虛擬現實技術在現代化教學領域中的應用實施

何丹

（遼寧廣告職業學院）

在2022年11月，國家工業和信息化部、教育部、文化和旅游部、國家廣播電視總局、國家體育總局這五個部門聯合發布了《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）》，該計劃的發布，意味著我國已經相對完善地建立了虛擬現實產業生態體系。虛擬現實技術在現代化教育領域中的廣泛應用，實現了實驗性教學項目與現代信息技術相融合，讓教學內容實施渠道更具寬度、廣度及深度，使教學活動不再受時間和空間限制，大大提升了教學質量和水準。

一、現階段虛擬現實技術在現代教育教學中的應用概況

2020年在新冠疫情影響下，為了使畢業生們有一種畢業的儀式感，美國紐約大學舉辦了一場VR線上畢業典禮——畢業巷Grad Alley。畢業生們可以根據自己的喜好設計屬于自己的外觀形象并合影留念。加州大學伯克利分校校園因新冠疫情關閉期間，100多名學生和校友一起在《我的世界》（Minecraft）沙盒游戲的虛擬世界中構建了包含學校一百多棟建筑物的整個校園，舉辦了虛擬畢業典禮。在畢業典禮上，校長進行了畢業致辭、授予學位以及畢業典禮等環節，在虛擬場景中甚至創建了教職工們的座位，為身處各地的畢業生及老師彌補了因疫情不能正常舉辦畢業典禮的遺憾。這次線上畢業典禮的舉辦，被視為全球第一場使用虛擬現實技術舉辦的大學畢業典禮。

2021年12月，中國傳媒大學虛擬校園在百度 “希壤”元宇宙平臺上正式亮相，并面向公眾開放體驗，成為中國首個開放虛擬現實平臺的大學。中國地質大學與騰訊公司簽署戰略合作協議，探索元宇宙賦能的現代化高等教育，構建虛擬現實技術在高等教育行業的智能應用體系。同年10月，清華大學藝術與科技創新基地啟動“元宇宙特別計劃”，運用虛擬現實技術載體進行概念設計表達，呈現未來科技館、博物館、宇宙探索、未來城市等方向的設計作品。

不斷更新迭代的信息技術時刻影響著教學形態的變革，新冠疫情促使了多種學習形式的產生與發展。虛擬現實技術在教學領域中的使用開發，成為了現代教學改革的重要組成部分。以虛擬現實和增強現實及混合現實為主的虛擬仿真技術，是提高教學質量的重要手段，以其特有的沉浸性、交互性和構想性，使體驗者能夠沉浸其中，打破了傳統教學理論知識的學習壁壘。

（一）AR（增強現實技術）

AR（Augmented Reality）即為增強現實。通過AR技術，我們可以實時的在顯示屏上觀察到仿真的立體模型，全方位多角度地觀察學習，這樣就能將課堂中抽象的、書本上二維的知識以更加全面、更加生動、更加直觀的可交互3D模型方式來呈現。這樣不僅能夠在整體上提升學習者的認知和理解能力，同時也能夠使學習者有一種超脫現實的學習體驗，增加學習興趣。

AR技術主要應用在教育、培訓、數字出版物和娛樂游戲等領域，并在醫學類、軍事類、農學類、理工類等相關課程中有相當強的實用性。

（二）VR（虛擬現實技術）

VR（Virtual Reality）即為虛擬現實，它是用來體驗虛擬仿真技術世界的一種技術手段。VR技術的實現需要體驗者通過穿戴設備來體驗虛擬仿真場景，通過VR眼鏡、VR手柄等設備來進行仿真操作。可以融合多種來源的信息內容，使學習者在交互過程中得到三維動態實景，對肢體行為產生系統化的仿真反饋，能夠沉浸在虛擬仿真的環境當中。與過去傳統的實訓方式相比，VR仿真技術不必局限于場地、天氣、空間這樣的限制，大大降低了學習成本，可以廣泛地應用在現實的技能實訓當中。在具有一定風險系數或是需要大量資金、造價較為昂貴的項目中，VR技術不僅可以大大降低辦學成本，也可以解決教育資源短缺這樣的難題。

VR技術廣泛應用于實驗類、工學類、醫學類和具有實際操作需求的相關課程中。例如通過虛擬現實技術搭建趨近于現實的場景，使用VR眼鏡和手柄，模擬機械操作全套流程，獲得身臨其境的學習體驗，并及時得到教學反饋。

