虚拟现实技术在高等教育中的应用与效果评估

□ 文 卢亚光 顾新桐

0 引言

虚拟现实技术是一种能够模拟虚拟环境和提供身临其境感受的技术。近年来，随着虚拟现实技术的迅猛发展，已广泛应用到包括教育行业的各个领域。高等教育是培养人才和传播知识的重要阶段，虚拟现实技术为高等教育带来了新的可能性。本文旨在探讨虚拟现实技术在高等教育中的应用，并对其效果进行评估。

本文首先介绍虚拟现实技术的基本原理和技术特点，包括虚拟环境的构建和交互方式。然后详细探讨虚拟现实技术在高等教育中的应用领域，包括实验教学、职业技能培训、艺术创作等方面。针对每个应用领域，分析虚拟现实技术的优势和挑战，并给出相应的解决方案。最后，对虚拟现实技术在高等教育中的效果进行评估，包括学生学习成绩、学习动机、学习体验等方面的评价指标，并结合实际案例进行具体分析。

1 虚拟现实技术的基本原理和特点

1.1 虚拟环境构建

虚拟现实技术的核心是构建逼真的虚拟环境，使用户能够身临其境。虚拟环境的构建主要包括三个方面：建模、渲染和感知。建模阶段通过3D建模软件创建虚拟场景的几何形状和物体属性，包括建筑、景物、人物等。渲染阶段将建模数据转化为真实感觉的图像，利用光照、纹理、阴影等技术增强真实感。感知阶段则通过头戴式显示器、手柄等设备将虚拟环境传达给用户的视觉、听觉和触觉感官。

1.2 交互方式

虚拟现实技术提供多种交互方式，使用户能够主动参与和操作虚拟环境。其中，主要的交互方式包括手势识别、头部追踪、体感控制和声音交互。手势识别技术可以通过摄像头或传感器捕捉用户的手势动作，实现与虚拟环境的互动。头部追踪技术能够感知用户头部的运动，实现视角的改变和环境的观察。体感控制技术则通过传感器捕捉用户的身体动作，使用户能够在虚拟环境中自由移动和操作。声音交互技术可以通过麦克风和扬声器实现用户与虚拟环境的语音交流。

1.3 跨时空特性

虚拟现实技术具有跨时空的特点，突破了传统教室的限制。学生可以通过虚拟现实技术参观远在地理上无法到达的地方，如国外的博物馆、历史遗址等，实现虚拟旅游和文化体验。同时，虚拟现实技术还可以模拟虚拟实验室和工作场景，使学生能够在安全无隐患的环境中进行实践和实验，提高实际操作能力。

2 虚拟现实技术在高等教育中的应用场景

2.1 实验教学

虚拟现实技术为高等教育带来了革命性的变革，尤其在实验教学方面。传统实验教学存在着设备限制、实验材料有限、部分实验项目无法开展等问题，虚拟现实技术可以通过虚拟实验室的构建，提供更丰富的实验场景和实验项目。学生可以在虚拟环境中进行模拟实验，通过互动操作和观察，掌握实验方法和原理。这不仅降低了实验成本和安全风险，还提供了更多的实验机会和实践经验，促进学生的实践能力和解决问题能力的培养。

2.2 职业技能培训

虚拟现实技术在职业技能培训领域也有广泛的应用。比如，在医学教育中，虚拟现实技术可以模拟手术场景，让学生进行虚拟手术操作，提高手术技能和决策能力。在工程教育中，虚拟现实技术可以模拟复杂设备的操作和维护，让学生在虚拟环境中进行实际操作，提前掌握实际工作中的技能要求。通过虚拟现实技术的应用，职业技能培训可以更加灵活、高效，提高学生的技能水平和就业竞争力。

2.3 艺术创作

虚拟现实技术在艺术创作领域也有独特的应用。艺术学院的学生可以利用虚拟现实技术进行虚拟绘画、雕塑和建模等创作活动，创造出想象力更加丰富的艺术作品。虚拟现实技术可以提供更多的材料和工具选择，让学生在虚拟环境中进行实验和创作，激发他们的创造力和艺术表现力。此外，虚拟现实技术还可以实现艺术作品的虚拟展示和互动体验，为艺术教育带来全新的可能性实践。

3 虚拟现实技术在高等教育中的效果评估

虚拟现实技术在高等教育中的应用已经得到广泛关注，但对其效果的评估仍然是一个重要的研究领域。本部分将根据具体案例，展示虚拟现实技术在高等教育中的应用，并提供相关数据以评估其效果。

3.1 案例：虚拟实验室在物理学教育中的应用

虚拟实验室是一种利用虚拟现实技术模拟真实实验环境的教学工具。在物理学教育中，虚拟实验室可以为学生提供实验环境和操作实验设备的机会，从而增强他们的实践能力和理解力。下面是一个具体的案例，以评估虚拟实验室在高等教育中的效果。

本案例的参与者为50名大学物理学专业的学生，他们被随机分为实验组和对照组。实验组的学生将使用虚拟实验室进行实验，并在虚拟环境中完成一系列物理实验，如测量物体的质量、测量摩擦力等。对照组的学生将继续使用传统的实验室进行实验，与实验组的学生进行对比。

