虚拟现实技术在教学中的应用现状及对策分析

程佑春

（江西科技师范大学 江西南昌 330000）

引言

伴随着科技革命的浪潮，教育这个传统的“慢行业”也正发生着巨大的变革。知识正在以更为直观生动、高质有效的方式传递给学生。虚拟现实技术由于其特有的性质，使得学习者能够更加自然地与虚拟环境、虚拟对象进行交互，并根据自己的学习需求参与、控制学习进程，从而获得最大的学习自由度和学习体验。这种呈现多维信息的虚拟学习环境，将使学习者学习新知识、掌握新技能变得更加高质有效，因此，虚拟现实技术在教育领域的应用也越来越受重视和青睐。

一、虚拟现实的基本特征

在虚拟现实中常用“3I”来表示其主要的几个特征，即交互性（Interaction）、沉浸感（Immersion）和想象性（Imagination）。

1.交互性

交互性主要是指用户在虚拟环境中与虚拟场景、虚拟对象的互动方式、互动程度及此过程中所获得的反馈情况。PC时代，交互性主要体现在人与机器设备的平面交互上，交互方式和交互效果都比较单一；而PC+时代，交互画面更加丰富和立体，用户看到的不再是一张张二维图片，而是一个个立体的场景。同时，交互方式也发生了变化，不再局限于单一的触觉，而是引入了多种神经感知功能。例如，在虚拟环境中抓取物体，用户不仅会有类真实的触感，还会感受到物体的重量。也就是说，虚拟现实环境中，交互方式更加多样，交互效果更接近真实和自然。交互越接近自然，虚拟现实的互动覆盖越全面，交互效果也越好。

2.沉浸感

沉浸感是指利用虚拟现实技术营造出高度契合用户认知和心理体验的情境，从而让用户专注于当前的情境并产生身临其境的感觉。也就是说，沉浸感让体验者忽视了自身所处的外部环境转而融入计算机所创造的虚拟世界中。自然交互使得用户沉浸于虚拟世界成为可能，同时，交互方式的多样性使得沉浸感的来源也体现在多个方面，除了视觉沉浸，还有触觉、听觉、嗅觉等方式的沉浸。调用的感觉越多，情境越逼真，融入感越强。

3.想象性

想象活动是以实物为基本模型，通过在大脑中对实物的记忆表象进行分析、改造，从而形成新的认知的心理过程。这一过程可分为两个阶段，即信息的储备过程和形象的再建构过程。因此，想象力的培养，首先需要获得关于实物的真实的、完整的感受；其次，多维度的交互能够触发学习者将关于实物的认知进行抽象、重组、变形，从而形成新的表象符号。虚拟现实为用户激发想象力创造了条件，多维度的交互方式为认识和理解实物模型奠定了基础，沉浸式的体验为用户深化概念、萌发新的联想、产生认识上的飞跃创造了条件[2]。因此，虚拟现实折射的不仅仅是新技术的进步及其应用价值，对于用户想象力的启发、创造性思维的构建也不无裨益。

二、虚拟现实在教学中运用的意义

虚拟现实技术在教育领域的应用主要体现在教学环境的创设、教学资源的拓展、教学手段的丰富等方面，目的在于激发学习兴趣、增强学习体验、创造心理沉浸感、实现情境学习、促进知识更新。虚拟现实技术在教学中的运用具有以下几个方面的意义。

1.缓解教学资源配置矛盾

目前我国教育领域很多学科专业建设都存在着教育经费投入有限、资源配置不足的问题。从当前来说，这种现象会影响教学的顺利开展和实施，影响学生参与的兴趣和热情；从长远来说，会阻碍学科专业发展，甚至会影响整个教育领域改革发展步伐。教育领域虚拟现实技术的引入，有效缓解了这一矛盾——通过虚拟各种器材设备、实训环境，使得某些实验内容和实训技能得以在虚拟环境中得以展开，从而有效解决教学中因为资源配置失衡带来的突出问题。

