VR/AR 技術及其應用研究綜述*

汪玲

武漢交通職業學院馬克思主義學院 武漢 430065

0 引言

當今世界正在經歷新一輪科技革命，虛擬仿真是這一輪新科技革命的代表性成果。2016 年被稱為VR（Virtual Reality，虛擬現實）元年，沉寂多年的VR 技術再次被人們所關注。隨著5G 技術的普及，網絡延遲問題逐步解決，VR 技術得以加速發展，增強現實（Augmented Reality）、增強虛擬、混合現實、拓展現實等成為吸引眼球的科技熱詞，VR/AR 技術發展前景未來可期。近幾年，VR/AR 技術已再次成為國內外學術界研究的熱點，相關成果也比較多。為深化VR/AR 技術在高等教育領域的應用研究，本文收集梳理國內外VR/AR 技術應用研究情況，綜述如下。

1 國外VR/AR 技術研究情況

美國、英國、日本、韓國等發達國家，基于其雄厚的經濟、科技實力，對VR/AR 技術的研究和運用起步較早，且取得不少成果。

1.1 對VR/AR 技術內涵的界定

1.1.1 VR 技術

已有研究表明，美國是最先涉足該領域研究的國家，對VR 技術的研究也一直走在世界前列。早在1960 年，圖形學之父伊萬·薩瑟蘭就發表了一篇關于“終極顯示”的論文，在此篇論文中首次提出VR 技術。1990 年，被學術界公認的“虛擬現實之父”杰倫·拉尼爾將Virtual Reality 這個新興詞匯引入大眾視野，也使研究者注意到VR 技術領域有研究開拓的潛在價值，自此，VR 技術研究蓬勃興起。

隨著時代的發展，各行各業對VR 技術的需求日益增長，人們對VR 技術內涵的認識和理解也在不斷深入。不同研究領域的學者從不同的視角對VR技術進行界定，比如Grigore C.Burdea 等[1]指出：VR 技術是一種高端人機接口，它能實現人與計算機的自然交互。Grigore C.Burdea 等認為VR 具有“3I”特征，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和構想性（Imagination）[2]。狄奧尼索斯指出VR 是運用計算機這個媒介設計出的一種模擬平臺，在這個平臺上所呈現出的內容類似真實直觀存在，同時，用戶之間還可以如同現實情景一般進行互動[2]。

1.1.2 AR 技術

創造AR 一詞的是美國人湯姆·考德爾。在目前的信息化技術中，AR 技術在很多領域運用也比較廣泛，國外對該技術的相關研究與日俱增，但關于AR 技術的內涵，學界并沒有統一的解答。1997年，科學家羅納德·阿祖瑪對AR 技術進行深入研究，在研究的基礎上試圖從AR 技術的三個特征即“虛實結合、實時交互、三維注冊”對其定義進行闡述。Gene Becker 從AR 技術的應用層面對其概念進行概括，即：1）一種技術；2）一個研究領域；3）一種未來計算的景象；4）一種新興的商業；5）一種創造性表達的新媒介[3]。

與VR 技術一樣，隨著科學技術的不斷發展，各個領域對AR 技術的研究也在不斷深入，AR 技術的內涵與外延也在不斷豐富。美國學者Milgram 提出“現實—虛擬連續統一體”的概念（Milgram’s Reality-Virtuality Continuum），這一概念提出后，被學術界廣泛采納。Milgram 提出的“現實—虛擬連續統一體”概念本質上指的是虛實融合，在真實環境和虛擬環境之間存在混合現實，混合現實是真實環境和虛擬環境融合的結果，可以用圖1 簡單明了地說明三者之間的關系。

圖1 現實—虛擬連續統一體

1.2 對VR/AR 技術應用的研究

1.2.1 關于VR 技術的運用

VR技術的早期研究和運用主要是在軍事領域，美國很早就利用VR技術進行虛擬戰場環境的演示、士兵模擬訓練以及聯合演習。英國在觸覺反饋等輔助設備設計和應用研究的VR 技術開發領域，在歐洲國家中無疑是領先的。亞洲對VR 技術研究與應用的領軍國家當屬日本，日本研究的重心在于建立大規模VR 知識庫[4]。當前，VR 這項高新技術在國際社會被廣泛應用于房地產業、銀行系統、建筑工程、游戲、新聞、心理學等領域。

