虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育課程中的應(yīng)用

王美霞

摘 要：文章主要研究虛擬現(xiàn)實(shí)在教育課程中的運(yùn)用，討論了使用虛擬現(xiàn)實(shí)的原因，介紹了利用虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了何時(shí)使用和何時(shí)不使用虛擬現(xiàn)實(shí)，給出了一般模型?？捎糜诖_定何時(shí)在教育課程中使用虛擬現(xiàn)實(shí)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；教育課程；應(yīng)用

在教育領(lǐng)域中使用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）可看作是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，CAI）或計(jì)算機(jī)培訓(xùn)（Computer Based Training，CBT）的某種變化。使用計(jì)算機(jī)作為教學(xué)輔助工具有很長(zhǎng)的歷史，最早起始于20世紀(jì)50年代初，而對(duì)其進(jìn)行研究則始于20世紀(jì)60年代初。自1977年微型計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)（特別是微型計(jì)算機(jī)或個(gè)人電腦）逐漸應(yīng)用到了許多形式的教育之中。而虛擬現(xiàn)實(shí)可用于所有類型的計(jì)算機(jī)，因此其發(fā)展也遵循了這一發(fā)展趨勢(shì)[1]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育課程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代以來，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)在教育方面的應(yīng)用和有效性進(jìn)行了許多研究。有研究表明，虛擬環(huán)境可以激發(fā)學(xué)習(xí)和理解，因?yàn)樗峁┝朔?hào)和經(jīng)驗(yàn)信息之間的緊密耦合。許多研究集中在兒童和年輕學(xué)習(xí)者如何在3D環(huán)境中進(jìn)行互動(dòng)和學(xué)習(xí)，如虛擬游樂場(chǎng)、洞穴等。以物理學(xué)為例，學(xué)生幾乎不能“感知”和“理解”他們所研究現(xiàn)象。但是，利用虛擬現(xiàn)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。這也可以為學(xué)生的概念的理解與進(jìn)一步的學(xué)習(xí)提供幫助。3D環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)概念的最重要的貢獻(xiàn)是促進(jìn)了空間知識(shí)的理解。Burdea等[2]在1994年提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的3個(gè)基本特征：沉浸感（Immersion）、構(gòu)想性（Imagination）、交互性（Interaction），這3個(gè)基本特征也經(jīng)常被簡(jiǎn)稱為虛擬現(xiàn)實(shí)的3I特征。

盡管VR被認(rèn)為是一個(gè)非常有前景的學(xué)習(xí)工具，但仍有許多問題需要進(jìn)一步研究。這些問題主要包括：確定適當(dāng)?shù)睦碚摶蚰Ｐ蛠碇笇?dǎo)其設(shè)計(jì)和開發(fā)；研究其特性使其能夠支持學(xué)習(xí)；了解它的使用是否可以提高預(yù)期的性能和理解等。此外，在使用此技術(shù)時(shí)如何達(dá)到更有效的學(xué)習(xí)，對(duì)不同天賦的學(xué)習(xí)者的影響等也需進(jìn)一步研究。

2 在教育課程中使用虛擬現(xiàn)實(shí)的原因

在每一個(gè)層次的教育，虛擬現(xiàn)實(shí)都有可能有所作為，可以引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的新發(fā)現(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)和鼓勵(lì)和激發(fā)。

VR可以從第一人稱的角度使學(xué)生身臨其境（即沉浸感），提供非象征性的經(jīng)驗(yàn)，以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者可以參與到學(xué)習(xí)環(huán)境中，擁有一種存在感，成為環(huán)境的一部分。而在傳統(tǒng)教育課程中，不能以任何其他方式獲得這些經(jīng)驗(yàn)，而是更傾向于促進(jìn)第三人稱的象征性體驗(yàn)。許多學(xué)生由于不能很好地理解與掌握學(xué)科的理論知識(shí)而學(xué)習(xí)不好。VR卻為學(xué)生提供了一個(gè)新的途徑，它可以促使學(xué)生通過沉浸式的體驗(yàn)學(xué)習(xí)掌握抽象的概念。就此而言，VR也許是最好的和最可能的解決方案。

3 在教育課程中使用虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)

使用VR教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)在許多方面與使用計(jì)算機(jī)或交互式仿真的優(yōu)點(diǎn)相似，尤其是三維計(jì)算機(jī)模擬。例如，一個(gè)模擬可以提供真實(shí)的和相關(guān)的場(chǎng)景，利用關(guān)卡的形式，激發(fā)用戶的興趣，迫使他們采取行動(dòng)，并為他們提供不受限制的選擇。使用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)目標(biāo)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它具有很強(qiáng)的激勵(lì)性。