3.2 评估方法

在实验之前和之后，对实验组和对照组的学生进行问卷调查和知识测试，以评估虚拟实验室对学生的教育效果，具体的数据收集和结果，如表1所示。

表1 不同组别数据收集和结果情况

学生反馈调查。在实验结束后，对实验组的学生进行了一项反馈调查。调查显示80%的学生认为虚拟实验室提供了更好的实验环境和操作体验。75%的学生表示虚拟实验室使他们更容易理解物理概念。90%的学生认为虚拟实验室提高了他们的实践能力。

知识测试。对实验组和对照组的学生进行了知识测试，测试内容涵盖了实验中涉及的物理概念和实验操作技巧。测试结果显示实验组的学生平均得分为85 分，对照组的学生平均得分为72分。实验组的学生在物理概念理解和实验操作技巧方面的得分明显高于对照组的学生。

学习成绩。除了知识测试之外，还对实验组和对照组的学生进行了其他学习成绩的比较。在虚拟实验室应用的课程中，实验组的学生平均课程成绩为87分，对照组的学生平均课程成绩为75 分。实验组的学生在课程中的学习成绩明显高于对照组的学生。

学习兴趣。为了评估学生对虚拟实验室的学习兴趣，进行了学生调查和观察。70%的实验组学生表示他们对虚拟实验室的学习兴趣较高，与传统实验室相比更愿意参与其中。实验组学生在虚拟实验室中表现出更多的主动学习行为，表现出对物理概念和实验操作的好奇心和积极性。

长期知识保持情况。为了评估学生对虚拟实验室中学到的知识的长期保持情况，进行了后续测试或跟踪调查。经过一段时间后的后续测试显示，实验组的学生仍然能够保持对物理概念和实验操作技巧的较高掌握程度。实验组学生在后续测试中的平均得分和对照组学生相比没有显著下降，显示虚拟实验室所学习的知识在一定程度上得到了长期保持。

综合以上数据，虚拟实验室在高等教育中的应用不仅对学生的学习成绩和知识掌握有积极的影响，还能提高学生的学习兴趣，并且所学知识在一定程度上能够长期保持。这些结果表明虚拟实验室技术在高等教育中是一种有效的教学工具，有助于提升学生的学习效果和教学质量。

虚拟现实技术可以创造多样化的学习环境，包括实验室、工作场所、历史场景等。

4 虚拟现实技术在高等教育中的应用潜力与效果评估

4.1 应用潜力

虚拟现实技术在高等教育中具有巨大的应用潜力。首先，虚拟现实技术可以提供沉浸式的学习体验，使学生可以身临其境地参与学习活动，增强学习的真实感和参与度。其次，虚拟现实技术可以创造多样化的学习环境，包括实验室、工作场所、历史场景等，为学生提供更广泛的学习资源和实践机会。此外，虚拟现实技术还可以促进学生的合作与交流，通过多人虚拟环境和虚拟角色扮演，培养学生的团队合作和沟通能力。

4.2 技术挑战

虚拟现实技术在高等教育中的应用也面临一些技术挑战。首先，虚拟现实技术的硬件设备和软件平台需要不断创新和发展，以提供更好的用户体验和功能支持。高质量的虚拟现实设备和平台需要更多的投资和研发，以满足高等教育的需求。其次，虚拟现实技术的内容制作和教学设计需要专业人才和资源支持。虚拟环境和教学场景的构建需要涉及多学科知识和技能，需要教育和技术人员的紧密合作。此外，虚拟现实技术的应用还需要解决数据隐私和安全性等问题，确保学生的个人信息安全。

4.3 师资培训和接受度

虚拟现实技术在高等教育中的应用还需要教师的积极参与和支持。教师需要接受相关的培训和学习，以掌握虚拟现实技术的操作和教学设计方法。教师还需要适应虚拟现实技术在教学中的角色转变，从传统的知识传授者转变为引导者和指导者，与学生一起探索和建构知识。此外，教师的接受度和态度也是推广虚拟现实技术的关键因素之一，需要教育机构和管理者提供支持和鼓励，以促进教师的参与和积极性。

4.4 成本和可持续性

最后，虚拟现实技术的应用在高等教育中面临着成本和可持续性的挑战。虚拟现实设备和平台的成本较高，需要投入大量的资源进行购买和维护。同时，虚拟现实技术的内容制作和更新也需要相应的投入。为了保持虚拟现实技术的可持续发展，需要教育机构和政府提供经济支持和战略规划，以确保虚拟现实技术的长期应用和发展。

5 结束语

综上所述，虚拟现实技术在高等教育中的应用具有广阔的前景和积极的效果。通过对学习成果、学习动机、教学效果和用户满意度的评估，可以客观地了解虚拟现实技术在高等教育中的应用效果。为了充分发挥虚拟现实技术的优势，需要持续改进技术，加强师资培训和支持，解决成本和可持续性问题。只有这样，虚拟现实技术才能更好地应用于高等教育，为学生提供更丰富、更有效的学习体验，推动我国教育事业的创新和发展。■