虚拟现实技术在教育中的影响

何晓旭

（沈阳城市学院 辽宁·沈阳 110000）

0 引言

在过去的十年中，基于虚拟现实（VR）的应用程序在医疗，教育和军事等几个领域都有广泛的应用。Facebook，三星，微软和谷歌等高科技公司开始增加对这项技术的投资，甚至一些创业公司也被这些领先公司收购。例如，Facebook于2014年3月25日以20亿美元收购OculusVR。VR（虚拟现实）可以被描述为一个具有特定软件和头戴式受话器的人工环境。该系统以用户将虚拟环境视为真实环境的方式呈现给最终用户。VR系统的主要组成部分是硬件和软件。硬件可以分为三类，即显示系统，输入设备和反馈设备。有一个基于显示类型的分类法，它与浸入级别相关。例如，Oculus Development Kit 2是一个示例显示。VR输入设备的示例是Kinect，Leap Motion和STEMSystem。有几种游戏引擎可以开发仿真环境，例如虚幻引擎，Unity和OpenSceneGraph。VR系统的真实性受图像质量和沉浸程度的影响。由于VR（虚拟现实）技术可以在VR应用的帮助下轻松实现高质量的视觉材料的虚拟化，因此VR技术可以有效地教授高级理论内容。因此，教育是应用这种最先进解决方案最适用的领域之一。随着这些技术的改进，新的教学方法也应运而生。例如，都柏林大学（UniversityCollege Dublin）的研究人员研究了一个项目，该项目涉及MissionV学校试点项目范围内的20所小学，VR有助于将学生融入虚拟现实课堂。因此，社交能力有限且需要不同教学风格的学生可以从这项技术中受益。此外，VR用于教育目的的其他优点是增加学生的动机，减少学习曲线，提高解决问题的能力，安全地与复杂人员进行交互，并介绍学生特定的教学方法，而不是通用教学方法。通过运用虚拟现实技术，学生除了可以获得理论知识外，还可以得到实践练习的支持。

1 相关工作

当采用互动式教学方法时，学生学习的更好。每个学生都可以以不同的方式回应不同的方法；不同的方法可以为大学生群体营造良好的氛围。根据不同学习和教学方法的平均保留率，可以从最好到最差列出以下方法：教授他人或立即使用学习、实践学习、讨论小组、演示、视听、阅读和讲座。根据建构主义学习观，学生通过与环境的互动来学习，必须积极参与这一过程。在如下环境中，学生有五种角色：

（1）学生通过与给予他们的材料或设备互动来学习。

（2）学生通过实践来学习。

（3）学生通过解决问题来学习。

（4）学生通过搜索多个资源的信息来回答所提出的问题。

（5）学生通过与一组学生互动来学习改进初始解决方案。

虚拟现实技术在教育中的应用急剧增加。除了虚拟现实使用外，还致力于教育中的可穿戴技术。在过去的两年中，国外的堪培拉大学和麦格理大学组织了一些称为“可穿戴技术教育”的研讨会。此外，南威尔士大学将VR（虚拟现实）应用于工程教育。最近有几项关于可穿戴技术用于教育的研究。事实上，VR（虚拟现实）耳机只是可穿戴设备之一。截至2016年11月5日，Vandrico可穿戴设备数据库由313家公司的454台设备组成。这些设备属于娱乐，健身，游戏，工业，生活方式，医疗和宠物动物类。OculusRift和三星Gear VR是这些设备中的一部分。专注将VR技术用于计算机教育方面，但也可以将可穿戴技术应用于同一学生群体。

有一些研究将可穿戴技术应用于教育领域。例如，据了解，Google Glass可穿戴技术适用于基于模拟的培训练习，Google Glass提供信息集成和更多连接。正如在最近的这两项研究中所看到的，探索可穿戴技术在教育中的应用具有巨大的潜力。

一些研究人员致力于通过使用VR技术创建虚拟教室体验，即Oculus RIFT VR耳机和Unity3D游戏引擎作为远程学习的一部分。在该系统中，学生可以参加讲座，向虚拟讲师提问，并在此虚拟环境中接收预定义的答案。结果表明，与使用录制视频的传统系统相比，所提出的系统提供了更高的效率。

基于VR技术具有特定的学习目标。研究人员解释了用于外科技能训练的设计因素。VR和增强现实（AR）技术在神经外科的教育改进方面也有很大的潜力。由于医学教育是VR（虚拟现实）技术最适用的领域之一，在这个领域看到了几个新的应用。例如，研究人员目前正在评估基于VR（虚拟现实）的模拟课程的结果，如虚拟内窥镜中的人为因素，已纳入到胃肠病学培训课程中。此外，VR模拟器最近在牙科学校开始流行。研究人员调查了VR（虚拟现实）牙科模拟器Simodont的使用情况，发现新手学员和经验丰富的牙科学员之间存在统计学意义。在另一项研究中，研究人员比较了两个护理学生组在静脉切开术中的表现。传统方法和VR（虚拟现实）模拟方法同样有效，两组之间的绩效指标没有统计学意义。