1.2.2 關于AR 技術的運用

1968 年，世界上第一個AR 技術系統由伊萬·薩瑟蘭創建。1998 年，美國在直播體育賽事時運用到AR 技術，此后各大媒體在直播時爭先恐后地使用該項技術。1999 年，Hirokazu Kato 博士開發出可在任何操作系統上運行的AR Tool Kit 軟件包，被譽為“AR 技術應用領域的革命性產物”。至此，AR 技術開始真正融入研究領域并展開充分應用。如今，AR 技術與人們的生活聯系密切，廣泛涉及休閑娛樂、廣告傳媒、醫療衛生等范疇。

1.3 VR/AR 技術在教育領域的應用研究

國外對于VR/AR 技術在教育教學中的應用研究比較早，其中，歐美國家最早將VR/AR 技術投入教育領域，并且對VR/AR 技術應用于教育教學中的重要作用及意義認識也比較深入。20 世紀90 年代，研究學者Wiliam Bricken[5]發表了他在此領域的研究成果，指出“VR 技術是下一場電腦革命的核心，它為學習者提供一個直觀自然的行為和觀察的體驗，將極大地改變未來的學習模式和學習效果”。Randall Miller[6]表示雖然目前該技術在教育教學中的實踐有待進一步探索，但基于該技術的特征優勢，將其投入教育教學還有很大潛力。學者Soohwan Kim、Abd Hakim 和Abdul Majid 一致認為VR 技術為教師教育教學提供了新穎的、有趣的教具，這種教具結合虛實情境，能夠提升學生的學習興趣，從而達到教學效果的最優化。

當然也有學者認為VR 技術作為現代化技術運用于教育教學也存在一些亟待解決的問題。如Gustav Taxén 等[7]在他們的研究中指出，雖然VR技術目前已經被證實在教育教學中能夠給學生帶來更直觀、更情境化的學習體驗，但是在具體操作中還有很多與VR 技術自有特征相融合的現實性問題亟待解決。Aftab Alam 等[8]認為，雖然VR 技術因其較強的交互性、豐富的現實場景能夠吸引學生的學習興趣，帶來區別于傳統教學的個性化教學，但是如何評價VR 環境與教學的適應性，還有待進一步研究。

近年來，VR 技術在國外教育領域有相當多的實踐應用并取得不錯的成績。1997 年，美國率先在佛羅里達州創辦一所虛擬網絡學校，為中小學生提供在線學習教育。目前，該校已經可以為全國提供VR 教育系統。美國是全球第一個開設VR 專業的國家，并且形成一定規模的VR 產業鏈，意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室，英國格拉斯哥大學創建了高等教育VR 平臺，英特爾推出學習實驗室開展VR 教育。

就AR 技術在教育教學領域的運用，目前還處于探索階段，屬于新型信息化教學方式。但也有不少學者從教學情境、教學方法、教學科目等層面作相關研究。美國在AR 技術研究方面也是走在時代的前列，通過查找資料發現，全球最早開設AR 課程的是美國的科格威爾工藝學院，格林內爾學院也很早就創建了AR/VR 實驗室，該實驗室注重沉浸式體驗，為實驗教學提供情境式教學，得到該校師生的一致好評。

