虚拟现实在教育中的应用：前景、进步和挑战

程建山 章 樊

(武汉工程大学外语学院，武汉 430205)

一、引言

许多语言教育者一直考虑在课堂中使用虚拟现实(以下简称VR)这种工具。然而，由于VR是一项不断发展的技术，其功能、应用程序和教育可供性都在快速变化，因此教师很难准确了解该技术的内涵以及它给课堂教学带来的好处。在20世纪90年代，VR一词有着不同的定义。在学术界，VR指的是基于3D虚拟形象的各种交互体验模式[1]。在消费者领域，VR主要是指头戴式显示器 (HMD) 或耳机，使用者通过头部或身体旋转和运动进行交互性体验。从2010年代初开始，新型头戴式显示器虚拟产品的出现进一步强化了虚拟技术在流行文化中被当作头戴式产品体验的定义，但近年来仍然有些学术论文探讨非头戴式VR体验。例如，林登(Linden)实验室的《第二人生》一直是许多关于VR的学术论文的焦点，尽管它是使用键盘、鼠标和显示器的台式电脑软件[2]。然而，也许是由于新型VR耳机越来越受欢迎，学术界对VR一词的使用似乎正在转向其更流行的消费者定义。自2013年第一款现代头戴式耳机发布以来，VR技术经历了一个快速创新的时期。从那时起，每年都有新耳机上市。与以前的设备相比，沉浸式水平不断提高，进入壁垒不断降低，价格也有了显著的下降。对于教育工作者而言，每一项技术创新都使VR更接近于成为一种在世界各地课堂上使用的实用工具。

Lege & Bonner(2018)将VR分为三种不同的类型——高端VR、移动VR和大规模分布式VR，每种类型都有自己的课堂可供性和活动类型[3]。高端VR集成了最强大的VR硬件，并与功能强大且昂贵的个人电脑相连，提供完全交互式的头部和手部追踪体验。移动VR专注于使用旗舰级品质的智能手机驱动简单的VR耳机，提供有限的互动游戏和体验。大规模分布式VR包括由任何智能手机驱动的一次性纸板耳机，提供被动的360度视频观看。到2020年底，移动VR已经过时，智能手机驱动的VR耳机的制造商谷歌和三星都在2019年底停止了该设备的生产。此类设备已被独立VR耳机取代。这些设备提供高端VR的所有沉浸式以及头部和手部跟踪体验，但不需要连接到个人电脑或智能手机，而且价格低于廉价笔记本电脑的价格。

技术的快速变化凸显了在学习环境中使用VR的最新需求。随着硬件的不断改进和价格的不断降低，VR在教学中的可供性将不断提高。实施新技术以满足课程需求并达到一定的教学效果通常是一个艰难的过程，需要大量的反复试验。本文搜集了2017-2020年间国外有关VR的学术论文，探究VR在教育领域中应用的真实状况，深入了解VR给教育领域带来的好处以及存在的问题和挑战。

二、VR给教育领域带来的好处

(一)VR有利于提高学习者的参与性和学习兴趣

VR对许多人来说是一项新技术，尽管它在主题公园和旅游景点的流行一定程度上减少了其神秘感。VR在教育中的应用有利于提高学生的学习动机和兴趣。许多研究者对VR对学习者动机和兴趣的影响进行过测量，研究结果一致表明，VR激发了参与者对主题的兴趣、参与度和积极性[4]。Parong & Mayer(2018)将使用幻灯片放映的课程与使用VR的课程进行了对比，结果发现使用VR教学时，学生“更快乐、更兴奋、兴趣更高”[5]。Kavanagh、Luxton-Reilly、Wuensche & Plimmer(2017)在对2010—2017年间VR研究的系统综述中指出，“在99篇文章中有46篇将VR带来的沉浸感视为一种激励要素，它也是最常被提及的因素。”[6]由此可见，VR对于提高学习者的兴趣和参与性起到了至关重要的作用，而这些因素是有效学习的催化剂，其重要性是不言而喻的。

