VR在教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中的機(jī)遇與威脅分析

孟祥宇

摘要：本文首先分析了VR在教育領(lǐng)域應(yīng)用中存在的優(yōu)勢與劣勢，接著闡述了VR在教育領(lǐng)域應(yīng)用中所面臨的機(jī)遇及威脅，以期能夠?yàn)閂R在教育領(lǐng)域的合理高效應(yīng)用提供指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞：VR；沉浸感；交互性

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）13/14-0115-04

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， 簡稱VR）， 這個名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾（Jaron Lanier） 在1989年提出的， 也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。它是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，生成逼真的三維虛擬環(huán)境，使人的視覺、聽覺、觸覺都仿佛置身于真實(shí)的環(huán)境之中，并能通過語言、手勢等方式，借助傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等設(shè)備與之進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，增強(qiáng)使用者的沉浸感與使用體驗(yàn)。VR技術(shù)主要利用傳感技術(shù)、三維技術(shù)、人工智能技術(shù)、仿真技術(shù)、并行處理技術(shù)、多傳感器技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)虛擬場景的構(gòu)建。起初，VR技術(shù)主要應(yīng)用于軍事、航空航天等領(lǐng)域，目的是降低訓(xùn)練成本，避免潛在的意外傷害。而如今，在政府的政策支持和社會企業(yè)的大力投資下，VR產(chǎn)品逐漸走入教育領(lǐng)域，為廣大的學(xué)習(xí)者帶來福音。

● VR技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢

VR的特征可以用“3I”來描述，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、思維構(gòu)想性（Imagination）。沉浸感指學(xué)習(xí)者對虛擬環(huán)境的感受程度，虛擬環(huán)境的創(chuàng)設(shè)越接近現(xiàn)實(shí)，沉浸感越強(qiáng)。交互性指學(xué)習(xí)者可以對虛擬環(huán)境中的事物進(jìn)行操作，并能得到反饋，如身臨其境一般。思維構(gòu)想性指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建構(gòu)與現(xiàn)實(shí)一樣的環(huán)境，也可以建構(gòu)想象出來的空間，拓寬用戶的體驗(yàn)范圍，豐富體驗(yàn)種類。

1.激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)，增強(qiáng)知識建構(gòu)

VR技術(shù)通過構(gòu)建多感官刺激的交互環(huán)境，豐富了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)習(xí)者在虛擬的教學(xué)環(huán)境中可以充當(dāng)各種角色，如在煤礦或核電站進(jìn)行搶修的維修工人、在醫(yī)院進(jìn)行手術(shù)的醫(yī)生、在太空探索的宇航員等。學(xué)習(xí)者在逼真的情境中充分參與教學(xué)過程，這就有效激發(fā)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識不是通過教師傳授得到，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得。在VR技術(shù)發(fā)展迅速的今天，教學(xué)情境和文化背景都可以通過VR技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者在VR環(huán)境中展開學(xué)習(xí)，對事物的性質(zhì)、規(guī)律以及該事物與其他事物之間的內(nèi)在聯(lián)系的理解能夠達(dá)到較深層次，能夠增強(qiáng)知識的建構(gòu)。

2.虛擬真實(shí)情境，提升創(chuàng)造能力

由于VR技術(shù)的特殊性，平時(shí)在現(xiàn)實(shí)中不敢嘗試的實(shí)驗(yàn)都可以在VR環(huán)境中體驗(yàn)，可以無限制地改變試劑的用量，或是大膽嘗試將不同的反應(yīng)物進(jìn)行融合，只有想不到的，沒有做不到的，這種突破性的嘗試可以有效提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造能力。

3.打破時(shí)空壁壘，體驗(yàn)身臨其境

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)的時(shí)間、地點(diǎn)是相對固定的，且對于比較抽象的知識點(diǎn)，教師只能通過口述或者多媒體來呈現(xiàn)其形象，而VR技術(shù)的出現(xiàn)打破了時(shí)空的界限，教學(xué)活動可以隨時(shí)進(jìn)行。同時(shí)，VR教學(xué)可以把抽象的概念形象化、具體化，學(xué)習(xí)者可以在幾分鐘的教學(xué)時(shí)間內(nèi)觀察生命成長的軌跡，也可以形象直觀地觀察分子原子的構(gòu)成，甚至可以將宇宙天體掌握在自己手中，學(xué)習(xí)者能夠完全融入到VR技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的情境中。

