虚拟现实技术在高等教育中的应用研究

2021-07-27罗国亮车仝王睿肖美华张岩

中国教育信息化·基础教育 2021年6期

罗国亮车仝王睿肖美华张岩

摘要：传统高等教育的形式在实施当中存在与前沿技术脱节、概念抽象等诸多局限性，探索基于新技术应用的高等教育方法迫在眉睫。文章基于虚拟现实技术的交互性、沉浸性等特点，以《操作系统》课程为例，提出基于虚拟现实技术在高等教育中的应用框架，重点设计了包括教学管理平台和学生学习空间两个子系统的虚拟现实教学系统，并论述了其部署、应用场景，并进一步研究和探讨基于虚拟现实技术的授课及课堂讨论、课程任务提交和实验形式的实施方案。最后，结合虚拟现实技术特点及产业化发展现状，分析虚拟现实技术在高等教育应用中的优势，针对硬件设备瓶颈和内容制作等约束问题探讨相应优化方案。

关键词：虚拟现实技术;高等教育;教学系统框架;交互性;《操作系统》课程

中图分类号：G642.0 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）12-0037-06

一、引言

随着计算机图形学、计算机仿真技术等领域的不断发展，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术产业化的高速增长引发了各界对于VR教育游戏、基础学科教学和专业技能教学等领域应用的不断尝试[1] [2]。就目前而言，沉浸式虚拟现实技术在教育界的应用基本上还处于初步的试探性阶段，对于发展建设新工科，建立更加多样化和个性化的工程教育培养模式有着重要的意义[3] [4]。

虚拟现实技术是基于多媒体计算机技术、传感技术、仿真技术生成三维逼真的虚拟环境的技术[5]。Burdea G.和Philippe Coiffet定义虚拟现实技术的基本特征得到较多研究者的认同，包括交互性、沉浸感、想象性[6]。其中，交互性（Interaction）是指用户在虚拟环境下对于虚拟对象的可操作性和得到反馈的自然程度。沉浸感（Immersion）是指虚拟世界中的多重表征和感官刺激带给人身临其境的感觉，如同在客观的现实世界中一样。想象性（Imagination）是指用户根据在虚拟世界中得到的信息和自身行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，对未来进展进行想象的能力。

使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备或利用键盘、鼠标等输入设备，以及头部、身体的追踪装置，确保身体運动和环境精确匹配后，将使用者的视觉、听觉与外部隔离，进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，感知和操作虚拟世界中的各类对象，在虚拟场景中进行指向、选择和缩放等动作以及手势交互，从而获得沉浸的感受和体会。从20世纪90年代开始，虚拟现实技术逐步由概念性产品转向实际应用，包括军事、科学与工程环境的模拟与仿真、教育与训练、医学、商业、艺术与娱乐等多个领域[7]。

2016年被称为“虚拟现实技术元年”，在各大商业公司的推动下，虚拟现实技术进入全面发展阶段，也出现了一些适合在高等教育教学活动使用的商业化产品[8]。高嵩等[9]提出重构VR教育中的VR技术属性，以避免在VR教育研究中产生研究方法与价值判断之间的矛盾。其包括四类属性（如图1所示）：①虚拟现实是对象的技术，体现在VR眼镜与头盔等方面;②虚拟现实是过程的技术，体现在VR虚拟与仿真体验等方面;③虚拟现实是知识的技术，体现在VR虚拟场景与图形合成方面;④虚拟现实是意志的技术，体现在仿真与虚拟学习思维等方面。

通过对以上四种技术特性的阐述，我们可知VR教育研究的价值取向在于解放人性，有效地应用虚拟现实技术到日常教学当中，将有助于实现工具理性和价值理性的和解。

二、传统高等教育面临的挑战及局限性

随着人们的生活方式因科技发展而产生变化以及高等教育理论研究的不断推进，高校中的传统教育模式逐渐显现出其局限性，给教师和学生带来冗余的业务负担，不利于为高等教育注入新的活力。传统高等教育形式面临的挑战及局限性主要表现为以下四个方面：

1.新兴技术如VR、人工智能等发展迅速

当今社会发展越来越多地依赖信息技术的发展，继互联网改变人类社会生活方式、促进生产力提高之后，VR、人工智能等技术作为炙手可热的新兴技术，即将掀起一波新的浪潮，造成各类传统领域受到冲击与影响。具体而言，各类新型技术与产品的应用，在一定程度上增加了客观数据的维度，且教育活动的实施场景可进行个性化设置和真实化呈现或交互，为现有教育范式的变革提供了契机[10]。

