VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

高林

（黑龍江教師發(fā)展學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150080）

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，可謂充分發(fā)揮出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)與作用，實(shí)現(xiàn)了教育領(lǐng)域的立體化、全方位發(fā)展，這對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)教育行業(yè)的良好發(fā)展有著十分巨大的作用。為此，越來(lái)越多的教育工作者加強(qiáng)了對(duì)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，以期借助VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入更加多樣化的教學(xué)手段，改變?cè)究菰锓ξ兜膫鹘y(tǒng)教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)內(nèi)容的互動(dòng)性以及教師的工作效率，尤其現(xiàn)在5G 的到來(lái)，為VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供技術(shù)保障，使其可以更好地應(yīng)用到教育領(lǐng)域當(dāng)中。也正因如此，做好VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用則具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此以下筆者在梳理了相關(guān)參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從多個(gè)角度入手就VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用展開(kāi)綜合闡述，以期為VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究做出有益的參考與借鑒。

1 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身是一種結(jié)合了計(jì)算機(jī)、多媒體、仿真圖像等多種電子技術(shù)于一身，而形成的一種新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要由虛物實(shí)化、實(shí)物虛化、計(jì)算機(jī)處理高性能技術(shù)這三個(gè)方面組成。其中，模型構(gòu)建、聲音定位以及視覺(jué)、空間跟蹤等可謂是VR虛擬現(xiàn)實(shí)最為關(guān)鍵的技術(shù)。而正是這些關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，使得VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，建立起一個(gè)具有極強(qiáng)仿真效果的虛擬世界，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)虛擬環(huán)境的檢測(cè)與操作。所以說(shuō)，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的交互技術(shù)。具體而言：模型構(gòu)建技術(shù)是構(gòu)建虛擬世界的技術(shù)基礎(chǔ)，主要是利用計(jì)算機(jī)在虛擬世界之中打造一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的物體，并且保留了這個(gè)物體本身的物理屬性；聲音定位主要是利用不同聲源所具備的傳輸特點(diǎn)，對(duì)虛擬環(huán)境中的聲音加以定位跟蹤；視覺(jué)跟蹤主要借助視頻攝像機(jī)達(dá)到X-Y 平面陣列，根據(jù)周?chē)墓饣蛘呤歉櫣庠谕队捌矫嬷挟a(chǎn)生的投影，對(duì)被跟蹤對(duì)象的實(shí)際方向與位置實(shí)施計(jì)算，進(jìn)而使用戶(hù)在虛擬環(huán)境中獲得真實(shí)的感官享受；空間跟蹤主要是借助交互設(shè)備以及空間傳感器，對(duì)用戶(hù)在虛擬世界中的方向與位置進(jìn)行確定。

也正因如此，在某種程度上VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠借助計(jì)算機(jī)形成十分逼真的虛擬世界，這個(gè)虛擬世界的真實(shí)感足以迷糊人們的感官。這種迷惑行為會(huì)使很多用戶(hù)沉浸在虛擬環(huán)境中，這就是VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造的沉浸感。而打造沉浸感的根本目的，就是為了讓用戶(hù)能夠集中注意力，基于此種目標(biāo)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必須要具備三種技術(shù)要素，如圖1所示。通過(guò)這幾種技術(shù)要素的相互關(guān)聯(lián)、相互作用，恰恰能夠給予用戶(hù)一種存在意識(shí)，認(rèn)為自己就存在于這個(gè)虛擬環(huán)境自重，從而產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的沉浸感。

為此，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家均都加強(qiáng)了對(duì)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)注，也進(jìn)一步加快了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以至于現(xiàn)如今的VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域之中。特別是在教育教學(xué)領(lǐng)域中憑借著其獨(dú)有的特征，獲得了較大的發(fā)展并取得了十分不錯(cuò)的成績(jī)。

圖1：VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的要素

2 虛擬教學(xué)概念

虛擬教學(xué)是基于現(xiàn)代人才培養(yǎng)觀(guān)念，將傳統(tǒng)教學(xué)與信息技術(shù)相互結(jié)合，而形成的一種新型教學(xué)模式，以促使人類(lèi)進(jìn)入到虛擬空間內(nèi)執(zhí)行教育活動(dòng)。也正因如此，在虛擬環(huán)境中開(kāi)展的所有教、學(xué)活動(dòng)，都可以稱(chēng)之為是虛擬教學(xué)。

如若從狹義的角度對(duì)虛擬教學(xué)進(jìn)行分析，則可以將虛擬教學(xué)定義為在教育領(lǐng)域中充分借助于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，打造一個(gè)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，并且在這個(gè)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中再現(xiàn)客觀(guān)現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而通過(guò)逼真的模擬操作使學(xué)生們利用感官感受來(lái)獲得更多的知識(shí)信息，最大限度的激發(fā)與調(diào)動(dòng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，開(kāi)拓學(xué)生的新思維與創(chuàng)造力。同時(shí)，虛擬教學(xué)也有助于延伸教學(xué)空間，擴(kuò)充教學(xué)資源。所以，教師利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教育教學(xué)活動(dòng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。而這種嶄新的教育教學(xué)模式，正是教育領(lǐng)域的重要革命，是推動(dòng)我國(guó)教育發(fā)展的巨大助力。

