虚拟现实（VR）教育应用研究综述

黄奕宇

（华南师范大学 教育信息技术学院，广东 广州510631）

一、引言

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）应用于教育领域可以追溯到20世纪80年代，自2000年以后得以迅猛发展，2008年，美国国家工程院（NAE）公布的“21世纪工程学面临的14项重大挑战”报告指出，虚拟现实技术与新能源、洁净水、新药物等技术相并列成为重大挑战之一。2011年以来，每年都会举行关于虚拟现实技术的专业国际会议IEEE VR（IEEE Virtual Reality Conference），有效促进了领域内学者之间的交流互动。虚拟现实技术作为未来2～3年解决深度学习矛盾的关键技术于2016年登入地平线报告高等教育版[1]，也是《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》十二项教育技术的重要发展之一[2]。这项技术在教育领域的应用将颠覆教学内容的学习方式，能够让学生在虚拟的环境中与教学内容互动，解决传统课堂中互动性、情境性、沉浸性不强的问题，在教学的实践中具有广阔的应用前景。

目前，在教育实践和研究中大多采用多用户虚拟现实平台（开放式与非开放式平台），使用较多的虚拟现实技术产品以国外产品为主，总体呈现“一超三强”的竞争格局：一超指的是Oculus Rift；三强是SONY Play Station VR、HTC Vive以及Avegant Glyph，而国内产品如蚁视、灵镜、3Glasses等也在逐渐成为有力的竞争者。

国际上关于虚拟现实教育应用的研究方向主要集中在基于虚拟现实技术的课堂教学法、虚拟现实学习环境以及医学、工程、地理等具体学科应用领域。国内主要集中于虚拟学习资源建设、虚拟现实理论探索和虚拟仿真校园环境的建设等方面，吴长帅、赵沁平、李敏等学者从不同角度对虚拟现实的教育应用研究和发展做了综述。

二、虚拟现实的定义与特征

迄今为止，学界对虚拟现实技术尚未给出统一的界定，存在着三种不同的观点与认识。以刘光然为代表的学者将虚拟现实技术看作媒介的一种形式，这种媒体由交互式计算机仿真组成，它能够感知参与者的位置，捕捉参与者的动作信息，替代或者增强一种或者多种感官反馈，而产生一种精神沉浸于或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉[3]。第二种观点是从数字环境视角来看，赵沁平认为虚拟现实是在一定范围与真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助一定的装备与数字化环境中的对象进行交互，从而产生对应真实环境的直观感受和体验[4]。第三种观点则认为虚拟现实技术是计算机技术的拓展，是综合了利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术等为一体的科学技术[5]。

Burdea G和Philippe Coiffet在1994年提出了想象性（Imagination）、交互性（Interaction）和沉浸性（Immersion）等虚拟现实的三个基本特征[6]，即虚拟现实的3I特征。其中，想象性是指虚拟现实技术使得理性与感性相结合，可以创建人为想象出来的场景或事物，促使人们深化概念，创造想法；交互性是指使用者不用借助鼠标、键盘等工具，以自然方式与虚拟环境进行互动，同时，虚拟环境可以通过多重感官给予使用者反馈；沉浸性则强调了使用者从观察者到参与者身份的转变，使用者能够身临其境，感受到自己是虚拟世界中的一部分，在使用过程中更具有主动性。

王聪系统分析了增强现实（AR）与虚拟现实这两种技术的区别和联系，认为增强现实是在虚拟现实基础上发展起来的，这两种技术具有同源性，其在信息生成、设备以及技术交互方面有重叠[7]。王同聚将虚拟现实的主攻领域定位在“虚拟世界”，即人们通过虚拟现实设备来探索人为因素所构建的虚拟世界，并且在纯虚拟数字画面中追求沉浸感，而将增强现实的主战场定位在“现实世界”，即人们使用增强现实设备产生的虚拟信息来提升探索现实世界的能力，是虚拟数字画面加上裸眼现实[8]。张枝实从技术和应用两个维度对以上学者的观点做了详尽的说明[9]。下面通过表1将虚拟现实与增强现实进行对比。

