沉浸式VR在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用概況和展望

劉崇進(jìn) 賀佐成 葉雯 吳應(yīng)良 張?jiān)砌?/p>

摘 要：本文簡述了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（immersive VR）和非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（non-immersive VR）的概念，概述了沉浸式VR的特征和在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論了沉浸式VR在教育培訓(xùn)中的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用展望。

關(guān)鍵詞：沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)；教育培訓(xùn)；應(yīng)用現(xiàn)狀；展望

中圖分類號(hào)：G451 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）15-0009-05

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡寫VR）的概念來自于科幻小說，Laurence Manning在1933年出版了一系列的科幻小說，提出了虛擬生活（Virtual life）的概念。隨著電子管計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和全息照相技術(shù)的發(fā)展，為VR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了基本的條件。Ivan E.Sutherland 在1965 年發(fā)表了《終極的顯示》的論文，首次提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的思想，并在1968年發(fā)明了第一臺(tái)頭顯設(shè)備（Head-mounted display，HMD）。[1]隨著計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)越來越類似于現(xiàn)實(shí)的世界。Jaron Lanier在1989年推出了面向市場的第一臺(tái)VR頭盔——EyePhone VR頭盔和數(shù)據(jù)手套，這是現(xiàn)代意義的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（immersive VR）的VR套件。

Jaron Lanier 在研發(fā)EyePhone VR套件的過程中，發(fā)展了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，他在1989年介紹該產(chǎn)品時(shí)最早使用“Virtual Reality（VR）”一詞。在1990年，以麻省理工學(xué)院為中心，召開了圣巴巴拉會(huì)議，把不同稱謂的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)統(tǒng)稱為“Virtual Reality（VR）”[2]，Jaron Lanier也被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)之父”[3]，在2010年被美國“時(shí)代”雜志評為100個(gè)最有影響的人物之一。沉浸式VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，能模擬生成虛擬的三維學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生等有關(guān)人員在這個(gè)模擬環(huán)境中學(xué)習(xí)或得到培訓(xùn)。Delucia A 等人把這個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境稱為“Second Life”，即“第二人生”，是模擬真實(shí)社會(huì)在線角色扮演的平臺(tái)，構(gòu)建一種沉浸式、游戲般趣味性的學(xué)習(xí)環(huán)境，這個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境遠(yuǎn)比坐在屏幕前觀看二維圖像和動(dòng)畫要真實(shí)、方便和有趣得多。[4]現(xiàn)在，沉浸式VR已經(jīng)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，[5]在國外歸屬于計(jì)算機(jī)多媒體的教學(xué)，被稱為沉浸式多媒體。

二、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)是利用圖形系統(tǒng)和各種控制接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成可交互和具有沉浸感覺的現(xiàn)實(shí)世界的模擬仿真，也就是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，給使用者在虛擬環(huán)境中提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的現(xiàn)實(shí)世界模擬。用戶需要戴上VR頭盔，幾乎與現(xiàn)實(shí)世界隔絕，才能進(jìn)入洞穴狀自動(dòng)虛擬環(huán)境（the Cave Automatic Virtual Environments）。[6]非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)也稱為桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)，是借助于計(jì)算機(jī)和其鼠標(biāo)、鍵盤、話筒等外圍設(shè)備，通過三維制圖軟件在屏幕生成窗口式虛擬環(huán)境，或者通過攝影技術(shù)獲得實(shí)際圖像加上計(jì)算機(jī)處理生成的虛擬環(huán)境，[7]該虛擬環(huán)境一般由三維視頻或3D電影組成，不足之處是能感覺到腳和手不在虛擬空間里。

沉浸式VR比非沉浸式VR更有吸引力，用戶在沉浸式虛擬空間漫游體驗(yàn)時(shí)，猶如身臨其境。沉浸式VR還具有與虛擬物體實(shí)時(shí)交互的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)自己的思路探索整個(gè)虛擬環(huán)境，選擇自己想體驗(yàn)的內(nèi)容。另一方面，用戶在虛擬空間觀看VR作品的時(shí)間不受限制，可以隨時(shí)播放或暫停，切換到其他的VR作品，也可以從不同角度長時(shí)間瀏覽虛擬作品，而且操作簡單快捷。因此，沉浸式VR技術(shù)被稱為終極的多媒體技術(shù)。[2]

