虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

元偉霞

（鄭州大學(xué)教育學(xué)院，河南鄭州 450000）

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

到目前為止，學(xué)術(shù)界對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的定義，仁者見仁智者見智。當(dāng)前，劉光然為代表的學(xué)者認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種由交互式計(jì)算機(jī)模擬組成的媒體形式，可以感知參與者的位置。捕獲參與者的運(yùn)動(dòng)信息，替換或增強(qiáng)一個(gè)或多個(gè)感官反饋，在模擬環(huán)境中創(chuàng)造精神沉浸或存在。以趙沁平為代表的學(xué)者們認(rèn)為，從數(shù)字環(huán)境視角來看，虛擬現(xiàn)實(shí)是一個(gè)在一定范圍內(nèi)在視覺、聽覺和觸覺方面高度相似的數(shù)字環(huán)境。用戶使用某些設(shè)備與數(shù)字環(huán)境中對(duì)象進(jìn)行交互，以產(chǎn)生于真實(shí)環(huán)境相對(duì)應(yīng)的直觀體驗(yàn)。

該研究認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)，能生成一個(gè)模擬真實(shí)世界的虛擬環(huán)境 （或者直接生成一個(gè)虛構(gòu)的環(huán)境），用戶對(duì)象能在這個(gè)具有沉浸感的環(huán)境中進(jìn)行各種交互式的體驗(yàn)。

Buea和Coiffet（1992）將虛擬現(xiàn)實(shí)的重要特征歸納為“3I”，Immersion、Interaction、Imagination，分別是沉浸性、交互性和想象性。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)教育的理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用類型

2.1 理論基礎(chǔ)

2.1.1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者是對(duì)所學(xué)的主題形成或建構(gòu)自己的理解，知識(shí)是以多種方式被學(xué)習(xí)者進(jìn)行以獨(dú)特的、個(gè)人化的方式建構(gòu)的，這種建構(gòu)是通過各種真實(shí)的工具、資源、經(jīng)驗(yàn)和情景的方式進(jìn)行的。

VR的沉浸式特征消除了參與者與計(jì)算機(jī)之間的界限，更多地為學(xué)習(xí)者提供了主動(dòng)性學(xué)習(xí)和反思性學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，在個(gè)人在體驗(yàn)和創(chuàng)造的過程中，形成自己的知識(shí)框架，這個(gè)過程可以是單獨(dú)的，也可以受同伴的影響。虛擬現(xiàn)實(shí)教育為學(xué)習(xí)者的自我定向、自我建構(gòu)、自我評(píng)價(jià)、協(xié)作學(xué)習(xí)等提供了良好的環(huán)境。因此，VR在設(shè)計(jì)教學(xué)素材和產(chǎn)品時(shí)應(yīng)為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)素材，使學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)教育這個(gè)平臺(tái)環(huán)境中能夠靈活的探究，驅(qū)動(dòng)他們?nèi)ソ?gòu)新的意義。

2.1.2 情境認(rèn)知理論

情境認(rèn)知理論也強(qiáng)調(diào)真正的學(xué)習(xí)是在一定的情境中發(fā)生的，學(xué)習(xí)者通過在情境中主動(dòng)、積極的學(xué)習(xí)構(gòu)建完成真實(shí)的學(xué)習(xí)任務(wù)，一方面調(diào)動(dòng)個(gè)體學(xué)習(xí)的主體地位，另一方面?zhèn)€體建構(gòu)知識(shí)的源泉也是在客觀活動(dòng)中，在活動(dòng)情景中。虛擬現(xiàn)實(shí)與教育的結(jié)合必須關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知心理，注重學(xué)生的具體經(jīng)驗(yàn)和對(duì)情境的理解，成功完成學(xué)習(xí)者新舊知識(shí)的同化，構(gòu)建學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展。

2.1.3 模擬思維方法

模擬思維方法通常用于工程，主要有兩大類：一類是物理模擬，基于模型和活體原型之間類似的物理和化學(xué)機(jī)制的模擬方法；一類是數(shù)學(xué)模擬，模擬方法在模型和原型之間的抽象數(shù)學(xué)定律中類似。

