淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用

裴培

摘 要：近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多領(lǐng)域嶄露頭角，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也引發(fā)熱議。文章主要從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的使用案例分析，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)等角度來論述其對教育的助推作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在一定程度上滿足了師生與學(xué)校的需求[1]，其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的使用案例分析中，選擇從普通課堂教學(xué)、實(shí)驗教學(xué)以及安全教育三方面來進(jìn)一步闡明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對教育的重要作用，以期望引起更多熱愛技術(shù)且關(guān)注教育的各界人士的關(guān)注，并進(jìn)行更多的實(shí)驗及實(shí)踐探索，從而有效提升教育教學(xué)質(zhì)量。

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

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）08-0094-03

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、可穿戴技術(shù)、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸滲入人們工作、學(xué)習(xí)生活的各方面。上世紀(jì)八十年代，就有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用案例，只因當(dāng)時的硬件發(fā)展水平較低，因此未得到廣泛的關(guān)注。而在21世紀(jì)，隨著硬件的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到了較快的發(fā)展，不僅為教師教學(xué)創(chuàng)設(shè)了新的教學(xué)環(huán)境，增添了新型教學(xué)工具，還有可能孕育出新的教學(xué)策略、方法以及模式。此外，它還為創(chuàng)客教育、STEAM教育賦予了新的生機(jī)與活力[2]，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，促使他們在愉快的心態(tài)下在體驗中學(xué)習(xí)，進(jìn)而培養(yǎng)其想象力與創(chuàng)新思維，為發(fā)展21世紀(jì)學(xué)生的核心素養(yǎng)提供保障。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義

當(dāng)前，對于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）的定義，仍然眾說紛紜，但是從總體上來看，其本質(zhì)沒有發(fā)生變化，人們普遍認(rèn)為VR是一種計算機(jī)仿真系統(tǒng)[3]。VR是一種通過多種技術(shù)，利用計算機(jī)生成逼近現(xiàn)實(shí)的模擬情境，模擬人的多種感覺行為，借助頭顯、手柄等裝置進(jìn)行自然的人機(jī)交互，給人以身臨其境般的體驗的技術(shù)。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

對于VR的特征的認(rèn)識，大多數(shù)人比較認(rèn)可Coiffet 與 Burdea G的說法，即沉浸性、交互性與想象性[3]。

（1）沉浸性（Immersion）

沉浸性，簡而言之就是用戶感到自己本身是模擬世界中的一部分，具有“感同身受”、“身臨其境”的感覺，像在真實(shí)世界中一樣具有主動性，參與虛擬世界中的活動。當(dāng)人們在任意位置，深處VR環(huán)境時，都可以像鳥類一樣體會翱翔的感覺，像游魚一般體驗水浪搏擊的痛快，而這比之普通的視頻給人類帶來更為震撼的體驗。

（2）交互性（Interactivity）

交互性，主要是指用戶與虛擬環(huán)境中的對象交互操作。過去，人們主要以鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，而VR環(huán)境中的交互，主要是由人以手勢、體式、語言等自然方式與計算機(jī)進(jìn)行互動，這樣，人可以感覺到自由落體、粗糙、疼痛等多種感覺，仿似在真實(shí)情境中一樣。

（3）想象性（Imagination）

想象性，主要是指VR為人類認(rèn)識和改造世界提供了嶄新的方法，促使人們思考并構(gòu)想真實(shí)世界中并不存在的事物或者當(dāng)下沒有條件一覽的事物，進(jìn)而提高認(rèn)識，加強(qiáng)聯(lián)想。例如，學(xué)習(xí)者可以利用Tlit Brush、Blocks等工具進(jìn)行三維創(chuàng)作，抓住一閃而過的靈感，使頭腦中想象的事物像搭積木一樣變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

但是，也有部分教師及家長認(rèn)為VR的使用可能會限制學(xué)生想象力的發(fā)展，主要是因為VR可以將抽象的知識具體化、場景化，這種“一覽無余”的呈現(xiàn)手段，在給學(xué)生帶來多種感官刺激的同時，卻在時間、空間上都給他們帶來了想象與幻想的限制，可能會造成學(xué)生的“同質(zhì)化”發(fā)展，阻礙了教師對其創(chuàng)造性的培養(yǎng)，不利于學(xué)生個性化的發(fā)展。當(dāng)前，對于VR是否能有效提高用戶的高階思維（如批判性思維、創(chuàng)造性思維等）的培養(yǎng)與發(fā)展，還缺乏大量的實(shí)證研究與實(shí)驗數(shù)據(jù)支持。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用

