VR在教学领域应用中的机遇与威胁分析

孟祥宇

摘要：本文首先分析了VR在教育领域应用中存在的优势与劣势，接着阐述了VR在教育领域应用中所面临的机遇及威胁，以期能够为VR在教育领域的合理高效应用提供指导和帮助。

关键词：VR；沉浸感；交互性

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）13/14-0115-04

虚拟现实（Virtual Reality， 简称VR）， 这个名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔（Jaron Lanier） 在1989年提出的， 也称灵境技术或人工环境。它是以计算机技术为核心，生成逼真的三维虚拟环境，使人的视觉、听觉、触觉都仿佛置身于真实的环境之中，并能通过语言、手势等方式，借助传感头盔、数据手套、数据衣等设备与之进行实时交互，增强使用者的沉浸感与使用体验。VR技术主要利用传感技术、三维技术、人工智能技术、仿真技术、并行处理技术、多传感器技术等来实现虚拟场景的构建。起初，VR技术主要应用于军事、航空航天等领域，目的是降低训练成本，避免潜在的意外伤害。而如今，在政府的政策支持和社会企业的大力投资下，VR产品逐渐走入教育领域，为广大的学习者带来福音。

● VR技术在教学中的优势

VR的特征可以用“3I”来描述，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、思维构想性（Imagination）。沉浸感指学习者对虚拟环境的感受程度，虚拟环境的创设越接近现实，沉浸感越强。交互性指学习者可以对虚拟环境中的事物进行操作，并能得到反馈，如身临其境一般。思维构想性指利用计算机技术建构与现实一样的环境，也可以建构想象出来的空间，拓宽用户的体验范围，丰富体验种类。

1.激发学习动机，增强知识建构

VR技术通过构建多感官刺激的交互环境，丰富了学习者的学习体验，学习者在虚拟的教学环境中可以充当各种角色，如在煤矿或核电站进行抢修的维修工人、在医院进行手术的医生、在太空探索的宇航员等。学习者在逼真的情境中充分参与教学过程，这就有效激发了学习者的学习动机。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。在VR技术发展迅速的今天，教学情境和文化背景都可以通过VR技术来实现，学习者在VR环境中展开学习，对事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间的内在联系的理解能够达到较深层次，能够增强知识的建构。

2.虚拟真实情境，提升创造能力

由于VR技术的特殊性，平时在现实中不敢尝试的实验都可以在VR环境中体验，可以无限制地改变试剂的用量，或是大胆尝试将不同的反应物进行融合，只有想不到的，没有做不到的，这种突破性的尝试可以有效提高学习者的创造能力。

3.打破时空壁垒，体验身临其境

在传统教学中，教学的时间、地点是相对固定的，且对于比较抽象的知识点，教师只能通过口述或者多媒体来呈现其形象，而VR技术的出现打破了时空的界限，教学活动可以随时进行。同时，VR教学可以把抽象的概念形象化、具体化，学习者可以在几分钟的教学时間内观察生命成长的轨迹，也可以形象直观地观察分子原子的构成，甚至可以将宇宙天体掌握在自己手中，学习者能够完全融入到VR技术所创设的情境中。

4.节约教学成本，实现可持续发展

在传统教学中，实验是一项消耗型的教学活动，为了让学习者更好地掌握反应原理，大部分学校常常需要投入大量财力来购买实验用具和材料，实验的生成物又很难被再利用。VR技术出现后，可以大大缓解学校财力、物力的投入，学校只需引进相应的VR设备，并创设教学所需的虚拟环境和虚拟实验用品，学习者就可以进入虚拟实验室进行学习，这种学习方式有效地节约了教学成本。从长远来看，学校引进的虚拟设备可以被各届学习者反复使用，不存在传统教学中的残渣废料，真正实现了可持续发展。

5.规避潜在风险，保证教学安全

很多实践课程由于课程的特殊性，并不能在实际中进行操作，这时就可以利用VR技术。例如，讲解核武器的实战效果，教师可以利用VR技术模拟核爆炸的现场，学生通过身体传感器感受核武器的爆炸威力，并通过视频传感器观察核爆炸的特点。这样通过VR技术建构核爆炸现场，可以有效避免核武器给学生带来的伤害，又可以让学生很好地理解晦涩的知识点。当然，也有很多实践课程存在潜在的未知的风险，造成人身伤害，如应急情况的演练、地理的勘探、船舶汽车的制造等，此类动手操作要求很高，存在一定风险，学生在操作的过程中很容易受伤，为了避免这种情况的发生，教师同样可以利用VR技术来进行教学，进而有效地保证教学安全。

