VR技术在教育场景中的优势与改变：体验、可视化与建构主义

陈思昆　伍毅

摘  要：每一次新技术的加入都会有大量的簇拥者指出该技术的优越性，而VR技术的优势已在各行各业中展现出来，教育行业中亦是如此，现有研究多是针对某一特定主题或将VR技术的特点直接认作其在教育场景中的优点，本文试图找出VR技术的特点究竟是如何能帮助到学习者，带来了什么改变。以期帮助教育从业者更好地认识VR、接受VR、并正确使用VR技术带来的利好。

关键词：VR技术;信息化教育;实训室;建构主义;可视化;传媒技术

中图分类号：TP393       文献标识码：A

文章编号：1671-0134（2020）04-121-05                                     DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.04.035

本文著录格式：陈思昆，伍毅 .VR 技术在教育场景中的优势与改变：体验、可视化与建构主义 [J]. 中国传媒科技，2020，04（04）：121-125.

虚拟现实技术及相关产业自2016年开始火爆，遭遇2017年的短暂遇冷后，如今稳步发展，据《虚拟现实产业发展白皮书2019》，2019年虚拟现实产业总体规模增长迅猛， 2019今国内市场就将超过500亿，全球市场将突破千亿。

在如此发展势头下，虚拟现实技术应用带来的影响已经被投射到各个领域，如制造、医疗健康、商务贸易、文娱产业等行业中均有体现。除上述的领域外，教育行业中虚拟现实技术的应用也有诸多出彩之处，各类教育应用场景不断加速落地。大量研究与文献已经指出了应用虚拟现实相关技术给教育领域能带来正向的推动作用，但现存多数研究聚焦于虚拟现实应用在教育领域下某一特定主题中的探讨，且习惯列举虚拟现实展现出的普遍特点并将其直接作为虚拟现实技术在教育场景中应用的优点。而这些属性究竟如何在教育场景中产生正向效果，以及VR教育应用带来的根本改变是什么仍值得被详加探讨。因此，本文从以对VR概念的界定开始，探究VR技术如何在教育场景中起到正向作用，并指出VR在教育场景应用中仍存在的困境。

1.VR的定义

在讨论VR技术对教育场景中的优势以及带来的改变之前，本文将对VR的定义进行讨论。William Winn[1]指出“当一项新技术寻求他的身份时，在尝试定义它的过程中总是存在含糊与歧义。”VR作为学术用语虽然早在1965年Ivan Sutherland的论文中就已被提及算不得新技术，但其定义似乎仍不明确。

“人们对什么是虚拟现实这样的最基本的问题却躲躲闪闪，使得这一应该清晰的问题显得很模糊”。 [2]

本文借鉴当代现象学中Edmund  Husserl提出的描述法与自由想象法，对具有代表性的国内外现存相关研究与文献中VR的定义进行进行整合与对比：

（1）VR是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成各种逼真的情景，作用于用户的视觉、听觉、嗅觉、触觉使 用户身临其中，享受一种虚拟而又真实的感觉。

（2）VR是一种能够使人以沉浸的方式进入和体验人为创造的虚拟世界的计算机仿真技术。

（3）VR是使用计算机以各种配件去模拟人类的体验，目的是改善人类、机器及其他物种间所有形式的交流。

（4）VR是一种交互式的计算机系统，其速度与直观性是计算机从用户的脑海中消失，并使计算机生成的环境成为现实。

（5）VR是指以计算机系统为基础采用数字格式建构的一个完整的模拟现实。

（6）VR是一个计算机生成的、多维的、包容的、可被参与者视为有效认知的环境。

（7）VR是在自然与超现实环境中设置对象、属性以及关系。

（8）VR是人类与计算机和极其复杂的数据交互的一种方式。

（9）VR成为感知、感受与思考的方式，计算机通过控制输入的感觉去改变体验与情感最终改变思想。

上述关于VR的定义都表明了虚拟现实的某些重要内核，如定义1侧重虚拟现实的真实感、定义2強调了交互性、表述4指出了虚拟现实中界面的消失，定义8则强调了计算机至关重要的作用，但似乎每一条定义又不能单独将这个概念中包含的所有特征表述完整。