(二)VR使学习者体验无法接触的环境

VR技术允许用户将虚拟环境取代他们当前的现实环境，虚拟环境可以是任何位置、真实的或想象的。教育者可以利用这种功能来实现因当前物理位置的限制而无法令人满意地实现的教育目标。在许多情况下，实地考察等活动在时间、距离和成本上都令人望而却步。然而，Blazauskas、Maskeliunas & Kersiene (2017) 等人开发的项目使用VR作为进行城市历史之旅的一种方式，给学习者提供真实的旅行体验[7]。Hu-Au & Lee (2018) 指出，VR非常适合寻求学习体验但无法涉足该领域的学校[8]。为此，教育工作者一直在使用VR来实现此目的。英国一所小学的校长Nicolson指出，他们的学校使用VR来教授北极或深海等难以接近的环境。来自美国德克萨斯州Oak Run中学的Hunt在谈到他们的虚拟实地考察计划时说：“我们希望鼓励学生不仅仅看到自己的家乡，而且要意识到外面有一个广阔的世界可供他们观看。”哈佛大学的Nicole Mills使用VR技术让法国学生参观巴黎，并指出VR体验“体现了巴黎日常文化的一部分，这些文化(如声音、氛围等)通常无法用语言来描述”。日本的一所大学使用VR让学生观看360度视频来了解全球事务，如难民营、美国政治集会和宗教朝圣等。他们指出，“与信徒一起去麦加朝觐或在遥远国度的佛教寺庙的大厅里闲逛，使宗教活动看上去更加真实，这是二维视频无法实现的。”[9]优质VR硬件和软件的结合所产生的临场感可以在任何可以想象到的位置实现强大的体验。值得注意的是，这些体验还为行动不便的人提供了一种平等的方式来加入他们同伴的虚拟旅程。但是，应该指出的是，很难通过实证研究和数据收集来测量将VR应用于这些类型的体验的效果。

(三)VR有助于提高参与者的空间记忆能力

提高参与性和激发动力并不是VR给教育领域带来的唯一好处。沉浸式VR将学习者置于虚拟空间中允许他们在该空间内自由移动并与空间互动。学习者不仅可以自由移动，而且还可以从多个角度和视角观察物体和场景。Pollard等人 (2020)推测这种沉浸式体验可能会增强学习者对这些空间物体和场景的记忆和回忆。Pollard等人设计了一项严格的被试内设计研究，调查在低、中、高沉浸感三种条件下的虚拟环境中的空间学习效果[10]。低沉浸感虚拟环境使用台式电脑显示器和扬声器，中沉浸感虚拟环境使用头戴式显示器 (HMD)，高沉浸感虚拟环境使用高端VR系统Oculus Rift。调查结果显示，与中、低沉浸感虚拟环境测试组相比，高沉浸感测试组在判断和多项选择测试中的表现明显更好。研究人员推测这种结果可能是高沉浸感虚拟环境具有的从多个角度观察场景的功能促成的。

Cho(2018)的研究发现，VR在用于第二语言学习时可通过产生空间临场感和更强的沉浸体验来增加记忆保持。“由于临场感，如果学习者复制VR模拟中的语言学习，它可以帮助他们更有效地记住单词。”[11]因此，VR有可能成为一种有效的新方法，它使用记忆编码的潜意识机制“位置记忆法”，通过学习促进新词的习得。Huttner & Robra-Bissantz(2017)进行了一项研究，将VR和笔记本电脑显示器用于创建记忆宫殿(心理图像)进行对比。结果显示，与笔记本电脑相比，VR组的测试分数提高了5-7%[12]。此外，有些研究者还研究了VR是否能够促进外语词汇学习和记忆。Tai、Chen & Todd(2020)通过实验对比学生在观看视频内容后的表现和体验VR中的内容之后的表现。研究人员对参与者进行了延迟后测，结果发现“VR学习者表现出比视频观看者更强的词汇记忆能力”，并且“VR 似乎有助于学习者将目标词存储在长期记忆中”[13]。这也许是因为VR学习者能够直接参与内容互动，而视频观看者则是被动地接受内容。其他研究者也发现了类似的结果。Madini 和 Alshaikhi (2017) 的调查结果表明利用VR视频有助于参与者单词记忆[14]。此外，Alfadil (2017) 将使用VR背单词和传统方法背单词进行对比，研究发现使用VR的参与者在学习词汇方面比使用传统方法学习词汇的参与者取得了更好的成绩[15]。这也许是因为VR提供的额外空间维度使学习者创建更多的心理联系(连接更多的神经元)，进而产生更多的记忆保持。

