VR技术在教育领域的研究与应用

刘园

摘要 概述了国内外VR虚拟教学的现状，VR虚拟教学的特点，目前推广VR虚拟教学所面临的问题，以及VR技术应用在教学领域的意义。

关键词：VR技术；教育

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）16-0207-02

虚拟现实技术通过模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官的功能，使人能够沉浸在计算机所生成的虚拟世界里面，并且能够通过语言、手势，感官等自然方式与计算机进行实时交互，创造了一种以人为主的虚拟空间。使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的逼真性，而且能够突破时间和空间以及其他客观的限制，感受到真实世界中无法亲身体验到的经历。虚拟现实技术可以广泛用于学习情景的创设，增加学习内容的形象性和趣味性，进而实现模拟训练。通过VR进行学习和教育，不光可以减少现实空间中某些训练操作的困难和危险，更可以使训练造价得到大幅度降低。因此，我们说，虚拟现实技术将是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具有应用前景的一项技术。

1 虚拟现实系统的分类

虚拟现实系统按照不同的标准有不同的标准，通常情况下可以分为三类：

第一种：桌面虚拟现实系统

桌面虚拟现实系统是一款基于普通PC平台的小型的虚拟现实系统，它主要是利用图形工作站和立体显示器，产生虚拟情境，参与者可以使用数据手套、三维鼠标、力反馈器或者其他手控输入设备，实现虚拟现实技术。计算机的屏幕是参观者观察虚拟境界的一个窗口，立体显示器用来观看三维虚拟场景的立体效果，它所带来的立体感能够使参与者产生一定的投入感。桌面虚拟现实系统主要包括VR立体图形显示、效果显示、人机交互等几部分。

桌面虚拟现实系统虽然没有完全沉浸式的效果和性能，但是因为成本相对较低，所以应用的比较普遍。因此，桌面虚拟现实系统被认为是初级的虚拟现实技术的应用，也是投入虚拟现实技术研究的初级阶段。

第二种：沉浸式虚拟现实系统

沉浸式虚拟现实系统提供参与者完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟世界中的感觉。它的特点就是：利用头盔显示器把用户的视觉、听觉封闭起来，产生虚拟视觉，同时，它利用数据手套把用户的手感通道封闭起来，产生虚拟触动感。系统采用语音识别器让参与者对系统主机下达操作命令，与此同时，头、手、眼均有相对应的头部跟踪器、手部跟踪器、眼睛视向跟踪器的追踪，能够使系统达到尽可能的实时性。

第三种：分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统（DVR）是基于网络虚拟环境，在这个环境中，多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机和网络对这个虚拟环境进行观察和操作，从而实现与其他用户的交互，并共享信息。分布式虚拟现实系统的特点就是可以实现实时交互，资源共享，用户互动。当然虚拟现实系统最基础的特点就是模拟现实，有真实感。

2 国外VR教学的研究现状

目前，国外的一些公司已经研究出来应用虚拟现实技术的教育系统，而且国外的一些学院已经已经开始使用VR教育系统。zSpace首席执行官Paul Kellenberger表示：“zSpace一体式教育系统更先进，使用起来更加简单。我们想颠覆学校使用技术的方式，我们并非生活在一个扁平的世界。作为一个企业，我们的目标是让尽可能多的人了解这种互动和虚拟现实体验，zSpace教育解决方案让学校将这一切都变成可能。zSpace由一台单独电脑和VR显示器组成，并配备有触控笔，帮助学生操纵虚拟3D物体，加强学习体验。此外，zSpace还成立了专门的STEM实验室。在美国，已有上万的学生正使用zSpace STEAM（science科学， technology技术， engineering工程， art艺术， mathematics数学）实验室课件进行学习。此外，坐落在德克萨斯州的Trinity University也将VR设备用于校园文化的推广和普及上，并取得不错的效果。

3 国内VR教学的研究现状

北京微视酷（VRschool）科技有限公司是中国专业的VR教育软件研发机构，他们利用其领先的VR技术，结合教学实际需求，成功自主研发了“IES沉浸式课堂”系统，为国内教学提供了VR（虚拟现实）教育应用整体解决方案，成为未来学校和智慧课堂的教育改革技术先锋。2016年4月5日下午，北京中关村第二小学与北京微视酷科技有限责任公司合作的VR虚拟现实“IES沉浸式教学系统”公开课正式开讲。现在国内提出把VR技术应用在教育领域的公司还包括：新东方、百度、巧克互动、网龙、安妮股份、厦门创壹软件等。其中，新东方和乐视在2015年达成初步合作意向，双方将在英语课堂实现VR教学。安妮股份也启动了虚拟现实项目，以虚拟现实技术开发儿童教育产品。百度则计划2017年在贫困山区的学校构建一些VR教室。此外，一家名为“巧克互动”的创业公司，也宣布将VR应用在英语教学上，试图实现在虚拟场景下的在线直播功能；厦门创壹软件则研发了全国最大的虚拟现实三维互动在线教育云平台；网龙近期也宣布正在从硬件、技术和资源三个层面着手，研究VR在教育行业的落地。因此，VR技术将会进一步走入人们的生活，不仅在游戏领域，也将会越来越多的应用在教育、医学等其他领域。2016年4月8日，VR及虚拟仿真实践教学信息技术应用研讨大会在广东工业大学举行。研讨会上，上海曼恒数字有限公司的技术专家与广东工业大学的学术专家进行了专题演讲，同时，双方合作成立的VR&AR技术研究联合中心以及虚拟仿真技术研究中心也在研讨会上揭牌。这意味着，VR技术将在教育领域寻求更深的合作空间。