通过谷歌硬纸板等低成本虚拟现实观众的帮助，似乎可以将这项技术应用于大多数的教室。然而，一些学生在使用这项技术时可能会遇到运动病问题。正如在这个例子中看到的，VR（虚拟现实）技术不仅限于大学生，也可以用于K-12学校。

除K-12和大学级应用外，VR（虚拟现实）还可用于需要特殊教育的儿童。在最近的一项研究中，来自新加坡，荷兰和中国的教育工作者和开发人员共同为虚拟粉红海豚项目范围内的自闭症谱系障碍（ASD）儿童创建学习内容。个项目的动机是海豚提高了自闭症儿童的互动和沟通能力。然而，一个真正的海豚治疗是昂贵的，因此，虚拟粉红海豚在新加坡开发，该系统被部署在特殊需求学校。

VR（虚拟现实）技术通过提供真实世界的过程来协助理论讲座。诺丁汉大学的教师观察到化学工程专业的学生虽然在课堂上授课，但无法识别工业工厂的设备。因此，他们开发了一个化学处理工厂模拟，以积极地让学生参与学习过程。我们的研究目的与本研究类似，但部门和背景却截然不同。

2 采用方法

在本节中，详细介绍了所提出的VR-ENITE系统。

2.1 系统架构

提出的系统包括两个不同的模块，即讲师应用程序和学生应用程序。VR-ENITE系统的讲师通过讲师应用程序启动学习课程。此移动应用程序专为平板电脑设备而构建，以配置实验以可视化所选的排序算法。在启动实验课程之前，学生通过他们的学生应用程序发现并连接到教师应用程序。这些多点连接是通过蓝牙技术建立起来的，形成一个分散的网络结构。建立连接后，下一个关键任务是维护设备之间的连接。由于移动操作系统的节能模式，这通常难以实现。已经实现了心跳机制来检查会话中的活动连接。如果网络中有Wi-Fi，则所有应用程序首先尝试使用Wi-Fi而不是蓝牙。所有操作均由教师应用程序操作。学生申请的主要职责是用VR头戴式耳机以3D形式显示分类实验。

由于对等点的数量和通信基础的复杂性，应用程序逻辑需要在性能上具有优势。因此，传输必须以优化的方式进行，以减少延迟。通过初始化流服务管理器，学生应用程序和讲师应用程序统计信息之间的交互。在实验投影之前的一段时间内建立对等连接。同时，讲师生成实验参数并设计用于在实验中显示的场景。使用教师应用程序引发的命令激活3D场景。

2.2 多用户连接框架

为了使应用程序在iOS设备上顺利运行，采用了iOS的多点连接框架来实现网络结构上的通信方式。在两个设备之间建立传统的蓝牙连接。主要的想法是将选定的设备配对到一个短程通信表单上。另外，iOS的多用户连接框架允许在一次访问中与多个设备通信。对等ID用MCPeerID象表示，以唯一标识正在运行的应用程序。MCSession对象维护设备之间的活动连接，MCNearbyServiceAdvertiser对象叙述学生应用程序渴望加入指定类型的活动会话的邻居设备。教师应用程序可以连接到多个设备，并且此框架可以处理所有连接问题，例如连接编排。该框架使我们能够专注于应用程序逻辑，而不是处理基础架构问题

2.3 核心运动框架

为了增加实验的实际因素，头部运动被捕获并转移到学生应用程序。使用Apple的CoreMotionFramework来获取内置陀螺仪和智能手机加速度计产生的运动数据。移动数据已经统一在cameraRollNode和cameraYawNode用于相机移动。

iOS通过SpriteKit，Metal和SceneKit提供2D和3D应用程序开发环境。使用SceneKit渲染框架作为主要平台，因为它具有强大的功能，如着色器修饰符，约束和骨架。已选择Xcode IDE使用Swift3编程语言开发教师和学生应用程序。教师应用程序充当所有实验的配置和控制屏幕。讲师可以在实验期间在运行时创建自定义实验。数字数组根据讲师的偏好进入冒号排序，选择排序或插入排序算法。另一方面，学生应用程序为给定数组元素的所选排序算法的应用设置动画。该可视化基于具有双目视觉的立体视觉技术来执行。该技术的主要目的是通过为学生创建3D视图来提供和增强幻觉的视觉深度。在VR会话期间，数组元素根据所选算法的工作原理作为动画移动。 移动元素以不同颜色突出显示，以吸引学生的注意力。此外，这些实验在培训课程中通过讲师的叙述获得了授权。教师可以从他自己的应用程序中看到处于活动会话中的学生，该应用程序以蓝色表示活动，以灰色表示被动。此列表允许讲师监控哪些学生在课堂上使用 VRENITE应用程序。

