美国职业教育虚拟现实技术的应用及启示

陈 杰，王 淼

(哈尔滨师范大学 公共英语教研部，哈尔滨 150080)

在我国，基于虚拟现实技术的课堂教学尚处于初级阶段，但美国虚拟现实技术的经验可为我国虚拟现实技术辅助职业院校教学提供宝贵的经验。利用虚拟现实技术调整教学模态信息、转变职业院校的教学生态，能为学生构建一个以假乱真的虚拟学习空间，使学习者可以在虚拟情境中进行职业技能训练，促进职业教育从二维屏幕转向全息影像，更加顺应教育信息化发展，提升学生沉浸式、交互式的职业学习体验。

一、虚拟现实技术的创立背景与价值目标

1.美国虚拟现实技术的创立背景

虚拟现实技术(Virtuality Reality, 简称VR)，是借助计算机设备模拟产生三维虚拟世界，为使用者提供视觉、听觉、触觉等感官模拟，从而帮助使用者产生身临其境之感。[1]1965年，伊凡·苏泽兰(Ivan Sutherland)在IFIP会议上对虚拟现实技术进行了初步的描述。20世纪80年代，美国虚拟现实实验室研究创始人贾朗·拉尼尔(Jaron Lanier)正式提出“Virtual Reality”概念，指出VR是由计算机网络技术、仿真技术、显示技术、多种传感技术和人工智能等技术生成的多维数字化环境系统，通过运用以交互式计算机技术为核心的科学技术，创建一种在视觉、听觉和触觉都与真实环境高度相似的虚拟环境，用户通过使用相关的专业装备与虚拟对象进行交互，可以产生与真实环境相似且能跨越时空的体验。[2—3]

2.虚拟现实技术的价值目标

2020年3月，美国高校教育信息化协会发布《2020 EDUCAUSE地平线报告：教学与学习版》，将XR(AR, VR, MR, HAPTIC)作为新兴技术和实践，并预测将其应用于远程学习者会成为未来发展趋势。[4—5]在我国，2016年《国民经济和社会发展“十三五”规划纲要》指出，大力推进虚拟现实技术等新型前沿领域创新和产业化发展，[6]《教育信息化“十三五”规划》指出，坚持不懈推进教育信息化，努力以信息化为手段扩大优质教育资源覆盖面。[7]这大力促进了VR技术在职业教学领域中的应用。2018年，教育部出台的“新时代高教40条”中第25条特别提出大力推进虚拟仿真实验室建设，推动VR等现代技术在教学和管理中的应用。[8]自此，在规划文件与政策的支持下，VR技术在教育领域中得到了迅猛发展，也反映出VR技术具有重塑我国职业教育教学形态的重要价值。

二、美国虚拟现实技术在职业教育领域的创新应用

美国在教育领域中领先使用了VR技术，并整合了XML、JAVA等技术，运用了3D效果和头显式交互设备，提高了虚拟环境的渲染质量与知识信息的传播速度，推动职业教育进入了崭新的发展时代。

1.虚拟现实技术在教师培训领域中的应用

在教师培训领域，教师专业培训的有效测评与跟进指导对教师专业发展至关重要，其关键是为教师、特别是实习教师创建良好的专业技能训练环境。美国率先将VR技术运用到教师培训领域，最典型的当属佛罗里达大学的人类、工程和计算机学院的教师联合开发的混合现实教学实训系统(TeachLivE)。[9]

TeachLivE是将VR、人工智能和计算机动画相结合而创设的一种虚拟实验室，主要利用VR技术模拟实际课堂教学场景，向实习教师提供具体的教学策略、课堂管理技巧与家校沟通等方面的教师技能训练，从而提高教师专业化水平，重塑教师技能训练与实践环境。该系统可向实习教师提供初中和高中水平的虚拟学生各5名，且每名学生按照不同的性格层次划分为0—5级，例如，0级表示比较稳定，5级表示完全失控。在实训时，教师可根据训练的需求设置适合的学生性格层次，同时，TeachLivE还可为教师提供4名代课教师或学生家长的虚拟角色，以便教师进行模拟家长会或与家长沟通等练习。

目前，TeachLivE系统已取得了较好的研究成果，训练对象从师范生扩展到在职教师，训练学段从一年级扩展到高年级，训练领域从基础教育拓展到特殊教育，训练学科从数学与科学领域扩展到几乎所有学科，逐步成为培养高质量师资队伍、提高教师专业技能发展的有力工具。