三、虛擬現(xiàn)實(shí)的特性

G. Burdea和Coiffet Philip在1993年的世界電子年會(huì)上發(fā)表了論文《Virtual Reality System and Application（虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和應(yīng)用）》，指出虛擬現(xiàn)實(shí)具有沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination），即3I特性，是沉浸式VR的標(biāo)志特性。[8]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、包含人工智能的人機(jī)交互技術(shù)、立體顯像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真模擬和心理學(xué)等眾多科學(xué)技術(shù)，現(xiàn)在這些科學(xué)技術(shù)逐漸走向成熟，沉浸式VR也開始變得成熟，并獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性是指利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環(huán)境中，就像在真實(shí)的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺。用戶需要戴上VR頭盔（頭顯設(shè)備），才能在虛擬空間漫游和體驗(yàn)。VR頭盔里裝有目鏡和立體顯示屏，用戶觀看立體圖像時(shí)，透過目鏡的視角放大和視場放遠(yuǎn)作用，實(shí)現(xiàn)視覺的沉浸性；頭盔里裝有傳感器，能追蹤用戶的位置、姿態(tài)的變化及其眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過人工智能中的動(dòng)作捕捉和識(shí)別，實(shí)時(shí)地調(diào)用或生成立體圖像。

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性是指用戶能在虛擬空間里與虛擬對象互動(dòng)交流，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作和功能。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互手段摒棄了鍵盤和鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互方式，采用傳感設(shè)備如數(shù)據(jù)手套、操縱手柄或者音頻設(shè)備等新型交互方式。用戶采用這些新型設(shè)備與虛擬空間的物體交流互動(dòng)，感覺就像處于現(xiàn)實(shí)世界中一樣。

虛擬現(xiàn)實(shí)的想象性是指人們在虛擬環(huán)境中對現(xiàn)實(shí)世界中的環(huán)境發(fā)揮想象，并進(jìn)行創(chuàng)造性的模擬，能拓展人類的認(rèn)知范圍和可想象的空間。VR專家在開發(fā)作品時(shí)可再現(xiàn)過去的或真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的，或不可能發(fā)生的環(huán)境，研發(fā)充滿想象力的作品；另一方面，用戶在虛擬空間漫游體驗(yàn)時(shí)根據(jù)所獲取的信息，通過聯(lián)想、推理和邏輯判斷等傳統(tǒng)思維，展開自己的想象，以便了解更多的作品內(nèi)容，獲取更多的知識(shí)。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用概況

虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)中應(yīng)用的首次嘗試在美國。1992年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育實(shí)驗(yàn)室在美國東卡羅琳那大學(xué)正式成立。該實(shí)驗(yàn)室主要是用來確認(rèn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育上是否適用，并且對這一技術(shù)中的軟件和硬件進(jìn)行評價(jià)，以便更好地觀察虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對教育教學(xué)活動(dòng)的推廣情況。1994年，華盛頓大學(xué)和西屋科學(xué)基金會(huì)組織了一個(gè)流動(dòng)教學(xué)計(jì)劃，一輛裝有虛擬設(shè)備的流動(dòng)教學(xué)車在各個(gè)學(xué)校中進(jìn)行教育體驗(yàn)，為中小學(xué)生提供虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)服務(wù)，并觀察虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)對提高學(xué)生興趣和領(lǐng)悟能力的情況。從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，這一時(shí)期的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備非常貴，其存在沉浸感不足、三維圖像的質(zhì)量比較差，交互動(dòng)作發(fā)生時(shí)圖像變換滯后引起暈眩感等缺陷，只有少數(shù)游戲發(fā)燒友迷戀虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲。在教育培訓(xùn)領(lǐng)域，一般是大學(xué)和公司在基金資助下展開一些應(yīng)用研究，尙未在教育界獲得實(shí)際應(yīng)用。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)在國外教育培訓(xùn)中的應(yīng)用概況

