VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

劉園

摘要 概述了國內(nèi)外VR虛擬教學(xué)的現(xiàn)狀，VR虛擬教學(xué)的特點，目前推廣VR虛擬教學(xué)所面臨的問題，以及VR技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)領(lǐng)域的意義。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；教育

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）16-0207-02

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官的功能，使人能夠沉浸在計算機(jī)所生成的虛擬世界里面，并且能夠通過語言、手勢，感官等自然方式與計算機(jī)進(jìn)行實時交互，創(chuàng)造了一種以人為主的虛擬空間。使用者不僅能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，而且能夠突破時間和空間以及其他客觀的限制，感受到真實世界中無法親身體驗到的經(jīng)歷。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以廣泛用于學(xué)習(xí)情景的創(chuàng)設(shè)，增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的形象性和趣味性，進(jìn)而實現(xiàn)模擬訓(xùn)練。通過VR進(jìn)行學(xué)習(xí)和教育，不光可以減少現(xiàn)實空間中某些訓(xùn)練操作的困難和危險，更可以使訓(xùn)練造價得到大幅度降低。因此，我們說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將是繼多媒體、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在教育領(lǐng)域內(nèi)最具有應(yīng)用前景的一項技術(shù)。

1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下可以分為三類：

第一種：桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一款基于普通PC平臺的小型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它主要是利用圖形工作站和立體顯示器，產(chǎn)生虛擬情境，參與者可以使用數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)、力反饋器或者其他手控輸入設(shè)備，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)。計算機(jī)的屏幕是參觀者觀察虛擬境界的一個窗口，立體顯示器用來觀看三維虛擬場景的立體效果，它所帶來的立體感能夠使參與者產(chǎn)生一定的投入感。桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括VR立體圖形顯示、效果顯示、人機(jī)交互等幾部分。

桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)雖然沒有完全沉浸式的效果和性能，但是因為成本相對較低，所以應(yīng)用的比較普遍。因此，桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)被認(rèn)為是初級的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，也是投入虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究的初級階段。

第二種：沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供參與者完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬世界中的感覺。它的特點就是：利用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺封閉起來，產(chǎn)生虛擬視覺，同時，它利用數(shù)據(jù)手套把用戶的手感通道封閉起來，產(chǎn)生虛擬觸動感。系統(tǒng)采用語音識別器讓參與者對系統(tǒng)主機(jī)下達(dá)操作命令，與此同時，頭、手、眼均有相對應(yīng)的頭部跟蹤器、手部跟蹤器、眼睛視向跟蹤器的追蹤，能夠使系統(tǒng)達(dá)到盡可能的實時性。

第三種：分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（DVR）是基于網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境，在這個環(huán)境中，多個用戶同時參加一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境，通過計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對這個虛擬環(huán)境進(jìn)行觀察和操作，從而實現(xiàn)與其他用戶的交互，并共享信息。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點就是可以實現(xiàn)實時交互，資源共享，用戶互動。當(dāng)然虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最基礎(chǔ)的特點就是模擬現(xiàn)實，有真實感。

2 國外VR教學(xué)的研究現(xiàn)狀

目前，國外的一些公司已經(jīng)研究出來應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育系統(tǒng)，而且國外的一些學(xué)院已經(jīng)已經(jīng)開始使用VR教育系統(tǒng)。zSpace首席執(zhí)行官Paul Kellenberger表示：“zSpace一體式教育系統(tǒng)更先進(jìn)，使用起來更加簡單。我們想顛覆學(xué)校使用技術(shù)的方式，我們并非生活在一個扁平的世界。作為一個企業(yè)，我們的目標(biāo)是讓盡可能多的人了解這種互動和虛擬現(xiàn)實體驗，zSpace教育解決方案讓學(xué)校將這一切都變成可能。zSpace由一臺單獨電腦和VR顯示器組成，并配備有觸控筆，幫助學(xué)生操縱虛擬3D物體，加強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗。此外，zSpace還成立了專門的STEM實驗室。在美國，已有上萬的學(xué)生正使用zSpace STEAM（science科學(xué)， technology技術(shù)， engineering工程， art藝術(shù)， mathematics數(shù)學(xué)）實驗室課件進(jìn)行學(xué)習(xí)。此外，坐落在德克薩斯州的Trinity University也將VR設(shè)備用于校園文化的推廣和普及上，并取得不錯的效果。

