虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用

◆唐智昊

(青島西海岸新區(qū)第一高級(jí)中學(xué))

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，英文名VirtualReality。近年來(lái)，利用三維圖形生成、多傳感交互、多媒體、人工智能、人機(jī)界面、高分辨率顯示等技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界是一項(xiàng)新興的高新技術(shù)。VR往往是通過(guò)電子計(jì)算機(jī)對(duì)使用者模擬出一個(gè)三維空間，它允許用戶看到360度全景圖像，除視覺(jué)之外，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)，使得用戶可以最大限度地感知三維空間中的一切事物。甚至當(dāng)使用者發(fā)生位移時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以同步復(fù)雜的操作，并將相應(yīng)的精確的3D虛擬世界圖像發(fā)送回用戶。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，它的沉浸性、交互性等特點(diǎn)能給傳統(tǒng)的教育行業(yè)帶來(lái)新的變革。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展

第一階段：思想階段

1963年以前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只是處于第一階段，單純處于思想階段，應(yīng)該歸類于仿真技術(shù)。是一種對(duì)生物的動(dòng)作和感官等行為以及大自然環(huán)境的交互模擬技術(shù)。例如風(fēng)箏，在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就是模擬人和飛行類動(dòng)物進(jìn)行交互的自然環(huán)境。在國(guó)外，發(fā)明出飛行模擬器，讓使用者體驗(yàn)飛行的感覺(jué)，整體而言大同小異，都屬于最早的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

第二階段：探索階段

20世紀(jì)60年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入萌芽探索階段。1968年，美國(guó)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父IvanSutherland發(fā)明了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)圖形驅(qū)動(dòng)頭盔顯示器HMD和頭部位置跟蹤系統(tǒng)，這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展史上的重大突破。在這一探索階段的歷史中，產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的理論和基本思想。1973年開(kāi)始到1989年，開(kāi)始初步產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念和理論，并出現(xiàn)了VIDEOPLACE與VIEW兩個(gè)經(jīng)典的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。能通過(guò)影像投影的方式對(duì)語(yǔ)言、簡(jiǎn)單手勢(shì)進(jìn)行交互，形成虛擬現(xiàn)實(shí)。

第三階段：應(yīng)用階段

20世紀(jì)90年代始至今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入概念完善階段并開(kāi)始進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，它涵蓋范圍廣泛，包括科學(xué)研究、游戲、軍事、醫(yī)學(xué)等人類生活領(lǐng)域。娛樂(lè)方面例如卡普空(CAPCOM)的《生化危機(jī)7》，是大IP游戲VR化最成功的案例之一。做到賣好又賣座，根據(jù)公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該游戲上線了包括VR版本的多個(gè)版本，但一個(gè)月內(nèi)，保守估計(jì)就有13.3萬(wàn)玩家安裝了VR版本的《生化危機(jī)7》，這部大作讓不少PSVR用戶和設(shè)備的潛在購(gòu)買用戶愛(ài)上了VR。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域除了最早開(kāi)發(fā)出的模擬手術(shù)訓(xùn)練器，幫助外科醫(yī)生進(jìn)行外科手術(shù)實(shí)習(xí)訓(xùn)練。近年，日本關(guān)東醫(yī)院開(kāi)始使用VR設(shè)備對(duì)達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)進(jìn)行輔助，使得手術(shù)操作更加精確，該醫(yī)院還開(kāi)發(fā)出一套3DVR解剖系統(tǒng)，醫(yī)生使用該系統(tǒng)可以提前進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，了解病灶，通過(guò)VR虛擬空間大大提高手術(shù)精度。除外科手術(shù)外，VR治療在精神疾病的治療中也起著一定的作用。同樣的道理，軍事方面，VR技術(shù)的仿真模擬能夠模擬出實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景，讓士兵身臨其境感受戰(zhàn)場(chǎng)，在戰(zhàn)場(chǎng)中毫無(wú)顧忌地進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)，卻又不用受到傷害，VR軍事訓(xùn)練方法比傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法成本更低，但是訓(xùn)練的效果會(huì)更好。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性

虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)基本特征：沉浸、交互和構(gòu)想，即沉浸交互構(gòu)想，也稱為3個(gè)“I”特征。3“I”特性也在技術(shù)層面上強(qiáng)調(diào)了人對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主導(dǎo)型。

