VR/AR 技术及其应用研究综述*

汪玲

武汉交通职业学院马克思主义学院 武汉 430065

0 引言

当今世界正在经历新一轮科技革命，虚拟仿真是这一轮新科技革命的代表性成果。2016 年被称为VR（Virtual Reality，虚拟现实）元年，沉寂多年的VR 技术再次被人们所关注。随着5G 技术的普及，网络延迟问题逐步解决，VR 技术得以加速发展，增强现实（Augmented Reality）、增强虚拟、混合现实、拓展现实等成为吸引眼球的科技热词，VR/AR 技术发展前景未来可期。近几年，VR/AR 技术已再次成为国内外学术界研究的热点，相关成果也比较多。为深化VR/AR 技术在高等教育领域的应用研究，本文收集梳理国内外VR/AR 技术应用研究情况，综述如下。

1 国外VR/AR 技术研究情况

美国、英国、日本、韩国等发达国家，基于其雄厚的经济、科技实力，对VR/AR 技术的研究和运用起步较早，且取得不少成果。

1.1 对VR/AR 技术内涵的界定

1.1.1 VR 技术

已有研究表明，美国是最先涉足该领域研究的国家，对VR 技术的研究也一直走在世界前列。早在1960 年，图形学之父伊万·萨瑟兰就发表了一篇关于“终极显示”的论文，在此篇论文中首次提出VR 技术。1990 年，被学术界公认的“虚拟现实之父”杰伦·拉尼尔将Virtual Reality 这个新兴词汇引入大众视野，也使研究者注意到VR 技术领域有研究开拓的潜在价值，自此，VR 技术研究蓬勃兴起。

随着时代的发展，各行各业对VR 技术的需求日益增长，人们对VR 技术内涵的认识和理解也在不断深入。不同研究领域的学者从不同的视角对VR技术进行界定，比如Grigore C.Burdea 等[1]指出：VR 技术是一种高端人机接口，它能实现人与计算机的自然交互。Grigore C.Burdea 等认为VR 具有“3I”特征，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和构想性（Imagination）[2]。狄奥尼索斯指出VR 是运用计算机这个媒介设计出的一种模拟平台，在这个平台上所呈现出的内容类似真实直观存在，同时，用户之间还可以如同现实情景一般进行互动[2]。

1.1.2 AR 技术

创造AR 一词的是美国人汤姆·考德尔。在目前的信息化技术中，AR 技术在很多领域运用也比较广泛，国外对该技术的相关研究与日俱增，但关于AR 技术的内涵，学界并没有统一的解答。1997年，科学家罗纳德·阿祖玛对AR 技术进行深入研究，在研究的基础上试图从AR 技术的三个特征即“虚实结合、实时交互、三维注册”对其定义进行阐述。Gene Becker 从AR 技术的应用层面对其概念进行概括，即：1）一种技术；2）一个研究领域；3）一种未来计算的景象；4）一种新兴的商业；5）一种创造性表达的新媒介[3]。

与VR 技术一样，随着科学技术的不断发展，各个领域对AR 技术的研究也在不断深入，AR 技术的内涵与外延也在不断丰富。美国学者Milgram 提出“现实—虚拟连续统一体”的概念（Milgram’s Reality-Virtuality Continuum），这一概念提出后，被学术界广泛采纳。Milgram 提出的“现实—虚拟连续统一体”概念本质上指的是虚实融合，在真实环境和虚拟环境之间存在混合现实，混合现实是真实环境和虚拟环境融合的结果，可以用图1 简单明了地说明三者之间的关系。

图1 现实—虚拟连续统一体

1.2 对VR/AR 技术应用的研究

1.2.1 关于VR 技术的运用

VR技术的早期研究和运用主要是在军事领域，美国很早就利用VR技术进行虚拟战场环境的演示、士兵模拟训练以及联合演习。英国在触觉反馈等辅助设备设计和应用研究的VR 技术开发领域，在欧洲国家中无疑是领先的。亚洲对VR 技术研究与应用的领军国家当属日本，日本研究的重心在于建立大规模VR 知识库[4]。当前，VR 这项高新技术在国际社会被广泛应用于房地产业、银行系统、建筑工程、游戏、新闻、心理学等领域。