2012年，Oculus Rift推出了VR套裝（VR頭盔和數(shù)據(jù)手套），沉浸式虛擬裝置的價(jià)格下降了很多，沉浸式VR也獲得了很大的發(fā)展和推廣，并在2013年開始應(yīng)用于美國的教育界。[6]德克薩斯大學(xué)（The University of Texas）是把Oculus Rift VR套裝應(yīng)用在教育培訓(xùn)中最早的大學(xué)之一。2013年，高分辨率的大型視覺墻（a large-scale high-resolution VizWall）的數(shù)字圖像輸入到Oculus Rift VR頭盔，形成沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，成為新的教育方法。[9]例如，大型視覺墻可以顯示比較詳細(xì)的地球圖景，其圖像是由一組計(jì)算機(jī)處理器（CPU/GPU）耦合后建模產(chǎn)生的大型數(shù)字圖像，該數(shù)字圖像輸入VR頭盔，變?yōu)閷W(xué)習(xí)地理知識(shí)的虛擬環(huán)境，內(nèi)容詳細(xì)豐富，這是真實(shí)的地球儀無法比擬的。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，學(xué)生與虛擬的教師進(jìn)行交流互動(dòng)，形成虛擬課堂。Cai S.、 Wang X. 和Chiang F-K 設(shè)計(jì)了幾個(gè)面向初中生關(guān)于化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)的操作實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以采用自然交互方式對虛擬出來的微觀世界中的分子、原子進(jìn)行操作、組合和創(chuàng)作，[10]該實(shí)驗(yàn)表明虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)較大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)知與理解，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對日常難以呈現(xiàn)的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)生技能的培養(yǎng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)，學(xué)生操作虛擬實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）設(shè)備或器材，形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）室，完成實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）的任務(wù)。例如，Michael J. Amirian等研究了一組學(xué)生參加虛擬仿真的外科縫合技術(shù)的培訓(xùn)，并與真實(shí)實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)的另一組相比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)虛擬仿真培訓(xùn)的一組和參加真實(shí)實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)的一組掌握的技術(shù)沒有多少不同，證實(shí)了虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真培訓(xùn)的有效性。[11] 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）室能利用計(jì)算機(jī)建立反映現(xiàn)實(shí)世界規(guī)律的實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)），能夠替代許多難以完成的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，或者費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)資金的實(shí)驗(yàn)。

沉浸式VR與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，形成分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（DVR：Distributed Virtual Reality），在遠(yuǎn)程教育中得到了應(yīng)用，使身處異地的教師和學(xué)習(xí)者處在同一個(gè)虛擬的教學(xué)場景中，可以不受時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)異地交互學(xué)習(xí)，或者通過實(shí)時(shí)語音、動(dòng)作捕捉和識(shí)別進(jìn)行無障礙交流，為學(xué)習(xí)者帶來了極大的便利。

虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)成功地應(yīng)用于土木工程和建筑學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)與天文學(xué)、電信，涉及科學(xué)視頻、工商管理、時(shí)裝、體育運(yùn)動(dòng)和軍事訓(xùn)練等教育培訓(xùn)領(lǐng)域，學(xué)生能在線下或線上進(jìn)行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。[12]

2.虛擬現(xiàn)實(shí)在我國教育培訓(xùn)中的應(yīng)用概況

沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國發(fā)展得比較晚，在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用目前正處于應(yīng)用研究和嘗試評估階段。[13]到2016年的VR元年，沉浸式VR在我國也得到了普遍重視，我國一些高校對沉浸式VR進(jìn)行了相關(guān)課題的研究。比如，北京航天航空大學(xué)對分布式飛行模擬方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，浙江大學(xué)在建筑上進(jìn)行了虛擬規(guī)劃和虛擬設(shè)計(jì)的研究，清華大學(xué)研究了臨場感等。一些國內(nèi)公司和院校合作，在2017年初也推出了VR教育培訓(xùn)產(chǎn)品，比如，杭州萬霆科技公司是推出VR教育產(chǎn)品的公司之一，比較有名的產(chǎn)品就是VR建筑實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，也叫VR建筑實(shí)訓(xùn)中心。