2.虚拟现实技术在人工智能领域中的应用

近年来，随着智能语音技术的快速发展，语音助手、智能管家等软件能够更加便捷高效地整合到学习产品中来，例如，利用微软智能语音技术的Alelo Enskill及美国佐治亚理工学院使用IBM Watson等虚拟教学助手。[10]在人工智能领域，北卡罗来纳州立大学计算机科学学院James C. Lester教授团队将机器学习、虚拟环境和人工智能技术结合，创建出基于虚拟学习环境的自主角色——虚拟教学代理(Pedagogical Agents)，可作为学生线上学习的虚拟导师，以自然、似人类的方式与学习者进行丰富的、面对面互动，使学习变得更容易、更有动力和吸引力，可增强线上教学的沉浸感、交互性、构想性及智能化。[11]

虚拟教学代理是一种新颖的交互式学习辅助工具，通过情感表达、非语言反馈、凝视和手势动作、对话信号、交互式演示与学习者进行互动学习，使学习者在与教学代理的深层次融合中认知世界与感知世界，形成三维空间情境与教学内容的无缝交融的学习场域和教学方式。同时，虚拟教学代理突破了传统教师教与学生学的教学方式，学习者可与教学代理进行角色扮演，向教学代理介绍新知识的概念，并解释概念之间的关系，可以引起学习者的自我解释效应，[12]通过知识整合与心理模型的完善来促进深度学习，与此同时，教学代理还能引起学习者的亲代效应。[13]另一方面，学习者与教学代理的互动角色并不是固定的，教学代理可根据学习者的能力水平进行调节，低能力的学习者可以通过观看教学代理的演示进行转承式学习；中等能力的学习者可以与教学代理进行辅导对话；高能力的学习者可以在交互式学习场景和游戏中，向教学代理进行知识传授并与其探讨，扮演参与者的角色。

3.虚拟现实技术在生物医学领域中的应用

在美国虚拟现实技术对生物医学领域教育资源的开发与建设方面，哈佛大学教育研究院的克里斯·德迪(Chris Dede)教授团队可作为该领域的引领者，他们通过多用户虚拟环境(MUVEs)打造虚拟生态教学环境，创设沉浸式生态课程——ecoMUVE。[14]该课程借助虚拟现实技术营造出VR立体式自然环境，并为学生设定虚拟角色，使他们成为课程背景中的“居民”，同时对学生提出“如何帮助小镇居民摆脱传染病”的议题，使学生浸入到VR创设的虚拟生态环境中，学生通过运用已学的生物医学知识与学习资源在VR环境中进行模拟实验，调查传染病源以寻求问题解决方案。随后，Dede教授团队在ecoMUVE课程的基础上，将VR技术与移动技术相结合建设ecoMOBILE课程，创造出更具交互性与幻想性的高品质课程。[15]

由此可知，虚拟现实技术所营造出的虚拟学习环境向教师与学生们展示出了一个超越现实生活环境限制的自由空间，通过“沉浸—交互—构想”的探索过程，使用户参与到情境选择和探索中来，从而增强感知的具身性与真实性，增强学生对知识理解与记忆的深刻程度。

综上所述，虚拟教学代理应用于职业教育的线上教学中，既为学习者提供了一种“在场”的认知空间环境，又增强了在线教学的监督与辅助功能，将教育技术中介透明化，使学习者瞬间投入到在场状态的学习准备当中，让学习者的身心认知融为一体，真正实现了心灵、身体与环境的无缝衔接。

三、美国虚拟现实技术的创新应用对我国职业教育发展的启示

在我国，虚拟现实技术尚处于起步阶段，现阶段的VR产品多以概念的塑造与模仿为主，主要应用于军事、航天等高端领域。因此，美国虚拟现实技术的创新应用与建设对我国职业教育的发展具有重要的启示意义。

1.虚拟现实技术在我国职业教育培训领域中的建设发展

将虚拟现实技术进行充分开发与建设并应用于职业教育培训课程系统中，形成融合虚拟现实情境的在线课程系统将成为未来职业教育领域研究中所关注的主要话题与发展趋势。虚拟现实技术能够针对职业教育注重课外实践的特点，利用虚拟仿真实验室为学生打造具有沉浸感的体验式职业教育实训课程，可通过动作捕捉、眼球追踪、手势跟踪等多通道交互途径实现体验式互动学习与实际操作训练，为学习者提供高度模拟的实战环境，打造超越现实环境的多感知交互式体验学习方式。