1.2.2 关于AR 技术的运用

1968 年，世界上第一个AR 技术系统由伊万·萨瑟兰创建。1998 年，美国在直播体育赛事时运用到AR 技术，此后各大媒体在直播时争先恐后地使用该项技术。1999 年，Hirokazu Kato 博士开发出可在任何操作系统上运行的AR Tool Kit 软件包，被誉为“AR 技术应用领域的革命性产物”。至此，AR 技术开始真正融入研究领域并展开充分应用。如今，AR 技术与人们的生活联系密切，广泛涉及休闲娱乐、广告传媒、医疗卫生等范畴。

1.3 VR/AR 技术在教育领域的应用研究

国外对于VR/AR 技术在教育教学中的应用研究比较早，其中，欧美国家最早将VR/AR 技术投入教育领域，并且对VR/AR 技术应用于教育教学中的重要作用及意义认识也比较深入。20 世纪90 年代，研究学者Wiliam Bricken[5]发表了他在此领域的研究成果，指出“VR 技术是下一场电脑革命的核心，它为学习者提供一个直观自然的行为和观察的体验，将极大地改变未来的学习模式和学习效果”。Randall Miller[6]表示虽然目前该技术在教育教学中的实践有待进一步探索，但基于该技术的特征优势，将其投入教育教学还有很大潜力。学者Soohwan Kim、Abd Hakim 和Abdul Majid 一致认为VR 技术为教师教育教学提供了新颖的、有趣的教具，这种教具结合虚实情境，能够提升学生的学习兴趣，从而达到教学效果的最优化。

当然也有学者认为VR 技术作为现代化技术运用于教育教学也存在一些亟待解决的问题。如Gustav Taxén 等[7]在他们的研究中指出，虽然VR技术目前已经被证实在教育教学中能够给学生带来更直观、更情境化的学习体验，但是在具体操作中还有很多与VR 技术自有特征相融合的现实性问题亟待解决。Aftab Alam 等[8]认为，虽然VR 技术因其较强的交互性、丰富的现实场景能够吸引学生的学习兴趣，带来区别于传统教学的个性化教学，但是如何评价VR 环境与教学的适应性，还有待进一步研究。

近年来，VR 技术在国外教育领域有相当多的实践应用并取得不错的成绩。1997 年，美国率先在佛罗里达州创办一所虚拟网络学校，为中小学生提供在线学习教育。目前，该校已经可以为全国提供VR 教育系统。美国是全球第一个开设VR 专业的国家，并且形成一定规模的VR 产业链，意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室，英国格拉斯哥大学创建了高等教育VR 平台，英特尔推出学习实验室开展VR 教育。

就AR 技术在教育教学领域的运用，目前还处于探索阶段，属于新型信息化教学方式。但也有不少学者从教学情境、教学方法、教学科目等层面作相关研究。美国在AR 技术研究方面也是走在时代的前列，通过查找资料发现，全球最早开设AR 课程的是美国的科格威尔工艺学院，格林内尔学院也很早就创建了AR/VR 实验室，该实验室注重沉浸式体验，为实验教学提供情境式教学，得到该校师生的一致好评。

