虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用

唐智昊

【摘要】介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)各個階段研發(fā)過程，虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前所具備的通性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并與其他行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行對比，總結(jié)出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在教育行業(yè)應(yīng)用的利弊，并對未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實教育利弊發(fā)展前景虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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(jī)界面、高分辨率顯示等技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界是一項新興的高新技術(shù)。VR往往是通過電子計算機(jī)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(dāng)使用者發(fā)生位移時，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以同步復(fù)雜的操作，并將相應(yīng)的精確的3D虛擬世界圖像發(fā)送回用戶。虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，它的沉浸性、交互性等特點能給傳統(tǒng)的教育行業(yè)帶來新的變革。

一、虛擬現(xiàn)實的發(fā)展

第一階段：思想階段

1963年以前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)只是處于第一階段，單純處于思想階段，應(yīng)該歸類于仿真技術(shù)。是一種對生物的動作和感官等行為以及大自然環(huán)境的交互模擬技術(shù)。例如風(fēng)箏，在戰(zhàn)國時期就是模擬人和飛行類動物進(jìn)行交互的自然環(huán)境。在國外，發(fā)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(xiàn)實技術(shù)。

第二階段：探索階段

20世紀(jì)60年代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始進(jìn)入萌芽探索階段。1968年，美國計算機(jī)圖形學(xué)之父IvanSutherland發(fā)明了第一臺計算機(jī)圖形驅(qū)動頭盔顯示器HMD和頭部位置跟蹤系統(tǒng)，這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展史上的重大突破。在這一探索階段的歷史中，產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的理論和基本思想。1973年開始到1989年，開始初步產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念和理論，并出現(xiàn)了VIDEOPLACE與VIEW兩個經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。能通過影像投影的方式對語言、簡單手勢進(jìn)行交互，形成虛擬現(xiàn)實。

第三階段：應(yīng)用階段

20世紀(jì)90年代始至今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)入概念完善階段并開始進(jìn)行實際應(yīng)用，它涵蓋范圍廣泛，包括科學(xué)研究、游戲、軍事、醫(yī)學(xué)等人類生活領(lǐng)域。娛樂方面例如卡普空（CAPCOM）的《生化危機(jī)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(jù)公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該游戲上線了包括VR版本的多個版本，但一個月內(nèi)，保守估計就有13.3萬玩家安裝了VR版本的《生化危機(jī)7》，這部大作讓不少PSVR用戶和設(shè)備的潛在購買用戶愛上了VR。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域除了最早開發(fā)出的模擬手術(shù)訓(xùn)練器，幫助外科醫(yī)生進(jìn)行外科手術(shù)實習(xí)訓(xùn)練。近年，日本關(guān)東醫(yī)院開始使用VR設(shè)備對達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)進(jìn)行輔助，使得手術(shù)操作更加精確，該醫(yī)院還開發(fā)出一套3DVR解剖系統(tǒng)，醫(yī)生使用該系統(tǒng)可以提前進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，了解病灶，通過VR虛擬空間大大提高手術(shù)精度。除外科手術(shù)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(shù)的仿真模擬能夠模擬出實戰(zhàn)場景，讓士兵身臨其境感受戰(zhàn)場，在戰(zhàn)場中毫無顧忌地進(jìn)行實戰(zhàn)，卻又不用受到傷害，VR軍事訓(xùn)練方法比傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法成本更低，但是訓(xùn)練的效果會更好。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性

虛擬現(xiàn)實具有三個基本特征：沉浸、交互和構(gòu)想，即沉浸交互構(gòu)想，也稱為3個“I”特征。3“I”特性也在技術(shù)層面上強(qiáng)調(diào)了人對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主導(dǎo)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(shè)置的文字描述、語言描述以及同時結(jié)合視覺和聽覺，讓用戶沉浸在系統(tǒng)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(jìn)行互動，交互時產(chǎn)生的感覺與現(xiàn)實一樣。其特點為：虛擬環(huán)境中的電子計算機(jī)對人的行為進(jìn)行同步且有規(guī)律性預(yù)測計算，并將處理后的虛擬環(huán)境實時反饋，產(chǎn)生人與虛擬空間的同步交互。

3.構(gòu)想性

構(gòu)想性指開發(fā)者制作出的虛擬空間和場景，可以是真實場景的完整復(fù)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(nèi)裝修等的設(shè)計，三維場景的虛擬現(xiàn)實技術(shù)比起傳統(tǒng)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(chǔ)之上，它也發(fā)展了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，如多感知、存在和自主深度思考學(xué)習(xí)（多用于加入了人工智能的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)）。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

VR在各個行業(yè)都有著不同程度地滲透，但在教育行業(yè)的應(yīng)用卻沒有重大突破。原因一方面是，VR目前在教育行業(yè)的開發(fā)仍很有限，另一方面VR技術(shù)目前在教育行業(yè)仍處于試驗階段，并不能穩(wěn)定地進(jìn)行大規(guī)模使用。很多學(xué)校并不想讓學(xué)生冒險嘗試新式教育，堅持傳統(tǒng)保守方式。但不可否認(rèn)的是VR應(yīng)用于教育是將是教育發(fā)展的一個飛躍。它將取代傳統(tǒng)的教師，促使學(xué)習(xí)方式發(fā)生變革，為學(xué)生提供一個獨(dú)立學(xué)習(xí)的空間，并通過創(chuàng)造一個完全的、更加清晰的信息環(huán)境來方便學(xué)生獲取知識。在目前的應(yīng)用狀況上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)滿足的更多的是一種學(xué)習(xí)的情景化和交互性的解決條件，使得教學(xué)模型更加立體化，更加真實清楚。