(四)VR有利于培养学习者移情能力

VR不仅能够使用户访问新的世界，而且还能够让用户体验他人的感受。软件开发人员和教育工作者设计了大量旨在培养移情和促进理解的高质量VR体验，其中一些流行的应用程序包括Anne Frank House VR、Driving While Black、《失明笔记》和斯坦福大学的《成为无家可归者：人类体验》。斯坦福大学虚拟人机交互实验室的 Courtney Cogburn 博士创建了1000 Cut Journey，“一种身临其境的VR体验，让你切身感受黑人男性迈克尔·斯特林(Michael Sterling)在童年、青少年和成年时期所经历的各种种族歧视”。该项目作为移情和换位思考研究的一部分，旨在帮助学生了解种族主义的现状并促进有效的社会集体行动[16]。教育工作者还利用VR的360度视频让学习者通过换位思考来帮助他们增加人生体验，例如叙利亚难民危机、美国政治集会和麦加朝觐[9]。当以这种方式建立移情时，研究人员发现，与其他教学媒介相比，VR具有独特的优势。Stavroulia & Lanitis (2019) 使用VR 帮助受训教师体验既是学生又是班级教师的感觉，研究表明VR对于提高教师体验不同种族或民族学生立场的移情能力具有重要意义[10]。Herrera等人(2018) 进行了一项研究，调查使用沉浸式VR来讲授无家可归者的经历，并将其与第一人称文本叙事的效果进行对比。参与者在干预后的第二、四和八周接受了后续调查。研究发现，刚开始受试者对于无家可归者的态度比较相似，但是过一段时间之后，VR环境中的参与者对于无家可归者的同情心比非VR环境中的参与者降低的速度要慢很多[17]。VR的沉浸式功能有利于提高参与者的换位思考能力，这种体验还可以促进参与者长时间的学习能力。

(五)VR在远程学习中的应用

VR还具有将学习机会扩展到面对面学习之外的地方和人群的潜力。它使遥远地方的人们聚集在一起并给他们提供一种沉浸式环境与他人互动，帮助他们克服当前在线学习和远程教育实践的缺点。Chang、Zhang & Jin(2017)概述了VR在远程教育中的潜在作用，重点是多用户虚拟校园提供的潜在可供性，学生可以在这里见面并一起学习[18]。Kavanagh等人(2017)在对VR文献的回顾中发现，大量论文研究了VR在远程学习中的应用。这些论文涉及VR对远程学习带来的好处或潜力，还有一些研究评估了其在远程学习实践中的实际应用[6]。Urueta & Ogi(2020)发现VR对于基于任务的语言远程学习很有用，并指出如果使用得当，VR可以提供替代的沉浸式学习方法，并具有高水平的师生互动[19]。Berns等人(2019) 创建了一个专注于人工智能声控的360度视频的语言学习VR环境，为远程学习者提供了将自己沉浸在真实的第二语言环境中并与虚拟会话智能体交互的机会[20]。2020年的新型冠状病毒大流行，将教育的重点转向远程教育，成为寻找更有效远程学习方法的研究和实践的催化剂。VR可能会因其能提供在当前情况下变得困难的学习体验的能力而受到更多关注。

三、VR在教育环境中的应用面临的挑战

(一)缺乏VR特定的教学法

尽管VR可以强制融入现有的教育范式并取得一定成功，但研究者一致认为，要发挥其用于学习的潜力，需要与VR相关的可靠教学法。Hu-Au & Lee(2018)认为，如果教育者只是试图复制“面对面的教学经验”，这只会导致实施中出现问题[8]。Elmqaddem (2019) 指出，“有必要知道如何构建和部署适应这项技术的教育计划。”[21]Scavarelli等人(2020)表示使用VR最大的挑战是“确定如何最好地利用这项技术，以一种不仅仅是重新创建或取代实体课堂的方式更好地提高学生的学习效果”[22]。事实上，在许多当前综述VR用于教育目的的文章中，一个普遍的批评也是缺乏支持VR使用的知情教学法。这种原因也是造成有关VR研究结果好坏参半的原因之一。如果没有明确的教学法作为特定活动的教学设计的基础，则很难评估教学活动，因为方法本身可能不适合在VR环境中的学习。早在2015年，Fowler 就认识到“很难将技术与教学法分开，有些人甚至认为两者不可能分开”[23]。随着VR设备价格下跌和市场渗透率的提高，使用VR进行教育的可行性已大大增加。因此，需要直接为VR开发教学法。认识到这一点，研究者最近在开发专门针对VR的教学法方面取得了一些进展。Southgate (2020)的《沉浸式学习行动教学法》指导对VR感兴趣的教育工作者考虑有关教师、学习者和技术的重要问题[24]。Lege、Bonner、Frazier & Pascucci(2020)开发了一个用来分析商业VR应用程序的框架，以帮助教育工作者在课堂上成功使用它们[25]。虽然目前仍然缺少一种专门用于VR的教学法，但现有的文献中的研究也为VR教学法指明了方向。Kavanagh等人 (2017) 对教育中VR研究的出版物的综述表明，许多研究把建构主义理论作为VR教学的基础[6]。建构主义指的是“让学生从有意义的经历中建构自己的知识”[8]。建构主义学习法专注于提供有意义的体验，这种方法与专注于死记硬背或考试等传统的教育模式截然相反，已成为许多实践教育方法的基础。Hu-Au & Lee认为使用VR的教育“应该建立在建构主义学习模型上”[8]。事实上，精心设计的VR沉浸式体验能够使学习者获得有意义的体验，学习者可以利用这些体验来增强他们对主题的理解。