VR所能包含的内容似乎愈加宽广。在不同年代、不同落地场景，技术人员、人文学者或哲学家对这个概念的定义各有不同，如此看来VR这个概念似乎有了极大的跨学科性。在作为一个学术概念到转化成落地场景VR的发展历程使得的这个概念更像是一个包容的整体，正如周思跃与龚振邦所描述“现在虚拟现实成为一个大的集合，容量越来越大”。VR这个概念似乎无法轻易被简短精炼的定义所框定。

2.VR的特点

但在这个宽广的集合中本文仍找到七点共有的重要属性，分别是沉浸性、交互性、仿真性、想像性、自主感与拥有感与在场感，是基于1993年Grigore·Burdea提出的VR的“3I”属性immersion、interaction、imagination的尝试性的推进与拓展。

2.1沉浸性

即通过向用户提供感官信息使得用户能忽略身体实际所处的外部环境而沉浸在创造的虚拟环境中去，几乎所有的相关研究将沉浸性认作是VR的主要特征与优势，但同时在大部分研究中沉浸性被视作是一个单独且统一的概念，本文却认为将沉浸感分为生理沉浸于心理沉浸两部分似乎更有利于研究的深入。物理的沉浸取决于VR设备，更低的延迟、提供更多的感官信息等技术上的进步会带来更好的物理沉浸性。而心理沉浸性与物理沉浸性有不同的产生条件，契克森米哈耶[3]指出高心里沉浸性是明确的目标、及时的反馈与挑战与技能的平衡三者共振的结果。应此本文认为对VR沉浸性的讨论应从这两方面共同研究。

2.2交互性

指用户能够与模拟环境中的事物进行可行的操作，体现了VR创造的环境与使用者的关系。这里的VR的交互性必须与传统的交互性多媒体做出区分，传统互动多媒体总是考虑如何使得各种输入与操控设备变得不那么显眼从而提升交互性，但在VR环境中的交互性与其最大的不同在于界面的消失，即 用户在数据生成的环境中直接操作对象以及对象间的属性与关系，而这种界面的消失正是带来沉浸感的必要条件。

2.3仿真性

指VR系统对现实世界的客观反映，即对其生成的事物的本质与内在的模拟，VR创造的环境必须对其所还原的场景有一定程度的客观还原，才能为使用者带来真实感。

2.4想像性

关于想像性的定义在不同文献中存在一些分歧，在本文中，将其定义为在仿真性基础上更进一步的以一定的逻辑或以指代类比的方式去创造一些没有物理形式或物理形式无法被轻易感知的事物，VR可以模拟体现通常感官无法理解的概念或原理。

2.5自主感与拥有感

由Gallagher[4]提出的这两点共同决定VR用户在虚拟环境中的主导地位，自主感指一种感受到虚拟场景中的动作都是由自身发起的感觉，拥有感则是指正在动作的是自身的感受。结合起来便让使用者主动的积极的去发生动作并感受到发生动作的正是自己。

2.6在场感

指使用者产生身在VR系统模拟出的场景中的一种错觉，是情感在虚拟环境中发生的先决条件和必要中介，[5]即高还原度的现实模拟与感官信息输出本身并不能够带来使用者的情感体验，而是基于高仿真性与自主性，通过在场感为中介来影响使用者的情感体验，

在明晰虚拟现实的定义或者说重要属性后，本文基于这些属性对VR应用于教育中的优势进行分析。

3.VR在教育领域的优势

传统教育模式是以教师为主学生偏向被动接受的信息传递活动，由教师在学生进行实践体验得到个人感受前先行将一般观念传授给学生，这样的方式如今受到了挑战，如学习者容易获取大量的“惰性知识”，即被明确要求应用时却无法回忆的，无法自发用于解决问题的知识，学习者们在考试中取得优异成绩却无法表明他们真正了解自己所学的知识。正如郭露露[6]指出“‘知识中心与‘应试目标依然盛行，讲授法与机械训练仍是主流。”新一轮的基础教育课程改革也证明了传统的教学方式需要寻求突破。