6.丰富实践经验，弥补动手能力不足

在传统的操作类课程中，由于教学设备有限，通常是教师在设备前进行操作，学习者围绕在其周围观摩，然后再逐一或分组进行实践，而课堂时间有限，部分学习者还没有操作就下课了，或者只操作了一遍，这样就导致学习者只了解大致流程，并没有真正掌握。在VR技术的支持下，每位学习者都可以充分发挥主观能动性，每个实践技能都可以经过反复的训练，每台设备都可以用身体去感知、触摸，这就弥补了传统教学中动手能力不足的缺憾。

7.资源共享，实时交互

交互性是VR技术的特征之一，它在教学中具有很明显的优势。交互性包括师生交互、生生交互、单人-机交互、多人-机交互，在同一虚拟空间内，教师和学习者可以同时进入，并在其中进行实时交流，学习者之间也可以进行及时的讨论，学习者使用输入设备可以对虚拟的物体进行操作，并通过输出设备感受虚拟物体所发生的变化，如向空中抛出一个球，可以感受到球受重力的作用发生自由落体运动。这种实时交互的感官刺激可以带给学习者真实的体验，提高学习的效率。另外，虚拟现实技术在教育教学上还能够实现课程的数字化学习，可将课程学习内容作为学习者的学习资源，并与其他的相关资源一并提供给学习者，实现资源共享。

● VR技术在教学中的劣势

1.虚拟与现实之间存在落差，对学习者心态产生消极影响

由于虚拟环境带给学习者沉浸性体验，逼真的三维立体环境会深深地吸引学习者，当课程结束时，学习者可能还会沉浸在情境中，回到现实中时会产生一定的落差，这种落差可能是负面的，学习者可能更渴望回到虚拟的世界中，沉迷于虚拟情境，如基于VR技术的游戏化教学，这会对学习者的心态产生消极的影响，不利于学习者的学习。

2.VR技術在教学中没有统一的标准，无法完全保证教学质量

2016年被称为是“VR元年”，所谓“元年”是指事物开端之年，对于VR领域来说，“元年”意味着各大主流生产商相继推出面向普通消费者的VR产品，全球科技公司纷纷布局民用VR产业。随着VR技术由高端化向平民化转型，VR技术在教育领域的应用也更加广泛，目前很多知名的科技公司开发了用于教育领域的VR产品，国内也有部分高校成立了VR实验室。VR技术如雨后春笋一般在教育领域生根发芽，但是目前仍没有一个VR应用于教学的规范标准，各知名企业和各大高校很难将自己的VR产品与其他VR产品进行联通，这就降低了VR产品的兼容性。

目前，我国VR行业仍处于起步阶段，供应链及配套产品还不成熟，硬件设备、软件工具、内容生产等各层面标准的制订迫在眉睫。

3.在教育教学中盲目推广VR技术

VR技术在教学中的应用为媒体教学提供了新的途径和教学方法，然而这并不代表VR技术在教学中可以泛用。开发一套VR教学设备和教学内容需要花费巨大的人力、物力、财力，而且还有一些教学内容不适合用VR技术来进行教学，如小学阶段一些偏识记的知识点。另外，还存在一些使用VR技术不能达到显著效果的科研类课程，此类课程若非要用VR教学媒体那就是画蛇添足，并会造成不必要的浪费。所以，在教育教学中，教师要根据课程的教学目标和课程特点来选择合适的教学方式，要避免为了追求科技上的高精尖而盲目地推广VR技术。

4.VR设备仍无法做到无线连接，阻碍教学体验

VR技术在教学中的应用能够为学习者带来前所未有的体验，但仍然摆脱不了空间的约束。到目前为止，我们所熟悉的VR设备仍需有线连接，且要多个设备协同工作。例如，现在大家比较认可的Oculus Rift、HTC Vive VR头显，它们大体由主体头戴显示器一只、2.5mm线缆一根、MiniUSB一根、摄像头一个（自带支架）、短焦透镜2个、各个国家不同制式插头4个、带国标插头的电源一个等组成。若要实现更多的感官刺激还要连接更多的线缆，学习者在体验的过程中要时刻注意线的连接，不能随心所欲地移动，降低了体验的满意度。