表1 虚拟现实与增强现实对比

根据文献分析可以总结出，虚拟现实与增强现实在技术使用、设备配置、应用目的、教育特性上都有不同。虚拟现实实际上强调建构场景与“投射”的过程，因此，它侧重于构建和创造模式，关注虚拟场景是否有良好的体验和交互[11]。相反，增强现实更关注复原人类视觉的功能，不隔离周围的现实环境，注重虚拟场景与现实场景的相互“融合”。虚拟现实重点依赖Graphics等运算技术，而增强现实主要运用Computer Vision等信息与场景交互技术。在教育实践中，虚拟现实构建合理、夸张或虚幻的VR环境，为学生带来想象性、交互性、沉浸性的学习体验，而增强现实则更加强调学习过程的兴趣性、智能性、自主性，从而提升现实工作、生活或学习的思维动力和实践能力。

综合以上的定义与特征可以看出，虚拟现实是建立在计算机技术的基础上的，虚拟环境的产生和变化来自于计算机对数据的处理；虚拟现实技术融合了计算机、网络、视听、多媒体、人工智能等多种技术，其实质是智能化的人机界面交互技术；通过虚拟现实技术，人们能够借助并非现实存在的事物达到真实体验。虚拟现实的研究对象是仿真环境，研究的基础是在真实活动中产生的关于视、听、触感等的感受和体验。在教育实践中，虚拟现实的研究目标是呈献知识信息、辅助教学活动，从而加速和巩固学生学习知识的过程，以设计和优化学习过程和学习情境。虚拟现实在教育领域的应用，本质上是教育与技术相互作用、相互驱动的结果，教育需求引入虚拟现实设备、软件、服务，而技术发展驱动虚拟现实的发展与成熟。虚拟现实技术的出现不仅会带来师生观念与教学方式的转变，还会促使教育教学的整体改革，未来将会大范围应用于学校课堂教学中，也会在移动学习、泛在学习、远程教育、翻转课堂中发挥作用。

三、理论基础

1.建构主义学习理论

建构主义学习理论的观点是：在教学活动中应该以学生为中心，关注学生对学习过程的自我控制，强调学生对所学新知识的意义的建构，和对原有知识经验的改造和重组[12]，理想的学习环境应当包括情境、协作、交流和意义建构四个部分。虚拟现实应用在教育教学中能够丰富传统课堂的教学手段，提高学生获取知识的主动性，创设有利于学生协作与交流的情境，帮助学生对所学知识进行意义建构和对既有知识的重组，完成预定的学习任务。

2.有效教学理论

有效教学既是人们的长时期追求，也是一种全新的教学理念[13]，其实质是通过一系列的有效的教育活动使学生学习符合预期最佳效果[14]。有效教学研究由环境变量、过程变量和结果变量构成了其基本框架[15]。有效教学需要鼓励师生互动、鼓励学生之间合作、鼓励主动学习、提供及时反馈、强调时间投入、对学生寄予高期望、尊重学生差异和不同的学习方式，而虚拟现实正是在有效教学理论指导下致力于促进学生多方面的学习进步和多元化发展，关注学生学习学习兴趣的养成和学习成果的转化。

3.情境认知理论

情境认知理论同样强调学习的设计应当以学习者为主体，并将知识与实践紧密结合。在真实情景中组织教学符合学习者的认知需要，能够促进知识的迁移和学习者对知识的主动建构[16]。认知活动是认知主体与环境交互发生作用的动态的主动构建过程，虚拟现实技术在教育中的应用将学生置入原有课堂无法实现的、更加贴近教学内容的场景中，加深学生对特定情境和特殊内容的真实感知，促进对知识的深入理解。

