虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）教育應(yīng)用研究綜述

黃奕宇

摘 要：當(dāng)前，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù)在教育領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為教育行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇，虛擬現(xiàn)實(shí)能夠讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中與教學(xué)內(nèi)容互動(dòng)，解決傳統(tǒng)課堂中互動(dòng)性、情境性、沉浸性不強(qiáng)的問(wèn)題。本研究對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究綜述，分析目前虛擬現(xiàn)實(shí)在教育應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)，并結(jié)合我國(guó)教育現(xiàn)狀，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用的趨勢(shì)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；教育應(yīng)用；研究；綜述

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）01-0011-06

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）應(yīng)用于教育領(lǐng)域可以追溯到20世紀(jì)80年代，自2000年以后得以迅猛發(fā)展，2008年，美國(guó)國(guó)家工程院（NAE）公布的“21世紀(jì)工程學(xué)面臨的14項(xiàng)重大挑戰(zhàn)”報(bào)告指出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與新能源、潔凈水、新藥物等技術(shù)相并列成為重大挑戰(zhàn)之一。2011年以來(lái)，每年都會(huì)舉行關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的專業(yè)國(guó)際會(huì)議IEEE VR （IEEE Virtual Reality Conference），有效促進(jìn)了領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者之間的交流互動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為未來(lái)2～3年解決深度學(xué)習(xí)矛盾的關(guān)鍵技術(shù)于2016年登入地平線報(bào)告高等教育版[1]，也是《2017新媒體聯(lián)盟中國(guó)高等教育技術(shù)展望：地平線項(xiàng)目區(qū)域報(bào)告》十二項(xiàng)教育技術(shù)的重要發(fā)展之一[2]。這項(xiàng)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用將顛覆教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)方式，能夠讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中與教學(xué)內(nèi)容互動(dòng)，解決傳統(tǒng)課堂中互動(dòng)性、情境性、沉浸性不強(qiáng)的問(wèn)題，在教學(xué)的實(shí)踐中具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，在教育實(shí)踐和研究中大多采用多用戶虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)（開(kāi)放式與非開(kāi)放式平臺(tái)），使用較多的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品以國(guó)外產(chǎn)品為主，總體呈現(xiàn)“一超三強(qiáng)”的競(jìng)爭(zhēng)格局：一超指的是Oculus Rift；三強(qiáng)是SONY Play Station VR、HTC Vive 以及Avegant Glyph，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品如蟻視、靈鏡、3Glasses等也在逐漸成為有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

國(guó)際上關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用的研究方向主要集中在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課堂教學(xué)法、虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境以及醫(yī)學(xué)、工程、地理等具體學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)主要集中于虛擬學(xué)習(xí)資源建設(shè)、虛擬現(xiàn)實(shí)理論探索和虛擬仿真校園環(huán)境的建設(shè)等方面，吳長(zhǎng)帥、趙沁平、李敏等學(xué)者從不同角度對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的教育應(yīng)用研究和發(fā)展做了綜述。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)的定義與特征

迄今為止，學(xué)界對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚未給出統(tǒng)一的界定，存在著三種不同的觀點(diǎn)與認(rèn)識(shí)。以劉光然為代表的學(xué)者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)看作媒介的一種形式，這種媒體由交互式計(jì)算機(jī)仿真組成，它能夠感知參與者的位置，捕捉參與者的動(dòng)作信息，替代或者增強(qiáng)一種或者多種感官反饋，而產(chǎn)生一種精神沉浸于或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺(jué)[3]。第二種觀點(diǎn)是從數(shù)字環(huán)境視角來(lái)看，趙沁平認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)是在一定范圍與真實(shí)環(huán)境在視、聽(tīng)、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助一定的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的直觀感受和體驗(yàn)[4]。第三種觀點(diǎn)則認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的拓展，是綜合了利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)等為一體的科學(xué)技術(shù)[5]。