● VR技术在教学应用中的机遇

1.国家政策的支持

2006年国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，VR技术被列为信息领域优先发展的前沿技术之一。2016年4月9日在深圳市举办的第四届中国电子信息博览会“虚拟现实产业发展论坛”中，工业和信息化部电子工业标准化研究院发布了《虚拟现实产业发展白皮书》（以下称《白皮书》）。《白皮书》提出“首先是提前谋划布局做好顶层设计，加快制定产业发展路线图，建立和完善相关标准体系；其次是推进产业化和行业应用，通过财政专项支持虚拟现实技术产业化，支持虚拟现实领域核心技术突破，加强重点领域应用示范；最后是加强文化和品牌建设”。截至2016年，教育部已批准300个国家虚拟仿真实验教学中心（教育部，2016）。在国家政策的支持和正确引导下，VR技术逐渐走向成熟，再加上我国经济发展迅速，更为VR技术在教学中的应用提供了保障。

2.社会力量的加入

从上世纪90年代起，我国从开始重视VR技术的研究和应用，由于技术和成本的限制，VR主要应用的对象为军用和高档商用。近年来，随着芯片、显示、人机交互技术的发展，VR产品才逐步进入市场并实现平民化。很多大型科技公司和各大高校也相继将VR技术推向教育领域，如爱奇艺在2015年发布了一款非商用的VR应用，黑晶科技推出了VR/AR超级实验室，百度教育事业部预计在2017年推出VR教育产品，HTC与美国Life liqe合作，打造VR教育启蒙工具等。北京航空航天大学、清华大学、同济大学建筑学院、山东大学、北京大学等高校也建立了VR实验室，这足以说明VR技术在教育领域具有巨大的潜力。

3.VR技术在技能培训中的需求日益增加

VR之父托马斯·费内斯（Thomas Furness）说过：“VR改变社会，从教育开始！”VR技术作为一种新型的教学方式在教育技能培训领域得到广泛应用，如军事教学、医学实习、体育训练、仿真实验、特殊教育、工业实训、艺术创作、游戏教学等。传统的技能培训是一项消耗型的教学活动，教学成本很高，且伴有一定的风险，而随着VR技术的逐渐成熟，可以有效缓解这一问题，VR技术善于创造三维立体的、逼真的教学环境，这就降低了高额的教学成本，又由于所有的教学内容都是虚构的，因而也有效地保证了学习者的安全。正是VR技术这种低投入、低风险的特点，在各种技能培训中，教师们越来越倾向使用基于VR技术的教学方法。

● VR技术在教学中的威胁

1.产品价格与产品性能不平衡

VR技术在教学中的应用不断向平民化发展，但VR设备的性能和价格仍然呈正相关，产品的性能越好价格越高，目前市面上的VR产品从十几元到几百万不等，如CAVE（洞穴状自动虚拟系统）系统价格高达百万以上，在军事演练或航空航天专业领域，这个价格是可以承受的，但在基础教育领域，价格不菲，这就在很大程度上制约了VR产品的平民化。虽然，也有价格便宜的VR产品，但是其设备内部不具备陀螺仪，使用者晕眩感强烈，基本上不能使用。因此，VR产品性能和价格还存在悖论，VR产品是以学习者体验满意度来进行迭代更新的，不能以牺牲VR产品的性能来换取价格的降低，所以降低VR产品开发成本，提高VR产品的普及率是开发商和各高校VR实验室需要重点解决的问题。

2.不适感降低学习体验满意度

目前，VR产品学习者体验的满意度还有待进一步提高，一方面是VR教学产品主要通过头显来观察变换的环境，对画面的质量要求很高，至少要达到4k的画质，但目前大部分的VR产品分辨率很低，难以使学习者沉浸其中。另一方面是画面延迟引起的晕眩症、疲劳感。研究表明，产生眩晕症的原因是眼睛看到的画面和耳朵听到的声音信息位置不匹配，导致脑负担过大，从而产生晕眩感。数据表明，延迟时间最多不能超过20ms，由于技术和设备上的限制，目前的VR设备还无法做到大面积地将延迟时间控制在20ms以内，这也是目前VR设备的一个致命弱点。因此，为了提高学习者的学习满意度，缩短延迟时间和提高分辨率是亟待解决的问题。

● 总结

VR作为一种新兴的多媒体技术被广泛地应用在教育领域，其独特的沉浸性、交互性和构想性，可以使学习者有身临其境的感受，增强学习体验，其优势远胜于传统的媒体教学，在教育领域有巨大的潜力。但同时需要注意到的是，VR技术毕竟是一种新技术，还处于发展的初级阶段，VR产品的性能和产业链都还有待完善，学习者的体验满意度也有待提高，VR产品可以被广大学习者使用还有很长的一段路要走。

相信，随着技术的不断发展，VR技术以其强大的优势必定会在教育领域占有一席之地，对未来的教育事业产生深遠的影响。

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