4.模拟思维方法

模拟思维方法根据所用的模型与原型相似的不同情况和特点，可以分为物理模拟方法和数学模拟方法两大类型，前者以模型和原型之间的物理相似为基础，后者以模型和原型之间的数学相似为基础。虚拟现实教育应用主要采用物理模拟方法，模拟无法简单创建的教学场景，重现稍纵即逝的自然现象，放大或缩小肉眼难以感知的结构等。

四、虚拟现实学习环境研究

建构主义理论认为知识不是通过教师授课获得的，而是学习者在与现实生活或真实情境相似的情境下去积极主动地建构知识[17]，虚拟现实技术为学习者建构了全新的学习环境。目前，研究者对于用于教育领域的虚拟现实环境的术语还没有统一的认识，“Three-dimensional Virtual Learning Environment”、“Educational Virtual Environment”等都有在被使用[18][19]。翻译成中文术语，Huang等所使用的“虚拟现实学习环境”这一术语突出了以学生为中心的思想和学习的特征[20]，表明了虚拟现实技术对于教育教学环境的建构与支持，比较系统与全面，读起来也简洁有力，因此本研究则采用“虚拟现实学习环境”这一术语来指代虚拟现实在教育教学中的应用。在虚拟现实学习环境支持下，教育思想、教学策略、学习内容、学习规则都被植入进去，教师与学生通过虚拟现实平台和设备与学习环境进行交互的过程构成教与学的过程，学生能够感觉自然地沉浸于学习当中。

1.虚拟现实学习环境支持的教学应用

（1）目前，虚拟现实学习环境支持的教学应用在西方发达国家运用广泛且有助于学生对知识的认识。2009年澳大利亚和新西兰合作成立的虚拟世界工作组和2003年美国林登实验室推出的Second Life（SL）项目等是典型代表[21]。其中，开放式虚拟现实平台Second Life项目提出要探索个体在虚拟现实世界获得教育与成长的可能，学生可以采用一个“化身”投入到虚拟世界的学习当中去，其具体执行过程与角色扮演游戏有些类似。Second Life平台在西方发达国家有极高的市占率，英国有80%的高校都在使用或准备使用，而美国已经有超过150所高校在这一平台中搭建了用于教学和研究的虚拟环境[22]。

（2）虚拟现实学习环境能够提高学生对知识的掌握能力、创造力和领导力。比如，在飞行员驾驶训练的课程中，采用虚拟现实技术构建的模拟飞行场景和现实实际驾驶训练相结合，飞行学员的技能习得速度和效果比单纯的现实飞行课程训练更明显。Cai、Wang和Chiang设计了几个面向初中生的关于化学物质结构认识的虚实融合操作实验，在实验中，学生可以采用自然交互方式对虚拟出来的微观世界中的分子、原子进行操作、组合和创作[23]。这个实验表明虚实融合的方式能较大提升学生的学习兴趣和对物质微观结构的认知与理解。通过虚拟现实技术对日常难以呈现的巨大或微小物体之间的空间关系和内部结构细节的展示，有效地促进了学生技能的习得。台湾学者Lin、Wang、Kuo等人通过实验探索了虚拟现实教育对学生创造力和领导力的影响，实验表明：通过虚拟现实探索教育能够促进的最佳创造力，也能够提高学生的最优领导力[24]。

（3）虚拟现实学习环境还被应用到具体操作技能的培训课程中。随着医学技术的发展，要求医学教学更加的精细化，对医疗教学设备和仪器的要求也越来越高，教学成本高昂。运用虚拟现实搭建医疗教学环境，再造手术和化验场景，一方面能够较大程度地降低成本，另一方面能够使手术效果更佳直观，医学生可以有效及时且直观的感受到自己操作的规范性和手术处理所带来的后果。 Y Eugenia、Νikiteas Nikolaos、P Despina 等通过在腹腔镜手术中使用虚拟现实模拟器构建训练环境，能够训练基础外科手术技能，提供改进腹腔镜手术性能的替代手段，并且可直接将这一手段运用到临床手术中去，然而，虚拟现实模拟对高级外科手术的表现没有影响[25]。在工程类课程中，VS Pantelidis概述了在工程教育中使用虚拟现实的原因并提供了一个确定何时使用VR的模型，指明了在工程操作课程中使用虚拟现实的低预算方法和构建这种工程实验室所需的硬件和软件[26]。

