遠程教育的發(fā)展與挑戰(zhàn)：虛擬現(xiàn)實技術

賈 蕊

（遼寧開放大學，遼寧沈陽 110034）

1 虛擬現(xiàn)實技術走進教育領域的時代背景

遠程教育的發(fā)展與信息技術和教育技術的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。我國的遠程教育發(fā)展經(jīng)歷了三個歷史階段：第一階段是以郵政通信和印刷技術為特征的函授教育；第二階段是在第一階段的基礎上，利用廣播電視（衛(wèi)星和微波）、錄音錄像、電話電傳和計算機以及電信傳播等媒體開展的遠程教育；第三階段是基于現(xiàn)代信息和教育技術的遠程教育，也被稱為現(xiàn)代遠程教育，主要以網(wǎng)絡教育為主要形式[1]。1999年，教育部批準了67所高校和中央廣播電視大學（現(xiàn)國家開放大學）開展現(xiàn)代遠程教育，標志著我國遠程教育進入全面建設時期[2]。

以計算機技術和通信技術為核心的計算機網(wǎng)絡技術快速發(fā)展，使教育的面貌發(fā)生質的改變，2020年突發(fā)的新冠肺炎疫情更是加快這一變革的進程。根據(jù)教育部發(fā)布的《全國普通高校本科教育質量報告（2020年度）》，“疫情期間我國本科高校共有108萬名教師開出110萬門/1719萬門次課程，在線學習大學生人數(shù)共計35億人次，全國高校在線課程開出率達到91%”[3]。遠程教育不受時間和空間的制約，解決了眾多學生不能通過傳統(tǒng)教育形式學習的問題，是教育形式的一種創(chuàng)新與進步。但圍繞遠程教育的爭議一直存在，朱潔認為只是通過互聯(lián)網(wǎng)進行線上授課學生之間缺乏交流與對比，學習過程枯燥乏味[4]。Carrillo等人認為線上教學缺乏技能培養(yǎng)環(huán)境，實踐環(huán)節(jié)欠缺[5]。余勝泉等認為學習形態(tài)受控并且單一，學習共同體缺失[6]。究其原因不難發(fā)現(xiàn)，當前以二維網(wǎng)絡技術為主的遠程教育已然進入發(fā)展的瓶頸期，難以支撐學生對沉浸式學習環(huán)境、人機交互式的社交需求。

近年來，基于三維可視化技術的虛擬現(xiàn)實技術不斷地應用到教育領域，在教學模式、學習資源、系統(tǒng)平臺等多方面重塑遠程教育。虛擬現(xiàn)實技術作為一種人類模擬世界的新興技術，集三維計算機圖形技術、廣角（寬視野）立體顯示技術、對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡傳輸、語音輸入輸出技術等信息技術于一體[7]，將成為教育行業(yè)發(fā)展的新的信息平臺。本文將首先概述虛擬現(xiàn)實的特征及其關鍵技術，其次分析虛擬現(xiàn)實應用于遠程教育的理論依據(jù)，最后對虛擬現(xiàn)實技術應用于遠程教育的發(fā)展方向與面臨的挑戰(zhàn)提出參考建議。

2 虛擬現(xiàn)實技術的特征及其關鍵技術

2.1 虛擬現(xiàn)實的特征

虛擬現(xiàn)實技術的英文是Virtual Reality（VR），旨在表明虛擬現(xiàn)實技術就是虛擬與現(xiàn)實相互結合的技術。由于結合了計算機技術、圖像技術、仿真技術等多種信息技術，故能夠生成給人多種感官刺激的虛擬環(huán)境，讓用戶能夠以自然的方式與這個環(huán)境交互，從而產(chǎn)生置身于相應的真實環(huán)境中的體驗感和沉浸感[8]。虛擬現(xiàn)實技術主要有以下四方面的特征：

多感知性。虛擬環(huán)境可提夠除一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺感知、嗅覺感知等。

