飛行模擬器，讓使用者體驗飛行的感覺，整體而言大同小異，都屬于最早的虛擬現實技術。

第二階段：探索階段

20世紀60年代，虛擬現實技術開始進入萌芽探索階段。1968年，美國計算機圖形學之父IvanSutherland發明了第一臺計算機圖形驅動頭盔顯示器HMD和頭部位置跟蹤系統，這是虛擬現實技術發展史上的重大突破。在這一探索階段的歷史中，產生了虛擬現實技術發展的理論和基本思想。1973年開始到1989年，開始初步產生虛擬現實技術概念和理論，并出現了VIDEOPLACE與VIEW兩個經典的虛擬現實系統。能通過影像投影的方式對語言、簡單手勢進行交互，形成虛擬現實。

第三階段：應用階段

20世紀90年代始至今，虛擬現實技術進入概念完善階段并開始進行實際應用，它涵蓋范圍廣泛，包括科學研究、游戲、軍事、醫學等人類生活領域。娛樂方面例如卡普空(CAPCOM)的《生化危機7》，是大IP游戲VR化最成功的案例之一。做到賣好又賣座，根據公司數據統計，該游戲上線了包括VR版本的多個版本，但一個月內，保守估計就有13.3萬玩家安裝了VR版本的《生化危機7》，這部大作讓不少PSVR用戶和設備的潛在購買用戶愛上了VR。在醫學領域除了最早開發出的模擬手術訓練器，幫助外科醫生進行外科手術實習訓練。近年，日本關東醫院開始使用VR設備對達芬奇機器人手術進行輔助，使得手術操作更加精確，該醫院還開發出一套3DVR解剖系統，醫生使用該系統可以提前進行手術預演，了解病灶，通過VR虛擬空間大大提高手術精度。除外科手術外，VR治療在精神疾病的治療中也起著一定的作用。同樣的道理，軍事方面，VR技術的仿真模擬能夠模擬出實戰場景，讓士兵身臨其境感受戰場，在戰場中毫無顧忌地進行實戰，卻又不用受到傷害，VR軍事訓練方法比傳統的訓練方法成本更低，但是訓練的效果會更好。

二、虛擬現實技術的特性

虛擬現實具有三個基本特征：沉浸、交互和構想，即沉浸交互構想，也稱為3個“I”特征。3“I”特性也在技術層面上強調了人對虛擬現實系統的主導型。

1.沉浸性

沉浸，也被稱為沉浸感，允許用戶感覺完全置于虛擬世界所包圍的虛擬世界。它又分為語言、語音、電影等沉浸空間，通過設置的文字描述、語言描述以及同時結合視覺和聽覺，讓用戶沉浸在系統中。

2.交互性

交互性是指模擬出的三維虛擬空間能夠和人的行為進行互動，交互時產生的感覺與現實一樣。其特點為：虛擬環境中的電子計算機對人的行為進行同步且有規律性預測計算，并將處理后的虛擬環境實時反饋，產生人與虛擬空間的同步交互。

3.構想性

構想性指開發者制作出的虛擬空間和場景，可以是真實場景的完整復刻，可以有真實場景加上部分主觀想象部分。比如房屋建筑、室內裝修等的設計，三維場景的虛擬現實技術比起傳統的二維圖紙描繪更形象生動，更加逼真。也可以是完全想象的虛擬空間。

4.延伸

在三大基本特性基礎之上，它也發展了虛擬現實技術在教育領域中的應用，如多感知、存在和自主深度思考學習(多用于加入了人工智能的虛擬現實系統)。

三、虛擬現實技術目前在教育領域的應用

VR在各個行業都有著不同程度地滲透，但在教育行業的應用卻沒有重大突破。原因一方面是，VR目前在教育行業的開發仍很有限，另一方面VR技術目前在教育行業仍處于試驗階段，并不能穩定地進行大規模使用。很多學校并不想讓學生冒險嘗試新式教育，堅持傳統保守方式。但不可否認的是VR應用于教育是將是教育發展的一個飛躍。它將取代傳統的教師，促使學習方式發生變革，為學生提供一個獨立學習的空間，并通過創造一個完全的、更加清晰的信息環境來方便學生獲取知識。在目前的應用狀況上，虛擬現實技術滿足的更多的是一種學習的情景化和交互性的解決條件，使得教學模型更加立體化，更加真實清楚。

1.歐美國家應用現狀

目前歐美國家應用較廣泛，主要用于高校實驗室。早在1985年，國家醫學圖書館就數字化了人體解剖圖像。此后，德國、西班牙、意大利等歐洲國家也開始建立遠程虛擬教育實驗室。主要應用于物理力學實驗和生物解剖實驗等新發展方向。