1.沉浸性

沉浸，也被稱為沉浸感，允許用戶感覺(jué)完全置于虛擬世界所包圍的虛擬世界。它又分為語(yǔ)言、語(yǔ)音、電影等沉浸空間，通過(guò)設(shè)置的文字描述、語(yǔ)言描述以及同時(shí)結(jié)合視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，讓用戶沉浸在系統(tǒng)中。

2.交互性

交互性是指模擬出的三維虛擬空間能夠和人的行為進(jìn)行互動(dòng)，交互時(shí)產(chǎn)生的感覺(jué)與現(xiàn)實(shí)一樣。其特點(diǎn)為：虛擬環(huán)境中的電子計(jì)算機(jī)對(duì)人的行為進(jìn)行同步且有規(guī)律性預(yù)測(cè)計(jì)算，并將處理后的虛擬環(huán)境實(shí)時(shí)反饋，產(chǎn)生人與虛擬空間的同步交互。

3.構(gòu)想性

構(gòu)想性指開(kāi)發(fā)者制作出的虛擬空間和場(chǎng)景，可以是真實(shí)場(chǎng)景的完整復(fù)刻，可以有真實(shí)場(chǎng)景加上部分主觀想象部分。比如房屋建筑、室內(nèi)裝修等的設(shè)計(jì)，三維場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)比起傳統(tǒng)的二維圖紙描繪更形象生動(dòng)，更加逼真。也可以是完全想象的虛擬空間。

4.延伸

在三大基本特性基礎(chǔ)之上，它也發(fā)展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，如多感知、存在和自主深度思考學(xué)習(xí)(多用于加入了人工智能的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng))。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

VR在各個(gè)行業(yè)都有著不同程度地滲透，但在教育行業(yè)的應(yīng)用卻沒(méi)有重大突破。原因一方面是，VR目前在教育行業(yè)的開(kāi)發(fā)仍很有限，另一方面VR技術(shù)目前在教育行業(yè)仍處于試驗(yàn)階段，并不能穩(wěn)定地進(jìn)行大規(guī)模使用。很多學(xué)校并不想讓學(xué)生冒險(xiǎn)嘗試新式教育，堅(jiān)持傳統(tǒng)保守方式。但不可否認(rèn)的是VR應(yīng)用于教育是將是教育發(fā)展的一個(gè)飛躍。它將取代傳統(tǒng)的教師，促使學(xué)習(xí)方式發(fā)生變革，為學(xué)生提供一個(gè)獨(dú)立學(xué)習(xí)的空間，并通過(guò)創(chuàng)造一個(gè)完全的、更加清晰的信息環(huán)境來(lái)方便學(xué)生獲取知識(shí)。在目前的應(yīng)用狀況上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)滿足的更多的是一種學(xué)習(xí)的情景化和交互性的解決條件，使得教學(xué)模型更加立體化，更加真實(shí)清楚。

1.歐美國(guó)家應(yīng)用現(xiàn)狀

目前歐美國(guó)家應(yīng)用較廣泛，主要用于高校實(shí)驗(yàn)室。早在1985年，國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館就數(shù)字化了人體解剖圖像。此后，德國(guó)、西班牙、意大利等歐洲國(guó)家也開(kāi)始建立遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室。主要應(yīng)用于物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)和生物解剖實(shí)驗(yàn)等新發(fā)展方向。

2.中國(guó)應(yīng)用現(xiàn)狀

與歐美相比，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用范圍小，仍存在不小的差距。目前我國(guó)一些高校也發(fā)現(xiàn)了這一新興技術(shù)的益處，正在進(jìn)行研究。清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等一批高等院校相繼開(kāi)發(fā)了一些虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)研究。與游戲產(chǎn)業(yè)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用正處于探索狀態(tài)，除了高校開(kāi)發(fā)出的應(yīng)用外，在中小學(xué)階段應(yīng)用很少，幾乎沒(méi)有，處于一片空白的狀態(tài)。它主要具體應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。

(1)虛擬仿真校園

虛擬校園是教育部的重點(diǎn)研究方向，它也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最早、最廣泛的應(yīng)用。大致分為三個(gè)深淺不同的級(jí)別，適應(yīng)于學(xué)校各種程度的需求。目前最簡(jiǎn)單也是最廣泛地應(yīng)用在各個(gè)高校網(wǎng)站上的360度校園全景地圖，提供給訪問(wèn)者其校園的全景地圖，結(jié)合教學(xué)、教務(wù)、校園生活等功能，讓訪問(wèn)者更真切地貼近高校，了解高校。