我國VR 技術(shù)在教育方面的運(yùn)用主要包括以下三個(gè)方面：①虛擬仿真校園。虛擬仿真校園在我國應(yīng)用得比較廣泛，校園文化和學(xué)習(xí)氛圍對教育教學(xué)活動(dòng)的開展有著重大影響，參觀虛擬校園的沉浸式體驗(yàn)?zāi)芷鸬搅己玫膶ν庑麄髯饔?，或者吸引學(xué)生報(bào)考該院校。[14]②虛擬教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在理工科和醫(yī)學(xué)的教育教學(xué)中獲得了一些應(yīng)用。例如，同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院擁有一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，可對建筑景觀及其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，學(xué)生戴上VR頭顯，在建筑教學(xué)中進(jìn)行了嘗試，學(xué)生能夠通過新的方式學(xué)習(xí)到更加系統(tǒng)全面的知識(shí)。③仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）。 學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，完成實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)的任務(wù)，在我國也獲得了一些應(yīng)用成果。例如，杭州萬霆科技公司和廣州番禺職業(yè)學(xué)院進(jìn)行了校企合作，在2017年4月構(gòu)建了基于BIM的VR實(shí)訓(xùn)室（中心）。

我國關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)中的研究和應(yīng)用仍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)用層面的研究和實(shí)踐較少，教育教學(xué)效果還在進(jìn)一步評估和確定階段；研究和應(yīng)用重心還集中在虛擬仿真校園的實(shí)現(xiàn)等方面，較西方國家仍有一段距離。[15]

五、虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)中的優(yōu)缺點(diǎn)

沉浸式VR模擬的虛擬空間身臨其境，逼真的視覺和聽覺感受讓使用者不自覺地認(rèn)為自己進(jìn)入到真實(shí)世界；另一方面，沉浸式VR利用計(jì)算機(jī)圖像建模技術(shù)、全景照相技術(shù)和相關(guān)軟件等能整合豐富的VR資源，或創(chuàng)建豐富的VR作品，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。沉浸式VR目前處于走向成熟的階段，還在發(fā)展一些關(guān)鍵技術(shù)，而且使用者需要戴上頭盔，透過目鏡才能在虛擬空間漫游、瀏覽虛擬物體和作品，幾乎與真實(shí)的外界隔絕，無疑存在一些缺點(diǎn)。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)中的優(yōu)點(diǎn)

Plamena Zlateva和 Dimiter Velev指出，虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)能使學(xué)習(xí)者在內(nèi)容豐富的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中磨合（hone）自己的知識(shí)，提高創(chuàng)造力和分析問題、講解問題的技能，學(xué)生在虛擬的學(xué)習(xí)情境中，能充分發(fā)揮自己的特長，自主進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，而且還能自由、一遍又一遍地進(jìn)行重復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練。真實(shí)的課堂教學(xué)是不能自由重復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)培訓(xùn)提供了彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)世界問題的比較好的解決方案。[5]

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能整合豐富的VR資源，創(chuàng)建內(nèi)容豐富的VR作品，能打破時(shí)間和空間的局限性，解決資源緊缺的問題，提高學(xué)習(xí)培訓(xùn)的規(guī)模和效能。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體解剖等進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)培訓(xùn)時(shí)，在虛擬環(huán)境中通過比較自然的交互方式，其逼真的教學(xué)情境與真實(shí)世界動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體解剖的體驗(yàn)是一樣的，使學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)中獲得近似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作體會(huì)，一次投入使用，重復(fù)利用率高，可以節(jié)約大量的試驗(yàn)設(shè)備，樣本如試驗(yàn)動(dòng)物、組織等，學(xué)生和教師都可以進(jìn)行操作、測試、分析和研究，而且同樣能提高其動(dòng)手能力。[16]

在虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)中，學(xué)生幾乎可以全身心地漫游在虛擬空間。虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性能調(diào)動(dòng)受教育者全部感覺器官，逼真的視覺和聽覺感受使體驗(yàn)者不自覺地認(rèn)為自己進(jìn)入到了真實(shí)世界。這種教學(xué)模式是一種體驗(yàn)式的教學(xué)，由體驗(yàn)得來的知識(shí)并非教師的經(jīng)驗(yàn)傳授，而是由學(xué)習(xí)者自身感知得來的，這種體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)更容易形成長時(shí)記憶。[13]

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在避免傷害、減小成本的情況下，完成教育培訓(xùn)的任務(wù)，而在真實(shí)世界中是幾乎不能完成的，特別適用于某些學(xué)科在現(xiàn)實(shí)生活中災(zāi)害性和危險(xiǎn)性較強(qiáng)的，或者在現(xiàn)實(shí)生活中沒有的、成本較高難以構(gòu)建的現(xiàn)實(shí)場景——災(zāi)害危險(xiǎn)場景、歷史場景、跨國場景、特殊教育、軍事演習(xí)、宇宙與海洋場景等。比如，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于氣象學(xué)中的氣候溫室效應(yīng)、大片森林干旱和暴雨災(zāi)害等虛擬學(xué)習(xí)情境，獲得相應(yīng)的技能培訓(xùn)，這些教學(xué)情境在真實(shí)世界中的教學(xué)不能隨時(shí)出現(xiàn)，而在虛擬學(xué)習(xí)情境中很容易隨時(shí)呈現(xiàn)。[5]

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)相結(jié)合，產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，比非虛擬現(xiàn)實(shí)的更加真實(shí)、更加有趣。教師在教學(xué)活動(dòng)中，利用這一系統(tǒng)，對不同地點(diǎn)、不同上網(wǎng)時(shí)間，組織進(jìn)行實(shí)時(shí)的或者是非實(shí)時(shí)的分布式教學(xué)。而對于學(xué)生而言，他們可以根據(jù)自身的實(shí)際情況，在不同的時(shí)間安排、不同上網(wǎng)地點(diǎn)中接受教師的指導(dǎo)，比較好地完成各項(xiàng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)任務(wù)，同時(shí)在線提交作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)中的缺點(diǎn)

目前沉浸式VR還處于不成熟的階段，一些關(guān)鍵技術(shù)處于研究完善的階段，比如高清晰的全景三維顯示技術(shù)和比較自然的交互方式等，相關(guān)的硬件設(shè)備存在使用不方便、效果不理想的情況，難以達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需的要求，影響了學(xué)習(xí)者體驗(yàn)的興趣；虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備（運(yùn)行速度快的計(jì)算機(jī)和VR套件）的價(jià)格依然比較貴，需要大量資金支持。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)軟件語言專業(yè)性比較強(qiáng)，通用性和易用性比較差，相關(guān)模型工作比較復(fù)雜，普遍建模工作量大，系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用軟件的開發(fā)需要大量的精力和花費(fèi)，開發(fā)成本昂貴；VR專業(yè)人員還比較少，合適的VR仿真應(yīng)用軟件和VR作品還比較少，教育培訓(xùn)的VR資源比較少；VR應(yīng)用軟件和作品所能實(shí)現(xiàn)的范圍受到限制，不同廠商生產(chǎn)的VR產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還不一樣，開發(fā)出來的VR應(yīng)用軟件和VR作品不能通用。