交互性?；谔搶嵢诤系脑僭飙h(huán)境，用戶可以重塑身份，對模擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，使用戶感受到真實環(huán)境的體驗。

沉浸感。沉浸感也可稱為臨場感，它是指模擬環(huán)境對用戶的刺激在物理上和認知上符合人的已有經(jīng)驗，從而使用戶感覺到自己處于一個“真實”的環(huán)境中。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶難辨真假的程度。

自主性。它是指在虛擬環(huán)境中的物體應當遵循現(xiàn)實世界的物理運動定律。如重力、摩擦力、推力、支持力等。比如在虛擬環(huán)境中，一個物體受到向右的推力時，這個物體會向右側移動并最終靜止。

2.2 虛擬現(xiàn)實的關鍵技術

2.2.1 雙目立體視覺技術

眼睛是人類探索與發(fā)現(xiàn)世界的主要工具，在人類獲得的外界信息中至少有80%是依靠雙眼獲取的。與動物雙眼在臉兩側不同，人類的雙眼是平行排列的，這種構造可以幫助人類獲得更好的空間立體感。19世紀30年代，被稱為3D立體影像之父的英國人Charles Wheatstone開始研究人的視覺系統(tǒng)，并于1838年發(fā)明了stereoscope立體觀看裝置。到1839年，Daguerre發(fā)明了銀鹽版照相法，直接導致了立體攝影的產(chǎn)生。2009年，三維電影《阿凡達》的上映，再次掀起了立體觀看的熱潮。2014年，虛擬技術的快速發(fā)展，雙目立體視覺技術作為沉浸感體驗的根源，獲得了廣泛的關注。

人在觀察客觀世界中的同一物體時，由于兩只眼睛的位置不同，看到的畫面略有不同，形成了視差，在經(jīng)過大腦綜合分析確定為同一物體后，兩幅圖像中的信息相互補充，物體的前后、遠近就立即被區(qū)分開來，從而產(chǎn)生立體視覺。雙目立體視覺技術正是仿照人類雙眼獲取周圍環(huán)境信息的原理，利用兩臺攝像機模擬人的雙眼，從不同視角獲取兩幅圖像，通過計算對應點的位置偏差，獲取物體的立體信息[9]。雙目立體視覺原理如圖1所示。

圖1 雙目立體視覺原理

基于雙目立體視覺的立體物體重構是將攝像機獲取的平面圖像還原為其在立體空間中的真實信息。物體在立體空間中的真實信息與其在圖像中對應點的關系是由攝像機參數(shù)決定的，標定參數(shù)是否精準決定了后續(xù)重構物體的精確性。學者們提出了很多攝像機標定方法，其中以微軟研究院的張正友教授在1999年提出的利用2D平面模板進行攝像機標定方法使用最為廣泛，被稱為張正友標定法[10]。之后，很多學者也對其進行了研究改進，如劉艷等人利用非線性最小二乘法得到內(nèi)外參數(shù)，提高了初始數(shù)值的魯棒性[11]。田苗等人選取離散度較高的少量標志點可以達到或接近用全部標志點進行標定的結果[12]。

當三維空間與圖像的對應關系確定后，要想對視差進行計算，就需要計算同一空間場景點在左、右兩幅圖像的匹配關系，這就是立體匹配的目的。立體匹配是雙目立體視覺中的重要技術，其準確性直接影響著深度信息獲取的準確性，也是雙目立體視覺系統(tǒng)中最難的一步。許多研究人員對立體匹配進行了深入研究并提出了實用的算法。Scharstein和Szeliski[13]對此前20多年的研究進行了總結，根據(jù)最優(yōu)化的作用范圍不同將立體匹配分為全局立體匹配和局部立體匹配算法。此外，Scharstein、Szeliski和Zabih等人還根據(jù)自己的研究成果創(chuàng)建了一個立體匹配的公共數(shù)據(jù)集，帶動了雙目立體匹配的進步[14]。夏澤洋等人提出了基于分割的立體匹配視差優(yōu)化方法，通過直接優(yōu)化由色彩參考圖像得到初始匹配最小代價對應的視差，提高了立體匹配的速度，但精度略差[15]。楊戈等人在有效立體匹配自適應聚合網(wǎng)絡的基礎上進行了改進，提出了一種基于自適應端到端立體匹配網(wǎng)絡，在保證精度的情況下實現(xiàn)高效地立體匹配[16]。立體匹配的本質是衡量匹配像素和參考像素之間的相似度，但在實際場景中，兩個攝像機在不同角度獲取的圖像會受到如攝像機特性、光照、物體形狀以及透視效果等因素的影響，加大了匹配的難度。

