浅谈虚拟现实技术的教育应用

裴培

（陕西师范大学 教育学院，陕西 西安710062)

近年来，随着物联网技术、可穿戴技术、云计算等技术的快速发展，虚拟现实技术逐渐渗入人们工作、学习生活的各方面。上世纪八十年代，就有虚拟现实技术在教学中的应用案例，只因当时的硬件发展水平较低，因此未得到广泛的关注。而在21世纪，随着硬件的快速发展，虚拟现实技术也得到了较快的发展，不仅为教师教学创设了新的教学环境，增添了新型教学工具，还有可能孕育出新的教学策略、方法以及模式。此外，它还为创客教育、STEAM教育赋予了新的生机与活力[2]，激发学习者的学习兴趣，促使他们在愉快的心态下在体验中学习，进而培养其想象力与创新思维，为发展21世纪学生的核心素养提供保障。

一、虚拟现实技术概述

1.虚拟现实技术的定义

当前，对于虚拟现实（Virtual Reality，VR）的定义，仍然众说纷纭，但是从总体上来看，其本质没有发生变化，人们普遍认为VR是一种计算机仿真系统[3]。VR是一种通过多种技术，利用计算机生成逼近现实的模拟情境，模拟人的多种感觉行为，借助头显、手柄等装置进行自然的人机交互，给人以身临其境般的体验的技术。

2.虚拟现实技术的特点

对于VR的特征的认识，大多数人比较认可Coiffet与Burdea G的说法，即沉浸性、交互性与想象性[3]。

（1）沉浸性（Immersion）

沉浸性，简而言之就是用户感到自己本身是模拟世界中的一部分，具有“感同身受”、“身临其境”的感觉，像在真实世界中一样具有主动性，参与虚拟世界中的活动。当人们在任意位置，深处VR环境时，都可以像鸟类一样体会翱翔的感觉，像游鱼一般体验水浪搏击的痛快，而这比之普通的视频给人类带来更为震撼的体验。

（2）交互性（Interactivity）

交互性，主要是指用户与虚拟环境中的对象交互操作。过去，人们主要以键盘、鼠标等设备进行人机交互，而VR环境中的交互，主要是由人以手势、体式、语言等自然方式与计算机进行互动，这样，人可以感觉到自由落体、粗糙、疼痛等多种感觉，仿似在真实情境中一样。

（3）想象性（Imagination）

想象性，主要是指VR为人类认识和改造世界提供了崭新的方法，促使人们思考并构想真实世界中并不存在的事物或者当下没有条件一览的事物，进而提高认识，加强联想。例如，学习者可以利用Tlit Brush、Blocks等工具进行三维创作，抓住一闪而过的灵感，使头脑中想象的事物像搭积木一样变为现实。

但是，也有部分教师及家长认为VR的使用可能会限制学生想象力的发展，主要是因为VR可以将抽象的知识具体化、场景化，这种“一览无余”的呈现手段，在给学生带来多种感官刺激的同时，却在时间、空间上都给他们带来了想象与幻想的限制，可能会造成学生的“同质化”发展，阻碍了教师对其创造性的培养，不利于学生个性化的发展。当前，对于VR是否能有效提高用户的高阶思维（如批判性思维、创造性思维等）的培养与发展，还缺乏大量的实证研究与实验数据支持。

二、虚拟现实技术在教育中的应用

根据Edgar Dale著名的“经验之塔”理论以及美国缅因州国家训练实验室提出的“学习金字塔”理论，可得知学习者参与学习情境的程度愈高，记忆亦愈牢固。VR课堂带来的沉浸感促使学习者在虚拟情境中进行任务的操练。学习者可操控各种物品，与复杂的各种方程式、天体、古建筑等进行三维互动。再者，VR技术带给学习者全新的学习体验，对于激发他们的学习积极性与创造性也大有裨益。以下主要从课堂教学、实验教学以及安全教育三个角度进行阐明。

1.理论知识——课堂教学

常言道，“耳听为虚，眼见为实”，在教师的教学经历中，常常会遇到有些学生考试成绩很不错，在课堂上对于教师提出的问题也可以流利应答，但是他们本身又对学习到的知识存在困惑、批判或质疑，这与他们对内容的理解或想象存在偏差不无相关。VR对于纠正学习者对概念理解的偏差或者加深与验证正确的理解有一定的帮助。

