美國虛擬現(xiàn)實實驗室案例介紹及啟示

單華茗 張海 楊絮 李思維

虛擬現(xiàn)實的定義與發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過2016、2017連續(xù)兩年的考察與準備，2018年國家教育部明確將虛擬現(xiàn)實技術(shù)列入教育信息化的年度重點工作任務(wù)，明確要求全國高校、中小學(xué)、職教等深入推進信息技術(shù)與高等教育教學(xué)深度融合，推動大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用。在《2018年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點》文件的重點任務(wù)中，針對虛擬現(xiàn)實這一新興技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也提出了具體要求，并落實責(zé)任明確到教育部各職能部門。因此，在全國中小學(xué)教育教學(xué)中深入應(yīng)用大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術(shù)成為各級教育行政部門的年度重點工作任務(wù)。本文將介紹國外虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的兩個經(jīng)典案例，以期從中獲取經(jīng)驗指導(dǎo)，為我國發(fā)展虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用提供參考。

快速發(fā)展的AR（增強現(xiàn)實）、VR（虛擬現(xiàn)實）和MR（混合現(xiàn)實）為人們提供了新的體驗，在一個感覺足夠真實的環(huán)境中創(chuàng)造一種身臨其境的心理存在感，這種感覺足以被觀察、體驗、探索和操作。盡管AR、VR和MR的定義在不斷變化，其部分原因是技術(shù)正在快速發(fā)展，但增強現(xiàn)實可以被描述為通過疊加額外的計算機生成內(nèi)容來體驗真實世界。相反，虛擬現(xiàn)實將用戶沉浸在完全模擬的環(huán)境中，混合現(xiàn)實則以物理和數(shù)字交互的方式將真實和虛擬世界混合在一起。

AR、VR和MR在健康科學(xué)領(lǐng)域尤其流行。例如，醫(yī)學(xué)院的學(xué)生正在學(xué)習(xí)如何進行醫(yī)患交流，他們使用ODG智能眼鏡來快速獲取患者數(shù)據(jù)，而不需要查閱文件夾或筆記本電腦，從而留出更多的時間與患者互動。使用微軟HoloLens，護理專業(yè)的學(xué)生可以利用全息視頻進行模擬，在模擬中，虛擬病人呈現(xiàn)出各種各樣的健康問題。管理人員認為MR模擬有一天可能會取代那些使用真人演員作為病人的做法，這是一種昂貴且難以標準化的做法。

AR、VR、MR技術(shù)能夠彌補教學(xué)活動的弊端，解決教育領(lǐng)域一直存在的問題，所以，對AR、VR、MR技術(shù)與教育相結(jié)合的嘗試和探索已成為國內(nèi)外研究的應(yīng)用熱點。

美國不少高校已經(jīng)創(chuàng)建了自己的虛擬現(xiàn)實實驗室，本文將介紹兩個典型的美國高校虛擬現(xiàn)實實驗室項目。兩個虛擬現(xiàn)實實驗室的開設(shè)目標有所不同，斯坦福大學(xué)開設(shè)的虛擬人類交互實驗室傾向于使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行社會人文學(xué)科的學(xué)習(xí)，了解沉浸式虛擬現(xiàn)實仿真（VR）和其他形式的媒體、通信系統(tǒng)和游戲中的人類數(shù)字表示中人與人之間交互的動態(tài)和含義。而格林內(nèi)爾學(xué)院的沉浸式體驗實驗室，則由教師、員工和學(xué)生組成的團隊在研究項目上進行合作，然后使用3D、VR和MR技術(shù)作為一個平臺來綜合和展示他們的發(fā)現(xiàn)。

斯坦福大學(xué)虛擬人類交互實驗室

2003年，斯坦福大學(xué)傳播學(xué)教授杰里米·拜倫森（Jeremy Bailenson）和學(xué)生肖尼·鮑曼（Shawnee Baughman）一起創(chuàng)辦了虛擬人類交互實驗室，此后開展了多個與VR相關(guān)的研究項目。最有名的一個項目是與國家自然科學(xué)基金和聯(lián)邦司法中心一起開展的，他們研究了在虛擬環(huán)境中證人的指認能力。在學(xué)界，該實驗室享有極高的聲譽，加州大學(xué)圣巴巴拉分校虛擬環(huán)境研究中心創(chuàng)始人吉姆·布拉斯科維齊（Jim Blascovich）認為，斯坦福大學(xué)的研究走在了同行前列。

實驗室用虛擬現(xiàn)實研究種族主義的項目創(chuàng)造了一種“虛擬鞋”體驗，讓人們體驗到各種形式的種族主義。在布朗媒體創(chuàng)新研究所（Brown Institute for Media Innovation）的資助下，實驗室利用虛擬現(xiàn)實這一媒介來研究種族主義，并與哥倫比亞大學(xué)的考特尼·考本博士合作，創(chuàng)造了“1000次切割之旅”，這是一種身臨其境的虛擬現(xiàn)實體驗，讓你站在邁克爾·斯特林（Michael Sterling）的角度，親身體驗種族主義。了解種族主義的社會現(xiàn)實對促進有效和集體的社會行動至關(guān)重要。

此外，實驗室目前正在進行模擬海洋酸化的項目，利用虛擬現(xiàn)實的啟示，讓人們了解氣候變化對海洋環(huán)境的影響?，F(xiàn)實中，很少有人有在珊瑚礁中潛水的第一手經(jīng)驗，那里充滿了珊瑚魚，因此，大多數(shù)人都沒有接觸過這些海洋生物，如果我們不改變對海洋環(huán)境有害的行為，這些海洋生物最終會消失。但即使是那些做了有害行為的人也無法看到實時的惡化，大多數(shù)人要么從未聽說過海洋酸化，要么錯誤地認為這是酸雨的另一種說法。

