虚拟现实技术在我国教育领域的应用探究

傅昊 兰嘉琪 冷嘉露 林海燕 程思嘉

江西财经大学，江西南昌， 330013

摘要：近年来虚拟现实技术成为了一个热门的研究领域，它在许多领域都有着广泛的应用前景。在教育领域，虚拟现实技术的引入是我国教学信息化改革的重点之一，该技术可以应用于课堂教学、实训教学、虚拟实验、特殊教育等方面，改善现有的教学环境和教学形式，克服传统教学过程中存在的学生学习效率低下，缺乏教学条件等问题。但是当前虚拟现实的教育应用尚存在包括技术、引入成本、实际教学效果等方面的问题，还需要进一步的发展和完善，相信未来虚拟现实技术能够实现普遍化的教育应用，为我国乃至全世界的教育事业做出贡献。

关键词：虚拟现实技术；教育；应用

1.虚拟现实技术概述

1.1基本特征

虚拟现实技术具有学科交叉的特点，其融合了包括传感器技术、计算机图形学、人机接口技术、人工智能等技术在内的多种技术特征，目的是创造一个实时变化的虚拟环境，使用户在体验过程中能够获得真实的触觉、听觉、嗅觉、视觉等体验效果，让用户获得在虚拟现实中的沉浸感，它总体上可以概括为具有三大特性：沉浸性、交互性和想象性。

1.2设备构成

虚拟现实解决方案中常见的硬件设备可分为输入设备和输出设备两大类。

1. 输出设备：从感官的角度分类输出硬件设备可以分为：视觉、听觉、前庭系统和体感几个方面，其中视觉输出设备为主要的输出设备，包括大型投影系统（cave）、3D展示系统、Mobile VR设备和头戴显示器（HMD）。我们常见的VR输出设备主要为头戴显示器和移动VR设备，而在市场上主流的头戴显示器设备是Oculus Rift，而移动VR设备则以Gear VR、Google cardboard和国产的暴风魔镜等几款产品为主。

2. 输出设备：输出硬件设备主要为动作捕捉设备和动作控制设备，常见的包括数据手套、眼动仪、位置追踪仪等。这些设备将用户的操作以另一种信息形式传递给计算机，从而进一步形成仿真环境对用户行为的反馈。

输出设备与输入设备之间的联系主要依靠虚拟现实系统的计算机处理技术，计算机模拟系统负责输入与输出信息的数据转换和预处理，即接收输入的信息并输出相应的反馈信息，从而达到用户与虚拟现实交互的目的。

2.虚拟现实技术的教育应用的优势

传统的教学往往都是线下教学，理论知识教学往往会出现理论知识晦涩抽象、学习过程被动、学习效率低下等问题，而在一些职业教育中也经常会涉及到实训教学，但是教学却经常会因为缺乏一些客观条件（场地、器材等）而受到限制，除此之外，一些学科实操起来可能会有一定的危险性，这也是目前实训教学所面临的一个重要问题。

而虚拟现实技术的出现却能使当前的教学困境得到很大程度上的改善。即便只运用电脑、键盘和鼠标，只要有相应的虚拟现实课程内容，学生就能进行自主的操作和学习，这种主动的参与过程能够有效激发学生的学习兴趣，使学生对知识有更深刻的理解，而如果能够为学生配备虚拟现实头盔等设备，使学生获得真正的沉浸式的感官体验，同时学生可以依据虚拟现实课件内容与虚拟环境进行交互，这相对于桌面式的虚拟现实教学而言将会起到更好的教学效果，使学生的学习效率得到大幅度的提升。

对于实训教学而言，虚拟现实技术的应用能够很大程度上避免客观条件的限制，例如医学专业的实训运用虚拟现实技术就可以很大程度上避免医疗器材缺乏的限制，一个虚拟现实实验室软件再加上相应的硬件设备供学生进行模拟实验对比进入真实的实验室进行试验能够节省很大一笔开支。由此可见虚拟现实技术的应用对比传统教学模式有着十分明显的优势。