2.增强教学的可控性

对于一些存在一定风险，或者容易出现错误操作的实验内容，利用虚拟现实技术可以有效管控风险，增强教学的可控性。在以往的教学过程中，对于那些存在一定安全风险的实验，教师一般都采用诸如播放视频等比较传统的方式来进行。在这种教学模式下，学生无法直接参与实验并获得感性认识，而利用虚拟现实技术进行虚拟实验，可在一定程度上可以免除这种顾虑。如医学领域的实验教学，通过虚拟现实技术模拟生物体的组织和结构，避免因学生的失误对生物体造成伤害，同时还可有效缓解学生紧张、恐惧的心理；对于实验精度比较高的电子线路实验，利用虚拟现实技术可以有效防止因为错误操作出现的硬件损耗情况，从而有效降低了实验成本，也在一定程度上消除了突发状况对教学实施和课堂管理带来的影响；虚拟的化学实验可以有效规避燃烧、爆炸、有害气体挥发等带来的安全风险。

其次，统计查询功能。这方面的功能要从两个方面来进行考虑。一方面，要统计查询网络资源的存在性，根据有线电视网络资源的实际属性，比如管道、线路、各种元器件等，对这些数据模型进行统一的编号和命名，形成相对完整的资源映像。通过这种方式可以实现有线网络资源多种属性的查询功能。另一方面，实现网络资源的可用性，通过将网络资源系统与业务系统形成紧密结合，促进信息资源的有效互动，比如市场部门明确自身拥有销售资源的数量、维护部门清楚需要重点维护的资源、决策部门应优先发展的资源，等等，这有助于实现资源的动态配置，根据实际需要及时进行战略调整。

3.打破教学的时空限制

在虚拟现实世界中，学生可以尽情地遨游在时空隧道中，从而打破时间和空间对知识呈现的限制，使得知识的结构和变化过程以更贴近真实的状态呈现出来。例如，为了了解原子的结构，可以进入虚拟的原子内部，观察内部离子的结构情况及运动状态，同时，还可根据需求调整观察角度，实现“360度无死角”的观察效果。虚拟现实在突破时间限制方面的应用也有很多，如化石的形成，它是一个复杂而漫长的过程，需要上万年的等待。而利用虚拟现实技术，则可以将这一漫长而复杂的演变过程浓缩在几分钟内呈现给学生，学生通过场景模拟获得的认知会更加直观强烈，相比较传统教学中纸上谈兵式的教学方法，学生对于知识要点的理解和把握要更加深刻牢固。由此可见，这是对传统教学的一种有益补充。

4.增强教学的趣味性

运用虚拟现实技术可以创设一种全新的课堂气氛和课堂体验。虚拟现实技术不仅可以对学习过程中所涉及的各种假设模型进行虚拟物化，通过虚拟系统直观观察到这一假设所产生的结果或效果[3]，同时，还可以创设虚拟角色，使得学生可以与虚拟角色一起交流讨论，收获趣味横生的学习体验，虚拟数字人的诞生正是这一深化应用的具体体现。此外，虚拟现实技术的运用使得学生的主体地位更加突出，便于开展自适应式学习；通过合作探究的形式，开展协作式学习，共享学习成果。

三、虚拟现实在教学应用中存在的问题和对策

虚拟现实技术在辅助教学方面的积极作用是毋庸置疑的，这为虚拟现实提供了广阔的应用前景，但在实际运用过程中也存在着诸多问题。

1.存在的问题

（1）虚拟现实技术本身的限制

虚拟世界与现实世界的真实程度存在一定差距。虚拟现实毕竟是计算机系统，它所创设的虚拟环境和模型即使再细腻逼真，与真实场景还是有一定的差距。比如，我们看到的反应画面会有明显的颗粒感；提供的人机交互手段虽然多样且力求自然，但与现实世界的交互相比，总会存在一定的局限，例如在进行触觉交互的过程中，触觉传感器响应并采集交互过程中力的变化和参数，这其中会涉及传感器的性能、材质、采集方法等诸多因素，经过若干物理中间媒介的传导，传回给用户的虚拟触觉只能算是类真实体验，与通过神经系统传导的真实触觉体验相比会有一定的失真。虽然随着技术的进步，虚拟现实技术会越来越完善，但它的使用仍然会涉及新的硬件或软件，这就有可能会产生兼容性和适应性的问题[4]。