（4）在教学实践中，某些学科存在现实生活中没有的、危险性较强的、或者成本较高难以构建的现实场景，比如历史场景、跨国场景、危险场景、特殊教育、军事演习、宇宙与海洋场景等，虚拟现实技术则可以在避免伤害、减小成本的情况下完成教学任务。Buono、Cortese和Lionett等人在消防逃生培训课程中做了一个实验，他们构建了虚拟机代表国家研究所的一个真正的建筑，工作分为两个平行和互补阶段：在第一阶段（“建模”阶段），他们设计了模拟发生地的实际建筑物；在第二阶段，他们额外通过使用LSL（the Second Life Linden Scripting Language）将交互功能加入到虚拟环境中去，以确保用户可以通过熟悉的方式与周围环境进行交互。实验表明，在虚拟环境中，原本对新技术不熟悉的学习者也能够对环境互动功能熟悉掌握，实验参与者对于灭火逃生相关概念的掌握能力、对于灭火器的使用能力、成功逃脱至集合点的能力等都成绩较佳，培训效果显著[27]。

（5）构建虚拟的学习角色。在实际的教育教学工作中，教师往往会面对学生注意力不集中的情况，这种情况在青少年教学过程中更为常见，会直接关系到学生对于知识的获取以及教师的课堂教学效果。构建的虚拟角色是将真实学生个体映照进虚拟环境中去，这个角色可以按照计算机预先设定需要完成的各项学习任务，帮助学生在虚拟环境中实现对课程知识的掌握与理解[28]。虚拟角色能够提高学生的学习兴趣，可以让学习者避免焦虑的心理和其他情感因素的干扰，注意力和集中度有明显提高。

2.虚拟现实学习环境提升学生技能习得效果研究

（1）临场感

临场感让学生在面对学习环境时产生的身临其境的感觉，临场感是虚拟现实对于学生学习效果习得评价的重要组成部分。吴祥恩、陈晓慧等通过实验证明了临场感对在线学习效果具有重要影响，其中教学临场感较大程度促进教学设计和教学组织，社会临场感在一定程度上能够促进学生积极进行知识分享，而认知临场感对在线学习效果起到最重要作用[29]。学习者的临场感知觉对学习成就影响程度如何，王广新和刘兴波采用以Witmer和 Singer的“临场感调查问卷”[30]、Baňos等的“现实判断和临场感调查问卷”[31]为核心改进的问卷调查的方法测量学习者的临场感，探究出临场感体验能增强学习者的认知过程，有助于提高学习者的认知态度，但临场感也不是虚拟现实学习环境对于学生技能习得效果的灵丹妙药，临场感对学习者的学业成就的提高也是间接的和有限的[32]。Persky,S发现，学习效果会受到具体的教学方法和不同的学习活动的影响，并不能简单地将学习效果与临场感作简单联结[33]。另外，当学习环境受到多种因素的刺激时，学习者会对这些因素的注意力产生不均等现象，从而影响对特定一些因素的临场感不佳。

（2）个性化学习

除此之外，虚拟现实学习环境突破了空间的限制，对于学生而言，为学生提供了个性化学习条件，学生能够根据个性表现在虚拟环境中尝试完成不同的任务或通过不同方式完成任务，实现更为积极主动地去计划、组织和监控课程活动。对于教师而言，虚拟现实促进的个性化学习模式能够有效促进因材施教，教师能够根据学生的学习情况，个案分析学习效果并进行教学评价，以此为依据针对个别学生进行辅导，也方便安排之后的教学内容，从而进一步提升教学效果。比如，Ashoori等提出个性化是适应性虚拟学习环境中的一个关键问题[34]，它为学生提供支持互动参与的方法，从而满足不同学生的需求，实现个性化教学，这可以在多用户虚拟现实环境中使用教学Agents来实现。