3.虚拟现实技术的教育应用现状

当前虚拟现实技术在教育领域的实际运用主要集中在技能实训、虚拟实验室、特殊教育等几个方面。

3.1技能实训

如今教育行业越来越注重实践教学，而实践技能的养成往往需要学生进行大量的实训操作，而再这样的情况下虚拟现实技术便能派上用场。德国的Ruhr大学建立了一个有关工程控制的虚拟现实学习系统，学生在直观的三维实验场景内可以通过虚拟现实设备进行实训操作。北京科技大学开发了纯交互式汽车模拟培训系统，该系统模仿真实的驾驶环境，投入使用之后获得了良好的使用反馈。江方记等基于中视典VR全息台的虚拟现实设备制作出了典型机械产品虚拟装配的VR内容，从而根据不同机械装配的教学要求在虚拟环境下完成机械装配体的拆装要求。在医疗护理领域，一些医学院基于桌面式的虚拟现实系统开发出虚拟现实解剖教学系统，学生在计算机上操作可以全面观察并进行虚拟解剖。除此之外还有很多相关的实例，尤其是在职业教育领域，虚拟现实技术的发展和应用对于学生职业技能的培养具有很大的现实意义。

3.2虚拟实验室

虚拟实验室的作用即允许实验人员在虚拟的环境中模拟进行物理、化学、生物等学科的实验操作。例如一位名叫Michael Bodekaer的演讲者曾在TED演讲中向大家展示了他们团队开发的一款虚拟现实实验室模拟软件，他们还和麻省理工学院合作，将最前沿的癌症研究带到学生的面前，学生们先通过这个软件进行虚拟仿真的实验，再到真实实验室上手操作，这样可以节省上百万美元的开支，不仅如此，学生们在虚拟实验室中可以从分子层面了解到机器里到底发生了什么，而原来一些因为生物安全问题学校不予开展的实验同样也可以通过这个软件进行。除此之外还有很多高校也在开展相关的虚拟实验室的研究和开发。

3.3特殊教育

虚拟现实技术可以被应用于自闭症儿童、唐氏综合征儿童等特殊群体的教育。我国研究者雷显梅等人用kinect体感游戏对自闭症儿童进行干预，结果发现自闭症儿童的上下肢运动能力和视觉动作协调能力有所提升。Wuang等人使用以VR为基础的体感设备Wii对唐氏综合征儿童的运动功能进行训练, 结果表明VR-Wii的干预效果较标准的作业治疗更加明晰, 粗大运动能力显著提升。尽管目前虚拟现实技术在特殊教育中的应用范围和效果有限，但是考虑到目前的应用尚处于初级阶段，未来虚拟现实技术在特殊教育领域的实际应用还有很大的潜力。

4.虚拟现实技术的教育应用存在的不足

尽管虚拟现实技术应用于教育领域能够有效解决学生在学习过程中自主参与度不高、学习效率低下、实验实践教学条件缺乏等问题，但是当前虚拟现实技术的教育应用大部分还处于研究实验和小规模应用的阶段，想要实现在教育领域的普遍应用仍存在技术、成本以及教学效果等方面的问题，可能导致实际效果不达预期。

4.1技术问题

当前的一些虚拟现实设备例如Oculus Ｒift和HTC Vive属于连接PC端的显示设备，这类设备供使用者移动的空间有限，一定程度上会影响使用者的沉浸式体验感。尽管还有一些设备属于移动式的设备，例如Gear VR和Google Cardboard,此类设备并不受空间的限制，但是它们和连接PC端的设备一样，都存在着像素的问题，有研究表明虚拟现实设备至少需要达到4K的像素才能有效体现其沉浸性，但是当前大部分的VR头显都无法达到这个标准。此外如果未来学校能够普遍配备沉浸式的虚拟现实设备，那么意味着学生将会长时间地使用，这可能导致学生出现眼部的疲劳、不适，乃至出现晕动症的症状。