2.2.2 虛擬環(huán)境的構建

目前對于虛擬場景的構建主要有基于三維幾何模型的虛擬場景構建和基于圖像的虛擬場景構建兩大類。

基于三維幾何模型的虛擬場景構建與一個熱門研究領域——計算機圖形學密切相關。構建三維虛擬場景本質上是利用計算機圖形學對真實的物體、場景進行抽象，用數(shù)學意義上的曲線或曲面繪制虛擬的三維幾何模型。構造的虛擬場景，具有精確的幾何模型，細膩且逼真，增加用戶的沉浸感，方便用戶與虛擬場景中虛擬實體的交互，也方便獲取虛擬實體的深度信息。但在構建復雜虛擬場景時，用到的幾何圖形過多、計算量較大，使實時交互性與逼真的圖形環(huán)境結合更加困難。采用三維幾何模型構建虛擬場景時渲染繪制對計算機軟硬件的要求較高，如果計算機內(nèi)存不夠大、CPU運行速度慢，會導致構建的虛擬場景逼真度不夠?；趲缀文Ｐ偷奶摂M場景構建是一個非常專業(yè)的、高度技術密集型的任務，目前的技術條件相對成熟，在商業(yè)領域應用更為廣泛。

基于圖像的虛擬場景建模與繪制，是一種不依賴于三維幾何建模的技術，其原理是通過照攝像機采集真實的圖像，把二維圖像進行裁剪、透視變換，再經(jīng)過重構和重采樣生成實時場景畫面。典型的基于圖像的虛擬場景建模與繪制技術包含全景圖、同心拼圖、光場，其中全景拼接技術應用最為廣泛。基于圖像的虛擬場景構建主要應用于場景的集中展示，因其由真實圖片的制作生成，不需要幾何建模，比三維建模生成的場景更加逼真。由于基于圖像構建的虛擬場景中的虛擬物體是二維圖像，因而用戶難以與這些二維的對象進行交互。此外，獲得實景圖像對攝影設備要求比較高，獲取的大量圖像經(jīng)過采樣、重構會產(chǎn)生失真的問題，同時還需要足夠的存儲空間存儲這些圖像，這些都限制了基于圖像的虛擬場景構建的應用。

3 虛擬現(xiàn)實技術在遠程教育中應用的理論依據(jù)

虛擬現(xiàn)實技術塑造了視覺沉浸的遠程教學空間場域，支撐其科學發(fā)展的相關理論有心流理論、建構主義學習理論和情境教學理論，為虛擬現(xiàn)實在教育中的應用提供了理論依據(jù)。