根據(jù)Edgar Dale著名的“經(jīng)驗之塔”理論以及美國緬因州國家訓(xùn)練實(shí)驗室提出的“學(xué)習(xí)金字塔”理論，可得知學(xué)習(xí)者參與學(xué)習(xí)情境的程度愈高，記憶亦愈牢固。VR課堂帶來的沉浸感促使學(xué)習(xí)者在虛擬情境中進(jìn)行任務(wù)的操練。學(xué)習(xí)者可操控各種物品，與復(fù)雜的各種方程式、天體、古建筑等進(jìn)行三維互動。再者，VR技術(shù)帶給學(xué)習(xí)者全新的學(xué)習(xí)體驗，對于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性與創(chuàng)造性也大有裨益。以下主要從課堂教學(xué)、實(shí)驗教學(xué)以及安全教育三個角度進(jìn)行闡明。

1.理論知識——課堂教學(xué)

常言道，“耳聽為虛，眼見為實(shí)”，在教師的教學(xué)經(jīng)歷中，常常會遇到有些學(xué)生考試成績很不錯，在課堂上對于教師提出的問題也可以流利應(yīng)答，但是他們本身又對學(xué)習(xí)到的知識存在困惑、批判或質(zhì)疑，這與他們對內(nèi)容的理解或想象存在偏差不無相關(guān)。VR對于糾正學(xué)習(xí)者對概念理解的偏差或者加深與驗證正確的理解有一定的幫助。

從心理學(xué)的角度來看，學(xué)習(xí)者對于“放大”自己、“縮小”自己以及“穿越時空”很感興趣。所以，當(dāng)學(xué)習(xí)者借助VR，佩戴相應(yīng)設(shè)備，遨游太空，感受整個太陽系就擺在自己面前，“親眼”觀看太陽系中各行星的表面狀態(tài)、運(yùn)動軌跡及其相應(yīng)位置時，更能準(zhǔn)確且深入地理解所學(xué)地理知識，體驗“放大”自我的樂趣。當(dāng)學(xué)習(xí)者借助VR，仿佛進(jìn)入顯微鏡下的世界，感受血液的流動，用觸控筆剖開細(xì)胞，觀察細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，體會細(xì)胞的增殖及新陳代謝。而且，借助教育游戲還可以模擬癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的變化，理解這兩類細(xì)胞的特點(diǎn)，感受“縮小”自己的樂趣。當(dāng)學(xué)習(xí)者借助VR，“穿越”到白堊紀(jì)時期，可以親自觀看恐龍的生活習(xí)慣及其生活環(huán)境，讓想象更豐滿，寫出更具震撼力的作品，繪出更炫目的畫作。

VR為學(xué)習(xí)者在課堂上進(jìn)行合作學(xué)習(xí)也拓寬了思路。例如，zSpace所推出的一體式虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案，不必佩戴笨重的3D眼鏡或頭盔，學(xué)習(xí)者就可以輕松進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)與個性化自主學(xué)習(xí)。

2.實(shí)踐操作——實(shí)驗教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗室為師生開展實(shí)驗教學(xué)與學(xué)習(xí)提供了重要平臺。在一些技能訓(xùn)練任務(wù)中，學(xué)習(xí)者可以借助虛擬實(shí)驗室按需進(jìn)行數(shù)次操作練習(xí)，這樣，學(xué)習(xí)者在不斷的假設(shè)、實(shí)驗、驗證等過程中逐漸提升批判性思維、問題解決能力，進(jìn)而提升自身核心素養(yǎng)。