（3）沉浸性

在传统课堂教学和网络教学中，教师不可避免地会遇到学生在学习过程中情感缺失的问题，将基于虚拟活动的学习环境纳入学习和培训过程中，通过虚拟现实打造良好的沉浸性提高教育过程的效率[35]。L.Jacho、B.Sobota、Š.Koreˇcko等构建了用于支持教育和教学活动的半沉浸式虚拟现实系统，使用基于用户触摸界面的虚拟工作台，引导学生的能力发展并对能力发展成效进行评估[36]。若设计合理的教学流程和恰当的虚拟现实技术使用，学生在学习过程中的专注度和投入度将会有所改善。

五、虚拟现实教育应用所面临的挑战

国内关于虚拟现实学习环境支持的教学相关研究和应用还停留在较为初始的阶段，还是以虚拟现实理论探讨为主，应用层面研究较少，教育教学效果还需进一步明确。国内的研究重心还集中在虚拟仿真校园的实现等方面[37][38]，较西方国家仍有一段距离。

目前虚拟现实呈现技术目前普遍存在建模工作量大、模拟成本高，与现实世界匹配程度不够以及可信度等方面的问题[39]。具体而言，从产品技术层面，丁楠、汪亚珉认为存在着头戴式显示设备使用体验不佳、显示设备的视域相对狭窄、设备的重量与体积过大，使用者的活动自由度受到硬件的限制，从而导致交互体验不足等缺陷[40]。而高媛等还从教学应用层面及学习者体验层面上总结了虚拟现实技术在教育教学中存在的不足[41]，在教学应用层面，海伦·法利认为最大的挑战在于教师的教学方式还没有改变，在虚拟环境中仍旧采用传统的教学，这样虚拟现实技术则难以起作用[42]。刘德建、高媛等皆提出了虚拟现实所使用的多元信息传送方式容易造成学生的认知负荷超载，对于学生的学习过程相关监控数据还没有配套成熟的辅助技术进行有效评价，不能明确辨别学生在使用虚拟现实技术到底是用于学习还是娱乐[43][44]。

六、总结与展望

在虚拟现实的教育应用中，技术应当服务于教育教学过程。针对这些问题，教育工作者首先要考虑面对具体的教学情境时应当采用虚拟现实技术进行哪些内容的教学、如何进行教学的问题，即确定明确的教学目标、制定提升学生创造力的教学策略，形成完整可行的教学设计，使得教学设计更加符合学生的认知过程，从而最大程度地减小学生的认知负荷超载；根据实际教学开展长期的效果测试、监测与评估，掌握数据规律，并根据评价结果改进基于虚拟现实技术的学习环境和教学设计各个环节。

虚拟现实技术的设备及服务提供商需进一步完善该技术的成熟度，通过增强现实、增强虚拟环境、混合现实等技术手段辅助营造智能化和实用型的虚拟现实教学环境；减少技术使用层面的困难，提供更好的设备使用体验；开发关于技术数据的辅助收集与评价功能，便于教学者评估学生学习效果；提高对于数据隐私尤其是学生个人信息方面的安全系数。

虚拟现实技术已经成为教育教学应用中不容小觑的技术之一，它与教育教学的深度融合将会进一步推进教学改革的发展，对于提高教育技术水平、改善教学环境、丰富教学资源、优化教学过程，培养个性化、创新型的人才具有重要作用。未来，随着虚拟现实教育应用水平的逐步提升，希望虚实融合教学环境中所面临的挑战能够逐步得到有效解决。

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