虚拟现实在教育领域的应用：机遇与挑战

徐舒婕

（安徽师范大学 教育科学学院，安徽 芜湖 241000）

计算机网络与通信技术、仿真技术与人机交互技术等科学技术的飞速发展使得人类的学习方式发生了巨大变革，教育手段也从文字发展到图像、从多媒体技术逐渐向虚拟现实技术演变。虚拟现实技术与教育的结合从20世纪80年代开始，进入21世纪后由于各种虚拟现实设备的诞生，虚拟现实在教育中的应用变得更加广泛。这种趋势使得许多国家相继开展了关于虚拟现实的研究项目，其中以澳大利亚和新西兰在2009年合作成立的虚拟世界工作组和美国林登实验室开发的 Second Life项目最为显著[1]。而且自2011年起，全球每年都会举办关于虚拟现实技术的专业国际会议。

虽然和西方发达国家相比，我国虚拟现实技术在教育中的研究较为落后，但是我国十分看好虚拟现实与教育教学融合发展的前景。在政策方面：《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》指出虚拟现实技术现已成为信息技术领域重点发展的三大前沿技术之一[2]；《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》将虚拟现实技术列为十二项教育技术的重要发展之一[3]。在实践层面：到2016年为止我国已经建成了300个国家级的虚拟仿真实验教学中心和35个虚拟现实科技馆项目[4]。尽管虚拟现实的前景十分美好，但是现实中仍然存在许多问题与挑战，比如虚拟现实本身存在的技术难题挑战，以及与传统课堂的融合问题等，只有解决了这些问题才能在真正意义上实现虚拟现实与教育的融合。因此，本文通过探究虚拟现实在教育领域的机遇与挑战，以期为有关“VR+教育”的实证研究奠定理论基础。

一、虚拟现实的概念与特点

目前，学术界对于虚拟现实的定义尚未完全统一，但是在总结各个学者所下的定义之后，我们发现虚拟现实的概念包含了三方面的含义：其一，虚拟现实是通过计算机生成的相对人体而言在视觉、嗅觉、听觉、触觉四方面均有真实效果的“实体”；其二，用户通过头动、眼动、手势等其他肢体动作与这个“实体”产生交互行为；其三，这些交互行为必须要利用三维设备和传感设备才能实现。也就是说，虚拟现实是综合多种技术模拟产生了一个虚拟的空间环境，在这个环境中用户借助特定设备获得视觉、听觉、触觉等感受，从而产生身临其境的体验感。由此可以看出，虚拟现实具有三个特点：沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指使用者在佩戴产品设备之后感觉自己像是处于一个真实环境中一样，计算机技术为用户创造立体显示产生了视觉沉浸、立体声产生了听觉沉浸、力反馈产生了触觉沉浸、虚拟嗅觉产生了嗅觉沉浸，让用户有一种身在真实世界中的感觉；交互性是指用户可以通过输入输出设备操纵计算机模拟出来的虚拟对象，并且虚拟对象会根据用户的行为做出相应的反馈；想象性是指在虚拟现实系统中能够实现现实中不可能出现的景象或物体，并且可以将用户脑海中抽象的想法变为可视化的形象。这三个特点打破了真实环境的局限，克服了传统教学环境的弊端，使用户能在虚拟环境中充分发挥想象力，提高学习兴趣，增强学习体验感。

二、虚拟现实在教育领域的应用

虚拟现实技术具备的三个特点使其在教育领域的应用中具有独特优势，它所创设的虚拟课堂和虚拟校园既能满足学生对基础学科的学习，有助于学生理解抽象、复杂的知识内容；又能满足学生学习专业技能时所需的严苛条件，提供逼真的虚拟训练环境；还能促进远程教育和特殊儿童教育的发展，其应用潜力巨大、前景广阔。