4.節(jié)約教學(xué)成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

在傳統(tǒng)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)消耗型的教學(xué)活動，為了讓學(xué)習(xí)者更好地掌握反應(yīng)原理，大部分學(xué)校常常需要投入大量財(cái)力來購買實(shí)驗(yàn)用具和材料，實(shí)驗(yàn)的生成物又很難被再利用。VR技術(shù)出現(xiàn)后，可以大大緩解學(xué)校財(cái)力、物力的投入，學(xué)校只需引進(jìn)相應(yīng)的VR設(shè)備，并創(chuàng)設(shè)教學(xué)所需的虛擬環(huán)境和虛擬實(shí)驗(yàn)用品，學(xué)習(xí)者就可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)，這種學(xué)習(xí)方式有效地節(jié)約了教學(xué)成本。從長遠(yuǎn)來看，學(xué)校引進(jìn)的虛擬設(shè)備可以被各屆學(xué)習(xí)者反復(fù)使用，不存在傳統(tǒng)教學(xué)中的殘?jiān)鼜U料，真正實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。

5.規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)，保證教學(xué)安全

很多實(shí)踐課程由于課程的特殊性，并不能在實(shí)際中進(jìn)行操作，這時(shí)就可以利用VR技術(shù)。例如，講解核武器的實(shí)戰(zhàn)效果，教師可以利用VR技術(shù)模擬核爆炸的現(xiàn)場，學(xué)生通過身體傳感器感受核武器的爆炸威力，并通過視頻傳感器觀察核爆炸的特點(diǎn)。這樣通過VR技術(shù)建構(gòu)核爆炸現(xiàn)場，可以有效避免核武器給學(xué)生帶來的傷害，又可以讓學(xué)生很好地理解晦澀的知識點(diǎn)。當(dāng)然，也有很多實(shí)踐課程存在潛在的未知的風(fēng)險(xiǎn)，造成人身傷害，如應(yīng)急情況的演練、地理的勘探、船舶汽車的制造等，此類動手操作要求很高，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生在操作的過程中很容易受傷，為了避免這種情況的發(fā)生，教師同樣可以利用VR技術(shù)來進(jìn)行教學(xué)，進(jìn)而有效地保證教學(xué)安全。

6.豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)動手能力不足

在傳統(tǒng)的操作類課程中，由于教學(xué)設(shè)備有限，通常是教師在設(shè)備前進(jìn)行操作，學(xué)習(xí)者圍繞在其周圍觀摩，然后再逐一或分組進(jìn)行實(shí)踐，而課堂時(shí)間有限，部分學(xué)習(xí)者還沒有操作就下課了，或者只操作了一遍，這樣就導(dǎo)致學(xué)習(xí)者只了解大致流程，并沒有真正掌握。在VR技術(shù)的支持下，每位學(xué)習(xí)者都可以充分發(fā)揮主觀能動性，每個實(shí)踐技能都可以經(jīng)過反復(fù)的訓(xùn)練，每臺設(shè)備都可以用身體去感知、觸摸，這就彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)中動手能力不足的缺憾。

7.資源共享，實(shí)時(shí)交互

交互性是VR技術(shù)的特征之一，它在教學(xué)中具有很明顯的優(yōu)勢。交互性包括師生交互、生生交互、單人-機(jī)交互、多人-機(jī)交互，在同一虛擬空間內(nèi)，教師和學(xué)習(xí)者可以同時(shí)進(jìn)入，并在其中進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，學(xué)習(xí)者之間也可以進(jìn)行及時(shí)的討論，學(xué)習(xí)者使用輸入設(shè)備可以對虛擬的物體進(jìn)行操作，并通過輸出設(shè)備感受虛擬物體所發(fā)生的變化，如向空中拋出一個球，可以感受到球受重力的作用發(fā)生自由落體運(yùn)動。這種實(shí)時(shí)交互的感官刺激可以帶給學(xué)習(xí)者真實(shí)的體驗(yàn)，提高學(xué)習(xí)的效率。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)上還能夠?qū)崿F(xiàn)課程的數(shù)字化學(xué)習(xí)，可將課程學(xué)習(xí)內(nèi)容作為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)資源，并與其他的相關(guān)資源一并提供給學(xué)習(xí)者，實(shí)現(xiàn)資源共享。