3.1 心流理論

心流理論最初由匈牙利裔美國心理學家米哈里于1975年提出，他發(fā)現(xiàn)當人們?nèi)褙炞⒌赝度肽稠楇y度適中的活動時，會經(jīng)常忘記時間和對周圍環(huán)境的感知，進而產(chǎn)生高度興奮及充實感，而這種興奮和充實感源自活動的過程，與外在的報酬關系極小或不存在，這就是產(chǎn)生心流的感覺[17]。米哈里的心流體驗可以概括為9個特征（見表1），之后又將心流劃分為前因、開端、體驗和結果四個階段[18]。在之后的幾十年里，有學者對心流的特征進行了研究和調整，并將這些特征分為條件因素、體驗因素、結果因素三個階段。心流源自米哈里對藝術家、棋手、攀巖者以及作曲家等的觀察，20世紀末，心流理論開始用于人機交互研究中，用來研究用戶享受心理滿意度、參與度等。2010年，隨著心流理論的研究穩(wěn)步上升，其在教育學習、交互設計等領域應用受到廣泛關注?；谔摂M現(xiàn)實的遠程教育可以仿造真實活動過程，根據(jù)學生的需求預設多種類型的活動情景供其選擇，場景中設置多種反饋方式，同學生形成良好的交流互動，增強其學習動機。同時，還可以設計多種不同的活動形式，使學生可以多次進入活動，多角度、多維度驗證概念或原理、思考解決方法，從而使學生沉浸在虛擬現(xiàn)實場景中活動，進而產(chǎn)生興奮以及充實感，達到身心合一的心流體驗。

表1 心流體驗的9個特征

3.2 建構主義學習理論

建構主義（constructivism） 也譯作結構主義，最早由瑞士的心理學家提出，屬于認知心理學派的一個分支。與傳統(tǒng)教學理論不同，建構主義提倡在教學過程中學生要學習到一定的知識還需要外部力量的幫助（教師的教導和教材或其他手段），所以學生在整個教學過程中應該處于課堂的主體地位，是課堂的中心，應該充分發(fā)揮其主動探索知識、主觀發(fā)現(xiàn)和主動建構知識意義的能力。教師只是課堂的組織者，但教師的指導會影響學生的學習方式、進程、結果和質量、學習的積極性和主動性以及三觀的形成和發(fā)展，因此要求教師要善于創(chuàng)造適合學生的教學情境，鼓勵學生交流合作，引導學生的學習興趣和需要，提高學生自主學習的積極性[19-22]。建構主義強調知識本身就是具有情境性的，要受到所使用的活動情境影響，因此學習的過程必須處于真實的情境當中。虛擬現(xiàn)實支持與賦能的遠程教育能夠讓學生置身于更為廣闊、更加逼真的學習環(huán)境中，充分調動身體的感官與教學情境進行交互，更好地促進學生認知的形成。

3.3 情境教學理論

情境教學法于1950年首次提出，就得到了廣大教育專家和學者的認同。情景教學法又被稱為視聽教學法，是一種通過情景還原、情景參與、情景創(chuàng)設等方式來引導和提高學生的自主學習能力[23-26]。在教學過程中，教師以相應的教學案例或情景為載體，通過建立明確的教學目標，進行知識的傳輸和講解，激發(fā)學生學習的興趣，引導學生積極參與整個學習過程，培養(yǎng)學生的認知能力，提高學生解決問題的能力。情境教學法改變了傳統(tǒng)教學模式，使課堂更具有生機，更具吸引力。虛擬現(xiàn)實技術可以為遠程教育教學情景設計、展示和教學的實施提供全新的平臺和手段。通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)創(chuàng)設教學情景，可以使教師和學生都投入到更加逼真的學習環(huán)境中，如宏觀的宇宙、太陽系、行星；微觀的原子、分子運動；人體的組織結構、循環(huán)系統(tǒng)等，在合理的認知負荷下，培養(yǎng)學生的學習積極性。還可以通過還原真實的實驗場景，進行如易燃易爆化學物質合成實驗、電磁干擾等危險實驗的教學以及技能訓練，從而提高學生的學習體驗。

4 基于虛擬現(xiàn)實的遠程教育的挑戰(zhàn)與未來

通過分析虛擬現(xiàn)實技術的特征和功能以及未來教育的發(fā)展趨勢不難發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術在很大程度上契合了未來教育的發(fā)展需要，其優(yōu)勢顯而易見。但虛擬現(xiàn)實技術在遠程教育中的應用卻并不理想，在具體的應用過程中還面臨著一系列挑戰(zhàn)需要研究者不斷的探索。