1.虚拟现实技术创设学习环境

利用虚拟现实技术可以呈现逼真的场景，实现在真实世界中无法实现或难以实现的事，使学生更直观、深入地理解知识，使教师更快速地得到学生的反馈。比如，学生可以开展有危险性的实验而不用担心人身安全，可以观察动植物在各种条件下的生长状况而不受外在环境的影响，可以远距离遥控手术的操作而不受时空的限制。另外，虚拟现实技术加上增强现实技术还能创设多用户的虚拟学习环境，即学习者能以第一人称视角行走在虚拟的校园场景中，并且能与其他虚拟学习者沟通交流。虚拟校园里不仅可以提供有学习者资料的图书馆，还可以有提供学习者上课的教室，甚至可以按照个人喜好设计校园的建筑风格。曾经在美国十分受欢迎的网络虚拟游戏Second Life以及当今国际上十分流行的虚拟现实软件VR Chat都是以第一视角和小组的形式开展交流活动，这种沉浸式的学习体验使学习者更容易投入到学习情境中，而且和传统的网络教学相比学习者更具参与感和认同感。VR Chat就被国外一所大学运用于远程教学，使学生在学习过程中获得了沉浸感，可以说部分实现了虚拟现实技术与教学的融合[5]。

2.虚拟现实技术满足特殊训练

虚拟现实技术与仿真技术等其它技术的结合能够创设出与真实训练环境相同的虚拟训练系统。和真实训练环境相比，虚拟训练系统能够优化教学环境、降低训练危险、减少培训成本、增强学生学习专注度。不仅如此，虚拟现实的沉浸性特点还有利于转变传统教学中以教师为主体的教学模式，有利于增加学生学习的主动性和积极性，使学生成为教学活动的中心，这些优势恰好是一些需要学生亲自动手操作、演练的实践课所需要的。例如模拟飞行的训练，飞行员在虚拟环境下不仅能进行多次的飞行演练及战术训练，还能在实际飞行过程中尝试难度大、危险性高的动作。在仿真系统中，飞行员所有感官获得的感受都有助于快速掌握飞行技能。除了特殊训练外，物理、化学、生物等学科的虚拟实验也被广泛应用于教学领域，未来将会是一个应用热点。比如，在虚拟的实验环境中，学生能够更仔细地观察燃烧、爆炸等危险的化学现象，探究复杂的物理原理，开展高精度的生物实验，以更直观的形式接受知识、学习技巧。

3.虚拟现实技术促进语言学习

借助技术手段能够保障所有学习活动的开展，达到促进学习的效果[6]，语言学习也不例外。技术促进语言学习不仅是指利用技术促进学习在语言学习系统中的应用，还是指利用技术创设语言环境开展学习。通常，技术在促进语言学习方面会存在一定困难，比如由于技术的限制无法创设恰当的语言使用场景，使学习者的代入感不强，也不能针对每个学习者的特点提供个性化学习的需求。而虚拟现实技术恰好可以弥补这些缺陷，它能够根据学习者的要求创设所需要的语言环境，并通过游戏的形式学习语言。已有相关实验表明，在虚拟现实环境中练习口语的学生，其语言表达水平有所提高，平时容易害羞的学生进步则更大。

4.虚拟现实技术辅助特殊教育

虚拟现实技术对特殊儿童群体的教育有极其重要的作用。特殊儿童群体包括聋哑儿童、盲童、自闭症儿童等，由于一些原因，使得他们在某个或多个生理机能上弱于常人，尤其是自闭症儿童，因为自闭症儿童在社会交流、情感表达和自我认知障碍方面都存在严重缺陷，在接受教育方面会遇到很多难以克服的障碍，所以传统的教育方式并不适合他们。而虚拟现实技术可以帮助自闭症儿童进行学习交流，已经有实验证明，虚拟现实技术不仅能够提高自闭症患者的情感识别和情绪控制能力，还对社会归因和类比推理等方面有促进作用，虚拟现实因此成为辅助自闭症儿童进行学习的一种教学手段。

三、虚拟现实教育应用具备的机遇

1.促进知识和技能的迁移

在传统教学中，学生通常是在脱离真实情境的情况下接受知识的，缺乏主动摸索和尝试的机会，不能及时运用所学的知识和技能解决实际问题，从而导致学生的迁移能力普遍不强。由于虚拟现实能为学习者营造出符合知识、技能应用的场景并能提供即时反馈，使学习者可以将在虚拟场景中学到的内容迁移到真实环境中，实现情境式学习[7]，因此，对于复杂空间关系的理解和物体内部结构的学习可以通过虚拟现实技术完成。比如化学的分子结构和几何的空间关系。此外，对于一些抽象、晦涩难懂的概念，也可以通过虚拟现实技术创设相应情境促进学生知识、技能的迁移。

