虚拟现实技术应用于青少年教育的探索与实践①

何勰绯，梁嘉贵，孙昊文

（广州工程技术职业学院信息工程学院，广东 广州 510625）

随着时代的发展，科技水平在不断进步，虚拟现实（virtual reality，VR）技术也在不断成熟，5G 时代的到来，标志着VR 虚拟现实正在逐步渗透进我们的日常生活中，虚拟现实技术也对各个行业起到了至关重要的作用，VR 虚拟现实设备不再只是用于玩游戏的设备，而是朝着一个新的科学技术领域进军。

虚拟现实技术是一种仿真技术，其原理是运用计算机模拟技术，通过对系统的模拟形成一个有别于现实环境的虚拟世界，生成一个在体验者空间范围内结合视觉、听觉和触感等方面的数字化空间，能够较为逼真地产生与现实世界一样的感官刺激，并且可以进行与虚拟环境的交互动作。用户如果想和虚拟世界进行互动，则需借助外部设备来与之创建联系。虚拟现实概念最早起源于20 世纪50 年代，虚拟现实之父Sutherland在《终极的显示》一文中首次提出了虚拟现实系统的基本思想。但由于那个时代信息革命技术的不成熟，这项技术在当时并没有产生大的影响。直到信息化的现代，虚拟现实技术发展成熟并且逐渐成为大众所知的一项新兴技术，虚拟现实技术的应用开始频繁地出现在人类社会的许多领域，其中在教育领域的应用是大多数人最为关注的。

信息技术的迅速发展令虚拟现实技术在教育领域中的作用越来越明显，当下，教育工作者和相关技术研究人员开始研究将信息技术与教育相融合，推动对“互联网+教育”领域的研究探索及广泛应用。随着各领域对虚拟现实技术的不断引入，更多新型虚拟现实设备和产品被开发出来，虚拟现实技术可以在空间进行全息投影，为教学营造更加逼真的立体环境，学生通过对相关知识和场景的模拟增加学习的乐趣和学习的体验。

一、虚拟现实技术概论

（一）虚拟现实的外设

为了实现虚拟现实技术的沉浸特性，应用于VR 环境资源中，虚拟现实技术必须要借助一定的外在硬件设备（简称外设）来实现交互体验。目前市面上最普遍的是虚拟现实头显（头戴式显示器），也称VR 眼镜。其是利用人体左右眼的瞳孔网络获取外部信息的差异，引导体验者产生一种置身于虚拟环境中的现实立体感。

现在的VR 显示设备是以眼镜头盔的形式被使用。在此之前则是以二维屏幕的方式呈现，其从屏显演变成眼镜的必然性也显而易见。其一，为了避免干扰物和其他光线等不稳定因素的影响，眼镜的方式能更好地提升用户沉浸式的体验效果。其二，做成眼镜的构式能够利用多屏成像的原理，通过技术在眼镜显示屏上构成一个更富立体感的成像。其实对于许多受试者来说，长时间戴着设备会非常累，会使体验者的鼻子受压和头部承重过久，极易造成长时间的佩戴疲劳，体验感较差。

虚拟现实技术的逐步成熟，使得VR 设备也在外观上有许多对其实用性和便捷性方面的改造。蚁视头盔相比其他常规头戴式显示器在设计上考虑了眼镜使用人群的佩戴情况，主要是增加了头盔佩戴的预留空间，用户即使在佩戴自己的眼镜的同时也能使用此设备，便于用户对外界的事物做出反应，这种设计结构更具合理性和安全性。一些VR 展厅里的眼镜设备会配合一些能晃动的蛋椅，这些椅子内置了多个传感器和震动、触觉反馈模块，能够支持旋转、倾斜、上升下沉等功能。配合VR 眼镜使用，当你观看的电影出现坠机情节时，蛋椅会进行360°旋转，同时触发触觉装置，给你带来失重、飞机快速下降的错觉。有趣的是，当你戴上VR 眼镜之后，一切沉浸效果都来得非常自然，不会让人产生眩晕感。