2.传统教育方式对学生抽象理解能力要求高

在计算机专业相关课程中，采用教师传统课堂授课的方式进行教学，对于提升学生理解知识的效果并不理想。其主要原因在于课程当中的知识点较为抽象，且现实世界中无法直接观察到数据在计算机当中的变化过程，仅凭教师的语言讲授，学生难以理解和复现一些抽象的数据结构和算法过程。同时，学生在听课过程中亦容易出现理解上的偏差，从而对所学课程倍感枯燥，造成学生课堂参与程度不高的困局，使后续过程的教学活动无法顺利实施。

3.传统教育方式加重了教师教学工作负担

由于统一制定的教学计划和规定课时的限制，教师在传统教育模式中不得不将教学重心放在完成教学计划规定的内容上，以达到讲授知识的完备性。由此造成课程的重复、机械性教学，教学进度难以根据学生状况调整，使得教学质量不佳。学生在这样的模式下学习，无法在教学过程中进行主动思考，对所学知识进行迁移形成体系，学科思维较难得到合理的培养和建构。

4.传统教育方式导致教学管理过程繁琐

在教师对学生的成绩评估问题上，传统课堂通常采用计算出勤率、课堂提问、课后作业以及结课考试等方式进行，所有的评估项一般都由教师拿着表格逐个记录，在期末成绩评定时，再将所有评估项按记录进行总分加成。这种课程管理方式的整体过程难以准确评定每位学生的真实学习状况和学习成果，只能在教师合理制定的情况下，对大部分学生有相对公正的判断。不仅教师在制定评定规则、判定、统计等方面非常繁琐，学生在反馈不佳的情况下亦容易产生抵触情绪，从而只为应付分数而学习，忽略了课程学习过程中对自身思维和学习能力的锻炼。

综上所述，傳统高等教育在计算机科学人才培养中呈现的局限性亟待解决和改进，应充分利用目前已有的先进技术与先进教育理念的结合，结合教学实践，提出将虚拟现实技术应用于高等教育的方案。

三、虚拟现实技术在高等教育中的应用框架

虚拟现实技术在高等教育中的应用框架——以《操作系统》课程为例，主要由虚拟现实教学系统、《操作系统》课程的授课及课堂讨论、《操作系统》课程的任务提交和实验以及《操作系统》课程的算法流程模拟四部分组成。

1.虚拟现实教学系统

首先，师生日常教学活动的有序进行，需要合理设计虚拟现实教学系统以提供基础。考虑到该系统需要为学生提供适应个性化用户的学习视图，包括个性化资源和学习过程以及策略，其整体应当分为教学管理平台和学生学习空间两个子系统（如图2所示）。

（1）教学管理平台

教师通过浏览器进入教育系统主页，以教师权限登录系统，进入教学管理平台。课前，教师将教学所需的学习资源上传至教学管理平台，存储至数据库。课程开设期间，教学管理平台提供相关功能，辅助教师及时了解学生的学习情况、有效制定授课及评估策略、加强师生课堂内外的交流与联系。课程结束时，由该平台辅助教师完成结课成绩的评定工作，并发布至学生系统。

（2）学生学习空间

学生通过浏览器进入教育系统主页，以学生权限登录系统，进入学生学习空间。学生在校期间的学习数据都将存入多用户数据服务器上的个人账号中。学生在学习空间提供的不同类型虚拟空间中，将完成一系列课堂内外的学习活动，如预习、听课、讨论、交互式任务提交、实验、测试等。课程结束后，最终成绩将在学习空间发布给学生个人，一系列相关学习信息也将追加至服务器。

相比传统教学模式，本文提出的虚拟现实教学系统帮助用户更便捷地使用高校已有的图书资源和网页资源，使学生在虚拟现实环境下完成预习、听课、测验、实验、讨论交流等多个教学环节。根据这些需要，设计了虚拟现实教学系统的可选虚拟空间环境，其中包括虚拟报告厅、虚拟体验区、虚拟实验室、虚拟图书馆、虚拟展厅、虚拟咖啡厅等。

①虚拟报告厅：包括讲台、桌椅、投影系统、音响设备、电子白板等设施，用于教师讲授知识，学生交流、汇报学习成果。

②虚拟体验区：包括操作系统形象化场景、各类数据模型、提示窗、答题板等设施，提供算法演示功能，用户的虚拟化身可以化为任何一种数据模型，在虚拟空间中体验程序运行过程中数据的变化。