从心理学的角度来看，学习者对于“放大”自己、“缩小”自己以及“穿越时空”很感兴趣。所以，当学习者借助VR，佩戴相应设备，遨游太空，感受整个太阳系就摆在自己面前，“亲眼”观看太阳系中各行星的表面状态、运动轨迹及其相应位置时，更能准确且深入地理解所学地理知识，体验“放大”自我的乐趣。当学习者借助VR，仿佛进入显微镜下的世界，感受血液的流动，用触控笔剖开细胞，观察细胞的结构，体会细胞的增殖及新陈代谢。而且，借助教育游戏还可以模拟癌细胞与正常细胞的变化，理解这两类细胞的特点，感受“缩小”自己的乐趣。当学习者借助VR，“穿越”到白垩纪时期，可以亲自观看恐龙的生活习惯及其生活环境，让想象更丰满，写出更具震撼力的作品，绘出更炫目的画作。

VR为学习者在课堂上进行合作学习也拓宽了思路。例如，zSpace所推出的一体式虚拟现实解决方案，不必佩戴笨重的3D眼镜或头盔，学习者就可以轻松进行协作学习与个性化自主学习。

2.实践操作——实验教学

虚拟现实仿真实验室为师生开展实验教学与学习提供了重要平台。在一些技能训练任务中，学习者可以借助虚拟实验室按需进行数次操作练习，这样，学习者在不断的假设、实验、验证等过程中逐渐提升批判性思维、问题解决能力，进而提升自身核心素养。

图1 VR仿真实验室

例如，Michael Bodekaer团队借助智能手机与VR头盔为学习者提供了全方位模拟的价值百万的常春藤实验室（如图1所示），学习者可以利用实验室中的各种设备做多种多样的实验，如聚合链酶反应（PCR）、琼脂糖凝胶电泳等等[4]。此外，虚拟现实仿真实验室中还包括下一代的基因测序机器、显微镜、学生自己的实验机器设备以及智能平板，学生可以用它查询相关知识，观看相关视频及其他内容。更重要的是，实验室中还有作为学生实验助理的教师，可以指导学生在实验室中完整的操作。VR实验室还为学生提供了PCR机器，有了它，学习者能够获得即使在现实实验室中也不能尝试的经历与体会，PCR机器允许学习者在理论上将自己缩小一百万倍，几乎与分子大小一般，切实体会到实验对象正在发生的变化。

众所周知，教师在开展实验教学中最先突出强调的就是实验操作的安全性问题，而VR实验室对于降低安全风险有一定帮助。比如做关于沙氏门菌的认识这一实验，基于安全性的考虑绝大多数学校都不会安排实验课，然而这一实验内容又包括极其重要的知识点，这样，VR实验室就可以“一展拳脚”了。

此外，也有专家研究采用VR教学对学习者学习效果的影响，例如有心理学家对来自斯坦福大学和丹麦技术大学的160名学生进行准实验研究，即将实验对象分为2组，实验组采用VR实验室教学，对照组仍采取传统教学方法，在相同的时间内开展教学，结果表明，实验组比对照组学习效果高76%，研究人员进一步的实验还表明，当教师采用VR实验室教学并加以现场指导时，学习者的学习效果提高了101%，实现了翻倍的可能。当前，对采用VR进行教学的应用效果的研究，从整体上来看，绝大多数研究都表明VR在教育领域存有巨大的潜力，对学习者的学习具有积极的影响。

3.安全教育

当前，国内甚至国际上越来越强调“以人为本”的理念，因此，安全教育就更是具有举足轻重的地位。但是，传统的学校安全教育方式主要是理论灌输或者在理论知道的前提下进行实地模拟，而只采用理论教导进行安全教育，常常会产生效果甚微的结果，当理论教导与实地模拟相结合开展安全教育时，又需要花费大量的人力、财力来部署模拟环境，在实地操作时，甚至可能发生事与愿违而又无法估量的安全事故。

而将VR运用到安全教育环节，有可能减少以上损失，甚至达到事半功倍的效果，使学习者在安全体验中实现安全教育的目标。这是因为VR可以根据学习者自身特点、灾害类型以及灾害大小为他们提供有效的应急方案，学习者在安全体验中可能会感到重物冲击身体的疼痛感，感到规避障碍物的成就感，感到洪水淹没的窒息感，当其完成一次体验后，VR会根据学习者的运动数据给予反馈，而学习者可以据此进行新一轮的体验，逐渐提高自身安全意识以及应对风险的实践能力。