3 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 在虛擬實(shí)驗(yàn)室中VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠打造出一個(gè)十分逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)而使學(xué)生們?cè)谔摂M實(shí)驗(yàn)環(huán)境之中實(shí)現(xiàn)情景化目標(biāo)。最早美國(guó)大學(xué)就是將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到人體解剖學(xué)中以搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室，并通過(guò)直播的方式讓學(xué)生觀(guān)看癌癥手術(shù)的全部過(guò)程。自此之后，其他國(guó)家也相繼開(kāi)始應(yīng)用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室。而近些年來(lái)，國(guó)家支持我國(guó)一些大學(xué)也開(kāi)始積極的利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建與開(kāi)發(fā)屬于自己的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以此降低不同教育教學(xué)領(lǐng)域在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能發(fā)生的危險(xiǎn)系數(shù)與成本。如在飛機(jī)駕駛的虛擬教學(xué)中，可以通過(guò)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬操作，以避免學(xué)生因不夠熟練駕駛而發(fā)生的意外墜機(jī)事故。與此同時(shí)，依托VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以依據(jù)不同的教學(xué)活動(dòng)搭建不同類(lèi)型的虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景，設(shè)置教學(xué)所需的訓(xùn)練模式，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練技能的重復(fù)操作，以便于學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境之中通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練熟練的掌握相關(guān)技能。這恰恰有利于降低教育教學(xué)經(jīng)費(fèi)的實(shí)際投入，更好的節(jié)約教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。

3.2 在虛擬教學(xué)中VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬教學(xué)中的應(yīng)用，有利于教育教學(xué)模式的創(chuàng)新，有利于教育教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)充。這是因?yàn)閂R虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用能夠優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，使教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)、形象的表現(xiàn)出來(lái)，以此提升教育教學(xué)工作效率。同時(shí)，借助于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能夠真實(shí)再現(xiàn)情景化學(xué)習(xí)，并人機(jī)互動(dòng)來(lái)提升學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，這為保障教育教學(xué)質(zhì)量起到了至關(guān)重要的意義。如在數(shù)學(xué)、化學(xué)以及物理等學(xué)科中借助VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠構(gòu)建出課堂教學(xué)所需的實(shí)物模型，以幫助學(xué)生更好的了解與學(xué)習(xí)較為抽象化的概念。也就是K12，特別是在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以對(duì)構(gòu)建的實(shí)物模型進(jìn)行隨意的拆解與移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)角度的細(xì)致化觀(guān)察，加強(qiáng)自身對(duì)三維物體的印象，為后續(xù)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，通過(guò)虛擬操作完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與考試，尤其針對(duì)危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，可以大大提升安全性；在很多學(xué)科的學(xué)習(xí)過(guò)程中往往會(huì)涉及到很多的歷史事件，而借助于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)恰恰能夠讓學(xué)生參與到這些歷史事件中，如親身經(jīng)歷并且感受到歷史文明，勢(shì)必會(huì)大大提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果。

3.3 在虛擬數(shù)字化校園中VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

近些年來(lái)網(wǎng)絡(luò)教育早已受到社會(huì)各界的高度關(guān)注與青睞，也正因如此各大高校也積極響應(yīng)時(shí)代的發(fā)展潮流，引入新技術(shù)構(gòu)建校園網(wǎng)站，打造虛擬校園，以實(shí)現(xiàn)校園教學(xué)、教務(wù)、生活的三維立體化發(fā)展，讓學(xué)生能夠更加自由的學(xué)習(xí)與獲取。尤其是以分布式虛擬校園系統(tǒng)構(gòu)建的遠(yuǎn)程教育，以及分校區(qū)校園環(huán)境的相關(guān)設(shè)置，更是借助了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)，這種教學(xué)方式更有利于全民教育工作的開(kāi)展，能夠直接幫助更多的社會(huì)人員參與到高等素質(zhì)教育的學(xué)習(xí)之中。特別是虛擬教學(xué)環(huán)境的搭建，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者營(yíng)造出一個(gè)更加生動(dòng)、更加逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者真正參與到虛擬環(huán)境中，以此彌補(bǔ)遠(yuǎn)程教育在交互環(huán)節(jié)上的不足，真心實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)工作的全面化、有效化。

4 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中面對(duì)的挑戰(zhàn)與建議

4.1 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中面對(duì)的挑戰(zhàn)

4.1.1 硬件配置與虛擬現(xiàn)實(shí)要求差距較大

對(duì)于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而言，缺乏感性化的原始豐富性是其不可避免的一個(gè)重要局限問(wèn)題。也正因如此，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用就對(duì)硬件技術(shù)提出了相對(duì)較高的要求。然而現(xiàn)如今的市場(chǎng)，最缺乏的就是成熟的VR 產(chǎn)品。尤其是在教學(xué)課堂中不集成顯示器——頭戴式VR 是最常見(jiàn)的存在，只需要在VR 設(shè)備中放入配有VR 軟件的移動(dòng)終端，使用者便可以參與到課堂教學(xué)中，成本低廉。但是這種VR 教學(xué)的最大缺陷就在于顯示分辨率相對(duì)較低，會(huì)在一定程度上對(duì)使用者的沉浸式體驗(yàn)造成不好的影響，且缺乏使用者的感官反饋，長(zhǎng)期使用下去還會(huì)給使用者帶來(lái)身體上的不適，所以說(shuō)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用中，還需要不斷的進(jìn)步，提高硬件配置，降低成本，提供最佳的用戶(hù)體驗(yàn)，才是發(fā)展重點(diǎn)。