③虚拟实验室：包括虚拟编译环境、任务提示器、计时器等设施，用于个性化监测评估学生的学习效果，提供团队协作比赛功能。

④虚拟图书馆：包括参考咨询大厅、图书阅览室等设施，提供有关课程的各种学习资源，便于预习和复习以及提供使用帮助。

⑤虚拟展厅：包括图片展板、投影系统、虚拟讲解员等设施，用于介绍所学课程的历史发展和应用领域。

⑥虚拟咖啡厅：包括桌椅、吧台等设施，提供学生、师生之间课外交流的虚拟场所。

学生可先由虚拟展厅了解所学课程的历史发展和应用领域，对所学课程有大致的了解和学习兴趣，再进入虚拟报告厅听取教师的授课和在虚拟角色环境下进行课程讨论。在学习一些复杂算法和过程时，根据系统的引导，进入虚拟体验区，观察数据模型的形象化展示，并且可重复对未掌握的知识点进行练习。在教师发表虚拟空间实验指导时，可进入虚拟实验室进行相应的实验，在限定的时间内完成相应的任务。课后，学生可自行进入虚拟图书馆查阅资料，或进入虚拟咖啡厅与同学、教师进行课下交流。

上述虚拟现实教学系统为学生提供了学习过程所需的完整虚拟空间，合理的分布式结构便于日常的教学管理，通过各个不同功能的空间转换，使学生跨越现实世界的限制，投入自身的学习生活，更好地掌握学习的主动性。

2.《操作系统》课程的授课及课堂讨论

近年来，MOOCs的快速发展使得在线教育得到广泛的应用，促进了高等教育的变革[11]，将优质在线课程引入《操作系统》课程的课堂教学中，能进一步提升VR融合远程教育教育资源的可行性和优势。虚拟环境下，MOOCs的场景更为真实，学生可通过瞬移功能进行各类空间的转换，在观看远程VR课程学习《操作系统》时，能获得置身于授课场地之感，从而拉近师生空间上的距离。

同时，教师借助MOOCs资源对于课程的讲授仍然具有较大的灵活性，例如教学视频的选择、必要的补充讲解和思维引导，都影响着教学效果[12]。优质的MOOCs资源使得概念和原理的讲解角度更为多样化，对于引发学生兴趣和主动探究也大有裨益。而《操作系统》课程中的部分概念和原理过于抽象，学生在短时间内对讲授知识点的理解有限，此时课堂讨论就显得尤为重要。在课程内容讨论的过程中，学生和教师通过选择各自的虚拟角色进行交流，打破了常规课程的枯燥模式，有利于提升学生交流思考的积极性。

如图3所示，本文提出的虚拟现实教学系统模块主要分为管理系统、资源系统、交互系统、评价系统四大功能部分。

（1）管理系统

为学生选课、注册以及预习等课前准备阶段提供相应的功能。

（2）评价系统

包括成绩模块、测验模块以及实验的心得报告模块。为了提高课程教学质量并不断改进，还设置了追踪学生状态的交互评估模块和学生评价系统问卷调查模块。

（3）交互系統

虚拟编程模块作为虚拟实验室的重要组成部分，为学生提供模拟实验的环境;答题模块则设置在听课期间，引导学生思考、便于教师掌握学生的学习情况;聊天模块和邮件模块则为师生的课下交流提供工具。

（4）资源系统

包括教师上传的课件、作业以及图书馆的电子书资源和网络浏览器当中查询的资源，为学生的课程学习提供必要的资源。

虚拟现实环境下的《操作系统》课程，在交互系统和评价系统提供的功能辅助下，能在听课过程中通过答题模块不断给出引导和任务，促进学生主动思考，在模拟实验中通过虚拟编程模块提供的良好虚拟机环境，并通过交互评估模块反馈学生状态，使系统根据学生当前的学习状态进行及时的教学调整。

3.《操作系统》课程的任务提交和实验

在虚拟现实环境下，通过给出课堂任务进行交互，能个性化监测评估每位学生的学习效果，给出相应的指导提示，帮助学生主动、高质地完成相关内容的学习。例如在讲授内存保护相关知识的过程中，由系统抽取一些先导性的问题显示给学生，使学生对内存保护机制先有主动的思考和设想，再学习课本上设置界限寄存器的方法。并且在教师授课过程中，系统给出一些相关的小问题，学生提交后，教师能更直观地通过系统了解学生的学习状况，对于学生较难理解的知识点，可以及时进行详细讲解。