● VR技術(shù)在教學(xué)中的劣勢

1.虛擬與現(xiàn)實(shí)之間存在落差，對學(xué)習(xí)者心態(tài)產(chǎn)生消極影響

由于虛擬環(huán)境帶給學(xué)習(xí)者沉浸性體驗(yàn)，逼真的三維立體環(huán)境會深深地吸引學(xué)習(xí)者，當(dāng)課程結(jié)束時(shí)，學(xué)習(xí)者可能還會沉浸在情境中，回到現(xiàn)實(shí)中時(shí)會產(chǎn)生一定的落差，這種落差可能是負(fù)面的，學(xué)習(xí)者可能更渴望回到虛擬的世界中，沉迷于虛擬情境，如基于VR技術(shù)的游戲化教學(xué)，這會對學(xué)習(xí)者的心態(tài)產(chǎn)生消極的影響，不利于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)。

2.VR技術(shù)在教學(xué)中沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，無法完全保證教學(xué)質(zhì)量

2016年被稱為是“VR元年”，所謂“元年”是指事物開端之年，對于VR領(lǐng)域來說，“元年”意味著各大主流生產(chǎn)商相繼推出面向普通消費(fèi)者的VR產(chǎn)品，全球科技公司紛紛布局民用VR產(chǎn)業(yè)。隨著VR技術(shù)由高端化向平民化轉(zhuǎn)型，VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也更加廣泛，目前很多知名的科技公司開發(fā)了用于教育領(lǐng)域的VR產(chǎn)品，國內(nèi)也有部分高校成立了VR實(shí)驗(yàn)室。VR技術(shù)如雨后春筍一般在教育領(lǐng)域生根發(fā)芽，但是目前仍沒有一個VR應(yīng)用于教學(xué)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，各知名企業(yè)和各大高校很難將自己的VR產(chǎn)品與其他VR產(chǎn)品進(jìn)行聯(lián)通，這就降低了VR產(chǎn)品的兼容性。

目前，我國VR行業(yè)仍處于起步階段，供應(yīng)鏈及配套產(chǎn)品還不成熟，硬件設(shè)備、軟件工具、內(nèi)容生產(chǎn)等各層面標(biāo)準(zhǔn)的制訂迫在眉睫。

3.在教育教學(xué)中盲目推廣VR技術(shù)

VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用為媒體教學(xué)提供了新的途徑和教學(xué)方法，然而這并不代表VR技術(shù)在教學(xué)中可以泛用。開發(fā)一套VR教學(xué)設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容需要花費(fèi)巨大的人力、物力、財(cái)力，而且還有一些教學(xué)內(nèi)容不適合用VR技術(shù)來進(jìn)行教學(xué)，如小學(xué)階段一些偏識記的知識點(diǎn)。另外，還存在一些使用VR技術(shù)不能達(dá)到顯著效果的科研類課程，此類課程若非要用VR教學(xué)媒體那就是畫蛇添足，并會造成不必要的浪費(fèi)。所以，在教育教學(xué)中，教師要根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)和課程特點(diǎn)來選擇合適的教學(xué)方式，要避免為了追求科技上的高精尖而盲目地推廣VR技術(shù)。

4.VR設(shè)備仍無法做到無線連接，阻礙教學(xué)體驗(yàn)

VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者帶來前所未有的體驗(yàn)，但仍然擺脫不了空間的約束。到目前為止，我們所熟悉的VR設(shè)備仍需有線連接，且要多個設(shè)備協(xié)同工作。例如，現(xiàn)在大家比較認(rèn)可的Oculus Rift、HTC Vive VR頭顯，它們大體由主體頭戴顯示器一只、2.5mm線纜一根、MiniUSB一根、攝像頭一個（自帶支架）、短焦透鏡2個、各個國家不同制式插頭4個、帶國標(biāo)插頭的電源一個等組成。若要實(shí)現(xiàn)更多的感官刺激還要連接更多的線纜，學(xué)習(xí)者在體驗(yàn)的過程中要時(shí)刻注意線的連接，不能隨心所欲地移動，降低了體驗(yàn)的滿意度。

● VR技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的機(jī)遇

1.國家政策的支持

2006年國務(wù)院頒布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，VR技術(shù)被列為信息領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展的前沿技術(shù)之一。2016年4月9日在深圳市舉辦的第四屆中國電子信息博覽會“虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”中，工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布了《虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》（以下稱《白皮書》）?！栋灼诽岢觥笆紫仁翘崆爸\劃布局做好頂層設(shè)計(jì)，加快制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，建立和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系；其次是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化和行業(yè)應(yīng)用，通過財(cái)政專項(xiàng)支持虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，支持虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域核心技術(shù)突破，加強(qiáng)重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用示范；最后是加強(qiáng)文化和品牌建設(shè)”。截至2016年，教育部已批準(zhǔn)300個國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（教育部，2016）。在國家政策的支持和正確引導(dǎo)下，VR技術(shù)逐漸走向成熟，再加上我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，更為VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用提供了保障。

2.社會力量的加入

從上世紀(jì)90年代起，我國從開始重視VR技術(shù)的研究和應(yīng)用，由于技術(shù)和成本的限制，VR主要應(yīng)用的對象為軍用和高檔商用。近年來，隨著芯片、顯示、人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，VR產(chǎn)品才逐步進(jìn)入市場并實(shí)現(xiàn)平民化。很多大型科技公司和各大高校也相繼將VR技術(shù)推向教育領(lǐng)域，如愛奇藝在2015年發(fā)布了一款非商用的VR應(yīng)用，黑晶科技推出了VR/AR超級實(shí)驗(yàn)室，百度教育事業(yè)部預(yù)計(jì)在2017年推出VR教育產(chǎn)品，HTC與美國Life liqe合作，打造VR教育啟蒙工具等。北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院、山東大學(xué)、北京大學(xué)等高校也建立了VR實(shí)驗(yàn)室，這足以說明VR技術(shù)在教育領(lǐng)域具有巨大的潛力。

3.VR技術(shù)在技能培訓(xùn)中的需求日益增加

VR之父托馬斯·費(fèi)內(nèi)斯（Thomas Furness）說過：“VR改變社會，從教育開始！”VR技術(shù)作為一種新型的教學(xué)方式在教育技能培訓(xùn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如軍事教學(xué)、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)、體育訓(xùn)練、仿真實(shí)驗(yàn)、特殊教育、工業(yè)實(shí)訓(xùn)、藝術(shù)創(chuàng)作、游戲教學(xué)等。傳統(tǒng)的技能培訓(xùn)是一項(xiàng)消耗型的教學(xué)活動，教學(xué)成本很高，且伴有一定的風(fēng)險(xiǎn)，而隨著VR技術(shù)的逐漸成熟，可以有效緩解這一問題，VR技術(shù)善于創(chuàng)造三維立體的、逼真的教學(xué)環(huán)境，這就降低了高額的教學(xué)成本，又由于所有的教學(xué)內(nèi)容都是虛構(gòu)的，因而也有效地保證了學(xué)習(xí)者的安全。正是VR技術(shù)這種低投入、低風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，在各種技能培訓(xùn)中，教師們越來越傾向使用基于VR技術(shù)的教學(xué)方法。