(二)学习者认知负荷增加

就其本身而言，VR还远远不能解决教育领域的需要和需求，在教育领域应用VR也存在一些独特的挑战。VR的沉浸式能力虽然是其最大的优势，但也是导致其难以有效使用的一个因素。Pollard等人(2020)评论说：“更高的沉浸感有时并不能提高学习成绩。”[10]Parong & Mayer (2018)解释说，在没有无关输入的情况下学习效果更好，并指出沉浸式VR的复杂性会导致“无关认知加工”，从而降低了利用媒体促进对特定概念的学习能力。用他们的话说，“沉浸式VR可能会产生太多无关的认知加工，以至于学习者没有足够的认知资源来学习课程中的基本材料”[5]。Makransky、Terkildsen & Mayer(2017)观察到，当参与者使用VR时，工作记忆的处理需求会增加，从而导致知识获取减少[26]。因为人脑可用于完成一项任务的资源有限，在使用VR教授特定概念时，就会出现认知负荷增加这个潜在的问题。实验结果表明，使用头戴式显示器(VR)的学生比使用桌面显示器(个人电脑)的学生在科学模拟学习中获得的临场感更强，但是学到的内容却更少，使用脑电图测量的学生的认知负荷明显更高。这表明，尽管VR具有激励特性，但VR可能会使学习者超负荷并分散他们的注意力，从而导致学习结果测试表现较差。教育工作者可以采用支架式教学法来缓解这个问题。Parong & Mayer (2018) 通过在使用VR教学过程中引入汇总型任务，从而使得实验组取得与对照组相同的学习效果，同时保持VR带来的其他积极影响，例如参与度和动机[5]。因此，在规划VR教育体验时，仔细考虑学习者的认知需求和学习效果非常重要。

(三)沉浸感破坏

虽然认知负荷可以通过教学设计在一定程度上得到控制，但还有其他因素会使VR对教育无效。VR体验的沉浸的程度取决于VR硬件和软件所产生的复杂因素。如果这点做得不好，VR的沉浸感优势可能会因视觉畸变或低质量3D设备等破坏视觉的元素而降低。Kavanagh等人 (2017)在对教育中VR相关科学研究的回顾中发现，如果VR体验不够真实，“这可能会减损学习体验”[6]。但是，这并不意味着每一种体验都需要逼真、超现实主义的视觉效果，而是指这种体验必须始终如一，并且没有其它视觉元素干扰。VR设备和技术在保持沉浸感方面有着很大的局限性。尤其是在大规模分布式VR体验中，低分辨率显示器会使视觉效果显得模糊或持久完全失焦。由复杂视觉环境引起的视觉畸变和卡顿会让使用者感到恶心，尤其是当使用者转头太快时。另外，长时间使用导致的高温、潮湿和耳机不适也会导致出汗、镜片起雾和刺激皮肤，从而破坏沉浸感。

四、结论

技术的快速发展不断改变人们的日常规范并影响人类生活的方方面面。即使只是了解最新的技术创新也可能令人生畏，而应用该技术则更是如此。教育领域通常比其他领域更慢地适应变化，但总是不可避免地转变以接受或适应变化。一旦那些精通技术的教师掌握了这些先进技术，新技术往往成为主流教学范式的一部分。通过视频会议软件进行数字化教学曾经也是一项教育新技术，但现在已成为一种常规的教育方式。现在，VR已经开始从教学中的边缘技术逐渐过渡到主流技术，教育工作者应跟上技术的进步，而不应将VR视为仅仅适用于“技术教师”的一种小工具。VR是一种成熟的技术和工具，不仅在理论上可以用于教学目的，而且对实际教学有很大的作用。随着VR成本下降、大量上市和沉浸式能力的提高，VR在教育领域的实用性将不断增强。虽然现在围绕VR开发了大量的应用程序和教学法，但该技术仍然存在一些重大问题和挑战。VR应用于课堂教学仍然是一个新鲜事物，初次使用时，教师可能会观察到学生的高度参与性和积极性，并将其视为该技术的主要好处。然而，教师不能仅仅满足于此，更需要关注的是将VR成功地应用于教学的教学法及其体验。如果没有明确的教学理由和学习效果，VR很可能会成为一种消遣或娱乐的方式。

2020年的新型冠状病毒大流行，也凸显了全球问题对教育模式的巨大影响。在当前情况下，学生佩戴VR设备会使卫生成为一个严重的问题；这可能会使在教室里使用VR耳机的概念过时。但是，VR作为远程教育和家庭学习的工具将受到广泛的关注。VR可能会成为后设备时代的关键参与者，“多样化数字技术的使用将打破笔记本电脑、平板电脑和智能手机的主导地位”[27]。