已有大量的案例研究指出了VR技术的参与在教育场景中能在具体领域带来正向帮助，如提升学生的主动性;对社交能力与写作能力的推动;对培养创新能力的帮助;对第二语言学习的助益;乃至直接与学生的成绩表现有正向相关等。VR技术似乎有能力解决传统教育中存在的部分困境，本文将从三个部分对此进行讨论，学习体验的优化、新的可视化方式以及建构主义的学习方式。

3.1学习体验

首先是学习体验，这也是在相关研究中最频繁被提及的优点， Thorsteinsson&Denton[7]等人的研究指出学生喜欢在VR场景中学习并认为VR学习场景带来了更好的学习体验。而良好的体验是多种因素共振的结果，本文将着重讨论学习者的积极性、专注度与参与度三点因素。

积极性方面，在学习环境中加入新的技术会对学习动机产生积极影响，但更重要的是VR不仅作为一种新颖的教学方式更可以带来有别于传统教学方式的强大感官体验，“VR学习经历，会吸引学生的积极探索与参与，激发他们的学习兴趣及好奇心”。[8]这样的吸引力正是一般被认为较为枯燥的学科急需的，如在Yildirim的研究中指出在历史教学中通过VR重现历史地点或场景会给学生带来极强的存在感与临场感，并进一步提升学生对该学科的兴趣与积极性。[9]

专注度上，Thomas Davenport曾指出：信息消耗的是受众的注意力。教学也是一种信息的传递，需要靠专注度来维系信息传递的有效性，高专注度无疑将对学习效率的提升带来正面影响。而注意力有选择性的特点，即选择性的加工某些刺激而忽视其他刺激的倾向，“注意力的选择性导致想要得到对某事清晰、完整、深刻的反映，需要使其心里活动有选择地指向有关对象”。[10]VR技术带来的沉浸感体验可将学生与现实世界暂时隔开，符合了选择性的特点，通过避免了现实世界的大量干扰元素，加强了了学习者对所呈现内容的关注。需要注意的是，VR环境可能会提供一些以更好的仿真性和沉浸感帷幕目的而与教学目标无关的信息，这些信息也有可能导致注意力转移，而教师如何引导就成为了要点，在有效引導学习者注意力追随教学目标的情况下，将触发注意力的从众性特性，多数学生的注意力追随教学目标时会带动剩余学习者关注点与大部分人保持一致，整体上也能提高有效专注度。

更好地参与度源自VR的沉浸互动性，而交互性再提升用户的体验过程中有着重要作用。前文提到过相较于传统的互动性多媒体，VR的互动是完全不同的，虚拟环境中的三维模型与用户的互动更符合人们日常行为认知，这样的交互形式加上消失于环境中的界面带来了沉浸式的多感官交互模式极大提升了学习者的用户体验。这样的交互设计也使得学习不再是一个被动的过程，VR鼓励互动而不是被动，不再被动的等待教师教授，而是学习者主动与学习内容互动，意味着VR技术的加入使得从以教师为主的传统学习模式转向了以学习者为主的模式。

3.2新的可视化方式

VR可以提供一种新的可视化方式去理解这个世界，而非仅仅是对现实存在的还原与模拟，主要体现在尺寸、转化两方面上为学习者带来的全新的经验，配合沉浸式的体验使得学习者得感受以真实非真实，更形象的展示一些事物的特征或过程。

尺寸，毫无疑问的人对事物的观察受到相对尺寸的影响，尺寸决定了相对距离的范围，人眼视阈中，距离越近时物体越大，距离越远时越小，但人在观察某事物时无法不断接近或远离，因此人眼视角的观察是有局限性的。而VR技术带来的尺寸变化可以帮助我们打破相对距离的范围做到新的视角，以观察一棵树木为例，我们能不断的缩小自身放大物体，看到树干内部的纹路，甚至看到树木的细胞结构。相对地，还可以不断的放大自身缩小物体，看到树木与森林的关系。而这在教育上意味着，学习者能能从更微观与更宏观两个延展的角度去观察去思考，而非被局限在日常所见视角。