而在實驗中，學(xué)習(xí)者經(jīng)歷了導(dǎo)致海洋酸化的多個階段。第一階段模擬了由燃燒化石燃料而導(dǎo)致的海洋酸化過程，在這一過程中，研究人員跟蹤二氧化碳分子釋放到大氣中并被海洋地表水吸收的過程。隨后的階段包括學(xué)習(xí)者融入或與不同的海洋物種相互作用，并見證這些物種的生態(tài)系統(tǒng)由于二氧化碳的增加而發(fā)生的變化。這些模擬由海洋科學(xué)合作者——Kristy Kroeker和Fio Michelli指導(dǎo)，并將被程式化以適應(yīng)不同年齡組的課程。

總體來看，斯坦福大學(xué)的虛擬人類交互實驗室的學(xué)習(xí)項目目標不只是讓學(xué)生學(xué)習(xí)理論上的既定知識，而是側(cè)重于學(xué)生的心理層面，通過虛擬現(xiàn)實的形式培養(yǎng)學(xué)生的同理心，讓學(xué)生對整個社會人文產(chǎn)生更多的思考。

格林內(nèi)爾學(xué)院沉浸式體驗實驗室

格林內(nèi)爾學(xué)院沉浸式體驗實驗室（GCIEL）是一個跨學(xué)科的探究和實踐社區(qū)，探索通過沉浸式三維（3D）、虛擬現(xiàn)實（VR）和混合現(xiàn)實（MR）體驗來接近人文科學(xué)的新方法。與其他高校不同的是，GCIEL的教師和學(xué)生更多地致力于開發(fā)虛擬現(xiàn)實體驗的學(xué)習(xí)軟件等，因此實驗室的設(shè)備除了常規(guī)的虛擬現(xiàn)實體驗設(shè)備外，還有許多制作虛擬現(xiàn)實作品的設(shè)備。

當(dāng)前，格林內(nèi)爾學(xué)院的師生已經(jīng)獲得了一些研究成果。

在運動的意義研究（Meaning in Movement Project）項目中，Damian的實驗室一直在研究視覺引導(dǎo)下的全身動作捕捉（如瞄準一個目標），他的實驗室與GCIEL的新項目將開始整合全身動作捕捉與數(shù)字化的虛擬環(huán)境，不僅要捕捉身體如何移動，還要捕捉身體如何延伸到任務(wù)環(huán)境空間的數(shù)字軌跡。實驗人員在一個數(shù)據(jù)豐富的虛擬環(huán)境中拋出一個彈丸，彈丸和耳機在3D空間中的位置數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)儲到一個平面數(shù)據(jù)文件中，供以后分析（如下頁圖）。

為了利用沉浸式虛擬現(xiàn)實體驗進行語言學(xué)習(xí)和文化認知，實驗室會創(chuàng)建三個具有輔助教學(xué)材料的開源虛擬現(xiàn)實游戲，通過虛擬現(xiàn)實發(fā)展文化及語言能力。該項目有五個目標：①建立一個跨學(xué)科和跨機構(gòu)的專家社區(qū)，在人文學(xué)科中使用虛擬現(xiàn)實教學(xué);②培養(yǎng)學(xué)生的VR游戲設(shè)計素養(yǎng);③創(chuàng)造沉浸式VR環(huán)境，用于法語、德語、西班牙語的語言學(xué)習(xí);④利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境設(shè)計語言學(xué)習(xí)和文化習(xí)得的教學(xué)方法，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、跨文化能力;⑤發(fā)布可用于創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實體驗以教授其他語言和文化的開放源代碼。

總體來看，格林內(nèi)爾學(xué)院沉浸式體驗實驗室更注重培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)虛擬現(xiàn)實作品的能力，不再只是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)當(dāng)作一個具象知識的載體。

對我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的啟示

首先，我國各中小學(xué)也應(yīng)積極開設(shè)虛擬現(xiàn)實實驗室，并且不限時對所有師生開放，而不是僅在某些特殊時段或針對某些課程才開放。同時，學(xué)校也應(yīng)設(shè)置一些適合中小學(xué)生的項目，引導(dǎo)學(xué)生主動使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生興趣，將“虛擬現(xiàn)實+教育”的構(gòu)想落到實處。我們還應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)校負責(zé)人及教師對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的興趣和正確認識，當(dāng)前中小學(xué)教師的信息技術(shù)素養(yǎng)也有待提高，所以學(xué)校教師也應(yīng)積極了解學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)的知識，與學(xué)生一同學(xué)習(xí)進步，并做好學(xué)生的引導(dǎo)者。

其次，要轉(zhuǎn)變虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)活動中的角色，改變相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標。當(dāng)前中小學(xué)已有的虛擬現(xiàn)實設(shè)備應(yīng)用僅僅是作為一個具象知識的載體，用于將原本抽象的文本知識以最具體的形式展示給學(xué)生，讓學(xué)生對知識的理解更加透徹。但斯坦福大學(xué)和格林內(nèi)爾學(xué)院的虛擬實驗室的創(chuàng)設(shè)目標都已經(jīng)跳出了這個范圍。我們應(yīng)該思考如何使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)給學(xué)生跨學(xué)科的學(xué)習(xí)體驗，如何進行學(xué)生道德素養(yǎng)等方面的培養(yǎng)，如何改變我國學(xué)生的思維方式，如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力等。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠提高教學(xué)質(zhì)量，有助于學(xué)生多元能力的培養(yǎng)，所以我們應(yīng)多了解國內(nèi)外優(yōu)秀的教學(xué)案例，結(jié)合自己的實際情況，將新興技術(shù)與教育深度結(jié)合，推動新興技術(shù)在教育中的深度應(yīng)用。