例如，Michael Bodekaer團(tuán)隊借助智能手機(jī)與VR頭盔為學(xué)習(xí)者提供了全方位模擬的價值百萬的常春藤實(shí)驗室（如圖1所示），學(xué)習(xí)者可以利用實(shí)驗室中的各種設(shè)備做多種多樣的實(shí)驗，如聚合鏈酶反應(yīng)（PCR）、瓊脂糖凝膠電泳等等[4]。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗室中還包括下一代的基因測序機(jī)器、顯微鏡、學(xué)生自己的實(shí)驗機(jī)器設(shè)備以及智能平板，學(xué)生可以用它查詢相關(guān)知識，觀看相關(guān)視頻及其他內(nèi)容。更重要的是，實(shí)驗室中還有作為學(xué)生實(shí)驗助理的教師，可以指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗室中完整的操作。VR實(shí)驗室還為學(xué)生提供了PCR機(jī)器，有了它，學(xué)習(xí)者能夠獲得即使在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗室中也不能嘗試的經(jīng)歷與體會，PCR機(jī)器允許學(xué)習(xí)者在理論上將自己縮小一百萬倍，幾乎與分子大小一般，切實(shí)體會到實(shí)驗對象正在發(fā)生的變化。

眾所周知，教師在開展實(shí)驗教學(xué)中最先突出強(qiáng)調(diào)的就是實(shí)驗操作的安全性問題，而VR實(shí)驗室對于降低安全風(fēng)險有一定幫助。比如做關(guān)于沙氏門菌的認(rèn)識這一實(shí)驗，基于安全性的考慮絕大多數(shù)學(xué)校都不會安排實(shí)驗課，然而這一實(shí)驗內(nèi)容又包括極其重要的知識點(diǎn)，這樣，VR實(shí)驗室就可以“一展拳腳”了。

此外，也有專家研究采用VR教學(xué)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的影響，例如有心理學(xué)家對來自斯坦福大學(xué)和丹麥技術(shù)大學(xué)的160名學(xué)生進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)驗研究，即將實(shí)驗對象分為2組，實(shí)驗組采用VR實(shí)驗室教學(xué)，對照組仍采取傳統(tǒng)教學(xué)方法，在相同的時間內(nèi)開展教學(xué)，結(jié)果表明，實(shí)驗組比對照組學(xué)習(xí)效果高76%，研究人員進(jìn)一步的實(shí)驗還表明，當(dāng)教師采用VR實(shí)驗室教學(xué)并加以現(xiàn)場指導(dǎo)時，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果提高了101%，實(shí)現(xiàn)了翻倍的可能。當(dāng)前，對采用VR進(jìn)行教學(xué)的應(yīng)用效果的研究，從整體上來看，絕大多數(shù)研究都表明VR在教育領(lǐng)域存有巨大的潛力，對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)具有積極的影響。

3.安全教育

當(dāng)前，國內(nèi)甚至國際上越來越強(qiáng)調(diào)“以人為本”的理念，因此，安全教育就更是具有舉足輕重的地位。但是，傳統(tǒng)的學(xué)校安全教育方式主要是理論灌輸或者在理論知道的前提下進(jìn)行實(shí)地模擬，而只采用理論教導(dǎo)進(jìn)行安全教育，常常會產(chǎn)生效果甚微的結(jié)果，當(dāng)理論教導(dǎo)與實(shí)地模擬相結(jié)合開展安全教育時，又需要花費(fèi)大量的人力、財力來部署模擬環(huán)境，在實(shí)地操作時，甚至可能發(fā)生事與愿違而又無法估量的安全事故。

而將VR運(yùn)用到安全教育環(huán)節(jié)，有可能減少以上損失，甚至達(dá)到事半功倍的效果，使學(xué)習(xí)者在安全體驗中實(shí)現(xiàn)安全教育的目標(biāo)。這是因為VR可以根據(jù)學(xué)習(xí)者自身特點(diǎn)、災(zāi)害類型以及災(zāi)害大小為他們提供有效的應(yīng)急方案，學(xué)習(xí)者在安全體驗中可能會感到重物沖擊身體的疼痛感，感到規(guī)避障礙物的成就感，感到洪水淹沒的窒息感，當(dāng)其完成一次體驗后，VR會根據(jù)學(xué)習(xí)者的運(yùn)動數(shù)據(jù)給予反饋，而學(xué)習(xí)者可以據(jù)此進(jìn)行新一輪的體驗，逐漸提高自身安全意識以及應(yīng)對風(fēng)險的實(shí)踐能力。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于教育領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)