目前，虚拟现实技术可为学习者创设符合职业教育特征的实训场景，为学习者提供各种虚拟化身角色，学习者通过佩戴VR眼镜或头显式设备便可进入虚拟场景中进行探索式实践训练。由此可知，基于虚拟现实技术的职业教育训练有利于弥补传统职业教育中“重理论、轻实践”的弊端。VR技术打造的虚拟实训场景，可使学习者的认知图式将虚拟场景默认为实际场景，从而帮助学习者作出与实际场景相同的反应，增强学习者的反应机制并增加对实践训练的投入量，稳固知识记忆，达到对所学知识更深层次的理解与内化，增强学习者的职业技能。

随着我国虚拟现实技术的不断更新与发展，VR技术在职业教育领域中的逐步运用将使未来的职业教育课程和职业技能培训发生改变。因此，VR技术在未来的职业教育领域中仍具有极大的发展空间与前景。可以预见，未来虚拟现实技术将更加广泛地应用于职业教育领域，未来高校职业课程的设计与实施也将具有更加鲜明的VR意识。

2.虚拟现实技术与人工智能相结合促进我国职业教育的建设发展

虚拟现实技术与人工智能相结合可融合虚拟仿真环境、语言识别、图像识别及专家系统打造集虚拟性与学习性于一体的沉浸式职业教育课程，该课程重新定义了职业教育培训的发生空间与学习场域，遵循职业技能学习与训练的内在机制，让学习者在虚拟环境中进行职业技能训练的同时，能够得到虚拟导师的及时指导与帮助，将书本知识以实训指导的方式更加简单直观地呈现在学生面前，让学习者在情景化实训中实现更全面、更广泛、更有应用价值的反应机制。

在教学过程中，教师与学生的角色发生了转变，真正地使学生成为了职业教育知识学习的实践者、探索者，而教师则成为学生学习的引导者、帮助者。同时，职业教育的目标从对书本知识的熟练掌握转变为训练学生具有识别和处理问题的一般能力，如处理多样性、敏感性和开放性问题的能力，使学生能够在虚拟与现实之间建立联系，同时可培养学生一些必备的职业技能思维，如“对话式”思维。与传统“黑板+粉笔+PPT”式的职业教育课堂相比，VR与人工智能技术相结合应用在职业教育教学中可使学生保持思维的复杂性，培养学生的“反复”思维以及“全息”思维，以整体知识带动学生对局部知识的深度挖掘，实现知识的深度学习，以此提高学生处理实际问题的能力及应对突发状况的能力，为未来职业发展奠定坚实的基础。因此，虚拟现实技术与人工智能技术为我国探索出一种全新的职业教育形式，丰富了知识的输入与输出途径，促进了教育技术与职业教育的深度融合化发展。

3.虚拟现实技术在我国医学职业教育领域中的建设发展

我国医学职业教育对专业人才培养的实践性与技能性具有极高的要求，因此，实验教学在医学职业教育中占据十分重要的地位。然而，受实验成本高及医学实验设备价格昂贵、更新速度快、容易损坏等因素的制约，当前我国很多医学职业院校学生可用实验设备和实验素材的平均占用率非常低，[16]这无疑影响了我国医学职业教育中的实验教学质量。

然而，美国将VR虚拟现实技术应用在生物医学领域的案例可为我国医学职业院校进行实验教学带来一定的启示。首先，通过VR技术创建虚拟的三维实验设备、实验素材和虚拟患者，可以解决医学职业院校设备不足的问题，降低医学培训的成本，提高医学职业教育水平。其次，利用VR技术进行实验教学可以突破医学职业教育时间与空间的局限，学生登录系统即可多次进行虚拟临床实验，拓宽医学生进行模拟练习的渠道，提高学生进行医学实验的主动性与积极性，增强医学生的临床实践技能。最后，将虚拟现实技术应用在医学职业教育中真正地实现了将医学教育与现代技术手段相结合，创新传统职业教学模式，促进我国职业教育顺应教育信息化发展。

四、结束语

随着科学技术的不断更新与变革，虚拟现实技术也将随之不断地发展。目前美国在虚拟现实技术领域的发展程度及创新研究已成为当今世界的典范，其中，将VR技术与职业教育领域的结合更是为我国未来职业教学的发展带来了巨大的启示意义与研究价值。如今，我国虚拟现实技术也在如火如荼地发展，校企合作使得VR技术发展更加高效，云渲染、云服务使得用户终端通过Web直接接入访问资源，从而满足学习者的虚拟学习需求。可以预见，未来虚拟现实技术将会在我国职业教育领域中发挥出更加重要的作用，成为推动“互联网+教育”向前发展的强大动力之一。