(2)遠(yuǎn)程教育平臺(tái)

遠(yuǎn)程教育平臺(tái)是指通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)高校擴(kuò)建后的分校進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)，建立一種電子教學(xué)場(chǎng)所。相比于簡(jiǎn)單的視頻會(huì)議樣式的遠(yuǎn)程教育方式，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺(tái)可以通過(guò)交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站作為遠(yuǎn)程教育技術(shù)，使遠(yuǎn)程教育平臺(tái)的功能更加完善。例如新建成的區(qū)域教學(xué)系統(tǒng)，就可以通過(guò)遠(yuǎn)程教育平臺(tái)，將多個(gè)高中的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)共享，多校聯(lián)動(dòng)教育，對(duì)于老師來(lái)說(shuō)，使得教育的方式更加多樣化，也能夠根據(jù)聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行攻堅(jiān)克難，有目的地計(jì)劃教學(xué)任務(wù)。對(duì)于學(xué)生家長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，解決了師資力量不均衡的矛盾，為學(xué)生提供一個(gè)更加完善公平的學(xué)習(xí)環(huán)境。

(3)科技研究

目前高校建立的相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究室往往是和系統(tǒng)仿真研究室結(jié)合在一起，方便將研發(fā)出的新型成果進(jìn)入實(shí)用階段進(jìn)行測(cè)試。早在2007年初，中國(guó)科學(xué)院就為其計(jì)算技術(shù)研究所虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室之外的商界提供了核心技術(shù)服務(wù)。該實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究包括三維虛擬人建模、運(yùn)動(dòng)模擬仿真在內(nèi)的“虛擬人合成”和包括環(huán)境建模呈現(xiàn)和交互技術(shù)、自然災(zāi)害現(xiàn)象模擬與仿真在內(nèi)的“虛擬環(huán)境交互”。清華大學(xué)在2016年和北京一拍科技有限公司共同合作成立了VR技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，并發(fā)布了國(guó)內(nèi)首個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)教育全產(chǎn)業(yè)鏈的系列培訓(xùn)產(chǎn)品。

北京航空航天大學(xué)建立了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，致力于虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)和核心技術(shù)的研究中。又于2016年成立的北京航空航天大學(xué)青島研究院成立虛擬現(xiàn)實(shí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分室，與青島市政府共同推進(jìn)嶗山地區(qū)“虛擬現(xiàn)實(shí)之都”的建設(shè)，虛擬規(guī)劃設(shè)計(jì)在浙江大學(xué)建筑中的應(yīng)用，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在人機(jī)交互中的應(yīng)用研究室已經(jīng)能夠獨(dú)立承擔(dān)大型虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目。

3.現(xiàn)狀分析

綜合歐美國(guó)家與我國(guó)的應(yīng)用，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用仍屈指可數(shù)。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育行業(yè)的投入大，回報(bào)少，使得他們不想向教育行業(yè)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。而就學(xué)校方面，學(xué)校的教育理念傳統(tǒng)單一，不敢讓學(xué)生嘗試新的實(shí)驗(yàn)室階段的事物，所以也就造成了兩個(gè)行業(yè)互相閉塞信息交流，發(fā)展困難，所以目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用最廣泛的還是在各個(gè)獨(dú)立的高校實(shí)驗(yàn)室，并不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模使用。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展前景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來(lái)在教育領(lǐng)域的發(fā)展前景應(yīng)該偏向于高校專門化、中小學(xué)普遍化。憑借虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性和沉浸性，提高課堂的參與率，使教學(xué)模型更加立體，大幅提升學(xué)生的理解力，高校則應(yīng)著重針對(duì)專門的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要求，進(jìn)行科研項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)出可以適用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用。除此之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以發(fā)展課堂外的教育，例如音樂(lè)、美術(shù)等興趣的深度培養(yǎng)，沉浸式數(shù)字圖書館的開(kāi)發(fā)，等等。

從實(shí)際角度出發(fā)，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用方面還很少，但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身具有較強(qiáng)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)和潛力，其多樣化、真實(shí)的生動(dòng)課堂將提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解能力，大大提高教學(xué)效率。交互性的特點(diǎn)將會(huì)提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。虛擬現(xiàn)實(shí)給教育帶來(lái)的一切將逐漸受到教育者的關(guān)注和青睞，必將不可避免地被廣泛應(yīng)用于教育培訓(xùn)領(lǐng)域，發(fā)揮其重要作用。