Burdea G和Philippe Coiffet在1994年提出了想象性（Imagination）、交互性（Interaction）和沉浸性（Immersion）等虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)基本特征[6]，即虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征。其中，想象性是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得理性與感性相結(jié)合，可以創(chuàng)建人為想象出來(lái)的場(chǎng)景或事物，促使人們深化概念，創(chuàng)造想法；交互性是指使用者不用借助鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等工具，以自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，同時(shí)，虛擬環(huán)境可以通過(guò)多重感官給予使用者反饋；沉浸性則強(qiáng)調(diào)了使用者從觀察者到參與者身份的轉(zhuǎn)變，使用者能夠身臨其境，感受到自己是虛擬世界中的一部分，在使用過(guò)程中更具有主動(dòng)性。

王聰系統(tǒng)分析了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)這兩種技術(shù)的區(qū)別和聯(lián)系，認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，這兩種技術(shù)具有同源性，其在信息生成、設(shè)備以及技術(shù)交互方面有重疊[7]。王同聚將虛擬現(xiàn)實(shí)的主攻領(lǐng)域定位在“虛擬世界”，即人們通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備來(lái)探索人為因素所構(gòu)建的虛擬世界，并且在純虛擬數(shù)字畫(huà)面中追求沉浸感，而將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的主戰(zhàn)場(chǎng)定位在“現(xiàn)實(shí)世界”，即人們使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備產(chǎn)生的虛擬信息來(lái)提升探索現(xiàn)實(shí)世界的能力，是虛擬數(shù)字畫(huà)面加上裸眼現(xiàn)實(shí)[8]。張枝實(shí)從技術(shù)和應(yīng)用兩個(gè)維度對(duì)以上學(xué)者的觀點(diǎn)做了詳盡的說(shuō)明[9]。下面通過(guò)表1將虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)文獻(xiàn)分析可以總結(jié)出，虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在技術(shù)使用、設(shè)備配置、應(yīng)用目的、教育特性上都有不同。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)際上強(qiáng)調(diào)建構(gòu)場(chǎng)景與“投射”的過(guò)程，因此，它側(cè)重于構(gòu)建和創(chuàng)造模式，關(guān)注虛擬場(chǎng)景是否有良好的體驗(yàn)和交互[11]。相反，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)更關(guān)注復(fù)原人類(lèi)視覺(jué)的功能，不隔離周?chē)默F(xiàn)實(shí)環(huán)境，注重虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的相互“融合”。虛擬現(xiàn)實(shí)重點(diǎn)依賴Graphics等運(yùn)算技術(shù)，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)主要運(yùn)用Computer Vision等信息與場(chǎng)景交互技術(shù)。在教育實(shí)踐中，虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建合理、夸張或虛幻的VR環(huán)境，為學(xué)生帶來(lái)想象性、交互性、沉浸性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則更加強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過(guò)程的興趣性、智能性、自主性，從而提升現(xiàn)實(shí)工作、生活或?qū)W習(xí)的思維動(dòng)力和實(shí)踐能力。

綜合以上的定義與特征可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)是建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上的，虛擬環(huán)境的產(chǎn)生和變化來(lái)自于計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、視聽(tīng)、多媒體、人工智能等多種技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是智能化的人機(jī)界面交互技術(shù)；通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，人們能夠借助并非現(xiàn)實(shí)存在的事物達(dá)到真實(shí)體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的研究對(duì)象是仿真環(huán)境，研究的基礎(chǔ)是在真實(shí)活動(dòng)中產(chǎn)生的關(guān)于視、聽(tīng)、觸感等的感受和體驗(yàn)。在教育實(shí)踐中，虛擬現(xiàn)實(shí)的研究目標(biāo)是呈獻(xiàn)知識(shí)信息、輔助教學(xué)活動(dòng)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程，以設(shè)計(jì)和優(yōu)化學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)情境。虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，本質(zhì)上是教育與技術(shù)相互作用、相互驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，教育需求引入虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、軟件、服務(wù)，而技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展與成熟。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)不僅會(huì)帶來(lái)師生觀念與教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，還會(huì)促使教育教學(xué)的整體改革，未來(lái)將會(huì)大范圍應(yīng)用于學(xué)校課堂教學(xué)中，也會(huì)在移動(dòng)學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程教育、翻轉(zhuǎn)課堂中發(fā)揮作用。endprint