（三）MR（混合現實）

MR （Mixed Reality）即為混合現實，它是虛擬現實技術的進一步發展，混合現實是指在現實場景當中同步呈現出虛擬場景的信息，為用戶在現實世界與虛擬世界之間搭建一個交互反饋的信息回路，從而大大增強用戶體驗的真實感。混合現實技術實現的前提是能夠將三維畫面與傳感裝置進行同步化處理，雖然三維成像的生成技術已經相對成熟，但是實時成像才是技術的關鍵。為了確保三維圖像在混合現實應用中的真實感官效果，必須要保證15幀/秒以上的圖像的刷新頻率，如需取得最佳效果，則需要在30幀/秒以上。但是現有的傳感設備還不足以滿足最佳體驗效果的需求，力學傳感設備和觸覺傳感裝置的開發也有待進一步提升，以確保虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍。其次，立體顯示和傳感器技術的發展決定了混合現實中的虛擬交互效果。然而，想要追求最佳的體驗效果，我們現有的傳感設備還有很大的提升空間。觸覺傳感裝置和力學傳感設備的開發也有待進一步提升，以確保虛擬現實設備的跟蹤范圍和跟蹤精度，從而提供更加逼真的虛擬交互體驗。

MR技術常應用在技能訓練和實操培訓等方向，學習者通過手持或穿戴傳感設備，與虛擬場景中的裝備進行匹配，再與環境進行相關聯的互動，實時得到互動反饋，從而發出下一步操作指令。這種技術手段集合了感知、建模、呈現、交互多方位的學習體驗，通過眼部、頭部、肢體動作捕捉設備進行實時位置定位。由幾何建模來搭建出具體形狀，再進行物理建模，搭配生理建模、行為智能建模等手段進行3D顯示和3D音效間的無縫融合。之后通過設備得到的觸覺、力量反饋和語音識別，來進行體感交互。

二、不同虛擬交互技術手段在教學中的應用

（一）課件及板書標注

1.標注提示

當課件中有圖片需要進行講解時，通過標注，能夠更有效地引導學生進行觀察畫面中所要傳達出的信息。對教學重點、難點進行突出展示。

2.公式推導

公式推導類常常應用在高等數學等需要解析過程的科目中，優點在于能夠在講授過程中，將解題思路、推導邏輯完整、清晰地展示在學生面前。

3.創意繪畫

智慧教室在現代數字化教育體系中展示出獨特的優勢，電子黑白配合VR及AR顯示設備為多種教學手段提供技術支撐。在解析類型的講解中，在板書和課件中使用自由度更高的繪畫功能，授課形式更加靈活多變。

（二）三維模型及場景交互

1.虛擬解剖

在醫學研究中，動植物的構造有了一個虛擬的解剖形態，加上動畫展現空間結構、過程演變效果，授課形式更加生動、直觀。能夠大大節約授課所需要的資源，節約教學成本。

2.結構展示

對于相對復雜的結構分析，運用可旋轉、縮放、拆解的三維交互模型會使講解更加到位。比如工業造型、包裝結構設計等科目，使用虛擬交互技術輔助教學，可以更加直觀地展示細節和結構之間的工作原理，知識點講解更加精準到位。

3.操作演示

講解某些機械設備的操作方法時，單純使用靜態的二維圖片和文字化的流程記錄太過枯燥，不夠直觀。在沒有實操條件的情況下，通過虛擬仿真技術實現模擬操作，為學習者提供最貼近現實的體驗感，提高學習及培訓效果。

三、虛擬現實技術在現代教學領域中的特征

（一）教育性

虛擬現實技術使整個教育生態體系的構建更加具有開放性，無論是在教學過程中所應用到的數字資源進行便捷的整合與發放、學習成果階段性考核、還是在課余自主學習等方面，都對教育教學產生了極有利的輔助作用。滿足教師與學生在線下和線上混合式教學中的教與學需求。日常教學不受時間、空間限制，在虛擬環境中搭建正式與非正式的教學場所，使師生在虛擬的教學場所進行教學互動。

（二）交互性

師生可以以個人實際情況創造數字化的身份參與學習，并在虛擬教學場所進行教學互動，更加直觀地進行教與學這兩種行為過程。打破了傳統教學理論知識的壁壘，當學生面對抽象的概念時，能夠做到身臨其境，甚至觸手可及。從而幫助學生理解知識點和技能點，充分調動起學生對學習的主觀能動性。

（三）沉浸性

借助虛擬仿真技術，特別是虛擬現實和增強現實，可以創造出具有強烈氛圍感的學習場景，使體驗者完全沉浸其中。通過讓學生置身于更加真實化的學習情境中，我們可以充分調動他們的五感，讓他們充分感受所處教學環境的學習氛圍，從而更好地促進他們對知識理論的認知和形成。

（四）持續性

創新型的學習模式能夠調動學習者的學習主觀能動性，激發學習熱情。使學生可以隨時隨地、個性化地學習、交流、實踐，將課上教師為主授的學習延續到課下的自主學習。同時，完整記錄教與學的全部教學環節，教師通過數據反饋總結教學成果，發現教學問題，改進教學方法，提高教學質量，促進自身專業持續性發展。