4 VR虚拟教学的特点

1）利用VR技术设计逼真的三维虚拟环境，能够使学生置身于虚拟的3D学习环境中，体验真机实训不可能观察到的各部件以及重要部件独立工作的原理，让学生能够自己动手操作仪器，更好地了解仪器设备的构造、安装与操作。

2）充分利用并行虚拟现实系统的可交互性，让学生与学生、学生与老师之间可以像正常教学那样互动的同时，体验平时不可能体验到的情境中，同时可以利用并行虚拟现实系统的共享性使所有学生可以共享资源，激发学习兴趣，提高学生的自主学习能力和操作能力。

3）学生可以不受时间和空间的限制，自己可以在任意的时间和地方利用VR教学设备学习，学习内容也可以根据自己的兴趣和天分而定。与传统的教学方式相比，节约了时间，提高了学生的学习效率，同时充分挖掘了学生的兴趣爱好。

4）支持远程应用及管理，VR教育系统的平台采用服务器与用户端的模式。学生和老师通过用户端申请账号和密码进行登陆，然后访问服务器，进行相应请求模型数据的传输。这样既可以教学，同时学生和老师都可以在设备上学习，并且得到真人“面对面”的教学，这样的教学方式比寻求家教更加方便，更加高效。

5 VR虚拟教学面临的问题

1）VR产品的价格与功能方面也存在悖论

功能越丰富，价格越高，买的人就越少；但走廉价路线的VR产品，又因产品性能不过关，用户体验不好等原因无法一直“红”下去。因此，以最低成本提供最好用户体验才是产品迭代的核心和必经途径。

2）内容与硬件质量不匹配

虚拟现实技术的研究人员不断地在提高硬件设备，但是由于VR设备比较昂贵，一般人都消费不起，因此不能够广泛地被大家所了解和使用，因此缺乏创新型的内容。教育重视内容，重视质量，重在新颖，内容是根本，技术是手段。但是目前的VR教育设备因为价格、技术等原因，很难推广，很少有人了解这个东西，因此，VR虚拟教学系统缺乏创新的内容，也无法做到实时的更新内容。学生在使用过程中，只会刚开始会有兴趣，等到熟悉虚拟设备的所有内容之后就会觉得乏味，枯燥，根本达不到丰富知识，激发创造力和潜力的效果。

3）长时间佩戴，学生依然会产生晕眩和不适感

眩晕是因为眼睛感受到的画面和身体感受到的运动不协调。有数据表明，头动和视野的延迟不能超过 20ms，不然就会出现眩晕。低于20ms 的延迟对于 VR 设备的技术要求很高，设备一方面要精确地测出头部转动的速度、角度和距离，还要及时渲染并显示出画面，这一切都需要在 20ms 以内完成。所以VR产品，一定要保证画面的稳定流畅和信息的同步。

解决眩晕的另外一个办法，就是降低余晖，低余晖头就是使物体的轨迹更加接近于物理世界的真实轨迹，在一定刷新率下不会产生让人能够觉察到的拖影。要达到这个目的，只能使用 OLED 等新型显示器，由于其每个像素都是主动发光的，所以 OLED 屏幕可以做到低余晖。

4）功能依然不够完善，用户体验需要加强

目前VR教育系统的研究仍旧处于初级阶段，它所包含的功能不够完善，我们看到目前国内的VR教育系统都是提供一些简单的三维场景，用来还原课程内容场景，让学生更好地融入到事件发生情境中，更好的理解一些公式及其原理。

5）缺乏庞大的资源库

一个完善的VR教育系统必须拥有庞大的资源库，才能够满足用户的需求。我们知道虚拟现实设备主要是通过对图像进行处理，然后通过从人体接受过来的感官信号对图像进行变换，然后利用显示设备 展现出3维立体影像。这些都需要庞大的存储区域才可以实现，同时我们对于完善的虚拟现实教学设备而言，他不仅要存放一种学科的全部理论知识点，3维模拟场景影像，还包括学生的学习记录，学生查询的相关资源，教师考核试卷资源等等。由此可见，VR教育系统必须要建立一个庞大的资源库，但是目前对于一般的学校而言，还不能做到，但是未来，我相信科研者肯定会解决这个问题。

6）对网络通信带宽有较高的要求

分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结，这个特点正好满足多个学生和老师在虚拟情境中进行交互，共同学习。但是，在分布式虚拟现实系统中，网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带宽需求也随着增加。因此，分布式虚拟现实系统对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。

传统的教育模式已然不能够满足当今社会对人才的需求。传统的教育模式下，老师讲，学生跟，根本不能够发挥学生的个人特色和创新能力，因此这是一种被动的教育模式。在这种教育模式下，学生很难发挥积极能动性，学生的学习效率也不能达到最高。同时，在传统的教育模式下，一个老师带领很多学生，很难做到个个兼顾。因为每个学生接受新知识的速度不一样，领悟力也是参差不齐的，所以很难找到一个平衡点。更重要的是，老师的教学也有自己的个人特色，有些同学可以接受老师的教学方式，然而有些却不能接受，这也是很难调节的。另外，传统的教学教材都是教科书为准，涵盖的知识面比较窄，内容有限，不能够满足学生对大量知识的需求。

利用虚拟教学系统可以打破时间和空间的限制，可以模拟各种学生学习工作中遇到的各种问题，对学生提出的各种假设构造模型，激发学生的创造力和潜力，同时有利于学生的技能训练。同时，学校可以利用虚拟现实教育系统建立各种物理、化学、生物、地理虚拟实验室，可以节省实验材料，同时不限次数的反复操作。通过推广标准化沉浸式教学内容，能让不同级别的学校享有均等的教学环境，缓解优质教学资源缺乏的问题。

因此如果把虚拟现实技术与教育有机地结合，教育与社会需求之间的差距将得以缩小，这将对未来的教育产生深远影响。