三、理論基礎(chǔ)

1.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的觀點(diǎn)是：在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)該以學(xué)生為中心，關(guān)注學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的自我控制，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)所學(xué)新知識(shí)的意義的建構(gòu)，和對(duì)原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的改造和重組[12]，理想的學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)當(dāng)包括情境、協(xié)作、交流和意義建構(gòu)四個(gè)部分。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在教育教學(xué)中能夠豐富傳統(tǒng)課堂的教學(xué)手段，提高學(xué)生獲取知識(shí)的主動(dòng)性，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生協(xié)作與交流的情境，幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行意義建構(gòu)和對(duì)既有知識(shí)的重組，完成預(yù)定的學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.有效教學(xué)理論

有效教學(xué)既是人們的長(zhǎng)時(shí)期追求，也是一種全新的教學(xué)理念[13]，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)一系列的有效的教育活動(dòng)使學(xué)生學(xué)習(xí)符合預(yù)期最佳效果[14]。有效教學(xué)研究由環(huán)境變量、過(guò)程變量和結(jié)果變量構(gòu)成了其基本框架[15]。有效教學(xué)需要鼓勵(lì)師生互動(dòng)、鼓勵(lì)學(xué)生之間合作、鼓勵(lì)主動(dòng)學(xué)習(xí)、提供及時(shí)反饋、強(qiáng)調(diào)時(shí)間投入、對(duì)學(xué)生寄予高期望、尊重學(xué)生差異和不同的學(xué)習(xí)方式，而虛擬現(xiàn)實(shí)正是在有效教學(xué)理論指導(dǎo)下致力于促進(jìn)學(xué)生多方面的學(xué)習(xí)進(jìn)步和多元化發(fā)展，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)興趣的養(yǎng)成和學(xué)習(xí)成果的轉(zhuǎn)化。

3.情境認(rèn)知理論

情境認(rèn)知理論同樣強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以學(xué)習(xí)者為主體，并將知識(shí)與實(shí)踐緊密結(jié)合。在真實(shí)情景中組織教學(xué)符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知需要，能夠促進(jìn)知識(shí)的遷移和學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)[16]。認(rèn)知活動(dòng)是認(rèn)知主體與環(huán)境交互發(fā)生作用的動(dòng)態(tài)的主動(dòng)構(gòu)建過(guò)程，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用將學(xué)生置入原有課堂無(wú)法實(shí)現(xiàn)的、更加貼近教學(xué)內(nèi)容的場(chǎng)景中，加深學(xué)生對(duì)特定情境和特殊內(nèi)容的真實(shí)感知，促進(jìn)對(duì)知識(shí)的深入理解。

4.模擬思維方法

模擬思維方法根據(jù)所用的模型與原型相似的不同情況和特點(diǎn)，可以分為物理模擬方法和數(shù)學(xué)模擬方法兩大類(lèi)型，前者以模型和原型之間的物理相似為基礎(chǔ)，后者以模型和原型之間的數(shù)學(xué)相似為基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用主要采用物理模擬方法，模擬無(wú)法簡(jiǎn)單創(chuàng)建的教學(xué)場(chǎng)景，重現(xiàn)稍縱即逝的自然現(xiàn)象，放大或縮小肉眼難以感知的結(jié)構(gòu)等。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境研究