由于Windows、Linux等主流操作系统内部机制过于复杂，不利于学生在学习操作系统原理时进行实验，而使用Raspberry Pi实现真实机器上的代码又存在一定的难度和限制。为此，采用虚拟现实技术为学生提供合适的小型虚拟机，可使学生将精力放在理解基本的原理与过程上，并且享受动手编码的乐趣。同时，使用虚拟现实技术将教师给出的实验指导形象化，便于学生理解实验任务和明确目的。例如，对FIFO、LRU等经典算法的模拟，学生可在VR场景下查看系统给出的形象化实验要求，观察页面如何由对换区和文件区换入换出，各类情况下不同种算法的性能对比。使学生在理解算法的基础上，设计合理的数据结构，编制模拟程序，提交给系统并观察实验结果。

如图4所示，本文提出的虚拟现实教学系统通过在系统内部建立学生模型、教学模型、评估模型与学生交互，构成了完备可行的交互架构。

（1）学生模型

学生登录个人学习账号后，系统通过评估学生已有的知识基础建立该生的学生模型。

（2）教学模型

根据学生模型的情况生成教学模型，向学生呈现教学内容。

（3）评估模型

根据教学模型的教学内容，生成评估模型，向学生提出学习建议和问题，学生提交对问题的解答，用以生成反映自身学习情况的相关参数。

（4）学习记录、进度标识

由评估模型对比学生解答和计算机中的答案生成学习记录（例如学生是否理解掌握知识点）、课程学习的进度标识等重要信息，用以更新相应的学生模型，形成反馈循环。

虚拟现实交互系统依据学生情况不断更新适合学生的教学内容，对于较难理解的算法流程模拟教学，得以在借助虚拟现实技术将抽象问题形象化的基础上，为学生的个性化练习提供良好的交互性，提高学习效率。

4.《操作系统》课程的算法流程模拟

如何理解较为抽象的概念和复杂的算法过程，是学生在以往教学过程中最为棘手的问题。在虚拟现实教学系统提供的虚拟体验区内，则可进行相应的形象过程模拟，将枯燥的概念知识点化为可见的模型，期间辅以系统提示引导学生逐步学习所学知识，使其有意识地进行重复观察和尝试。必要时学生还可化身数据元素视角进入模型，观察过程中的数据变化。

例如，对于《操作系统》课程中存储器管理相关知识的教学，VR场景可以模拟为多道程序分配内存空间以及装入和链接的动态过程，通过学生的学习情况反馈，着重呈现学生尚未理解到位的部分，使得学生对于使用不同算法如何减少碎片空间有具象的认识和体会，更好地分析理解内存动态分配和静态分配的异同。而像对段页式存储涉及地址变换这类硬件相关又难以直接观察到的复杂过程的理解，采用VR场景则可以展现微观的数据模型和相关指令，使学生对于变换过程中指令和数据的变化有更生动和清晰的理解，同时增强了趣味性，如图5所示。

上述流程表明，在虚拟体验区内采用可视化模型逐步分解算法步骤，根据学生在每个步骤的问题任务提交情况，系统能个性化地引导学生根据自身学习程度对算法细节进行反复揣摩、各个击破，从而使学生深入理解整个算法流程，减轻师生教与学的负担。

四、虚拟现实技术在教学中的优势分析

基于上述情况，以《操作系统》为例介绍VR技术在高等教育中的应用框架，其在该高等教育教学中的优势主要如下：

1.虚拟现实技术教学应用帮助学生理解抽象概念和流程

虚拟现实技术的想象性使得其应用于教学时有对抽象符号的具体化呈现，提高了学生对于知识点的感性和理性认识，进而深化概念并引发其新的联想。虚拟现实教育空间提供的各类功能，作为良好的知识可视化工具，既有利于学习者更直观地了解所学的知识、深入掌握知识组件及其内在联系，又提供将学生所学知识通过流程图、思维导图等形式表示出来的合理途径，便于教师、学生发现知识建构过程中存在的问题。

2.虚拟现实技术教学应用打破课堂在时间和空间上的约束

虚拟现实技术对MOOCs引入教学提供了更优质的沉浸体验，根据双重编码理论，视觉信息与听觉信息组合呈现相比单独使用更能刺激学生选择、组织和加工所接收到的信息，从而进一步提升学生的学习效果[13]。将视、听觉和交互实践结合，课堂效果将得到进一步提升[14]。通过虚拟现实环境下个性化学习环境的创设，学生只需穿戴虚拟现实设备，在教室里便可实现多种空间的转换，由此得以充分利用远程的优质教育资源，打破课堂在时间和空间上的约束。