在教學(xué)應(yīng)用層面，教師特別是年齡比較大的教師教學(xué)方式難以改變，樂于采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)等教學(xué)方式，如果應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)這種新型教育工具，感覺不舒適，這種虛擬新型教育工具難以起到積極的作用。實(shí)踐表明，任何對虛擬現(xiàn)實(shí)具有負(fù)面看法的人，戴上了高質(zhì)量的VR頭顯設(shè)備（目前指Oculus Rift、PlayStaion VR（PS VR）、HTC Vive）進(jìn)行體驗(yàn)后，每個(gè)人都發(fā)生了改變，成為VR的積極支持者，[8]這些教師通過體驗(yàn)，或者需要通過一定時(shí)間的培訓(xùn)，無疑會(huì)適應(yīng)這種新型的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具。[5]

當(dāng)使用者進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)培訓(xùn)時(shí)，需要戴上頭盔，幾乎與真實(shí)的外界隔絕，透過目鏡才能在虛擬空間漫游體驗(yàn)，使用者在這種環(huán)境中漫游體驗(yàn)，眼睛容易疲勞，時(shí)間久了可能產(chǎn)生暈眩和頭痛等負(fù)面影響。在虛擬環(huán)境漫游體驗(yàn)久了，還可能分不清真實(shí)世界和虛擬世界的物體；如果是兒童戴上VR頭盔，有可能傷害他們的視覺系統(tǒng)，故美國Oculus Rift和韓國三星Gear VR建議13歲以上的少年使用，而PlayStation VR和HTC Vive 等廠家禁止12歲以下的兒童使用，但這些VR缺陷可以通過立法限制或縮短在虛擬空間漫游體驗(yàn)的時(shí)間來克服。[8]

六、虛擬現(xiàn)實(shí)在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，各方面性能逐步完善，在教育培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。近期內(nèi)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備及服務(wù)需要進(jìn)一步完善，能營造智能化和實(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。在一段比較長的時(shí)間內(nèi)，隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，VR公司需要研發(fā)和提供高質(zhì)量的VR頭顯設(shè)備，令人欣慰的是，一些液晶板廠家正在研發(fā)高清晰度的液晶板，以便顯示高質(zhì)量的三維圖像；VR公司還需要研發(fā)包含傳感技術(shù)和人工智能的感知設(shè)備，該感知設(shè)備能在虛擬環(huán)境以非常自然的方式和虛擬對象進(jìn)行交互作用，同樣令人欣慰的是，一些VR公司在開發(fā)這種高技術(shù)的感知設(shè)備，例如，日本的SONY 正在研發(fā)這種設(shè)備。[8]

各廠家生產(chǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不同，VR虛擬仿真軟件和VR作品不能通用，VR技術(shù)需要標(biāo)準(zhǔn)化，才會(huì)獲得普遍的推廣和應(yīng)用。沉浸式VR技術(shù)正在走向成熟，融合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)、包含人工智能的人機(jī)交互技術(shù)、立體顯像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真模擬和心理學(xué)等眾多科學(xué)技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化具有一定的困難?，F(xiàn)在，一些國際組織如IEEE等開始從3D顯示技術(shù)、VR頭盔、立體聲系統(tǒng)、動(dòng)作姿勢追蹤控制等方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的討論。隨著VR技術(shù)的成熟，在不久的將來，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織將會(huì)對VR技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，高質(zhì)量的通用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備就會(huì)生產(chǎn)出來，其價(jià)格會(huì)下降很多，在教育培訓(xùn)界會(huì)得到普遍的推廣使用。

一些開發(fā)VR作品的系統(tǒng)軟件的界面逐漸變得友好，功能變得更強(qiáng)大，這些系統(tǒng)軟件能充分利用各種VR資源，比較容易地開發(fā)出滿意的VR仿真軟件或VR作品。例如，Unity 3D和Unreal Engine等起初是用來開發(fā)游戲的，隨著版本的不斷升級(jí)，界面越來越友好，功能不斷增多，現(xiàn)在與其他開發(fā)3D的系統(tǒng)軟件相結(jié)合，使開發(fā)VR仿真應(yīng)用軟件或VR作品更加容易，開發(fā)的內(nèi)容更加豐富。隨著VR技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，VR應(yīng)用軟件或VR作品能在不同廠家的VR設(shè)備上應(yīng)用。因此，在教育培訓(xùn)方面的VR資源會(huì)越來越豐富，能逐漸滿足在教育培訓(xùn)方面的需求。