建構(gòu)主義理論認(rèn)為知識(shí)不是通過(guò)教師授課獲得的，而是學(xué)習(xí)者在與現(xiàn)實(shí)生活或真實(shí)情境相似的情境下去積極主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)[17]，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)習(xí)者建構(gòu)了全新的學(xué)習(xí)環(huán)境。目前，研究者對(duì)于用于教育領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的術(shù)語(yǔ)還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，“Three-dimensional Virtual Learning Environment”、“Educational Virtual Environment”等都有在被使用[18][19]。翻譯成中文術(shù)語(yǔ)，Huang等所使用的“虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境”這一術(shù)語(yǔ)突出了以學(xué)生為中心的思想和學(xué)習(xí)的特征[20]，表明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于教育教學(xué)環(huán)境的建構(gòu)與支持，比較系統(tǒng)與全面，讀起來(lái)也簡(jiǎn)潔有力，因此本研究則采用“虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)指代虛擬現(xiàn)實(shí)在教育教學(xué)中的應(yīng)用。在虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境支持下，教育思想、教學(xué)策略、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)規(guī)則都被植入進(jìn)去，教師與學(xué)生通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)和設(shè)備與學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行交互的過(guò)程構(gòu)成教與學(xué)的過(guò)程，學(xué)生能夠感覺(jué)自然地沉浸于學(xué)習(xí)當(dāng)中。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境支持的教學(xué)應(yīng)用

（1）目前，虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境支持的教學(xué)應(yīng)用在西方發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)用廣泛且有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。2009年澳大利亞和新西蘭合作成立的虛擬世界工作組和2003年美國(guó)林登實(shí)驗(yàn)室推出的Second Life（SL）項(xiàng)目等是典型代表[21]。其中，開(kāi)放式虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Second Life項(xiàng)目提出要探索個(gè)體在虛擬現(xiàn)實(shí)世界獲得教育與成長(zhǎng)的可能，學(xué)生可以采用一個(gè)“化身”投入到虛擬世界的學(xué)習(xí)當(dāng)中去，其具體執(zhí)行過(guò)程與角色扮演游戲有些類(lèi)似。Second Life平臺(tái)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家有極高的市占率，英國(guó)有80%的高校都在使用或準(zhǔn)備使用，而美國(guó)已經(jīng)有超過(guò)150所高校在這一平臺(tái)中搭建了用于教學(xué)和研究的虛擬環(huán)境[22]。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境能夠提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握能力、創(chuàng)造力和領(lǐng)導(dǎo)力。比如，在飛行員駕駛訓(xùn)練的課程中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的模擬飛行場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)實(shí)際駕駛訓(xùn)練相結(jié)合，飛行學(xué)員的技能習(xí)得速度和效果比單純的現(xiàn)實(shí)飛行課程訓(xùn)練更明顯。Cai、Wang和Chiang設(shè)計(jì)了幾個(gè)面向初中生的關(guān)于化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的虛實(shí)融合操作實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以采用自然交互方式對(duì)虛擬出來(lái)的微觀世界中的分子、原子進(jìn)行操作、組合和創(chuàng)作[23]。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明虛實(shí)融合的方式能較大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)知與理解。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)日常難以呈現(xiàn)的巨大或微小物體之間的空間關(guān)系和內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的展示，有效地促進(jìn)了學(xué)生技能的習(xí)得。臺(tái)灣學(xué)者Lin、Wang、Kuo等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索了虛擬現(xiàn)實(shí)教育對(duì)學(xué)生創(chuàng)造力和領(lǐng)導(dǎo)力的影響，實(shí)驗(yàn)表明：通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)探索教育能夠促進(jìn)的最佳創(chuàng)造力，也能夠提高學(xué)生的最優(yōu)領(lǐng)導(dǎo)力[24]。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境還被應(yīng)用到具體操作技能的培訓(xùn)課程中。隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求醫(yī)學(xué)教學(xué)更加的精細(xì)化，對(duì)醫(yī)療教學(xué)設(shè)備和儀器的要求也越來(lái)越高，教學(xué)成本高昂。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)搭建醫(yī)療教學(xué)環(huán)境，再造手術(shù)和化驗(yàn)場(chǎng)景，一方面能夠較大程度地降低成本，另一方面能夠使手術(shù)效果更佳直觀，醫(yī)學(xué)生可以有效及時(shí)且直觀的感受到自己操作的規(guī)范性和手術(shù)處理所帶來(lái)的后果。Y Eugenia、Νikiteas Nikolaos、P Despina等通過(guò)在腹腔鏡手術(shù)中使用虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器構(gòu)建訓(xùn)練環(huán)境，能夠訓(xùn)練基礎(chǔ)外科手術(shù)技能，提供改進(jìn)腹腔鏡手術(shù)性能的替代手段，并且可直接將這一手段運(yùn)用到臨床手術(shù)中去，然而，虛擬現(xiàn)實(shí)模擬對(duì)高級(jí)外科手術(shù)的表現(xiàn)沒(méi)有影響[25]。在工程類(lèi)課程中，VS Pantelidis概述了在工程教育中使用虛擬現(xiàn)實(shí)的原因并提供了一個(gè)確定何時(shí)使用VR的模型，指明了在工程操作課程中使用虛擬現(xiàn)實(shí)的低預(yù)算方法和構(gòu)建這種工程實(shí)驗(yàn)室所需的硬件和軟件[26]。endprint