1.歐美國家應(yīng)用現(xiàn)狀

目前歐美國家應(yīng)用較廣泛，主要用于高校實驗室。早在1985年，國家醫(yī)學(xué)圖書館就數(shù)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(yuǎn)程虛擬教育實驗室。主要應(yīng)用于物理力學(xué)實驗和生物解剖實驗等新發(fā)展方向。

2.中國應(yīng)用現(xiàn)狀

與歐美相比，我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用范圍小，仍存在不小的差距。目前我國一些高校也發(fā)現(xiàn)了這一新興技術(shù)的益處，正在進(jìn)行研究。清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等一批高等院校相繼開發(fā)了一些虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)研究。與游戲產(chǎn)業(yè)相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用正處于探索狀態(tài)，除了高校開發(fā)出的應(yīng)用外，在中小學(xué)階段應(yīng)用很少，幾乎沒有，處于一片空白的狀態(tài)。它主要具體應(yīng)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(xiàn)實技術(shù)在教育產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最早、最廣泛的應(yīng)用。大致分為三個深淺不同的級別，適應(yīng)于學(xué)校各種程度的需求。目前最簡單也是最廣泛地應(yīng)用在各個高校網(wǎng)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(jié)合教學(xué)、教務(wù)、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(yuǎn)程教育平臺

遠(yuǎn)程教育平臺是指通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對高校擴(kuò)建后的分校進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)，建立一種電子教學(xué)場所。相比于簡單的視頻會議樣式的遠(yuǎn)程教育方式，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺可以通過交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站作為遠(yuǎn)程教育技術(shù)，使遠(yuǎn)程教育平臺的功能更加完善。例如新建成的區(qū)域教學(xué)系統(tǒng)，就可以通過遠(yuǎn)程教育平臺，將多個高中的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)共享，多校聯(lián)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(jù)聯(lián)動數(shù)據(jù)進(jìn)行攻堅克難，有目的地計劃教學(xué)任務(wù)。對于學(xué)生家長來說，解決了師資力量不均衡的矛盾，為學(xué)生提供一個更加完善公平的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（3）科技研究

目前高校建立的相關(guān)虛擬現(xiàn)實的研究室往往是和系統(tǒng)仿真研究室結(jié)合在一起，方便將研發(fā)出的新型成果進(jìn)入實用階段進(jìn)行測試。早在2007年初，中國科學(xué)院就為其計算技術(shù)研究所虛擬現(xiàn)實實驗室之外的商界提供了核心技術(shù)服務(wù)。該實驗室重點研究包括三維虛擬人建模、運(yùn)動模擬仿真在內(nèi)的“虛擬人合成”和包括環(huán)境建模呈現(xiàn)和交互技術(shù)、自然災(zāi)害現(xiàn)象模擬與仿真在內(nèi)的“虛擬環(huán)境交互”。清華大學(xué)在2016年和北京一拍科技有限公司共同合作成立了VR技術(shù)聯(lián)合實驗室，并發(fā)布了國內(nèi)首個虛擬現(xiàn)實教育全產(chǎn)業(yè)鏈的系列培訓(xùn)產(chǎn)品。

北京航空航天大學(xué)建立了虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，致力于虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用基礎(chǔ)和核心技術(shù)的研究中。又于2016年成立的北京航空航天大學(xué)青島研究院成立虛擬現(xiàn)實國家重點實驗室分室，與青島市政府共同推進(jìn)嶗山地區(qū)“虛擬現(xiàn)實之都”的建設(shè)，虛擬規(guī)劃設(shè)計在浙江大學(xué)建筑中的應(yīng)用，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在人機(jī)交互中的應(yīng)用研究室已經(jīng)能夠獨(dú)立承擔(dān)大型虛擬現(xiàn)實項目。

3.現(xiàn)狀分析

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

四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展前景

虛擬現(xiàn)實技術(shù)未來在教育領(lǐng)域的發(fā)展前景應(yīng)該偏向于高校專門化、中小學(xué)普遍化。憑借虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性和沉浸性，提高課堂的參與率，使教學(xué)模型更加立體，大幅提升學(xué)生的理解力，高校則應(yīng)著重針對專門的虛擬現(xiàn)實技術(shù)要求，進(jìn)行科研項目，開發(fā)出可以適用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用。除此之外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以發(fā)展課堂外的教育，例如音樂、美術(shù)等興趣的深度培養(yǎng)，沉浸式數(shù)字圖書館的開發(fā)，等等。

從實際角度出發(fā)，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用方面還很少，但虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身具有較強(qiáng)的教學(xué)優(yōu)勢和潛力，其多樣化、真實的生動課堂將提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解能力，大大提高教學(xué)效率。交互性的特點將會提升學(xué)生的綜合實踐能力。虛擬現(xiàn)實給教育帶來的一切將逐漸受到教育者的關(guān)注和青睞，必將不可避免地被廣泛應(yīng)用于教育培訓(xùn)領(lǐng)域，發(fā)揮其重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]范麗棟，李樹光，張志剛.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用.創(chuàng)傷外科雜志，2008，（12）.