人工智能（AI）已經(jīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)的交互方式中得到應(yīng)用，例如，根據(jù)識(shí)別的動(dòng)作或語音，調(diào)用相應(yīng)的三維圖景，或者在虛擬空間做出相應(yīng)的反應(yīng)，AI今后在VR 自然交互方式中將會(huì)獲得更多的應(yīng)用。另一方面，人工智能還會(huì)在虛擬仿真軟件或VR作品中應(yīng)用得更為普遍，例如，日本開發(fā)的“夏日課堂”，用戶在學(xué)習(xí)時(shí)與作品中女孩人性化的互動(dòng)，就應(yīng)用了人工智能。[8]

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更為廣泛和普遍。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常通過兩種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來進(jìn)行搭建，一種是在Internet 上，而另一個(gè)則是在高速專用網(wǎng)上。例如，美國在Internet上進(jìn)行了VR教育培訓(xùn)，學(xué)生能在線上的虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)，取得了比較好的教學(xué)效果。[5]又例如，美國在高速專用網(wǎng)上開展了對綜合訓(xùn)練場的研究，創(chuàng)建了一個(gè)覆蓋了500x750 公里的大范圍，能夠讓海陸空三大兵種的 3700 個(gè)仿真實(shí)體共同參與到虛擬的演練環(huán)境之中，三大兵種在一起進(jìn)行了非常逼真的協(xié)同作戰(zhàn)演練。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)隨著在教育培訓(xùn)領(lǐng)域應(yīng)用水平的提升，并利用網(wǎng)絡(luò)的社交特性，共享信息和資源，提高教育培訓(xùn)的效果和經(jīng)濟(jì)效益會(huì)越來越明顯。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)現(xiàn)的教學(xué)能與傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行良好的兼容，發(fā)揮出自身的優(yōu)勢，并逐漸普及和大眾化。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)在和未來主要應(yīng)用于真實(shí)世界中幾乎不能完成的、具有較強(qiáng)災(zāi)害性和危險(xiǎn)性的事件，或者在現(xiàn)實(shí)生活中沒有的、成本較高的、難以構(gòu)建的現(xiàn)實(shí)場景，可以解決資源緊缺的問題。虛擬現(xiàn)實(shí)的教育培訓(xùn)與傳統(tǒng)教學(xué)模式相融合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)起到了非常重要的輔助作用，但真實(shí)世界的教學(xué)依然處于主導(dǎo)地位。在虛擬現(xiàn)實(shí)的教育培訓(xùn)過程中，需要戴上頭盔和操縱交互的感知設(shè)備，具有不可避免的缺陷；由于小學(xué)生年齡小，虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)有可能不利于他們的身心發(fā)展。另一方面，源于中學(xué)階段學(xué)生的身心發(fā)展，也不適合處在長時(shí)間虛擬現(xiàn)實(shí)的教育培訓(xùn)中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為教育培訓(xùn)領(lǐng)域非常吸引人的、前景廣闊的技術(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)教育教學(xué)的改革和發(fā)展，對提高教育技術(shù)水平、改善教學(xué)環(huán)境、豐富教學(xué)資源具有重要作用。廣州番禺職業(yè)學(xué)院在VR實(shí)訓(xùn)室教學(xué)模式和方法的教學(xué)改革和實(shí)踐中提出，VR教育培訓(xùn)平臺(tái)適合于個(gè)性化教學(xué)模式，學(xué)生在個(gè)性化的學(xué)習(xí)過程中激發(fā)了強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，對學(xué)業(yè)精益求精，提高了分析問題和解決問題的能力，有效地發(fā)展了工匠精神。[17]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育培訓(xùn)領(lǐng)域，能優(yōu)化教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性化特征，使學(xué)生成為具有職業(yè)精神的創(chuàng)新型人才。

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（編輯：王天鵬）