三、虚拟现实技术运用于教育领域所面临的挑战

将VR引入教育领域，除了因为其自身沉浸性、交互性等特点外，还因为借助VR在一定程度上能够体现出建构主义理论以及认知理论的要求，此外，部分相关实验也表明VR对于学习者的学习具有积极影响[5]。但是，从教师、学生、教学内容等教学要素来看，将VR引入教育教学领域，仍然面临巨大的挑战。以下主要从媒体技术的性能、教师的教学内容、学生的操作技能三方面进行说明。

1.提升人机交互的自然性

虽然VR头显设备能给人带来沉浸感，但是用户的体验效果并未达到理想效果，比如对眩晕问题的处理就并未完全实现突破性的进展。因此，未来VR的发展需要采取更适合于人的多种感官知觉以及语言的人机交互方式，促进用户之间的沟通与合作。

2.改进教学内容的科学完整性

VR应用于教学中也存在多种多样的问题，对于教师而言，所面临的挑战主要突出体现在VR教学内容设计的科学性与系统完整性。VR在教学中若要实现规模性的发展，就需要学校、企业、教师、研究人员等根据学习者的学习风格、学习策略等学习特点，开发与设计系统而又完整精良的VR教学内容，其中还包括VR教学情境、知识点等多种内容的规划与设计，促使学习更加有效地发生，并避免学习者认知负荷超载[6]。此外，VR应用于教学时，教师对学习者的学习过程及结果的评估也存在困难，因此研究人员需要对该模块进行更加细致的开发，教师也要采取辅助方法加强对学习者学习过程的跟踪与记录，最终利用数据进行科学有效的评估。

3.提升操作实践技能

对于学习者而言，VR应用面临的挑战一方面体现在学习者的VR操作技能上，部分学习者不能熟练操作VR设备，完成教学任务。然而，学习者若对VR产品不能灵活熟练地进行运用，就可能会产生抵触情绪，甚至引发焦虑，最终与教师期望背道而驰，影响教学效果。因此，教师以及相关研究人员需要针对这一现象对学习者开展相应的技能训练，以适应信息时代生存与学习发展的需要。

四、总结与展望

在信息技术与课程不断融合的信息时代，可穿戴技术、自适应学习技术、3D打印等新技术不断渗入到学习的方方面面，VR也因其自身优越性及其对教学的促进作用，颇受教育工作者的青睐。比如，VR的沉浸性特点对于激发学习者的学习兴趣、进行个性化学习以及培养其合作探究能力都发挥出一定的积极作用，而且在技术应用过程中，对于培养学习者的创客精神及核心素养也具有重大意义。

但是，国内对于VR的教育应用还处于尝试的初级阶段，VR自身在设备性能、资源设计、教学方法、教学评估等方面仍面临巨大的挑战。此外，还要注意避免舍本逐末，重视技术而忽视教学的现象的发生，始终秉持技术服务于教学的理念。要实现VR与课程的融合还有很长的路要走[7]，需要学校、政府以及相关企业鼎力配合，共同挖掘VR的潜能，设计并开发优质资源，使之更好地满足智慧教育的需求。随着软硬件技术的不断发展，相信VR有朝一日定能在教学中发光发亮。

参考文献：

[1]张枝实.虚拟现实和增强现实的教育应用及融合现实展望[J].现代教育技术,2017,27(1):21-27.

[2]王同聚.虚拟和增强现实(VR/AR)技术在教学中的应用与前景展望[J].数字教育,2017,3(1):1-10.

[3]丁楠,汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用:优势与挑战[J].现代教育技术,2017,27(2):19-25.

[4]Michael Bodekaer，This virtual lab will revolutionize science class[EB/OL].http://www.ted.com/talks/michael_bodekaer_this_virtual_lab_will_revolutionize_science_class，2016-06-07.

[5]单美贤.虚拟现实与教育相结合的理论依据[J].开放教育研究,2001(6):23-25.

[6]Maciasdiaz，J.E.(2008).Numerical study of the transmis-sion of energy in discrete arrays of sine-Gordon equations in two space dimensions［J］.Physical Review E Statistical Nonlinear&Soft Matter Physics,77(2):981-984.

[7]喻思娈.虚拟现实，路还很长[N].人民日报,2016-06-06(018).