（4）在教學(xué)實(shí)踐中，某些學(xué)科存在現(xiàn)實(shí)生活中沒(méi)有的、危險(xiǎn)性較強(qiáng)的、或者成本較高難以構(gòu)建的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，比如歷史場(chǎng)景、跨國(guó)場(chǎng)景、危險(xiǎn)場(chǎng)景、特殊教育、軍事演習(xí)、宇宙與海洋場(chǎng)景等，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以在避免傷害、減小成本的情況下完成教學(xué)任務(wù)。Buono、Cortese和Lionett等人在消防逃生培訓(xùn)課程中做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們構(gòu)建了虛擬機(jī)代表國(guó)家研究所的一個(gè)真正的建筑，工作分為兩個(gè)平行和互補(bǔ)階段：在第一階段（“建?！彪A段），他們?cè)O(shè)計(jì)了模擬發(fā)生地的實(shí)際建筑物；在第二階段，他們額外通過(guò)使用LSL（the Second Life Linden Scripting Language）將交互功能加入到虛擬環(huán)境中去，以確保用戶可以通過(guò)熟悉的方式與周?chē)h(huán)境進(jìn)行交互。實(shí)驗(yàn)表明，在虛擬環(huán)境中，原本對(duì)新技術(shù)不熟悉的學(xué)習(xí)者也能夠?qū)Νh(huán)境互動(dòng)功能熟悉掌握，實(shí)驗(yàn)參與者對(duì)于滅火逃生相關(guān)概念的掌握能力、對(duì)于滅火器的使用能力、成功逃脫至集合點(diǎn)的能力等都成績(jī)較佳，培訓(xùn)效果顯著[27]。

（5）構(gòu)建虛擬的學(xué)習(xí)角色。在實(shí)際的教育教學(xué)工作中，教師往往會(huì)面對(duì)學(xué)生注意力不集中的情況，這種情況在青少年教學(xué)過(guò)程中更為常見(jiàn)，會(huì)直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)于知識(shí)的獲取以及教師的課堂教學(xué)效果。構(gòu)建的虛擬角色是將真實(shí)學(xué)生個(gè)體映照進(jìn)虛擬環(huán)境中去，這個(gè)角色可以按照計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)定需要完成的各項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)，幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)課程知識(shí)的掌握與理解[28]。虛擬角色能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以讓學(xué)習(xí)者避免焦慮的心理和其他情感因素的干擾，注意力和集中度有明顯提高。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境提升學(xué)生技能習(xí)得效果研究