虛擬現(xiàn)實(shí)可以比其他方法更準(zhǔn)確地說明某些特性、過程等。VR允許對(duì)一個(gè)物體進(jìn)行極端的特寫檢查。VR給出了基于新視角的洞察力的機(jī)會(huì)。從內(nèi)部或頂部或底部查看對(duì)象的模型，顯示以前從未見過的區(qū)域。例如，一旦一個(gè)分子被建模在VR，學(xué)生可以詳細(xì)研究它，進(jìn)入分子內(nèi)走動(dòng)，并熟悉其部分。VR允許從遠(yuǎn)處檢查物體，顯示整體而非部分。社區(qū)的VR模型使居民對(duì)建筑物、街道和開闊區(qū)域之間的互聯(lián)有不同的看法。

VR可以改變學(xué)習(xí)者與主題的互動(dòng)方式。VR需要相互作用，它鼓勵(lì)積極參與，而不是被動(dòng)。通過立即查看結(jié)果，鼓勵(lì)與虛擬環(huán)境交互的參與者繼續(xù)進(jìn)行交互。VR為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，讓他們知道以前未知的發(fā)現(xiàn)。通過對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行建模，新的觀點(diǎn)是可能的，研究模型可以提供前所未有的洞察力。VR允許殘疾人參加實(shí)驗(yàn)或?qū)W習(xí)環(huán)境時(shí)，否則他們不能這樣做。他們可以做化學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)。VR允許學(xué)習(xí)者以自己的速度進(jìn)行體驗(yàn)。學(xué)習(xí)者決定在與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互時(shí)應(yīng)該做什么。VR允許學(xué)習(xí)者在不按常規(guī)班級(jí)時(shí)間表固定的寬時(shí)段內(nèi)進(jìn)行體驗(yàn)。

VR允許學(xué)習(xí)者通過做一個(gè)建構(gòu)主義的方法來學(xué)習(xí)。VR通過實(shí)際使用來提供新技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。用新設(shè)備模擬一個(gè)新的過程可以訓(xùn)練一個(gè)工人。VR為通過遠(yuǎn)程教育教授的一些目標(biāo)提供了一種方法，以前不可能用這種方式教授。

使用虛擬現(xiàn)實(shí)的缺點(diǎn)主要與成本、學(xué)習(xí)如何使用硬件和軟件所需的時(shí)間、可能的健康和安全效果有關(guān)，以及處理可能不情愿使用和集成新技術(shù)到課程中。與所有新技術(shù)一樣，隨著時(shí)間的推移，這些問題可能會(huì)逐漸消失，而虛擬現(xiàn)實(shí)在教育之外的領(lǐng)域中更普遍地被使用。

4 如何選擇使用虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)并不能適用于每一個(gè)教學(xué)目標(biāo)。有一些教學(xué)場(chǎng)景可以使用，有些時(shí)候則不應(yīng)該使用。那么，何時(shí)使用和何時(shí)不使用呢？

殘疾人由于身體的缺陷，在常規(guī)教學(xué)中許多實(shí)驗(yàn)是無法參與的。另外，有一些實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也會(huì)因?yàn)槠渖眢w的原因無法參加。這都給殘疾人的學(xué)習(xí)帶來了相當(dāng)大的困難，導(dǎo)致許多殘疾人不能選擇自己所喜歡的專業(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)的出現(xiàn)卻帶給了他們無限的希望，讓他們有機(jī)會(huì)與正常人一樣不受身體條件的束縛，從事自己所喜愛的職業(yè)。

在教學(xué)或訓(xùn)練中，常常會(huì)遇到使用真實(shí)的東西時(shí)有比較大的危險(xiǎn)性或者不可能、不方便進(jìn)行。有時(shí)候，學(xué)習(xí)者或受訓(xùn)者使用真實(shí)的東西所犯的錯(cuò)誤可能對(duì)學(xué)習(xí)者造成破壞，導(dǎo)致情緒低落。有的對(duì)環(huán)境有害或者會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失。還有的，本身價(jià)格高昂，不能任由學(xué)習(xí)者廣泛使用。所有的這些傳統(tǒng)教學(xué)所面臨的問題與挑戰(zhàn)，正是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的專長(zhǎng)。

