虛擬現實技術在教育領域的應用

薛濤 鄧業鵬 范世旭 許雅晴 蒯支睿

摘要：本文介紹了虛擬現實技術在教育領域的發展歷程，研究了虛擬現實再課堂教學方面的理論基礎，討論了虛擬現實技術在課堂教學方面的應用模型，最終為虛擬現實技術在教育領域的發展提出了總結與展望。

關鍵詞：虛擬現實;教育;VR課堂

中圖分類號：TP391.9 ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1007-9416（2020）06-0000-00

1 緒論

1.1 課題研究背景

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體，是一種由計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感和人機強大交互體驗的技術。

《“十三五”國家信息化規劃》要求落實“虛擬現實”等新技術的技術研發和前沿布局?！秶覄撔买寗影l展戰略綱要》中的戰略任務明確要求發展自然交互與虛擬現實。同時，5G的發展和推廣使得信息的傳遞更加快速更加穩定，為虛擬現實技術的應用降低了一定的難度。

國外虛擬現實技術在上世紀末就開始研究、發展，并且嘗試在某些領域的應用，目前國外已經有很多公司和組織將虛擬現實技術應用到了教育領域，出現了classvr、Unimersiv、Nearpod等多個基于虛擬現實的教育平臺。

VR具有高度的交互性、沉浸感，將VR應用在課堂教學中可以增強學生的學習體驗和學習效果，同時，將VR作為線上教育的一種手段也可以改善教育資源不平衡的現狀，我們旨在探究虛擬現實在教育領域的國內外的發展歷程和研究現狀，為其進一步發展奠定基礎。

1.2 基礎理論研究

1.2.1虛擬現實技術的理論依據

虛擬現實在教育領域的應用，依賴于模擬環境、感知、自然技能、專用設備四個理論。

模擬環境就是由計算機生成的具有雙視點的、實時動態的三維立體逼真圖像，這不僅包括三維視覺，還包括三維聽覺、觸覺甚至嗅覺等的逼真[1]。圖像可以是現實世界中真實存在的，也可以是利用計算機圖形學的技術構造出來的。

感知是指理想的虛擬現實技術應該具備人類一切的感知能力，不僅只有計算機圖形學形成的視覺感知，還應具有味覺、嗅覺、觸覺等，這也被稱以為多感知（Multi ?Sensation）。

自然技能是指計算機處理與將人在虛擬現實環境的一切行為動作，包括手勢、眼珠轉動等相適應的數據，同時做出回應。

專用設備是指各種三維交互設備，包括立體頭盔，三維手套、攝像機、傳感器等等。

1.2.2虛擬現實技術與教育相結合的理論依據

虛擬現實自提出以來，有不少學者對虛擬現實技術與教育相結合的理論依據進行了研究，現較為普遍的有認知主義學習理論、構建主義理論和模擬法則理論。

認知主義學習理論認為學習就是面對問題情境，在內心經過積極的組織，從而形成和發展認知結構的過程，強調刺激反應之間的聯系是以意識為中介的，強調認知過程的重要性。虛擬現實與教育相結合，使學習者能夠在虛擬的現實情景下學習，利用自己原有認知結構中的有關經驗去同化和順應當前學習到的新知識，從而賦予新知識以某種意義，主動積極地構建自己的知識。

構建主義理論主張世界是客觀存在的，但是對事物的理解卻是由每個人自己決定。不同的人由于原有經驗不同，對同一事物會有不同理解。建構主義學習理論認為：學習是引導學生從原有經驗出發，建構起新的經驗。VR的沉浸性去除了參與者與計算機之間的界限，為個人了解世界創設了一種體驗，從而促進學生在VR學習平臺的學習過程中形成自己獨特的意見和觀點，構建起自己的知識體系[2]。

模擬法則理論通常運用在工程鄰域，分為物理模擬和數學模擬。虛擬現實與教育相結合適用的是物理模擬，虛擬現實技術通過設計與原型相近的模型，將難以完成的實驗重現，捕捉稍縱即逝的自然現象等等，讓學生切身發現其中的規律，感受自然科學的魅力。

2 效果

VR應用于教育中時能讓學生更加專注，同時學生也能在VR教學中有更好的主動性。這樣的優勢來自于VR本身的沉浸感，這樣的沉浸感是傳統的教學方式無法提供的，在VR的教學過程中，學生自己能夠擁有更高的參與度，這也讓學生自己能夠很好的融入整個學習的過程。

已有研究表明，虛擬現實研究對于不同學科、不同學習方面的教育效果會有所不同。傳統使用PPT的教學更加擅長于記憶需要通過文本和圖片記憶的特定知識，如特定的數字，而VR教學則難以完成。但虛擬現實對于原理或者方法的理解，以及對于問題的主觀感受上有著更好的結果。

目前VR可以作為一個用于補充常規授課內容的理想工具。雖然VR游戲對于教育的積極影響也取決于某些變量，但不可否認的是他對于教育是一個有所貢獻的工具。在大量研究已證明虛擬現實有主意學習的基礎上，將虛擬現實技術應用到教育游戲中，學生能夠在使用VR進行游戲的情況下有更好的注意力。