（1）臨場(chǎng)感

臨場(chǎng)感讓學(xué)生在面對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境時(shí)產(chǎn)生的身臨其境的感覺(jué)，臨場(chǎng)感是虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)效果習(xí)得評(píng)價(jià)的重要組成部分。吳祥恩、陳曉慧等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了臨場(chǎng)感對(duì)在線學(xué)習(xí)效果具有重要影響，其中教學(xué)臨場(chǎng)感較大程度促進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)組織，社會(huì)臨場(chǎng)感在一定程度上能夠促進(jìn)學(xué)生積極進(jìn)行知識(shí)分享，而認(rèn)知臨場(chǎng)感對(duì)在線學(xué)習(xí)效果起到最重要作用[29]。學(xué)習(xí)者的臨場(chǎng)感知覺(jué)對(duì)學(xué)習(xí)成就影響程度如何，王廣新和劉興波采用以Witmer和Singer的“臨場(chǎng)感調(diào)查問(wèn)卷”[30]、Baňos等的“現(xiàn)實(shí)判斷和臨場(chǎng)感調(diào)查問(wèn)卷”[31]為核心改進(jìn)的問(wèn)卷調(diào)查的方法測(cè)量學(xué)習(xí)者的臨場(chǎng)感，探究出臨場(chǎng)感體驗(yàn)?zāi)茉鰪?qiáng)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知過(guò)程，有助于提高學(xué)習(xí)者的認(rèn)知態(tài)度，但臨場(chǎng)感也不是虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)于學(xué)生技能習(xí)得效果的靈丹妙藥，臨場(chǎng)感對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)業(yè)成就的提高也是間接的和有限的[32]。Persky，S發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)效果會(huì)受到具體的教學(xué)方法和不同的學(xué)習(xí)活動(dòng)的影響，并不能簡(jiǎn)單地將學(xué)習(xí)效果與臨場(chǎng)感作簡(jiǎn)單聯(lián)結(jié)[33]。另外，當(dāng)學(xué)習(xí)環(huán)境受到多種因素的刺激時(shí)，學(xué)習(xí)者會(huì)對(duì)這些因素的注意力產(chǎn)生不均等現(xiàn)象，從而影響對(duì)特定一些因素的臨場(chǎng)感不佳。

（2）個(gè)性化學(xué)習(xí)

除此之外，虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境突破了空間的限制，對(duì)于學(xué)生而言，為學(xué)生提供了個(gè)性化學(xué)習(xí)條件，學(xué)生能夠根據(jù)個(gè)性表現(xiàn)在虛擬環(huán)境中嘗試完成不同的任務(wù)或通過(guò)不同方式完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更為積極主動(dòng)地去計(jì)劃、組織和監(jiān)控課程活動(dòng)。對(duì)于教師而言，虛擬現(xiàn)實(shí)促進(jìn)的個(gè)性化學(xué)習(xí)模式能夠有效促進(jìn)因材施教，教師能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，個(gè)案分析學(xué)習(xí)效果并進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)，以此為依據(jù)針對(duì)個(gè)別學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，也方便安排之后的教學(xué)內(nèi)容，從而進(jìn)一步提升教學(xué)效果。比如，Ashoori等提出個(gè)性化是適應(yīng)性虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[34]，它為學(xué)生提供支持互動(dòng)參與的方法，從而滿足不同學(xué)生的需求，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)，這可以在多用戶虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中使用教學(xué)Agents來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）沉浸性

在傳統(tǒng)課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，教師不可避免地會(huì)遇到學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中情感缺失的問(wèn)題，將基于虛擬活動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境納入學(xué)習(xí)和培訓(xùn)過(guò)程中，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)打造良好的沉浸性提高教育過(guò)程的效率[35]。L.Jacho、B.Sobota、？譒. Kore■ko等構(gòu)建了用于支持教育和教學(xué)活動(dòng)的半沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使用基于用戶觸摸界面的虛擬工作臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生的能力發(fā)展并對(duì)能力發(fā)展成效進(jìn)行評(píng)估[36]。若設(shè)計(jì)合理的教學(xué)流程和恰當(dāng)?shù)奶摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的專注度和投入度將會(huì)有所改善。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)