● VR技術(shù)在教學(xué)中的威脅

1.產(chǎn)品價(jià)格與產(chǎn)品性能不平衡

VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用不斷向平民化發(fā)展，但VR設(shè)備的性能和價(jià)格仍然呈正相關(guān)，產(chǎn)品的性能越好價(jià)格越高，目前市面上的VR產(chǎn)品從十幾元到幾百萬不等，如CAVE（洞穴狀自動虛擬系統(tǒng)）系統(tǒng)價(jià)格高達(dá)百萬以上，在軍事演練或航空航天專業(yè)領(lǐng)域，這個價(jià)格是可以承受的，但在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，價(jià)格不菲，這就在很大程度上制約了VR產(chǎn)品的平民化。雖然，也有價(jià)格便宜的VR產(chǎn)品，但是其設(shè)備內(nèi)部不具備陀螺儀，使用者暈眩感強(qiáng)烈，基本上不能使用。因此，VR產(chǎn)品性能和價(jià)格還存在悖論，VR產(chǎn)品是以學(xué)習(xí)者體驗(yàn)滿意度來進(jìn)行迭代更新的，不能以犧牲VR產(chǎn)品的性能來換取價(jià)格的降低，所以降低VR產(chǎn)品開發(fā)成本，提高VR產(chǎn)品的普及率是開發(fā)商和各高校VR實(shí)驗(yàn)室需要重點(diǎn)解決的問題。

2.不適感降低學(xué)習(xí)體驗(yàn)滿意度

目前，VR產(chǎn)品學(xué)習(xí)者體驗(yàn)的滿意度還有待進(jìn)一步提高，一方面是VR教學(xué)產(chǎn)品主要通過頭顯來觀察變換的環(huán)境，對畫面的質(zhì)量要求很高，至少要達(dá)到4k的畫質(zhì)，但目前大部分的VR產(chǎn)品分辨率很低，難以使學(xué)習(xí)者沉浸其中。另一方面是畫面延遲引起的暈眩癥、疲勞感。研究表明，產(chǎn)生眩暈癥的原因是眼睛看到的畫面和耳朵聽到的聲音信息位置不匹配，導(dǎo)致腦負(fù)擔(dān)過大，從而產(chǎn)生暈眩感。數(shù)據(jù)表明，延遲時(shí)間最多不能超過20ms，由于技術(shù)和設(shè)備上的限制，目前的VR設(shè)備還無法做到大面積地將延遲時(shí)間控制在20ms以內(nèi)，這也是目前VR設(shè)備的一個致命弱點(diǎn)。因此，為了提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)滿意度，縮短延遲時(shí)間和提高分辨率是亟待解決的問題。

● 總結(jié)

VR作為一種新興的多媒體技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在教育領(lǐng)域，其獨(dú)特的沉浸性、交互性和構(gòu)想性，可以使學(xué)習(xí)者有身臨其境的感受，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，其優(yōu)勢遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)的媒體教學(xué)，在教育領(lǐng)域有巨大的潛力。但同時(shí)需要注意到的是，VR技術(shù)畢竟是一種新技術(shù)，還處于發(fā)展的初級階段，VR產(chǎn)品的性能和產(chǎn)業(yè)鏈都還有待完善，學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)滿意度也有待提高，VR產(chǎn)品可以被廣大學(xué)習(xí)者使用還有很長的一段路要走。

相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，VR技術(shù)以其強(qiáng)大的優(yōu)勢必定會在教育領(lǐng)域占有一席之地，對未來的教育事業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬仁杰，王榮科，左雪梅.管理學(xué)原理[M].北京：人民郵電出版社，2013（9）.

[2]胡衛(wèi)紅，劉道光，王倩，李萌.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用與研究[J].山東省青年管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）：139-141.

[3]佟海靜，傅鋼善.虛擬現(xiàn)實(shí)在教育應(yīng)用中的問題及改進(jìn)策略[J].中小學(xué)電教，2011（11）：23-25.

[4]李明珠.2016VR元年：虛擬現(xiàn)實(shí)在藝術(shù)教育中的應(yīng)用展望[J].藝術(shù)教育，2016（10）：36-39.

[5]張志禎.虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用：追求身心一體的教育[J].中國遠(yuǎn)程教育，2016（6）：5-15.

[6]中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院.虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書[R].[2016-4-14].http：//www.cesi.cn/cesi/guanwanglanmu/biaozhunhuayanjiu/2016/0414/12496.html.