將VR引入教育領(lǐng)域，除了因為其自身沉浸性、交互性等特點(diǎn)外，還因為借助VR在一定程度上能夠體現(xiàn)出建構(gòu)主義理論以及認(rèn)知理論的要求，此外，部分相關(guān)實(shí)驗也表明VR對于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)具有積極影響[5]。但是，從教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容等教學(xué)要素來看，將VR引入教育教學(xué)領(lǐng)域，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。以下主要從媒體技術(shù)的性能、教師的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生的操作技能三方面進(jìn)行說明。

1.提升人機(jī)交互的自然性

雖然VR頭顯設(shè)備能給人帶來沉浸感，但是用戶的體驗效果并未達(dá)到理想效果，比如對眩暈問題的處理就并未完全實(shí)現(xiàn)突破性的進(jìn)展。因此，未來VR的發(fā)展需要采取更適合于人的多種感官知覺以及語言的人機(jī)交互方式，促進(jìn)用戶之間的溝通與合作。

2.改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)完整性

VR應(yīng)用于教學(xué)中也存在多種多樣的問題，對于教師而言，所面臨的挑戰(zhàn)主要突出體現(xiàn)在VR教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的科學(xué)性與系統(tǒng)完整性。VR在教學(xué)中若要實(shí)現(xiàn)規(guī)模性的發(fā)展，就需要學(xué)校、企業(yè)、教師、研究人員等根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)策略等學(xué)習(xí)特點(diǎn)，開發(fā)與設(shè)計系統(tǒng)而又完整精良的VR教學(xué)內(nèi)容，其中還包括VR教學(xué)情境、知識點(diǎn)等多種內(nèi)容的規(guī)劃與設(shè)計，促使學(xué)習(xí)更加有效地發(fā)生，并避免學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷超載[6]。此外，VR應(yīng)用于教學(xué)時，教師對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程及結(jié)果的評估也存在困難，因此研究人員需要對該模塊進(jìn)行更加細(xì)致的開發(fā)，教師也要采取輔助方法加強(qiáng)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的跟蹤與記錄，最終利用數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效的評估。

3.提升操作實(shí)踐技能

對于學(xué)習(xí)者而言，VR應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)一方面體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者的VR操作技能上，部分學(xué)習(xí)者不能熟練操作VR設(shè)備，完成教學(xué)任務(wù)。然而，學(xué)習(xí)者若對VR產(chǎn)品不能靈活熟練地進(jìn)行運(yùn)用，就可能會產(chǎn)生抵觸情緒，甚至引發(fā)焦慮，最終與教師期望背道而馳，影響教學(xué)效果。因此，教師以及相關(guān)研究人員需要針對這一現(xiàn)象對學(xué)習(xí)者開展相應(yīng)的技能訓(xùn)練，以適應(yīng)信息時代生存與學(xué)習(xí)發(fā)展的需要。

四、總結(jié)與展望

在信息技術(shù)與課程不斷融合的信息時代，可穿戴技術(shù)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)、3D打印等新技術(shù)不斷滲入到學(xué)習(xí)的方方面面，VR也因其自身優(yōu)越性及其對教學(xué)的促進(jìn)作用，頗受教育工作者的青睞。比如，VR的沉浸性特點(diǎn)對于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣、進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)以及培養(yǎng)其合作探究能力都發(fā)揮出一定的積極作用，而且在技術(shù)應(yīng)用過程中，對于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)客精神及核心素養(yǎng)也具有重大意義。

但是，國內(nèi)對于VR的教育應(yīng)用還處于嘗試的初級階段，VR自身在設(shè)備性能、資源設(shè)計、教學(xué)方法、教學(xué)評估等方面仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。此外，還要注意避免舍本逐末，重視技術(shù)而忽視教學(xué)的現(xiàn)象的發(fā)生，始終秉持技術(shù)服務(wù)于教學(xué)的理念。要實(shí)現(xiàn)VR與課程的融合還有很長的路要走[7]，需要學(xué)校、政府以及相關(guān)企業(yè)鼎力配合，共同挖掘VR的潛能，設(shè)計并開發(fā)優(yōu)質(zhì)資源，使之更好地滿足智慧教育的需求。隨著軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，相信VR有朝一日定能在教學(xué)中發(fā)光發(fā)亮。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：魯利瑞）