（二）虚拟现实的交互

交互是使用者与虚拟资源利用之间的必须环节，也是虚拟资源在开发时不可或缺的一项功能。如何根据各种信息资源的特点与不同人群的学习特性交织在一起进行良好的人机交互学习，这是教育研究者与虚拟现实领域者所关注的重点。这种VR 的教育形式把原先传统的“二维界面”拉进了一个“三维的空间”，相当于一个平面纸片上的人突然站立起来成为一个活生生的人，极富立体性。这种方式在VR 资源和其他相关的教学资源之间的交互还存在极大的差异。根据目前对人体特性的交互技术开发，VR 虚拟资源的人机交互方式有许多种。

1.交互方式

（1）头部转动

使用者在佩戴头盔观看VR 资源时需要借助头部的转动去体验里面的场景，头盔的主机系统会追踪使用者的头部位置并进行实时计算，计算出使用者头部所在视角在场景里面的位置并映射出来，使用者只需要通过上下左右各种角度的头部旋转就能观察场景中的地方。

（2）凌空手势

即用户只需戴上设备直接借助手势动作、语言等人类自然的方式就能与虚拟空间里的物体产生交互，进行交流沟通。所以你可能经常会见到一些佩戴者用手在空中比划的现象，设备会抓取用户的手势等动作并进行反馈，此时他的动作和虚拟世界进行了交互后得到了反馈。用户的动作指令同虚拟空间中产生的变化两者反馈在一起，就形成了一次交互作用。

（3）操纵手柄或其他辅助设备

如前面所说，外设就是使用者与虚拟世界之间的桥梁。自然界中，人们除了用语言、肢体等动作信号交流外，还会借助必要的硬性工具，提高操作性的同时提高效率。

2.感受特征

虚拟现实在多层面运用的特征基本可以概括为沉浸性 （Immersion）、交互性 （Interaction）、想象性（Imagination）、存在感（Existence）、自主感（Autonomy）五个方面，也常简称为“两感三性”。

着重说明虚拟现实最显著的特点———沉浸性，即用户能够恍如现实世界一般沉浸在计算机生成的虚拟世界中，从感官、听觉等接受刺激，仿佛自身就是虚拟世界中的一部分。虚拟现实的沉浸性能给用户的体验造成更强烈且逼真的感官刺激。VR 眼镜通过凸透镜来放大人眼看到的即时图像范围（参见图1、图2）。目前VR 眼镜对于使用者所形成的视野区域大概是90°到120°之间的范围，不过眼镜在设计上也考虑到了人眼在贴近屏幕的倍距问题，戴上眼镜后能被外界干扰的几率很小。同时使用者只需扭头便能360°观察这个空间，借助于设备头部的陀螺仪，这是一种用于测量角速度的传感器，通过它获取本体xyz 轴上的角速度并将数据以（x,y,z）的形式存储，模拟并实时更新本体在虚拟空间里的位置和对应画面。

图1 人眼视距机制

图2 人眼即时视野

3.虚拟现实的关键技术

目前，常见的虚拟现实关键技术有动态环境建模技术、实时三维建模技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、多种系统集成技术、用户的适应性、人工智能技术。

4.虚拟现实技术的应用领域

（1）在教育领域的应用

在科技兴国的影响下，信息产业不断冲击着传统教育行业。教学被认为是未来VR 虚拟现实技术最有前途的应用场景，虚拟现实技术教学能使学生不拘于文本，而是将多维的事件整理在虚拟环境中呈现。就如同此前读者只能从书本或媒体资源上去了解恐龙，而虚拟现实技术能还原一个恐龙的虚拟场景，体验者能从中与之互动进而了解它们的习性，在教学中起到一定程度的启示作用。未来需要更多的人投入VR 教育领域，开发更多适合儿童和成年人的VR 内容和软件应用，形成一个更大规模的学习环境。