4.1 完善虛擬現(xiàn)實相關技術，增強學習者沉浸感體驗

要使虛擬現(xiàn)實技術應用于遠程教育，需要設計與實現(xiàn)一個虛擬現(xiàn)實教育系統(tǒng)，主要需要數(shù)據(jù)采集、分析建模、繪制呈現(xiàn)和傳感交互四個方面技術。數(shù)據(jù)是實現(xiàn)整個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎，數(shù)據(jù)獲取的準確性關系到后期建模、呈現(xiàn)以及最終的使用效果。建模是利用計算機圖形學將現(xiàn)實中的場景及其相互關系、相互作用、動態(tài)變化規(guī)律映射到虛擬空間的靜、動態(tài)數(shù)據(jù)表達。虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)技術將虛擬環(huán)境中的各種對象模型、對虛擬對象的感知以視覺、聽覺、觸覺、嗅/味覺等感官呈現(xiàn)給用戶。以上這些都與虛擬現(xiàn)實技術的軟硬件設備息息相關，這些如果做不好，會降低虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢，破壞學習者的體驗感。另外，虛擬現(xiàn)實技術的設備和技術在呈現(xiàn)方面還有著很大的局限性，尤其是在分布式虛擬現(xiàn)實體驗中，頭戴式顯示設備的分辨率、刷新率較低，會使視覺效果變得模糊、失焦等現(xiàn)象。因視覺畸變和網(wǎng)絡延遲造成的卡頓會讓學習者產(chǎn)生眩暈感和惡心，大大影響了學習者的使用體驗。因此，如何解決因設備和技術問題導致的眩暈感，增強虛擬現(xiàn)實技術的真實感，提高學習者的沉浸體驗將是研究者不斷探討的熱點。

4.2 創(chuàng)新虛擬現(xiàn)實教學方法，推動虛擬現(xiàn)實遠程教學變革

當前一些虛擬現(xiàn)實遠程教學案例其教學設計、教學方式、學習方式是模仿二維教育教學模式的框架，缺乏與虛擬現(xiàn)實相適應的教學方法，這也是基于虛擬現(xiàn)實的遠程教育發(fā)展至今仍然沒有解決的問題之一。如果沒有相應的教學方法，就很難設計出教學活動的框架、教學組織形式以及建設教學資源，進而很難對虛擬現(xiàn)實技術的應用效果進行評價。因此，需要大量的實踐為構建與之相匹配的教學理論體系奠定基礎。首先，組織高校和科研院所的理論專家，集中前沿科技力量，從宏觀戰(zhàn)略視角對虛擬現(xiàn)實遠程教育的研究設計和發(fā)展進行謀篇布局，實現(xiàn)可操作可推廣的虛擬現(xiàn)實遠程教學模式，打造虛擬現(xiàn)實遠程教學示范點。其次，鼓勵校企合作共同開發(fā)設計虛擬現(xiàn)實遠程教學資源。高校教師因多年身處教學一線，對教學情況、學生的思想有充分認知，而企業(yè)具有先進的技術、設備和應用經(jīng)驗，借助企業(yè)的技術優(yōu)勢再結合高校教師的教學經(jīng)驗，設計開發(fā)專門面向遠程教育的虛擬現(xiàn)實教育資源，并不斷創(chuàng)新資源設計思路。最后，根據(jù)綜合考量，選取合適的高校或區(qū)域，建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與重點技術實驗室，依托國內(nèi)頂尖科研機構的帶動和支持，探索建設虛擬現(xiàn)實遠程教育示范區(qū)，在示范區(qū)中推廣應用虛擬現(xiàn)實遠程教學，通過不斷實踐、改進、完善，實現(xiàn)現(xiàn)代遠程教育發(fā)展的再次飛躍。