4.2成本问题

虚拟现实头显的市场价格在几百元到上万元不等，如果学校想要真正实现沉浸式的虚拟现实教学，那么这些设备就必须另行购买，此外如果考虑交互性，想让学生能够在虚拟环境中进行自主的操作，那么还必须配套其他的交互设备例如手柄，这对于动辄上千人的学校来说成本负担较大，因此现今国内的一些学校即便是采用了虚拟现实教学模式，使用的还是桌面式的虚拟现实教学设备，即电脑、鼠标和键盘等。

除了硬件成本外，还有虚拟现实软件的开发成本，一些用于虚拟现实建模与渲染的软件已经被开发了出来，学校实际上需要采购的是相应课程的虚拟现实课件，而不同的课程对应的课件内容都会完全不同，市场上高质量的VR视频外包制作费用能达到每秒1万元，VR课件内容往往只有几分钟，而如果要设计学生与虚拟环境互动的课件内容必然面临更高的花费，因此成本问题是虚拟技术普遍应用于教育领域的一个很大的障碍。

4.3教学效果问题

虚拟现实技术的教育应用的最终目的是更好地达到教学目的，使学生对知识有更深入的理解和更准确的把握，尽管虚拟现实技术从理论上来说能够使学生对虚拟环境中所呈现的知识有更好的掌握，但是在虚拟环境中过于丰富的场景和内容可能使学生无法集中注意力在学习重点上，再考虑人机交互的情况，学生在主动地与虚拟现实交互的过程中如果缺乏教师的引导有可能偏离原来的学习目标。这也意味着在虚拟现实教学过程中即便传统的教学问题能够得到弥补，可能会产生新的问题影响实际的教学效果。

5.对虚拟现实技术的教育应用的建议与展望

随着技术的持续发展和政策的不断出台，虚拟现实技术应用于我国的教育领域是一个大的趋势，针对实际应用存在的一些问题，我们提出以下几点建议：

1. 1. 选取部分学校开展试点性的虚拟现实教学，选取范围可以从不同的角度进行划分，例如理论性的课堂教学和实训教学，初等教育、中等教育和高等教育或者根据不同的学科划分，选取典型的学科进行试点教学。

   2. 加强虚拟现实教学的过程控制。为了避免出现上述的教学效果问题，我们认为可以引入一套过程控制的机制，加强在学习过程中对学生的监督和管理，例如在教学内容中插入测验环节评估学生的学习效果，在教学系统的设计研发中更多考虑教师的主导作用等。

   3. 政府针对学校引入虚拟现实技术的成本问题应当给予一定的政策考虑，在恰当时候可以给与一定的补贴或者对供应商的税收优惠。同时应当引导技术的进一步开发，帮助供应商企业实现技术的产业化应用，从而真正地降低应用成本。在软件开发方面，现今的VR课件的制作成本都十分高昂，教师往往也只能按照设定的方式开展教学，教学内容不具有灵活性，不同的课程内容都需要进行新的开发制作。而如果对VR课件内容进行模块化的设计，在特定模板的基础上根据教学要求对VR课件进行模块化的设计，这样既可以使课程内容更加丰富，让教师对新的教学模式更易上手，同时也可以避免重新制作课件，从而降低成本。

尽管当前我国的虚拟现实技术的教育应用尚处在研究开发和小规模应用的阶段，但是随着技术领域的不断突破和商业化的应用，VR技术极有可能在未来实现教育领域普遍化的应用，从而进一步深化我国的教学改革。

6.参考文献

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[4]刘德建,刘晓琳,张琰,陆奥帆,黄荣怀.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究,2016,22(04):25-31.

【基金项目】：本文系江西财经大学大学生创新创业训练计划项目研究成果，项目编号：202010421140

【作者简介】：傅昊 （2000—），男，民族：汉族，籍贯：江西吉安，单位：江西财经大学，研究方向：会计学