虛擬現(xiàn)實(shí)與教育的結(jié)合，主要應(yīng)用是物理模擬，即通過設(shè)計(jì)類似于原型的模型，并使用該模型間接研究原模型法。模擬可以在沒有簡(jiǎn)單有效的工具的情況下展示的實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)丟失的自然現(xiàn)象或過程。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

2.2.1 模擬訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的最多最常見的便是培訓(xùn)模擬，主要針對(duì)的市場(chǎng)是具體的行業(yè)應(yīng)用的培訓(xùn)市場(chǎng)，因?yàn)檫@些場(chǎng)景很難通過2D去模擬，視頻展示的效果也不如VR好，所以很多公司都做了安全教育這類內(nèi)容。

2.2.2 科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室

國(guó)內(nèi)外非常重視虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中的突出優(yōu)勢(shì)，在很多大學(xué)內(nèi)建立實(shí)驗(yàn)室來為國(guó)家進(jìn)行科學(xué)研究工作，我國(guó)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的成果也越來越多。

2.2.3 虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境

大多數(shù)關(guān)于國(guó)內(nèi)教育技術(shù)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的研究現(xiàn)在都停留在博客應(yīng)用的象征性交換中。研究如何設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)者之間的文本互動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的真正研究是研究分布式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境的發(fā)展和應(yīng)用。在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中，通過分子模型的虛擬體驗(yàn)，進(jìn)行虛擬人之間的面對(duì)面的情感交流。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

3.1 激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過呈現(xiàn)個(gè)性化特征，豐富的媒體形式和激發(fā)對(duì)話來促進(jìn)學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以根據(jù)適合學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的環(huán)境的要求，創(chuàng)建逼真的場(chǎng)景，提供動(dòng)態(tài)，高交互的設(shè)置，讓學(xué)習(xí)者表現(xiàn)出高度的動(dòng)力和參與度。學(xué)習(xí)者，尤其是青少年學(xué)習(xí)者，習(xí)慣于這種自我表現(xiàn)形式，并通過他們的角色表達(dá)自己的想法和感受。

3.2 實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)，促進(jìn)知識(shí)遷移

情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，知識(shí)是在某些情境下由學(xué)習(xí)者積極構(gòu)建的，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與語境之間的動(dòng)態(tài)互動(dòng)。根據(jù)Herrington和Oliver的說法，情境學(xué)習(xí)環(huán)境具有以下特征：提供反映可應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活的知識(shí)的情境；提供真實(shí)的活動(dòng)；為學(xué)習(xí)者提供了解專家思考和解決問題過程的機(jī)會(huì)；提供多角色以及多視角選擇；支持知識(shí)的協(xié)同構(gòu)建等。

3.3 不同專業(yè)背景，交互式學(xué)習(xí)平臺(tái)

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育中，虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室用于提高學(xué)生的實(shí)踐知識(shí)，提高他們獨(dú)立解決問題的能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程問題，同時(shí)降低構(gòu)建實(shí)際模型的成本。鼓勵(lì)學(xué)生釋放他們的創(chuàng)造力并評(píng)估他們解決問題的能力。特別是對(duì)于世界著名大學(xué)的開放課程，除了使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，VR技術(shù)還可以用來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入國(guó)際頂尖大學(xué)的課堂和實(shí)驗(yàn)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

4.1 硬件配置問題

缺乏感性具體的原始豐富性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)難以避免的一種局限，其抽象理性的對(duì)象化過程，因此，這就對(duì)硬件技術(shù)提出了更高的要求，而目前，市場(chǎng)上最常見的就是缺乏成熟的產(chǎn)品。在新的傳感機(jī)制，采集和物理建模方法，高速圖形圖像處理，人工智能等領(lǐng)域，存在許多亟待解決的問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)三維建模技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的價(jià)格和功能也存在矛盾，功能越多，價(jià)格越高，購(gòu)買的人越少，價(jià)格低，功能簡(jiǎn)化，體驗(yàn)差。因此，如果虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)想要不斷前進(jìn)，以最低的成本提供最佳的用戶體驗(yàn)是產(chǎn)品更新?lián)Q代的核心和必要方式。