3 國內(nèi)VR教學(xué)的研究現(xiàn)狀

北京微視酷（VRschool）科技有限公司是中國專業(yè)的VR教育軟件研發(fā)機(jī)構(gòu)，他們利用其領(lǐng)先的VR技術(shù)，結(jié)合教學(xué)實際需求，成功自主研發(fā)了“IES沉浸式課堂”系統(tǒng)，為國內(nèi)教學(xué)提供了VR（虛擬現(xiàn)實）教育應(yīng)用整體解決方案，成為未來學(xué)校和智慧課堂的教育改革技術(shù)先鋒。2016年4月5日下午，北京中關(guān)村第二小學(xué)與北京微視酷科技有限責(zé)任公司合作的VR虛擬現(xiàn)實“IES沉浸式教學(xué)系統(tǒng)”公開課正式開講?，F(xiàn)在國內(nèi)提出把VR技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域的公司還包括：新東方、百度、巧克互動、網(wǎng)龍、安妮股份、廈門創(chuàng)壹軟件等。其中，新東方和樂視在2015年達(dá)成初步合作意向，雙方將在英語課堂實現(xiàn)VR教學(xué)。安妮股份也啟動了虛擬現(xiàn)實項目，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)兒童教育產(chǎn)品。百度則計劃2017年在貧困山區(qū)的學(xué)校構(gòu)建一些VR教室。此外，一家名為“巧克互動”的創(chuàng)業(yè)公司，也宣布將VR應(yīng)用在英語教學(xué)上，試圖實現(xiàn)在虛擬場景下的在線直播功能；廈門創(chuàng)壹軟件則研發(fā)了全國最大的虛擬現(xiàn)實三維互動在線教育云平臺；網(wǎng)龍近期也宣布正在從硬件、技術(shù)和資源三個層面著手，研究VR在教育行業(yè)的落地。因此，VR技術(shù)將會進(jìn)一步走入人們的生活，不僅在游戲領(lǐng)域，也將會越來越多的應(yīng)用在教育、醫(yī)學(xué)等其他領(lǐng)域。2016年4月8日，VR及虛擬仿真實踐教學(xué)信息技術(shù)應(yīng)用研討大會在廣東工業(yè)大學(xué)舉行。研討會上，上海曼恒數(shù)字有限公司的技術(shù)專家與廣東工業(yè)大學(xué)的學(xué)術(shù)專家進(jìn)行了專題演講，同時，雙方合作成立的VR&AR技術(shù)研究聯(lián)合中心以及虛擬仿真技術(shù)研究中心也在研討會上揭牌。這意味著，VR技術(shù)將在教育領(lǐng)域?qū)で蟾畹暮献骺臻g。

4 VR虛擬教學(xué)的特點

1）利用VR技術(shù)設(shè)計逼真的三維虛擬環(huán)境，能夠使學(xué)生置身于虛擬的3D學(xué)習(xí)環(huán)境中，體驗真機(jī)實訓(xùn)不可能觀察到的各部件以及重要部件獨立工作的原理，讓學(xué)生能夠自己動手操作儀器，更好地了解儀器設(shè)備的構(gòu)造、安裝與操作。

2）充分利用并行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的可交互性，讓學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與老師之間可以像正常教學(xué)那樣互動的同時，體驗平時不可能體驗到的情境中，同時可以利用并行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的共享性使所有學(xué)生可以共享資源，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和操作能力。

3）學(xué)生可以不受時間和空間的限制，自己可以在任意的時間和地方利用VR教學(xué)設(shè)備學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容也可以根據(jù)自己的興趣和天分而定。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，節(jié)約了時間，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，同時充分挖掘了學(xué)生的興趣愛好。

4）支持遠(yuǎn)程應(yīng)用及管理，VR教育系統(tǒng)的平臺采用服務(wù)器與用戶端的模式。學(xué)生和老師通過用戶端申請賬號和密碼進(jìn)行登陸，然后訪問服務(wù)器，進(jìn)行相應(yīng)請求模型數(shù)據(jù)的傳輸。這樣既可以教學(xué)，同時學(xué)生和老師都可以在設(shè)備上學(xué)習(xí)，并且得到真人“面對面”的教學(xué)，這樣的教學(xué)方式比尋求家教更加方便，更加高效。

5 VR虛擬教學(xué)面臨的問題

1）VR產(chǎn)品的價格與功能方面也存在悖論

功能越豐富，價格越高，買的人就越少；但走廉價路線的VR產(chǎn)品，又因產(chǎn)品性能不過關(guān)，用戶體驗不好等原因無法一直“紅”下去。因此，以最低成本提供最好用戶體驗才是產(chǎn)品迭代的核心和必經(jīng)途徑。

2）內(nèi)容與硬件質(zhì)量不匹配

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究人員不斷地在提高硬件設(shè)備，但是由于VR設(shè)備比較昂貴，一般人都消費不起，因此不能夠廣泛地被大家所了解和使用，因此缺乏創(chuàng)新型的內(nèi)容。教育重視內(nèi)容，重視質(zhì)量，重在新穎，內(nèi)容是根本，技術(shù)是手段。但是目前的VR教育設(shè)備因為價格、技術(shù)等原因，很難推廣，很少有人了解這個東西，因此，VR虛擬教學(xué)系統(tǒng)缺乏創(chuàng)新的內(nèi)容，也無法做到實時的更新內(nèi)容。學(xué)生在使用過程中，只會剛開始會有興趣，等到熟悉虛擬設(shè)備的所有內(nèi)容之后就會覺得乏味，枯燥，根本達(dá)不到豐富知識，激發(fā)創(chuàng)造力和潛力的效果。