（2）在医疗行业的应用

虚拟现实技术在医疗行业的应用主要分为两类，一类是虚拟人体即数字化人体，医生可以在三维图像上对“可视人”进行身体局部结构的缩放，赋予医生“看穿”的能力。另一类是虚拟手术环境，即在计算机视窗中建立一个虚拟手术环境，利用医学影像数据，在虚拟环境中模拟手术开始前的手术计划以及手术排练，提高手术成功率。除此之外，虚拟手术系统还能用于医学生的手术教学、手术技能训练等，帮助医学生更直观地了解手术过程。

（3）在军事领域的应用

虚拟现实技术在军事领域的应用主要集中表现在模拟作战环境、军事模拟训练、军事演习、维护和优化军事装备等方面。VR 虚拟现实技术还能模拟真实的战场环境，可以使士兵迅速熟悉战场环境，快速制定作战策略，同时还能提高士兵随机应变能力。这样在面对突如其来的战事时能有所准备，能够快速在实际战斗中做出决策并参与战斗，同时也减少了实地演练所带来的作战风险，为士兵们的安全提供了双重保障，这对信息化军事上的影响是极其深远的。

（4）在艺术与娱乐层面的应用

虚拟现实技术未来在艺术领域和娱乐方面的上升空间无限大，VR 技术同时也能成为文化输出的载体。许多静态的艺术形式都可以在虚拟现实中转化成三维的动态渲染呈现，观众能隔空欣赏表演的同时取得很好的数字化传播效果。近年来，随着虚拟现实技术的发展，许多虚拟博物馆、虚拟图书馆等虚拟体验馆随之兴起。游戏玩家是虚拟现实产业的狂热拥护者，虚拟现实产业下的许多游戏都十分出色，其中的画面特效体验感能达到以假乱真的效果，这也是越来越多的人开始接触和探索VR 的原因。

二、青少年使用虚拟现实技术情况调查

经调查了解，目前国内虚拟现实技术应用的领域较广，但在教育方面的应用普及率还极低，一是由于虚拟现实技术设备昂贵，人力成本高；二是大众的认知度不够。对于青少年人群而言，全新的科技产品对他们的诱惑非常大，在线营销研究公司Touchstone Research在调查了500 位10~17 岁的青少年后，发布过一项关于虚拟现实技术认知度的统计数据：79%的人都听说过虚拟现实技术，68%的人因慢慢摸索而了解，47%的人对虚拟现实技术有一定的了解或了解程度较深。因此，虚拟现实技术在青少年中的前景还是极其乐观的，在10~17 岁的青少年人群中，不少人对虚拟现实有非常大的兴趣。“VR 虚拟现实设备对未成年人的影响，远远大于电视、计算机等产品。”人们对世界的认知方式正在被虚拟现实技术逐渐改变，特别是对于10~17 岁这个年龄段的学生来说，这一技术带来了颠覆性的影响。

为了更直观地了解虚拟现实技术在教育领域中对学生学习的影响，HTC Vive 于2016 年在北京一所重点中学关于VR 教学成果进行了调查，他们从不同成绩层面抽取部分学生，安排同一名老师分别在VR 和传统模式下进行相同的课程学习并考试，结果竟是VR 组平均成绩比传统模式的要高。北京师范大学PTA 实验室对VR 教学模式和电脑学习方式也进行了英语口语的实验测试，结果接受实验的非英语专业学生在VR 教学下的成绩更优。除此之外，斯坦福大学中的一份报告也指出，VR 教学相对于传统教学的考试成绩提高了27.4%。

由此可见，VR 教学比传统教学效果更显著，不仅能帮助孩子提升成绩，更能帮助孩子更有效地吸收知识，增强学习动力。这意味着青少年用户在虚拟现实的世界占据着越来越重要的地位。