由于技術的限制，目前的VR教育依然存在體驗感較差、難以獲得高精度的人體運動等問題。對于交互性很強的課堂，虛擬現實的效果并不理想。來自美國德克薩斯農工大學教育學院的Zahira Merchant團隊研究發現當學生單獨進行游戲而非小組進行游戲時，學生的游戲成績會有所提高[3]。

來自美國的Lei Zhang團隊發現當VR應用在教學過程中，互動程度對于學生學習過程的收獲影響并不明顯，同時也沒有證據能夠表明中等水平的互動性能給學生帶來最大的收益。

對于需要一定想象力的學科來說，虛擬現實可以從全方位模擬一些普通課堂中無法實現的場景。Aftab Alam團隊通過模糊邏輯的方法定量測定了學生的學習技能，并將其用于改變3D虛擬學習環境（3D-VLE）內容的適應標準，以解決3D-VLE的自適應能力。實驗結果表明該方法用于為學生定制學習內容能夠有效地增強學生的學習能力。

來自臺灣師范大學的研究團隊研究了虛擬現實應用于科學教育時是否展現出顯著的差異。實驗結果表明該VR課堂對學生們的學習成績有積極影響，學生的學習主動性也比接受傳統教學的對照組要好不少。除此之外，教師也能通過VR教師的記錄制定教學策略，更好的糾正學生的弱點。

Olga López Ríos團隊利用VR模擬真實過程，并以此完成不同場景下的教學，通過這樣的方式來培養本科工程專業學生在統計方面的思維。研究的結果證明接受VR教學的學生在統計學思維方面會有更好的認識。研究團隊還認為，學生能夠在VR的教學中收獲相關領域的一些技能。

同時，研究結果還表明VR更適合于需要學生理解的知識的傳授，而那些需要記憶的知識則不便于通過VR傳授。由于在VR畫面中放入一大段文字也很難有學生愿意閱讀，因此VR也并不適合傳授文字一類的內容。

3 應用

在線上教育應用方面，國內外許多研究團隊在體育、采礦工程、殘疾人教育等多個方面均進行了應用研究并取得一定成績。其中較為成功的有Multigen creator平臺、VREX云平臺、NCLS。

Zhao Guoliang的研究團隊將虛擬現實技術應用于采礦工程數字教育，開發了一個虛擬現實軟件Multigen creator平臺，具有三維場景漫游、動畫制作、交互控制等功能。它不僅可以應用于學習數字化教育，還可以應用于技術培訓、安全救援決策、事故模擬和調查分析等方面。

Li Ying教授團隊通過VREX構建了一個開放的、沉浸式的虛擬的教室，讓學生能夠讓學生在任何時間、任何地點和任何頻率體驗交互式學習，虛擬現實教育表現了學習效率高、效果好、及時反饋、低成本、操作安全等特點和優勢。

Shuang Li的研究團隊基于VR技術構建了一個網絡合作學習系統（NCLS），分析了其典型應用的工作流程和信息流程研究如何可以方便地實現遠程協作學習，分布式學習和自主學習。

天津理工大學體育學系基于體育教學與訓練的本質，構建了虛擬現實技術在體育教學與訓練領域的應用模型和VR系統培訓軟件，可以為人們提供視覺展示，并結合游戲、情境化、協作學習、在線教育等手段，激發學生主動學習的興趣。

武漢首義學院的尹坤坤設計出了實現應用于教學實驗過程的虛擬軟件搭建的方案，目前該方案主要應用于教學實驗過程中各細分領域的虛擬軟件搭建，基于該方案搭建完成的虛擬現實機械領域實驗室已在華中地區部分高校中應用并取得較好成果。

德雷克塞爾大學電子與計算機工程系的Pramod Abichandani團隊介紹了一個可擴展且可遷移的基于云的虛擬現實教學生態系統。該系統云服務的可擴展性和可訪問性與VR的沉浸式教育潛力結合在了一起。

從虛擬現實技術在教育領域的應用研究來看，大部分的應用都收獲了較好的成效。但是從研究方法和結果來看，目前還沒有一套VR線上教育的技術規范標準，這就會使得VR應用顯得參差不齊。

4 總結和展望

虛擬現實作為一項新興技術，雖然在教育領域的應用并不成熟，但已有的研究表明虛擬現實教育具有很大的潛力，能夠突破時間與空間的限制，讓學生獲得沉浸式的體驗與更直觀的感受。虛擬現實能夠模擬出傳統教學中無法提現的過程，這是虛擬現實在教育領域中最大的優勢，其次，虛擬現實中學生所感受到的事物都是模擬的，使得學生有更多的精力放在關注點上，從而提高學生的注意力與學習效果。

參考文獻

[1]申蔚.虛擬現實技術的理論、實現及應用[D].北京：首都經濟貿易大學，2001.

[2]單美賢.虛擬現實與教育相結合的理論依據[J].開放研究教育，2001（6）：23-25.

[3]Merchant Z， Goetz E T， Cifuentes L， et al. Effectiveness of virtual reality-based instruction on students' learning outcomes in K-12 and higher education： A meta-analysis[J].Computers & Education，2014（70）：29-40.

收稿日期：2020-04-11

作者簡介：薛濤[A1]，男，江西贛州人，本科，研究方向：軟件工程。