3）長時間佩戴，學(xué)生依然會產(chǎn)生暈眩和不適感

眩暈是因為眼睛感受到的畫面和身體感受到的運動不協(xié)調(diào)。有數(shù)據(jù)表明，頭動和視野的延遲不能超過 20ms，不然就會出現(xiàn)眩暈。低于20ms 的延遲對于 VR 設(shè)備的技術(shù)要求很高，設(shè)備一方面要精確地測出頭部轉(zhuǎn)動的速度、角度和距離，還要及時渲染并顯示出畫面，這一切都需要在 20ms 以內(nèi)完成。所以VR產(chǎn)品，一定要保證畫面的穩(wěn)定流暢和信息的同步。

解決眩暈的另外一個辦法，就是降低余暉，低余暉頭就是使物體的軌跡更加接近于物理世界的真實軌跡，在一定刷新率下不會產(chǎn)生讓人能夠覺察到的拖影。要達(dá)到這個目的，只能使用 OLED 等新型顯示器，由于其每個像素都是主動發(fā)光的，所以 OLED 屏幕可以做到低余暉。

4）功能依然不夠完善，用戶體驗需要加強(qiáng)

目前VR教育系統(tǒng)的研究仍舊處于初級階段，它所包含的功能不夠完善，我們看到目前國內(nèi)的VR教育系統(tǒng)都是提供一些簡單的三維場景，用來還原課程內(nèi)容場景，讓學(xué)生更好地融入到事件發(fā)生情境中，更好的理解一些公式及其原理。

5）缺乏龐大的資源庫

一個完善的VR教育系統(tǒng)必須擁有龐大的資源庫，才能夠滿足用戶的需求。我們知道虛擬現(xiàn)實設(shè)備主要是通過對圖像進(jìn)行處理，然后通過從人體接受過來的感官信號對圖像進(jìn)行變換，然后利用顯示設(shè)備 展現(xiàn)出3維立體影像。這些都需要龐大的存儲區(qū)域才可以實現(xiàn)，同時我們對于完善的虛擬現(xiàn)實教學(xué)設(shè)備而言，他不僅要存放一種學(xué)科的全部理論知識點，3維模擬場景影像，還包括學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄，學(xué)生查詢的相關(guān)資源，教師考核試卷資源等等。由此可見，VR教育系統(tǒng)必須要建立一個龐大的資源庫，但是目前對于一般的學(xué)校而言，還不能做到，但是未來，我相信科研者肯定會解決這個問題。

6）對網(wǎng)絡(luò)通信帶寬有較高的要求

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，在這個環(huán)境中，位于不同物理環(huán)境位置的多個用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)結(jié)，這個特點正好滿足多個學(xué)生和老師在虛擬情境中進(jìn)行交互，共同學(xué)習(xí)。但是，在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)帶寬是虛擬世界大小和復(fù)雜度的一個決定因素。當(dāng)參加者增加時，帶寬需求也隨著增加。因此，分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)通信帶寬有較高的要求，并且高度依賴于中心服務(wù)器。

傳統(tǒng)的教育模式已然不能夠滿足當(dāng)今社會對人才的需求。傳統(tǒng)的教育模式下，老師講，學(xué)生跟，根本不能夠發(fā)揮學(xué)生的個人特色和創(chuàng)新能力，因此這是一種被動的教育模式。在這種教育模式下，學(xué)生很難發(fā)揮積極能動性，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率也不能達(dá)到最高。同時，在傳統(tǒng)的教育模式下，一個老師帶領(lǐng)很多學(xué)生，很難做到個個兼顧。因為每個學(xué)生接受新知識的速度不一樣，領(lǐng)悟力也是參差不齊的，所以很難找到一個平衡點。更重要的是，老師的教學(xué)也有自己的個人特色，有些同學(xué)可以接受老師的教學(xué)方式，然而有些卻不能接受，這也是很難調(diào)節(jié)的。另外，傳統(tǒng)的教學(xué)教材都是教科書為準(zhǔn)，涵蓋的知識面比較窄，內(nèi)容有限，不能夠滿足學(xué)生對大量知識的需求。

利用虛擬教學(xué)系統(tǒng)可以打破時間和空間的限制，可以模擬各種學(xué)生學(xué)習(xí)工作中遇到的各種問題，對學(xué)生提出的各種假設(shè)構(gòu)造模型，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和潛力，同時有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。同時，學(xué)?？梢岳锰摂M現(xiàn)實教育系統(tǒng)建立各種物理、化學(xué)、生物、地理虛擬實驗室，可以節(jié)省實驗材料，同時不限次數(shù)的反復(fù)操作。通過推廣標(biāo)準(zhǔn)化沉浸式教學(xué)內(nèi)容，能讓不同級別的學(xué)校享有均等的教學(xué)環(huán)境，緩解優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源缺乏的問題。

因此如果把虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育有機(jī)地結(jié)合，教育與社會需求之間的差距將得以縮小，這將對未來的教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。