2 國內VR/AR 技術研究現狀

我國的VR/AR 技術研究起步較晚，但隨著經濟、科技尤其5G 網絡的快速發展，我國對VR/AR 技術的研究與應用也有重大突破。

2.1 國內關于VR/AR 技術內涵的研究

VR 的中文意思是虛擬現實，錢學森先生是國內比較早的關注這項技術的學者之一，他曾給VR取名為靈境，認為靈境技術是繼計算機技術革命后的又一項技術革命。他曾給VR 技術下過定義，認為Virtual Reality 是用科學技術手段向接受的人輸送視覺的、聽覺的、觸覺的以至嗅覺的信息，使接受者感到如親臨其境。這一定義被國內學者普遍接受并隨著時代的發展而有所補充。王志剛[9]在此定義的基礎上提出三維空間概念，以達到人機交互的目標。浙江師范大學的李欣[10]認為，VR 技術有四大關鍵要素（特性），分別為仿真、沉浸、反饋、交互。湯躍明、婁巖等認為，沉浸—交互—構想是VR 環境系統的三個基本特性，根據這三個特性的程度深淺，將VR 系統分為非浸入式虛擬現實系統、半浸入式虛擬現實系統、浸入式虛擬現實系統三種類型。于麗麗[4]認為，運用VR 技術可以創造嶄新的人機交互手段，是一種計算機仿真系統。

關于AR 技術，國內學者對于其定義基本上大同小異，也與西方學者的觀念不謀而合，如胡佩雯、王辭曉、尚俊杰等都認為AR 技術是將虛擬世界與真實世界無縫對接的新技術，具有虛實結合、無縫交互的特點。

2.2 國內關于VR/AR 技術的應用研究

我國對VR 技術的研究雖然起步比較晚，但得益于經濟、科技尤其5G 的快速發展以及國家和相關部門的重視，我國對VR/AR 技術的研究與應用取得重大進步，VR/AR 技術在各領域的應用和理論研究呈現井噴式發展。在“十四五”規劃綱要中，VR/AR 被列為數字經濟重點產業，也賦予VR/AR 技術新的歷史使命。在相關政策的支持下，我國在VR/AR 技術的研究和應用方面也取得一系列成果，各大電商、企業看到了VR/AR 技術的內在潛力，組織科研團隊在VR/AR 產品上推陳出新。在當前，VR/AR 技術在我國的應用范圍非常廣，涉及教育培訓、醫學、游戲、旅游景點導航介紹等諸多領域。

2.3 國內VR/AR 技術應用于教育領域的研究

21 世紀是信息化的時代，教育改革的呼聲不斷高漲，現代信息技術應用于教育的需求急劇上升。VR 技術以其特有的沉浸感、交互性以及多感官體驗等優勢，吸引著越來越多的教育者開始了解這項技術并將其運用到教學中。與此同時，國內對VR技術在教育領域應用的關注與研究也與日俱增。

2.3.1 VR 技術應用于教育領域的理論研究

對VR 技術應用于教育教學的可行性研究，高媛等[11]首先從理論層面對VR/AR 技術進行深入研究，包含VR/AR 的內涵和特征、發展歷程、應用情況以及與之相關的學習理論等，在此基礎上結合VR/AR 技術的實證研究，提出該技術在教學中的運用存在包含技術、應用、方法等十個方面的困境。他們認為VR技術在教育領域的應用研究是個熱點，指出VR 技術因其自有的優勢，后期在教育產業的應用將會有無限的潛力和廣闊的市場，但目前受限于技術層面以及教學方法的選擇，VR 技術在教育層面的應用還存在很多需要克服的難點。他們也認為隨著技術的不斷創新，VR 技術在教育領域應用的優勢會日漸顯現。

丁楠等[12]認為，VR 技術的蓬勃發展對于教育產業來說是一把雙刃劍，既打破了時空的界限，有利于開展個性化教學，但也存在硬件設備缺陷以及如何與傳統教學有效銜接的困境?；诖?，他們認為，研究者需要在VR 技術的應用層面下功夫，更好地發揮VR 技術的優勢，盡量將其負面的影響降到最低。蘭岳云等[13]認為，VR 技術運用于教學，突破了傳統教學時空限制的局限性，將給現行教學的環境、方式以及實踐教學等方面帶來巨大變革。同時，他們還提出當下“VR+教育”在國內還處于研究初期，要在教育行業全面實施，在政策、制度和標準等層面還需要不斷完善。