将VRENITE系统与其替代品区别开来的最重要特征是它可以在iOS操作系统上运行。可以轻松地使用流行的VR眼镜，如Oculus Rift和HTC Vive作为此系统的一部分，我们也可以从Unity3D和虚幻引擎等游戏引擎中获益。由于我们设计了不需要高级可视化的培训场景，因此该决策使我们能够使用iOS的本机框架开发系统。这一优势有助于使用基于iOS的智能手机的学生仅使用一个简单的虚拟现实玻璃（如谷歌硬纸板）进行几次实验。OculusRift和HTCVive等头戴式显示器（HDM）需要一台带外置显卡的电脑。因此，它被认为是一种高成本的解决方案，限制了这些系统的适用性。还必须建立一个特殊的实验室，以便在适当的环境中有效地使用这些昂贵的设备。VR-ENITE解决方案不仅设计成低成本，而且可以随时随地轻松访问。

3 结果分析

教授一门课程来做实验。作为课程的一部分，每周为学生提供2小时理论讲座和2小时实验室工作。在这2小时的实验室工作期间，VR-ENITE系统用于特定的学生群体。因此，在实验室时间内与VR-ENITE互动的学生与未与我们基于VR的系统互动的学生进行比较。如果我们在课程上有更多的实验时间，与传统的教学方法相比，我们可以有更好的改进。每周都会分配作业，因此，学生可以通过解决棘手问题的实际解决方案来补充他们的理论知识。

志愿学生分为两组：一组获得传统教育，另一组通过VRENITE互动补充教育。培训结束后，向学生提供了关于排序算法的10个选择题的多项选择考试，然后对所有这些考试进行了评估。我们应用统计数据分析技术来评估学生的表现，并进行测试以检查这两组之间是否存在统计学上的显著差异。确定显著性水平 =0.05。

零假设是两个组的平均性能相等。在对所有的考试进行评估后，计算出第一组的平均成绩是60分。第二组的平均成绩是72分。

第一组的标准偏差为15，第二组的标准偏差为13。这两组的样本量为18。当进行T检验时，确认了这两组的统计学差异。选择这种统计分析技术的原因是样本量不是很大（每组18名学生），而且事先不知道人口的变异性。根据这些结果，拒绝零假设，并指出第二组的表现在统计上优于第一组。为了测试这种方法，使用了SPSS统计工具。

4 结论与探讨

尽管VR这个术语在20世纪60年代首次被使用，但由于VR设备的高成本，直到2000年才被许多终端用户采用。现在OculusRift或三星Gear VR等耳机的价格实惠，因此VR更常见，基于VR技术的应用程序也多种多样。

目前，VR在房地产、房屋建筑、汽车和科学可视化等许多行业都取得了成功。它不仅支持创新，而且支持制造商的决策过程。除了VR的工业应用外，它还有很大的潜力来提高教育水平。

不同的群体，如大学生，儿童和有认知障碍的学生可以从这些系统中受益。在本文中，旨在通过VR-ENITE（虚拟现实系统）的VR系统来提高学生在学习中的表现。讲师的平板电脑和学生的耳机之间建立了多点连接。讲师可以轻松定制内容，学生可以快速访问内容。学生现在使用VR（虚拟现实）耳机，而不是使用视频材料进行排序，讲师可以从平板电脑定制内容。

（1）利用传统教学技术获取信息的学生。

（2）与VR系统互动并通过传统教材系统获取信息的学生。

这些学生是在自愿参与的基础上选出的，这两组的学生人数共计36人（每组18名学生）。在将内容发送给学生之后，为这两个小组进行了多项选择考试。根据对这些问题的回答，对两组学生的成绩进行了计算和比较，实验结果表明，使用VR-ENITE的学生在考试中表现较好，说明该系统对学生的成绩有积极的影响。在评估了所有考试之后，发现使用VR系统和传统教学技术的小组比对照组更成功。此外，使用VR系统的学生积极参与讲座，发现这个主题非常有趣。当学生很难理解一门课程的主题，或是因为太理论化而无法具体化时，决定创建类似的系统。

该观察结果表明，所提出的VR系统可有效地用于软件工程课程。此外，从学生那里得到了关于这个系统的非常积极的反馈，一旦他们与这个系统进行交互，他们就会非常积极。除了改善教育目的外，学生现在对在该部门实施基于VR的系统更有信心。