广州工程技术职业学院在对青少年的科普教育活动中发现，对于大部分偏远地区以及教育相对落后的城镇而言，大部分青少年对虚拟仿真现实技术的了解仅停留在“听过”的阶段，认为虚拟仿真现实技术是用来游戏娱乐的。但是在对VR 设备接触之后产生了浓厚的兴趣，在佩戴头戴式设备的过程中，学生的机动性和动手能力得到提高，学生通过MR 全息技术，在侏罗纪世界中亲自孵化恐龙蛋，在海洋世界里与鱼群们一起遨游，在热带丛林中喂食老虎，等等。在虚拟现实世界中，学生足不出户就能实现360°感受现场环境，与生物身临其境地互动，这些都不会在现实生活中出现，更无法在现有课堂上体验。

图3 科普活动中的小学生在体验VR 设备

三、教育中的应用情境

如今虚拟现实技术已经逐步渗透到各领域，尤其是在教育成为热点的当今社会，虚拟现实技术也为教育领域的应用展现了它的作用和价值。虚拟现实技术在教育中的优势与传统的教育方式相结合，将两者的优点最大化地发挥出来。

（一）学习环境

虚拟现实技术可以设计一些不被允许承载太多人且有一定要求的特殊环境，或者演练历史中无法重现的场景。比如虚拟的红军长征纪念馆，甚至是红军真实的长征场景，这些都可以被建模出来并在虚拟现实中展示，可以让体验者极大地感受前辈们艰苦的奋斗历程，有助于促进学习者对知识的吸收，而且这种方式较传统书面上的刻板更具趣味性和互动性。现在社会上许多教育活动都能通过虚拟现实的方式去了解历史，虚拟博物馆、虚拟图书馆等根据现实而建造的虚拟情景也被大多数人所熟知、所体验，其不仅能减少一些文物破坏的发生率，又能使用户足不出户就能身临其境地学习千里之外的知识。

（二）游戏启示

虚拟现实技术最开始是为游戏领域服务的技术，其发展至今也衍生了许多十分出色的VR 游戏。它不只是一个玩乐的方式，教育创新提倡寓教于乐，游戏在教学的基础上能激发孩子的潜能，提高益智力。因此虚拟现实技术也有助于青少年群体进行趣味游戏的探索，培养青少年对事物的好奇心。戴上虚拟设备可以进行创作、运动等交互动作，增强青少年的实践性。

（三）远程虚拟教学

远程教育与现在的网络在线教学形式比较相近，远程教育是师生暂时性分离的一种形式，随着现代网络教育的发展，教育载体越来越灵活和开放，因此一般的网络教学难免会造成一些情感的缺失，学生难以沉浸且枯燥。但是虚拟教学能将一些难以展示、难以理解的内容通过虚拟现实技术展现出来，使其中的内容更加立体、生动和直观，帮助教育工作者更好地讲授知识，促进学生群体对知识的理解。但也不难发现在虚拟现实教学中教师的工作量会大大缩减，发挥的作用会降低，学生对虚拟网络世界的依赖性会提高。这就意味着教师需要以更高的教学素养严格要求自己，引导学生进行虚拟教学，但他们不能摒弃传统的教育方式，脱离现有的教育理念，更应提升自身的信息化水平，利用虚拟现实技术达到更加高效的教学效果。

四、结语

虚拟现实技术在教育领域的应用，为教学创造了逼真的虚拟现实环境，借助虚拟现实技术，改变了以往以灌输式和说教式为主的教学模式，丰富了传统课堂以文字、图片、声音为主要手段的教学环境。然而，根据目前国内虚拟现实技术在教育领域的应用情况来看，还需要与教学机制不断地磨合，需要提升师生群体对虚拟现实技术的认知度，不能让虚拟现实技术只停留在游戏娱乐的印象阶段，应该把虚拟现实技术更多地推广至为人类服务进步的领域上。

目前，国家已经提出积极推动虚拟教育教学环境建设的号召，相信未来教育与虚拟现实技术的融合应用会更加高质有效，相信未来的虚拟现实技术应用会越来越广泛，更好地为人类服务。