3.虚拟现实技术教学应用提高学生学习主动性

虚拟现实技术使师生以角色扮演的方式，在虚拟情境下通过自己选择的角色进行交流成为可能，将学生由知识的被动接受者转变为信息加工意义建构的主体[6]。对于《操作系统》这类较为抽象的计算机基础课，将转变传统方式下教师讲授为主的情况，使学生以打破现实环境禁锢的方式成为新视域下的主动参与者。在这种情境下，学生主动进行的学习和社会互动能持续地挑战已有的经验，促进新知识形成良性循环。

4.虚拟现实技术教学应用增强学生在课程中的参与感

虚拟现实技术的交互特性，使学生参与获得知识的整体过程，而不局限于低效的传统听课模式，学习和探索如何确定学习目标、选择学习方法、监控学习过程、评价学习结果。对于《操作系统》这类逻辑性强、知识体系较为结构化的课程，学生在反馈信息的交互作用下保持高度参与，使每个学生成为自身的课堂中心，养成对课程知识体系的准确掌握和解决实际问题的能力，合理检测学习成果，最终达到课程要求。

五、虚拟现实技术在高等教育应用中存在的问题和改进方案

與此同时，VR技术作为一种快速发展的新兴技术，在高等教育中的应用还存在以下一些问题：

1.设备性能问题

硬件方面，VR头显存在使用者头晕、设备发热耗电、高端头显配置麻烦以及线缆等问题。当前45人以上的用户同时连接、下载VR内容将对网络产生较大压力。

改进方案：考虑设置定时休息提示，避免长时间佩戴头显为使用者带来的不适。引入“瘦终端”设备，将大量数据处理任务转移至云端。改进网络基础设施和部署WAN（特别是5G）以提高整体带宽，部署可靠性更高的WiFi基础设施至建筑物中，方便建立一对多的连接。在网络边缘投入云计算和CDN，确保内容高效分发和传输。

2.课堂设计、制作问题

虚拟空间模型的“第一人称”视角可能阻碍学生的迁移和发散性思考。丰富的视觉元素可能分散学生对关键内容的注意力，造成认知负荷超载[15]。模型和场景的制作成本较高，创建的内容很难标准化，版权保护存在一定问题。

改进方案：在课程的制作中注重模型的合理设计，并在交互模型中设计迁移对比知识的相关引导问题。简化演示空间的视觉元素，在关键内容出现时给出提示和对应的问题。采用一些运营商内容服务平台提供的模块化组件和开源软件工具，构建高质量的教学应用。

3.课程测评问题

系统任务的提交情况作为反映学生参与教学活动状态的主要部分，是影响最终成绩评价的重要指标，而每位学生在上课过程中与系统的交互情况各不相同，若沿用传统教学的评定方法，将难以制定公平的测评标准。

改进方案：为交互评估模块设计合适的统计模型和算法合理评定成绩，以学生提交答案反映出对知识的掌握程度达到课程要求为准，必要时应当由教师布置相应的综合任务进行人为判断。

六、结语

虚拟现实技术在影视制作和游戏等领域的成熟应用，使得该新兴技术受到人们的广泛关注。如何将新技术的优势应用于高等教育领域，对于突破传统教育形式的教育改革有着非凡的意义。针对计算机科学传统教学中存在的知识点过于抽象、难以理解导致学生兴趣不高、教学质量较低的问题，本文以《操作系统》课程为例进行了虚拟现实技术应用的探究，依据相关的学习理论，合理设计了集成的虚拟现实学习环境，旨在为学生提供主动学习的良好环境，并减轻教师在教学统筹和管理上的负担。

目前VR教育的相关研究正方兴未艾，尽管大量的研究表明，虚拟空间对学生学习有积极的作用，但如何提升学习者的感官体验和提供更加智能适度的交互，仍然有很多值得探究和挑战之处。未来应用虚拟现实技术的教育改革方案，应当发挥优势而不滥用，使工科高等教育发展有自由而蓬勃的动力。

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[10]杨晓哲，任友群.虚拟现实与脑电联动系统的开发及其教育研究功能探索[J].远程教育杂志，2019，37（1）： 45-52.