第二点是转化，在Winn的研究中提到虚拟现创造的环境具有的“转换器”功能，即将人类感官无法感受到的信息转换成数据输入VR系统并使得人们可以感受到。[11]VR可以将学习者本无法感受的信息转换成可被感知的信息，更进一步的能让学习者以沉浸的方式去理解这些信息。需要被明晰的是，转换是基于具像化的，在对于尺寸的讨论中更多被提及的是对现实存在的事物的扩展性的模拟，但转换则是对物理形式无法被人类感知或无物理存在形式的抽象概念的展現，具像化就是创造这些无法被感知的或抽象的存在的可感知形式的过程。这意味着，许多原本无法被感知的体验得已通过VR的转换使学习者多感官的去理解。而在这一过程中隐喻与类比似乎成为了表达和理解这些无法感知的或抽象的概念的重要关键。在Byrne与 Osberg的实例研究中，这样的方式都被证明是卓有成效的，通过隐喻或类比具像化概念，即转化，能提高学习者对这些概念的认识。

3.3建构主义的学习方式

紧接着，本文将分析VR在教育场景的应用中第三个优点，即VR使学习者可以基于建构主义的方式学习。叔本华在《论教育》中提到了两种教育的方式，自然的方法与人工的方法，人工的方式即听别人说，向别人学习，读别人的书，在自身观察世界之前脑中便以充满各种一般观念。相反，自然的方法是指一般观念在自身具体观察之后获得。叔本华认为自然的教育方式远远优于人工的方式，这个结论有待商榷。但，其论述仍提出了一个值得探讨的问题，获取知识，建立认知的过程根据一般性知识与实践的先后顺序划分存在两种方式，人工与自然，也即是传统的方式与建构主义的方式。

建构主义是由皮亚杰基于认知理论的批判继承上提出的，后为许多学者完善并发展，总体来说其核心观点是知识不是对事物本身的直接反映，而是以原有知识为基础通过人的实践与主客体的互动来实现与检验的。[11]

建构主义认为通过符号体现的一般性观念是无法还原个体的主观感受的，而知识需要在个体的主观感受上建构。本文认为建构主义的学习方式中最有意义的两点建树分别是：

（1）在建构主义观点中，强调学习者的主观能动性，认为学习是积极的、主动的，并非传统教学观中将学习认作一种被动的接受，而这种主动性在知识建构的过程中具有重要的支持作用;

（2）强调每个学习者都有自己的主观经验、知识结构，这是需要被重视与尊重的，而传统教学中提供的统一教学内容与评价标准就是对其的忽视，教育的重点是如何针对不同的学习者进行更有效的后继知识建构。

建构主义学习观并非新近的观点，但对其的实践道路却一直困难重重，VR技术的加入却让学习者得以更轻易的以建构主义的方式获取知识。VR创造的环境允许学生得到更多的实践机会，或者说允许他们以第一人称的方式获取认知，建构知识。这首先是基于上文中提到的VR特性可以很大程度上模拟现实的实践体验，甚至创造现实中难以体验的经验，而学习者在与这些被具像的学习信息的互动中，是在以自身已有的知识与经验为基础建构理解，教师从旁引导而不是指示。这带来了两方面的好处：

（1）学习者通过在虚拟环境中主动的互动实践得出的第一人称的认知，而这种认知无法从其他传统教育方式上获得，并且能很大程度避免惰性知识的形成，在技能类的学习中这尤其有效。

