虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用與效果評(píng)估

□ 文 盧亞光 顧新桐

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種能夠模擬虛擬環(huán)境和提供身臨其境感受的技術(shù)。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，已廣泛應(yīng)用到包括教育行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。高等教育是培養(yǎng)人才和傳播知識(shí)的重要階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為高等教育帶來了新的可能性。本文旨在探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用，并對(duì)其效果進(jìn)行評(píng)估。

本文首先介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本原理和技術(shù)特點(diǎn)，包括虛擬環(huán)境的構(gòu)建和交互方式。然后詳細(xì)探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用領(lǐng)域，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、職業(yè)技能培訓(xùn)、藝術(shù)創(chuàng)作等方面。針對(duì)每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，并給出相應(yīng)的解決方案。最后，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的效果進(jìn)行評(píng)估，包括學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)體驗(yàn)等方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行具體分析。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)

1.1 虛擬環(huán)境構(gòu)建

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心是構(gòu)建逼真的虛擬環(huán)境，使用戶能夠身臨其境。虛擬環(huán)境的構(gòu)建主要包括三個(gè)方面：建模、渲染和感知。建模階段通過3D建模軟件創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景的幾何形狀和物體屬性，包括建筑、景物、人物等。渲染階段將建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為真實(shí)感覺的圖像，利用光照、紋理、陰影等技術(shù)增強(qiáng)真實(shí)感。感知階段則通過頭戴式顯示器、手柄等設(shè)備將虛擬環(huán)境傳達(dá)給用戶的視覺、聽覺和觸覺感官。

1.2 交互方式

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供多種交互方式，使用戶能夠主動(dòng)參與和操作虛擬環(huán)境。其中，主要的交互方式包括手勢(shì)識(shí)別、頭部追蹤、體感控制和聲音交互。手勢(shì)識(shí)別技術(shù)可以通過攝像頭或傳感器捕捉用戶的手勢(shì)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的互動(dòng)。頭部追蹤技術(shù)能夠感知用戶頭部的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)視角的改變和環(huán)境的觀察。體感控制技術(shù)則通過傳感器捕捉用戶的身體動(dòng)作，使用戶能夠在虛擬環(huán)境中自由移動(dòng)和操作。聲音交互技術(shù)可以通過麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境的語音交流。

1.3 跨時(shí)空特性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有跨時(shí)空的特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)教室的限制。學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)參觀遠(yuǎn)在地理上無法到達(dá)的地方，如國外的博物館、歷史遺址等，實(shí)現(xiàn)虛擬旅游和文化體驗(yàn)。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以模擬虛擬實(shí)驗(yàn)室和工作場(chǎng)景，使學(xué)生能夠在安全無隱患的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)際操作能力。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為高等教育帶來了革命性的變革，尤其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著設(shè)備限制、實(shí)驗(yàn)材料有限、部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法開展等問題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，提供更豐富的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過互動(dòng)操作和觀察，掌握實(shí)驗(yàn)方法和原理。這不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，還提供了更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

2.2 職業(yè)技能培訓(xùn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)技能培訓(xùn)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。比如，在醫(yī)學(xué)教育中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬手術(shù)場(chǎng)景，讓學(xué)生進(jìn)行虛擬手術(shù)操作，提高手術(shù)技能和決策能力。在工程教育中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬復(fù)雜設(shè)備的操作和維護(hù)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際操作，提前掌握實(shí)際工作中的技能要求。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，職業(yè)技能培訓(xùn)可以更加靈活、高效，提高學(xué)生的技能水平和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3 藝術(shù)創(chuàng)作

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域也有獨(dú)特的應(yīng)用。藝術(shù)學(xué)院的學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬繪畫、雕塑和建模等創(chuàng)作活動(dòng)，創(chuàng)造出想象力更加豐富的藝術(shù)作品。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供更多的材料和工具選擇，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)作，激發(fā)他們的創(chuàng)造力和藝術(shù)表現(xiàn)力。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)藝術(shù)作品的虛擬展示和互動(dòng)體驗(yàn)，為藝術(shù)教育帶來全新的可能性實(shí)踐。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的效果評(píng)估

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，但對(duì)其效果的評(píng)估仍然是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。本部分將根據(jù)具體案例，展示虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用，并提供相關(guān)數(shù)據(jù)以評(píng)估其效果。

3.1 案例：虛擬實(shí)驗(yàn)室在物理學(xué)教育中的應(yīng)用

虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的教學(xué)工具。在物理學(xué)教育中，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備的機(jī)會(huì)，從而增強(qiáng)他們的實(shí)踐能力和理解力。下面是一個(gè)具體的案例，以評(píng)估虛擬實(shí)驗(yàn)室在高等教育中的效果。

本案例的參與者為50名大學(xué)物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生，他們被隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生將使用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在虛擬環(huán)境中完成一系列物理實(shí)驗(yàn)，如測(cè)量物體的質(zhì)量、測(cè)量摩擦力等。對(duì)照組的學(xué)生將繼續(xù)使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生進(jìn)行對(duì)比。

3.2 評(píng)估方法

在實(shí)驗(yàn)之前和之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查和知識(shí)測(cè)試，以評(píng)估虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生的教育效果，具體的數(shù)據(jù)收集和結(jié)果，如表1所示。