在學(xué)習(xí)的過程中，通常都會(huì)涉及許許多多的概念，尤其是相當(dāng)一部分的概念十分抽象。這讓抽象思維有所欠缺的學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)充滿挑戰(zhàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以利用可視化，使用圖形符號(hào)，使得抽象的概念更容易理解。一些教學(xué)任務(wù)涉及靈巧的手工或身體的運(yùn)動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)可以讓學(xué)習(xí)者直接進(jìn)入虛擬世界，使得學(xué)習(xí)更加有趣[3]。

那是不是意味著無需真實(shí)的東西就可以了呢？答案當(dāng)然是否定的。無論是教學(xué)亦或者是訓(xùn)練，無論是教師還是學(xué)生，真實(shí)事物還是不能用虛擬現(xiàn)實(shí)所完全替代。盡管虛擬現(xiàn)實(shí)有著許多傳統(tǒng)教學(xué)所不具備的優(yōu)異特性，然而不可否認(rèn)的是：過度使用虛擬環(huán)境可能會(huì)對(duì)身體或情感造成損害。使用虛擬環(huán)境可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)者混淆虛擬的模型與現(xiàn)實(shí)。并且，有些虛擬現(xiàn)實(shí)成本太高，無法合理使用，不能達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。

5 在教育課程中確定何時(shí)使用虛擬現(xiàn)實(shí)

學(xué)習(xí)的過程可以由數(shù)以百計(jì)的具體目標(biāo)組成，每一個(gè)都必須由學(xué)生掌握。傳統(tǒng)上，目標(biāo)是使用教科書、講座、討論和某些形式的媒體來講授的。虛擬現(xiàn)實(shí)可以用來教授其中的一些目標(biāo)，它可以用來確定是否已經(jīng)掌握了某些目標(biāo)。教師必須決定任何一個(gè)課程在何時(shí)何地使用VR。決定何時(shí)使用VR會(huì)導(dǎo)致決定在何處使用VR。模型可以幫助他們作出這些決定。

確定何時(shí)使用虛擬現(xiàn)實(shí)的模型一般包括以下內(nèi)容步驟。首先，我們需要制定具體的課程目標(biāo)。然后選擇可以使用模擬、計(jì)算機(jī)生成的模擬或虛擬現(xiàn)實(shí)（3D模擬）作為度量或?qū)崿F(xiàn)手段的目標(biāo)。在選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮使用虛擬現(xiàn)實(shí)的原因和優(yōu)點(diǎn)。通過選擇可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)的3D模擬作為衡量或?qū)崿F(xiàn)課程目標(biāo)的手段來細(xì)化選擇列表。對(duì)于列表中的每個(gè)目標(biāo)，都要確定需要的現(xiàn)實(shí)主義水平，從非常象征性到非常真實(shí)的規(guī)模；確定所需的浸入式和存在的類型，從沒有浸入3D環(huán)境（例如桌面VR）到完全浸入（使用頭部安裝顯示、手套等），即并沒有感覺的存在與強(qiáng)烈的存在感；確定與之交互的類型，以及感知輸入和輸出，到和從虛擬世界或環(huán)境所需要的（例如，觸覺或感覺，3D聲音，音頻，視覺，文字，手勢(shì)）。接著選擇虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件、硬件、交付系統(tǒng)等。再根據(jù)目標(biāo)的要求，由教師或虛擬世界構(gòu)建者建立虛擬環(huán)境，學(xué)生則可以對(duì)虛擬環(huán)境預(yù)建和修改。由此產(chǎn)生的虛擬環(huán)境將使用一組學(xué)生進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果用于修改虛擬環(huán)境，直到虛擬環(huán)境顯示成功地衡量或幫助實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。最后使用目標(biāo)填充對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果用于修改虛擬環(huán)境，以保持與目標(biāo)相關(guān)的虛擬環(huán)境。只要虛擬環(huán)境與目標(biāo)人群一起使用，評(píng)估和修改就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)在教育課程中的應(yīng)用占有一席之地。使用VR和優(yōu)勢(shì)的原因有很多。隨著時(shí)代發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用范圍必將越來越廣，呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢(shì)。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)過程，培養(yǎng)個(gè)性化、創(chuàng)新型的人才具有重要作用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用水平的逐步提升，希望虛擬現(xiàn)實(shí)在教育課程中的應(yīng)用所面臨的問題能夠一步步得到有效解決。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]王同聚.虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與前景展望[J].數(shù)字教育，2017（1）：1-10.