國(guó)內(nèi)關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境支持的教學(xué)相關(guān)研究和應(yīng)用還停留在較為初始的階段，還是以虛擬現(xiàn)實(shí)理論探討為主，應(yīng)用層面研究較少，教育教學(xué)效果還需進(jìn)一步明確。國(guó)內(nèi)的研究重心還集中在虛擬仿真校園的實(shí)現(xiàn)等方面[37][38]，較西方國(guó)家仍有一段距離。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)技術(shù)目前普遍存在建模工作量大、模擬成本高，與現(xiàn)實(shí)世界匹配程度不夠以及可信度等方面的問(wèn)題[39]。具體而言，從產(chǎn)品技術(shù)層面，丁楠、汪亞珉認(rèn)為存在著頭戴式顯示設(shè)備使用體驗(yàn)不佳、顯示設(shè)備的視域相對(duì)狹窄、設(shè)備的重量與體積過(guò)大，使用者的活動(dòng)自由度受到硬件的限制，從而導(dǎo)致交互體驗(yàn)不足等缺陷[40]。而高媛等還從教學(xué)應(yīng)用層面及學(xué)習(xí)者體驗(yàn)層面上總結(jié)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中存在的不足[41]，在教學(xué)應(yīng)用層面，海倫·法利認(rèn)為最大的挑戰(zhàn)在于教師的教學(xué)方式還沒(méi)有改變，在虛擬環(huán)境中仍舊采用傳統(tǒng)的教學(xué)，這樣虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則難以起作用[42]。劉德建、高媛等皆提出了虛擬現(xiàn)實(shí)所使用的多元信息傳送方式容易造成學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷超載，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)還沒(méi)有配套成熟的輔助技術(shù)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，不能明確辨別學(xué)生在使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)到底是用于學(xué)習(xí)還是娛樂(lè)[43][44]。

六、總結(jié)與展望

在虛擬現(xiàn)實(shí)的教育應(yīng)用中，技術(shù)應(yīng)當(dāng)服務(wù)于教育教學(xué)過(guò)程。針對(duì)這些問(wèn)題，教育工作者首先要考慮面對(duì)具體的教學(xué)情境時(shí)應(yīng)當(dāng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行哪些內(nèi)容的教學(xué)、如何進(jìn)行教學(xué)的問(wèn)題，即確定明確的教學(xué)目標(biāo)、制定提升學(xué)生創(chuàng)造力的教學(xué)策略，形成完整可行的教學(xué)設(shè)計(jì)，使得教學(xué)設(shè)計(jì)更加符合學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程，從而最大程度地減小學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷超載；根據(jù)實(shí)際教學(xué)開(kāi)展長(zhǎng)期的效果測(cè)試、監(jiān)測(cè)與評(píng)估，掌握數(shù)據(jù)規(guī)律，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果改進(jìn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)習(xí)環(huán)境和教學(xué)設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)。endprint

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備及服務(wù)提供商需進(jìn)一步完善該技術(shù)的成熟度，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)虛擬環(huán)境、混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段輔助營(yíng)造智能化和實(shí)用型的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境；減少技術(shù)使用層面的困難，提供更好的設(shè)備使用體驗(yàn)；開(kāi)發(fā)關(guān)于技術(shù)數(shù)據(jù)的輔助收集與評(píng)價(jià)功能，便于教學(xué)者評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果；提高對(duì)于數(shù)據(jù)隱私尤其是學(xué)生個(gè)人信息方面的安全系數(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為教育教學(xué)應(yīng)用中不容小覷的技術(shù)之一，它與教育教學(xué)的深度融合將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)教學(xué)改革的發(fā)展，對(duì)于提高教育技術(shù)水平、改善教學(xué)環(huán)境、豐富教學(xué)資源、優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，培養(yǎng)個(gè)性化、創(chuàng)新型的人才具有重要作用。未來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用水平的逐步提升，希望虛實(shí)融合教學(xué)環(huán)境中所面臨的挑戰(zhàn)能夠逐步得到有效解決。

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（編輯：王曉明）endprint