從以上研究中可以發現，VR 技術給教育帶來新的契機，但在應用方法等方面還有待進一步深入研究。

2.3.2 AR 技術應用于教育領域的理論研究

就AR 技術在教育教學中應用的優勢，山西師范大學汪存友等[14]從2010—2016 年間AR 技術在國內外發展的情況著手，從AR 技術的特點、分類兩個方面進行深入研究，認為AR 技術將虛擬場景與現實情境有效融合，提升了學生學習的體驗感，使學生能夠在輕松愉悅的狀態下自主學習，幫助學生理解，推動學生自主探究能力的發展。北京師范大學蔡蘇等[15]從AR 技術五個方面的特性和功能出發，結合不同的教學方法，探討其在教育教學中應用的優勢，緊接著從近幾年國內外AR 技術軟件開發并投入各個學科的使用情況著手研究，得出結論。他們認為，AR 技術應用于教育教學有很大的潛力，前景也比較樂觀，但是在具體實踐中還存在諸如有效性如何驗證、學生的參與度有待提升等具體問題。

從以上相關研究中可以發現，學者大部分是從AR 技術本身的特征出發，研究將其運用到教育教學中能夠產生的優勢，以此彌補傳統教育教學的缺陷，以便達到優勢互補，從而提升教學水平。當然，也有學者認為AR 技術的優勢不僅體現在傳統教學中，例如：王辭曉等[16]認為，AR 技術提供的虛實結合的場景能夠幫助VR 技術解決真實感欠缺的困境；李小平等[17]提出VR/AR 教學體驗的分層構成模型和VR/AR 教學體驗設計的評價標準。

2.3.3 VR/AR 技術應用于教育的實踐研究

我國VR/AR 技術在教育領域的運用主要是在高校，部分科研機構和高校在VR/AR 技術實踐層面上的研究取得不少成果。

2016 年，教育部辦公廳發布《關于批準北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心等100 個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知》，說明VR 技術在高校教學中越來越被重視。2018 年，北京航空航天大學軟件學院虛擬現實專業計劃招生人數達400人。同年，教育部公布了首批國家虛擬仿真實驗教學項目，共計105 個。這些項目初期均免費對外開放并提供教學服務，教師可以通過國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺讓學生體驗VR 沉浸式課堂。目前，該平臺已經有超過1 000 項虛擬仿真實驗教學項目。2021 年，全國職業院校技能大賽高職組“虛擬現實（VR）設計與制作”賽項成功舉辦，全國有27 支代表隊參賽，參賽選手、指導教師、各類專家共計200 多人。2021 年10 月，我國第一家職業教育虛擬仿真示范實訓基地對外開放并投入使用，據悉該基地可能在后期開設包含九大類的26 個專業課程。該基地也吸引了全國各地的很多高職院校的興趣，他們派出師生學習觀摩并參與該基地的相關實訓。2021 世界VR 產業大會VR 教育主題論壇于2021 年10 月20 日在江西南昌圓滿落幕。在此次大會上，相關學者提出VR 人才培養的九個要素，涵蓋辦學宗旨明確、科學體系建設、教材選擇、師資隊伍建設、實驗環境建設、校企合作建設、國際交流合作、拔尖人才培養平臺建設及保障措施建設等方面。

以上這些都充分說明了各高校及科研機構對VR/AR 技術的重視。

3 結束語

綜上所述，國外尤其是歐美國家關于VR/AR 技術的理論研究和實際應用起步早，研究深入，呈現出體系化、系統性、拓展性的特點，應用領域非常廣泛，應用效果廣受好評；國內VR/AR 技術研究起步較晚，近幾年在實踐研究方面取得不少成果，但在理論研究方面則顯得較為單薄，缺乏系統性綜述研究。隨著我國經濟、科技尤其是大數據及人工智能的快速發展，VR/AR 技術開發及其應用研究不斷深化，“VR+教育”有很大的發展空間。相關學者很有必要著眼于現實教育的需求，響應國家的相關政策號召，加大對VR/AR 技術理論層面的研究。