2 国内VR/AR 技术研究现状

我国的VR/AR 技术研究起步较晚，但随着经济、科技尤其5G 网络的快速发展，我国对VR/AR 技术的研究与应用也有重大突破。

2.1 国内关于VR/AR 技术内涵的研究

VR 的中文意思是虚拟现实，钱学森先生是国内比较早的关注这项技术的学者之一，他曾给VR取名为灵境，认为灵境技术是继计算机技术革命后的又一项技术革命。他曾给VR 技术下过定义，认为Virtual Reality 是用科学技术手段向接受的人输送视觉的、听觉的、触觉的以至嗅觉的信息，使接受者感到如亲临其境。这一定义被国内学者普遍接受并随着时代的发展而有所补充。王志刚[9]在此定义的基础上提出三维空间概念，以达到人机交互的目标。浙江师范大学的李欣[10]认为，VR 技术有四大关键要素（特性），分别为仿真、沉浸、反馈、交互。汤跃明、娄岩等认为，沉浸—交互—构想是VR 环境系统的三个基本特性，根据这三个特性的程度深浅，将VR 系统分为非浸入式虚拟现实系统、半浸入式虚拟现实系统、浸入式虚拟现实系统三种类型。于丽丽[4]认为，运用VR 技术可以创造崭新的人机交互手段，是一种计算机仿真系统。

关于AR 技术，国内学者对于其定义基本上大同小异，也与西方学者的观念不谋而合，如胡佩雯、王辞晓、尚俊杰等都认为AR 技术是将虚拟世界与真实世界无缝对接的新技术，具有虚实结合、无缝交互的特点。

2.2 国内关于VR/AR 技术的应用研究

我国对VR 技术的研究虽然起步比较晚，但得益于经济、科技尤其5G 的快速发展以及国家和相关部门的重视，我国对VR/AR 技术的研究与应用取得重大进步，VR/AR 技术在各领域的应用和理论研究呈现井喷式发展。在“十四五”规划纲要中，VR/AR 被列为数字经济重点产业，也赋予VR/AR 技术新的历史使命。在相关政策的支持下，我国在VR/AR 技术的研究和应用方面也取得一系列成果，各大电商、企业看到了VR/AR 技术的内在潜力，组织科研团队在VR/AR 产品上推陈出新。在当前，VR/AR 技术在我国的应用范围非常广，涉及教育培训、医学、游戏、旅游景点导航介绍等诸多领域。

2.3 国内VR/AR 技术应用于教育领域的研究

21 世纪是信息化的时代，教育改革的呼声不断高涨，现代信息技术应用于教育的需求急剧上升。VR 技术以其特有的沉浸感、交互性以及多感官体验等优势，吸引着越来越多的教育者开始了解这项技术并将其运用到教学中。与此同时，国内对VR技术在教育领域应用的关注与研究也与日俱增。

2.3.1 VR 技术应用于教育领域的理论研究

对VR 技术应用于教育教学的可行性研究，高媛等[11]首先从理论层面对VR/AR 技术进行深入研究，包含VR/AR 的内涵和特征、发展历程、应用情况以及与之相关的学习理论等，在此基础上结合VR/AR 技术的实证研究，提出该技术在教学中的运用存在包含技术、应用、方法等十个方面的困境。他们认为VR技术在教育领域的应用研究是个热点，指出VR 技术因其自有的优势，后期在教育产业的应用将会有无限的潜力和广阔的市场，但目前受限于技术层面以及教学方法的选择，VR 技术在教育层面的应用还存在很多需要克服的难点。他们也认为随着技术的不断创新，VR 技术在教育领域应用的优势会日渐显现。

丁楠等[12]认为，VR 技术的蓬勃发展对于教育产业来说是一把双刃剑，既打破了时空的界限，有利于开展个性化教学，但也存在硬件设备缺陷以及如何与传统教学有效衔接的困境。基于此，他们认为，研究者需要在VR 技术的应用层面下功夫，更好地发挥VR 技术的优势，尽量将其负面的影响降到最低。兰岳云等[13]认为，VR 技术运用于教学，突破了传统教学时空限制的局限性，将给现行教学的环境、方式以及实践教学等方面带来巨大变革。同时，他们还提出当下“VR+教育”在国内还处于研究初期，要在教育行业全面实施，在政策、制度和标准等层面还需要不断完善。