2.中國應用現狀

與歐美相比，我國虛擬現實技術在教育行業的應用范圍小，仍存在不小的差距。目前我國一些高校也發現了這一新興技術的益處，正在進行研究。清華大學、復旦大學等一批高等院校相繼開發了一些虛擬現實系統進行教學研究。與游戲產業相比，虛擬現實技術在教育行業的應用正處于探索狀態，除了高校開發出的應用外，在中小學階段應用很少，幾乎沒有，處于一片空白的狀態。它主要具體應用在以下幾個方面。

(1)虛擬仿真校園

虛擬校園是教育部的重點研究方向，它也是虛擬現實技術在教育產業中應用最早、最廣泛的應用。大致分為三個深淺不同的級別，適應于學校各種程度的需求。目前最簡單也是最廣泛地應用在各個高校網站上的360度校園全景地圖，提供給訪問者其校園的全景地圖，結合教學、教務、校園生活等功能，讓訪問者更真切地貼近高校，了解高校。

(2)遠程教育平臺

遠程教育平臺是指通過虛擬現實技術，對高校擴建后的分校進行遠程教學，建立一種電子教學場所。相比于簡單的視頻會議樣式的遠程教育方式，基于虛擬現實技術的遠程教育平臺可以通過交互式遠程教學的課程目錄和網站作為遠程教育技術，使遠程教育平臺的功能更加完善。例如新建成的區域教學系統，就可以通過遠程教育平臺，將多個高中的學生學習數據共享，多校聯動教育，對于老師來說，使得教育的方式更加多樣化，也能夠根據聯動數據進行攻堅克難，有目的地計劃教學任務。對于學生家長來說，解決了師資力量不均衡的矛盾，為學生提供一個更加完善公平的學習環境。

(3)科技研究

目前高校建立的相關虛擬現實的研究室往往是和系統仿真研究室結合在一起，方便將研發出的新型成果進入實用階段進行測試。早在2007年初，中國科學院就為其計算技術研究所虛擬現實實驗室之外的商界提供了核心技術服務。該實驗室重點研究包括三維虛擬人建模、運動模擬仿真在內的“虛擬人合成”和包括環境建模呈現和交互技術、自然災害現象模擬與仿真在內的“虛擬環境交互”。清華大學在2016年和北京一拍科技有限公司共同合作成立了VR技術聯合實驗室，并發布了國內首個虛擬現實教育全產業鏈的系列培訓產品。

北京航空航天大學建立了虛擬現實技術與系統國家重點實驗室，致力于虛擬現實的應用基礎和核心技術的研究中。又于2016年成立的北京航空航天大學青島研究院成立虛擬現實國家重點實驗室分室，與青島市政府共同推進嶗山地區“虛擬現實之都”的建設，虛擬規劃設計在浙江大學建筑中的應用，哈爾濱工業大學在人機交互中的應用研究室已經能夠獨立承擔大型虛擬現實項目。

3.現狀分析

綜合歐美國家與我國的應用，目前虛擬現實技術在教育行業的應用仍屈指可數。由于虛擬現實技術在教育行業的投入大，回報少，使得他們不想向教育行業的應用開發。而就學校方面，學校的教育理念傳統單一，不敢讓學生嘗試新的實驗室階段的事物，所以也就造成了兩個行業互相閉塞信息交流，發展困難，所以目前虛擬現實技術在教育行業的應用最廣泛的還是在各個獨立的高校實驗室，并不能實現大規模使用。

四、虛擬現實技術在教育領域的發展前景

虛擬現實技術未來在教育領域的發展前景應該偏向于高校專門化、中小學普遍化。憑借虛擬現實技術的交互性和沉浸性，提高課堂的參與率，使教學模型更加立體，大幅提升學生的理解力，高校則應著重針對專門的虛擬現實技術要求，進行科研項目，開發出可以適用于虛擬現實系統的應用。除此之外，虛擬現實技術還可以發展課堂外的教育，例如音樂、美術等興趣的深度培養，沉浸式數字圖書館的開發，等等。

從實際角度出發，目前虛擬現實技術在教育行業的應用方面還很少，但虛擬現實技術本身具有較強的教學優勢和潛力，其多樣化、真實的生動課堂將提高學生的學習和理解能力，大大提高教學效率。交互性的特點將會提升學生的綜合實踐能力。虛擬現實給教育帶來的一切將逐漸受到教育者的關注和青睞，必將不可避免地被廣泛應用于教育培訓領域，發揮其重要作用。