4.1.2 教學(xué)內(nèi)容匱乏

與VR 虛擬游戲不同，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用對(duì)內(nèi)容更加看重。可以說(shuō)每一堂VR 課程的制作都需要遵循規(guī)定的步驟逐一進(jìn)行制作，至少需要包含課程、動(dòng)畫(huà)、美術(shù)、角色等設(shè)計(jì)工作以及情節(jié)交互策劃，資源整合等諸多工作，這些工作無(wú)論是工作量，還是對(duì)工作精細(xì)程度要求，都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于一般的課程制作。再加之，VR 制作成本往往相對(duì)較高，而現(xiàn)如今的硬件與內(nèi)容體驗(yàn)感受均不是很好，也就導(dǎo)致了VR 客戶(hù)群相對(duì)較為局限，在某種意義上VR 教育內(nèi)容根本無(wú)法為團(tuán)隊(duì)帶來(lái)實(shí)際的盈利。所以，基本此種情況很少有團(tuán)隊(duì)會(huì)專(zhuān)門(mén)研究并且開(kāi)發(fā)虛擬教育，且現(xiàn)如今的虛擬教育也并無(wú)法得到所有教育團(tuán)體的認(rèn)可，以至于VR 教育系列產(chǎn)品相對(duì)較少。

4.2 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的建議

（1）從國(guó)家政策的層面推動(dòng)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用。只有提高VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的整體效益，才能夠使VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育需求導(dǎo)向得以突出，在教育教學(xué)領(lǐng)域得以普及化發(fā)展。尤其疫情期間助推了線(xiàn)上教學(xué)，全球都在開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，VR 及線(xiàn)上信息化手段正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。隨著疫情常態(tài)化發(fā)展，不管是小學(xué)還是大學(xué)都可以是采用線(xiàn)上和線(xiàn)下多種教學(xué)模式，而VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是起到助推作用。所以，筆者認(rèn)為應(yīng)該由政府為主導(dǎo)，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的虛擬教學(xué)研究體系。也就說(shuō)充分利用法律與政策手段，加大對(duì)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的扶持力度，鼓勵(lì)學(xué)校進(jìn)行教學(xué)模式改革，鼓勵(lì)高校多支持虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)和申報(bào)專(zhuān)項(xiàng)課題的研究，以發(fā)揮應(yīng)用示范的作用。

（2）從VR 產(chǎn)業(yè)方面推動(dòng)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身就代表著最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，可以說(shuō)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，不單單改變了社會(huì)文化，更是教育界的一場(chǎng)巨大革命，所以在VR 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上，就必須要考慮到諸多的影響因素。尤其是前文中詳細(xì)闡述了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，這也就決定了在構(gòu)建VR 教育軟件上必須要基于開(kāi)放性，以共聯(lián)盟機(jī)制吸引更多的開(kāi)放人員，從VR 產(chǎn)業(yè)上提供源源不斷的后續(xù)力量，促進(jìn)VR 教育的良好發(fā)展。

（3）從教師自身層面推動(dòng)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用。教師不僅是VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的直接使用者，更是最了解學(xué)生痛點(diǎn)的指導(dǎo)者。所以，要想更好的推廣VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，教師首先應(yīng)該打破自身的陳舊觀(guān)念，積極的響應(yīng)并且學(xué)習(xí)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，充分掌握該項(xiàng)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，進(jìn)而最大限度的發(fā)揮出VR 教育的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，教師應(yīng)該從學(xué)生的實(shí)際需求出發(fā)，基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輔助做好教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，做好VR 素材的把關(guān)與過(guò)濾，從而為學(xué)生的實(shí)際使用留下優(yōu)秀的產(chǎn)品。

正是因?yàn)閂R虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠構(gòu)建起一個(gè)十分逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使學(xué)生們?cè)谶@個(gè)虛擬環(huán)境之中順利達(dá)成情景化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)不同教育活動(dòng)的虛擬技能訓(xùn)練。所以說(shuō)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，儼然已經(jīng)成為推動(dòng)教育領(lǐng)域發(fā)展與進(jìn)步的重要工具。尤其是在在信息化與智能化高速發(fā)展的今天，全面鋪開(kāi)5G建設(shè)，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用早已是大勢(shì)所趨，眾望所歸。所以，在今后的教育教學(xué)工作中，更要加強(qiáng)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式的有機(jī)融合，使虛擬教學(xué)越來(lái)越大眾化、普及化，全面加快我國(guó)教育現(xiàn)代化的建設(shè)進(jìn)程。