（2）学习者得到了可依据自身的特点和需求进行学习的可能性，在高度可定制化的虚拟环境中基于不同的经验与认知把握学习进度与着眼点要比在现实中更具可行性。

不仅如此，VR带来的学习环境不存在界面，意味着VR环境可以让学习者绕过符号体系建构知识。在一些学科或知识领域中，特殊的符号体系就像是开启学习之门的钥匙，是深入学习的先决条件。如数学上，必须掌握数学符号，化学上需要先学习化学符号，音乐需要学习音乐符号，掌握符号系统成为了传统第三人称教育方式中的必要条件，但很多学习者却将其认做了充分条件。William Winn指出对符号系统的学习掌握常被误认为对学科内容的掌握，很多学习者在真正开始学习之前，学习已经停止，这也是惰性知识的重要成因。而VR学习带来的直接的个人的学习经验与认知使得学习者获得了不借助相关的符号体系直接学习该学科内容的可能性。一方面这样的方式可以让学习者从非符号化的角度理解所学内容，帮助其对本质内容的理解。同时学科相关符号的学习常是被认作是相对枯燥的，暂且将其绕过，直接了解该学科本质或许更有助于激发学习者的兴趣与学习动力。

4.VR技术在实训教学中的优势

在讨论基于建构主义观点的VR教育场景应用时，传统的实训教学常被拿来做比对。自2005年起高等学校实验教学示范中心建设计划有力推动了实验教学和实验室建设，高等教育中与职业教育中，实训教学都是重要的组成部分。传统的实训方式可被分为两类：

（1）借助专业化的实训设备与设施，学生在专门的实训教师引导下，在规定的实训场地内展开实训教学活动;

（2）借助计算机互动多媒体软件模拟，对学生进行实训教学。

在上文中已指出了VR系统互动多媒体的区别，界面的消失带来了更多优点，因此相较第二种实训方式，VR实训更具优势。而第一种传统的实训教学与VR实训教学的差别在何处呢，本文认为VR场景中的实训教学或VR实训室相较传统实训具有安全性、经济性、灵活性三点优势。

4.1安全性

在实训教学中某些专业的实训会一些具有危险性的场景，如化工类实训场所，产生毒害放射性的物理实验等。由于实训教师的疏忽或学生的操作失误导致的事故也不在少数，而在VR场景中模拟这些具有危险性的场景在同样可获得第一人称经验的同时还可以为学生与教师带来绝对安全的实训环境;

4.2经济性

配备专业实训设备的实训场地需要投入大量资金，且设备的养护，折旧，更新甚至损坏都将带来许多后续的资金需求。而VR实训室则可以有效解决经济性的问题，并且同一间VR实训室建造完成后根据不同的资源输入可以用作不同学科的实训场景也减轻了建造多间不同学科实训室的经济压力。

4.3灵活度

在VR实训场景中学习者得到的灵活性类似非线性编辑系统，学习者可以依据自身情况在过程中跳跃进行，在难点进行反复实施，迅速观察到不同操作方式带来的不同结果，而不受到现实环境中如实训资源有限、实训流程无法打断等限制。

结语

本文首先以對VR的定义加以探讨，发现VR难以被简单框定，其实际成为了一个有极大容量的集合，无法得到在一切场景下皆准的精炼概括，但仍提出了VR的七种特性，分别是沉浸性、交互性、仿真性、想像性、自主感与拥有感与在场感。随后承接这些特点提出VR技术在教育场景应用中的三个巨大优势：学习体验的优化、新的可视化方式以及建构主义的学习方式，最后将传统实训与VR实训进行对比。

但仍有一些环绕着VR教育的现存困境需要被更多地探讨，如：如教学资源的稀缺;VR技术带来的信息沟加剧的风险;具像化时是否会产生误解;建构主义自身的理论问题等。望这些问题在后继的研究中能被深入分析探讨并提出解决方案。

参考文献

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[11]薛国凤，王亚晖. 当代建构主义教学理论评析[J]. 高等教育研究，2003（01）：95-99.

作者简介：陈思昆（1995-），男，江西省南昌市人，硕士，研究方向：新闻传播，传播媒介;伍毅（1971-），男，江西省南昌市人，本科，高级工程师/讲师，研究方向：实训教育。