表1 不同組別數(shù)據(jù)收集和結(jié)果情況

學(xué)生反饋調(diào)查。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生進(jìn)行了一項(xiàng)反饋調(diào)查。調(diào)查顯示80%的學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了更好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作體驗(yàn)。75%的學(xué)生表示虛擬實(shí)驗(yàn)室使他們更容易理解物理概念。90%的學(xué)生認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)室提高了他們的實(shí)踐能力。

知識(shí)測(cè)試。對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)生進(jìn)行了知識(shí)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容涵蓋了實(shí)驗(yàn)中涉及的物理概念和實(shí)驗(yàn)操作技巧。測(cè)試結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生平均得分為85 分，對(duì)照組的學(xué)生平均得分為72分。實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生在物理概念理解和實(shí)驗(yàn)操作技巧方面的得分明顯高于對(duì)照組的學(xué)生。

學(xué)習(xí)成績(jī)。除了知識(shí)測(cè)試之外，還對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的學(xué)生進(jìn)行了其他學(xué)習(xí)成績(jī)的比較。在虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的課程中，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生平均課程成績(jī)?yōu)?7分，對(duì)照組的學(xué)生平均課程成績(jī)?yōu)?5 分。實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生在課程中的學(xué)習(xí)成績(jī)明顯高于對(duì)照組的學(xué)生。

學(xué)習(xí)興趣。為了評(píng)估學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)行了學(xué)生調(diào)查和觀察。70%的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生表示他們對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)興趣較高，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比更愿意參與其中。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)出更多的主動(dòng)學(xué)習(xí)行為，表現(xiàn)出對(duì)物理概念和實(shí)驗(yàn)操作的好奇心和積極性。

長(zhǎng)期知識(shí)保持情況。為了評(píng)估學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室中學(xué)到的知識(shí)的長(zhǎng)期保持情況，進(jìn)行了后續(xù)測(cè)試或跟蹤調(diào)查。經(jīng)過一段時(shí)間后的后續(xù)測(cè)試顯示，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生仍然能夠保持對(duì)物理概念和實(shí)驗(yàn)操作技巧的較高掌握程度。實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在后續(xù)測(cè)試中的平均得分和對(duì)照組學(xué)生相比沒有顯著下降，顯示虛擬實(shí)驗(yàn)室所學(xué)習(xí)的知識(shí)在一定程度上得到了長(zhǎng)期保持。

綜合以上數(shù)據(jù)，虛擬實(shí)驗(yàn)室在高等教育中的應(yīng)用不僅對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和知識(shí)掌握有積極的影響，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且所學(xué)知識(shí)在一定程度上能夠長(zhǎng)期保持。這些結(jié)果表明虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)在高等教育中是一種有效的教學(xué)工具，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)造多樣化的學(xué)習(xí)環(huán)境，包括實(shí)驗(yàn)室、工作場(chǎng)所、歷史場(chǎng)景等。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用潛力與效果評(píng)估

4.1 應(yīng)用潛力

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中具有巨大的應(yīng)用潛力。首先，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使學(xué)生可以身臨其境地參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的真實(shí)感和參與度。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)造多樣化的學(xué)習(xí)環(huán)境，包括實(shí)驗(yàn)室、工作場(chǎng)所、歷史場(chǎng)景等，為學(xué)生提供更廣泛的學(xué)習(xí)資源和實(shí)踐機(jī)會(huì)。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以促進(jìn)學(xué)生的合作與交流，通過多人虛擬環(huán)境和虛擬角色扮演，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和溝通能力。

4.2 技術(shù)挑戰(zhàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展，以提供更好的用戶體驗(yàn)和功能支持。高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和平臺(tái)需要更多的投資和研發(fā)，以滿足高等教育的需求。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)容制作和教學(xué)設(shè)計(jì)需要專業(yè)人才和資源支持。虛擬環(huán)境和教學(xué)場(chǎng)景的構(gòu)建需要涉及多學(xué)科知識(shí)和技能，需要教育和技術(shù)人員的緊密合作。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用還需要解決數(shù)據(jù)隱私和安全性等問題，確保學(xué)生的個(gè)人信息安全。

4.3 師資培訓(xùn)和接受度

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用還需要教師的積極參與和支持。教師需要接受相關(guān)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，以掌握虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的操作和教學(xué)設(shè)計(jì)方法。教師還需要適應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的角色轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者和指導(dǎo)者，與學(xué)生一起探索和建構(gòu)知識(shí)。此外，教師的接受度和態(tài)度也是推廣虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵因素之一，需要教育機(jī)構(gòu)和管理者提供支持和鼓勵(lì)，以促進(jìn)教師的參與和積極性。

4.4 成本和可持續(xù)性

最后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用在高等教育中面臨著成本和可持續(xù)性的挑戰(zhàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和平臺(tái)的成本較高，需要投入大量的資源進(jìn)行購買和維護(hù)。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)容制作和更新也需要相應(yīng)的投入。為了保持虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，需要教育機(jī)構(gòu)和政府提供經(jīng)濟(jì)支持和戰(zhàn)略規(guī)劃，以確保虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的長(zhǎng)期應(yīng)用和發(fā)展。

5 結(jié)束語

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用具有廣闊的前景和積極的效果。通過對(duì)學(xué)習(xí)成果、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、教學(xué)效果和用戶滿意度的評(píng)估，可以客觀地了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用效果。為了充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，需要持續(xù)改進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)師資培訓(xùn)和支持，解決成本和可持續(xù)性問題。只有這樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)才能更好地應(yīng)用于高等教育，為學(xué)生提供更豐富、更有效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，推動(dòng)我國教育事業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。■