（五）娛樂性

學生根據自己的發展目標、個人學習和興趣，以及自身的學習能力，在自主選擇學習方式時，能夠更加自主地選擇自己感興趣的學習方式。這樣，學生能夠更好地發揮自己的學習能動性和創造性，實現更加有效的學習。還可以借助相關平臺，注冊個人賬戶，定制自己喜歡的角色、場景等，并設置游戲化的學習任務和目標。 在游戲化的學習過程中，充分調動全身感官系統，通過聲音采集設備的指令接收、動作捕捉設備的行為反饋、眼動儀的視覺捕捉、觸摸屏的手勢操作等不同渠道實現行為目的，以近乎真實的、自然的、感同身受的交互來完成學習這一枯燥的行為。借助虛擬現實、增強現實、混合現實等技術手段，根據授課計劃及教學目標，游戲化的教學模式為輔助手段，將知識、娛樂融為一體，實現真正意義上的寓教于樂的學習方式。

四、虛擬現實技術對于教育教學的影響

（一）輔助線下教學，改善線上學習體驗。

借助虛擬現實技術與工具，創造出最具還原效果的知識技能應用場景，模擬實際操作，實時檢驗學習成果。傳統教學模式下，需要教師與學生在固定的教學場地，一對多人進行教學，往往不能面面俱到照顧到每一名學生，學習成果的檢驗也需要在課后集中審閱，學生得到的考核結果具有延后性，不能與當堂學習的狀態銜接。學習效果的實時反饋能夠對學生起到一定的激勵作用，及時得到糾正與指導，實現對學習者在學習過程中得到的結果進行精準評價。降低學習成本，改善學習的認知過程。

（二）去中心化的學習管理，個人定制化的學習。

不再單純以教師為教學主體，學習從被動行為轉為主動行為。為師生進行精準定位，根據授課內容需求定制多元化的學習場景，能夠為學習者呈現多模態的學習資源，開展豐富的學習活動形式。實現教育資源的共建共享，并能根據教學評估及時更新教學配置資源。節約傳統的收發作業形式所花費的時間與精力，不再側重于教師點對點的指導，方便師生更便捷地組織與開展多元學習活動。

五、虛擬現實技術在現代化教育教學過程中出現的問題

（一）技術支持與教學理論的匹配尚不成熟

虛擬現實技術在教育環節中雖然已得到廣泛應用，但是如何與教學實施的所有環節相匹配還處于早期探索階段，技術支持與底層教育理論尚未成熟。目前階段看來，缺乏專門為教育領域設計和開發的虛擬現實教育教學產品，在現階段已有的教學應用中，以依托于社交平臺或元宇宙游戲等方式為主，目前仍缺乏能夠保障教育標準規范化與整體育人體系發展的政策與技術支持。

（二）對虛擬與現實混合式教學合理配比不夠重視

如果學生長時間沉浸于虛擬的教學環境和教學方式，可能會產生對現實的逃避意識、過度依賴虛擬環境而喪失人際交往能力。尤其是在情境化教學、個性化學習、游戲化學習等場景中，雖然能夠實現教學的多樣化，但是智能的教學服務與體驗也會引發一系列的心理與行為影響，需要教師在教學環節中時刻保持教學的輿情監控，為虛擬現實技術在教學中的應用環節制定合理的教學計劃。

六、未來發展

在教育部關于產學合作協同育人項目立項政策的支持下，各院校應積極思考如何使拓展教學空間，豐富教學方法，變革教學方式，創新教學模式，從整體的教學目標、教學環境、教學方法和教學過程等方面促進教學方式的改革，從而提高人才培養質量。虛擬現實技術恰恰能夠為現代化的教學提供開放性的、創造性的、更加寬泛的教育環境，使學生個人與社會產生正向的互動引導。通過人機協同的教育環境，為學習者呈現多模態的學習資源，實現教育資源的共建共享，合理配置教育資源。為師生進行精準的人物畫像，支持多元化學習場景的適配，提供豐富多樣的學習活動，方便師生更便捷地組織與開展多元學習活動。使教學評價主體更加多元化，并努力實現過程與結果的精準教學評價，真正實現對學生的知識、能力與素養的多維評價。

七、結語

綜上所述，虛擬現實技術是現代化教學改革的必然選擇，無論是在教學的實施環節，還是在教學成果的評價中，都具有相當重要的實施意義與價值。大力推進教學改革的形勢下，作為教育工作者更應當正視現代高精尖產業的應用價值。在高科技手段輔助下開展實踐教學。在現代化的教學實訓環節中，教師可以嘗試將虛擬現實技術應用到教學，使教學環節的實施不再受場地、設備、空間、實踐的局限，使教學中的各個實訓環節都能夠得到有效實施，滿足不同資質的學生不同的學習需求，提升教學效果和教學質量。