4.2 教學(xué)內(nèi)容問題

虛擬現(xiàn)實(shí)教育與游戲不同，虛擬現(xiàn)實(shí)教育更注重內(nèi)容。通常，VR課程的制作需要遵循一定的步驟來制作，至少包含課程設(shè)計(jì)、情節(jié)交互策劃、場(chǎng)景及角色設(shè)計(jì)、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、美術(shù)制作、音特效制作、資源整合和技術(shù)實(shí)現(xiàn)等方面，其工作量和工作的精細(xì)度都超出一般工作的10倍不止。再加上VR的制作成本高，另一方面基于現(xiàn)在的硬件和內(nèi)容體驗(yàn)都還不是很好，所以，該行業(yè)仍處于種子用戶培訓(xùn)的早期階段，用戶群太小，無法使內(nèi)容團(tuán)隊(duì)無法盈利。出于這兩個(gè)原因，很少有團(tuán)隊(duì)真正開展虛擬現(xiàn)實(shí)教育并得到每個(gè)人的認(rèn)可，目前全國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)教育系列產(chǎn)品的生產(chǎn)商還比較少，而且因?yàn)闊X，大多不做內(nèi)容，轉(zhuǎn)做硬件設(shè)備。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的路徑

5.1 國(guó)家政策層面

為提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用整體進(jìn)程的效益，突出教育需求導(dǎo)向，應(yīng)該由政府主導(dǎo)，建立產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用實(shí)證研究體系?，F(xiàn)在全國(guó)各地都對(duì)VR加大了扶持力度，政府應(yīng)充分利用法律和政策手段支持虛擬現(xiàn)實(shí)教育的發(fā)展，通過政策和經(jīng)費(fèi)支持虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)；鼓勵(lì)專項(xiàng)課題立項(xiàng)支持；建立多學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)，支持面向特定學(xué)科的教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用示范。

5.2 VR產(chǎn)業(yè)方面

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研發(fā)和內(nèi)容制作創(chuàng)新，企業(yè)無疑代表了“最先進(jìn)的生產(chǎn)力”。但VR應(yīng)用于教育，這不單單是技術(shù)問題，它改變了社會(huì)文化，是教育領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。涉及教育變革，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候就要考慮很多因素。如前文所述，VR具有體驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練等多種多樣的教育功能，每一項(xiàng)教育功能對(duì)教師都提出了很高的要求。VR教育軟件的構(gòu)建應(yīng)該基于開放性。只有共享和開放的聯(lián)盟機(jī)制才能吸引許多開發(fā)人員通過開放的基礎(chǔ)技術(shù)提供源源不斷的共享資源。

5.3 學(xué)校和教師要精于學(xué)習(xí)

一方面，教師自己要更新陳舊觀念，學(xué)習(xí)新技術(shù)，對(duì)于新的授課工具要充分地進(jìn)行體驗(yàn)和了解，做一個(gè)好的學(xué)習(xí)者；另一方面，教師是最了解學(xué)生學(xué)習(xí)“痛點(diǎn)”的人，基于此，教師更要從學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展出發(fā)，思考在技術(shù)輔助下的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，在選擇VR教學(xué)素材，學(xué)習(xí)產(chǎn)品的時(shí)候，學(xué)校和教師也要做好把關(guān)人、過濾網(wǎng)的作用，將適合同學(xué)們的，優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計(jì)留下，反之則要拒之門外。

6 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是教育教學(xué)技術(shù)的新方向，已經(jīng)成為非常具有前景性的教學(xué)手段，它在培養(yǎng)個(gè)性化創(chuàng)新人才方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前在北京、上海等一線城市中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育上的應(yīng)用已經(jīng)得到了實(shí)踐的檢驗(yàn)。在當(dāng)今信息化、智能化、自動(dòng)化的今天，教育智能化是大勢(shì)所趨。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)的逐漸普及，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將改變學(xué)生的生活，激發(fā)教育教學(xué)活力。