从以上研究中可以发现，VR 技术给教育带来新的契机，但在应用方法等方面还有待进一步深入研究。

2.3.2 AR 技术应用于教育领域的理论研究

就AR 技术在教育教学中应用的优势，山西师范大学汪存友等[14]从2010—2016 年间AR 技术在国内外发展的情况着手，从AR 技术的特点、分类两个方面进行深入研究，认为AR 技术将虚拟场景与现实情境有效融合，提升了学生学习的体验感，使学生能够在轻松愉悦的状态下自主学习，帮助学生理解，推动学生自主探究能力的发展。北京师范大学蔡苏等[15]从AR 技术五个方面的特性和功能出发，结合不同的教学方法，探讨其在教育教学中应用的优势，紧接着从近几年国内外AR 技术软件开发并投入各个学科的使用情况着手研究，得出结论。他们认为，AR 技术应用于教育教学有很大的潜力，前景也比较乐观，但是在具体实践中还存在诸如有效性如何验证、学生的参与度有待提升等具体问题。

从以上相关研究中可以发现，学者大部分是从AR 技术本身的特征出发，研究将其运用到教育教学中能够产生的优势，以此弥补传统教育教学的缺陷，以便达到优势互补，从而提升教学水平。当然，也有学者认为AR 技术的优势不仅体现在传统教学中，例如：王辞晓等[16]认为，AR 技术提供的虚实结合的场景能够帮助VR 技术解决真实感欠缺的困境；李小平等[17]提出VR/AR 教学体验的分层构成模型和VR/AR 教学体验设计的评价标准。

2.3.3 VR/AR 技术应用于教育的实践研究

我国VR/AR 技术在教育领域的运用主要是在高校，部分科研机构和高校在VR/AR 技术实践层面上的研究取得不少成果。

2016 年，教育部办公厅发布《关于批准北京大学考古虚拟仿真实验教学中心等100 个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知》，说明VR 技术在高校教学中越来越被重视。2018 年，北京航空航天大学软件学院虚拟现实专业计划招生人数达400人。同年，教育部公布了首批国家虚拟仿真实验教学项目，共计105 个。这些项目初期均免费对外开放并提供教学服务，教师可以通过国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台让学生体验VR 沉浸式课堂。目前，该平台已经有超过1 000 项虚拟仿真实验教学项目。2021 年，全国职业院校技能大赛高职组“虚拟现实（VR）设计与制作”赛项成功举办，全国有27 支代表队参赛，参赛选手、指导教师、各类专家共计200 多人。2021 年10 月，我国第一家职业教育虚拟仿真示范实训基地对外开放并投入使用，据悉该基地可能在后期开设包含九大类的26 个专业课程。该基地也吸引了全国各地的很多高职院校的兴趣，他们派出师生学习观摩并参与该基地的相关实训。2021 世界VR 产业大会VR 教育主题论坛于2021 年10 月20 日在江西南昌圆满落幕。在此次大会上，相关学者提出VR 人才培养的九个要素，涵盖办学宗旨明确、科学体系建设、教材选择、师资队伍建设、实验环境建设、校企合作建设、国际交流合作、拔尖人才培养平台建设及保障措施建设等方面。

以上这些都充分说明了各高校及科研机构对VR/AR 技术的重视。

3 结束语

综上所述，国外尤其是欧美国家关于VR/AR 技术的理论研究和实际应用起步早，研究深入，呈现出体系化、系统性、拓展性的特点，应用领域非常广泛，应用效果广受好评；国内VR/AR 技术研究起步较晚，近几年在实践研究方面取得不少成果，但在理论研究方面则显得较为单薄，缺乏系统性综述研究。随着我国经济、科技尤其是大数据及人工智能的快速发展，VR/AR 技术开发及其应用研究不断深化，“VR+教育”有很大的发展空间。相关学者很有必要着眼于现实教育的需求，响应国家的相关政策号召，加大对VR/AR 技术理论层面的研究。