2.提供丰富的个性化学习环境

我国自古以来就有“因材施教”的教育理念，但由于学生数量众多、师资力量有限，长期以来只能实行程序化和标准化教学。随着技术水平的进步，计算机在教学中的应用范围越来越广、作用越来越大，渐渐改变了传统教学的形式，但是技术水平的限制使得个性化教学并未真正实现。虚拟现实技术满足了学生能够按照自己的喜好设计教学环境的愿望，也满足了学生根据自己的个性特点和学习风格设计教学环节的需求。因此，虚拟现实能为学生提供比传统教学和远程教育更多样化的学习情境，能给予学生更高效的自主学习体验。

3.激发学生的学习动机

在教学过程中，一部分学生常常被课堂上发生的细微变化吸引而转移注意力，还有一部分学生由于自身个性特征等原因很难集中注意力，而且教师和学生人数的比例差异过大使得学生不能拥有教师同等的关注度，容易产生心理落差从而影响其学习的热情。因此，如何激发学生的学习动机一直是教师亟待解决的问题。虚拟现实环境恰好弥补了这些缺陷，其沉浸性特点能让学生产生深度学习的体验感，其想象性特点能让学生进行个性化学习，其交互性特点则能让学生和学习环境产生互动行为，学生由此获得了生理和心理上的满足感，也增强了学习动机。

四、虚拟现实教育应用面临的挑战

1.技术难度制约教育应用

虚拟现实技术目前仍存在着很大的问题。在图像显示方面：设备呈现的视觉范围较小，清晰度不够，甚至会有重影的现象，用户观看久了容易产生眩晕感。在设备使用方面：虚拟现实的头戴式显示设备不够小巧轻便，用户不宜佩戴时间过长，否则会出现疲劳、恶心等症状，而且设备必须要通过数据线与主机连接才能保证其正常运行，因此使用者体验起来十分不便。在技术难度方面：采用虚拟现实技术设计教学内容需要教师具备一定的技术基础，而设计出完整的教学方案通常需要一个专业的团队来完成。以上三方面因素均限制了虚拟现实在教育领域的应用。

2.认知负荷超载

虚拟学习环境是由计算机模拟多个图像、文字和声音的信息组建而成的，从听觉、视觉、触觉等通道让用户产生真实的感觉，这些信息给学习者带来了沉浸式的学习体验。但同时，丰富的信息元素给学习者造成了认知负荷超载，多重感官的刺激则会分散他们在重难点知识上的注意力[8]，使学习者无法在第一时间准确地判断和获取最重要的知识。因此，在构建虚拟现实空间环境和设计教学内容时应该借鉴认知负荷理论，并提前掌握学习者的知识结构和接受信息的能力，防止信息超载现象发生，以免影响学习者的知识建构和注意力的集中。

3.缺乏有效的学习监控和评估工具

在传统课堂上，教师对学生的学习状态一目了然，但在虚拟环境中，教师很难通过观察学生的神情和行为来判断学生在虚拟学习环境中是否处于学习状态。虽然有研究显示虚拟化身的行为能代表学生的真实状态，教师可以据此加以辨别，但是学生在虚拟学习环境中的所作所为并不完全与真实世界中相同。因此，为使教师能掌握学生的学习动态，为了教学活动能高效进行，我们需要开发有效的监控和评估工具，使教师能及时了解学生的学习情况，对学生的学习结果做出正确评价。然而，即使虚拟现实系统能够用数据记录下学生的学习过程，但是如何通过分析数据达到有效监控学习行为、评价学习结果的目的，目前仍没有具体的可操作方案[9]。

目前，虚拟现实技术在教育领域具有极其广阔的应用前景，虚拟现实的固有优势意味着“VR+教育”将成为未来教育及其重要的一个发展趋势，将会推动教育教学改革进一步发展，而且还将提高教育水平、丰富教育资源、改善教学环境，为学习者提供个性化学习服务，让学习者在学习中获得成长与进步。虽然现在虚拟现实与教育的融合才刚刚开始，并且面临技术与教学的双重挑战，但是伴随虚拟现实技术的不断发展与提高，虚拟现实与教育的融合将变得逐渐广泛和深入。未来，虚拟现实技术存在的挑战一定会得到有效解决。