（2）技术壁垒阻碍了虚拟现实的普及应用

虚拟现实技术是一项融合了计算机图形学、传感技术等多学科领域的综合集成性技术，涉及领域多，技术交叉融合比较复杂，并且各学科领域知识更新发展较快，这对虚拟现实技术在教学方面的开发和维护提出了很高的要求。一般来说，授课教师如要按照课程需求自己独立完成虚拟软件或课件的制作，确实有一定的难度。因此，在实际应用中，虚拟现实技术的开发基本都会借助专业人员的力量。虽然这在一定程度上可以突破技术限制，但专业开发人员对于虚拟软件在教学中的应用理解没有专业教师深刻、透彻，在实施细节、教学技巧的呈现上会有所欠缺，因此，开发出的虚拟现实教学软件与预期会有一定差距。

（3）学生的学习自主性不受控制

虚拟现实的引入使得学生的主体地位更加突出，学生学习的自由度和自主性得到了强化。学习过程中，学生可根据个性化的学习需求，选择适合自己习惯的学习方法，制定适合自己节奏的学习计划，进而根据学习目标有计划、有针对性地展开学习。这种以学生为主体的教学模式，能够培养学生的规划能力和组织能力，增强学生的自律意识和主动探究意识。但是，好的课堂应该是教师和学生共同作用的结果。虽然虚拟现实技术的引入在培养学生的能力和素质方面确实起到了一定的积极作用，但我们也要看到它同时弱化了教师的主导作用，弱化了教师对于学生的情感教育和引导。毕竟这一阶段学生的心理、态度和价值观还未成熟，具有极强的可塑性。有了教师的参与和引导，其发展会更趋于理性，同时，教师的引导可以避免学生因学习自由度过大而游离于课堂教学目标和教学要求之外，出现发散思维不受控制的情况出现。

2.解决问题的对策

任何一种技术的运用都有利有弊，我们要用辩证的方法看问题。我们既要看到虚拟现实技术在教学实践中的优势，也要正确认识它的局限性，知己知彼才能做到扬长避短，使得虚拟现实技术更好地为教学服务。

（1）正确认识新技术对教学实践的影响

随着虚拟现实技术的进一步发展，其技术水平会越来越高，在教育领域的应用范围也会越来越广泛。作为一线教育工作者，我们应该本着实事求是的原则，正确认识新技术对教学实践的影响。一方面，不能因为虚拟现实技术的局限性就因循守旧、故步自封，排斥拒绝其在教育领域的引入，应该敏锐捕捉其对教学的正面促进作用；另一方面，也不能夸大其对教学的作用，盲目追求当前流行的新技术新概念而忽视了教育中“人”的作用，不要寄期望于虚拟环境完全取代实地教学。

（2）加强教师的虚拟现实技术培训

信息技术手段不仅仅是技术的体现，也是教师教学理念、教学能力的侧面印证。虚拟现实技术作为当前比较复杂的一种信息技术手段，要求教师通过几次培训就具备开发能力也是不现实的，但万事开头难，通过培训给一线教师打开虚拟世界的大门，让其感受到虚拟世界之美、之奇，触发其学习热情，从而使其具备基本的虚拟现实专业素养和开发能力，也不失为一种好的途径和手段。此外，技术培训会加速促进其在教学中的转化，为教师的教学实施提供了一种新的思路和途径，于无形中更新了教师的教学理念，提升了教学能力。

（3）平衡学习过程中师生的地位和作用

一方面，加强对学生自主学习的引导和规范，通过设置启发式问题、分析报告、课堂小测等手段，使学生的学习活动始终聚集、围绕在课堂教学目标周围，不至于游离于课堂活动之外，体现出学生的主体作用。另一方面，虽然虚拟现实技术的引入在一定程度上阻碍了教师和学生的情感交流，但教师可在课堂上通过相应的教学手段进行调节和平衡。如上述的问答环节、报告环节、测验环节，都是教师和学生进行直接交流互动的机会，教师应该把握好机会，合理设置互动活动，充分发挥课堂上教师的主导作用。

结语

虚拟现实技术作为一种新技术手段，为现代教育改革的发展和实践提供了强有力的支持。但技术只是一种手段，只是为优化教学实践提供了一种可能，教育的核心和灵魂还是教学设计。因此，教师在教学实际中应该注重与时俱进、博采众长，将新技术、新理念引入到教学设计中，使之更科学、更合理地为教学服务，从而达到更好的育人效果。