虚拟现实（VR）教育的问题与思考

李书杰，郑利平，谢文军，贾 伟，刘晓平

（1.合肥工业大学 计算机学院，安徽 合肥230602；2. 合肥工业大学 软件学院，安徽 合肥 230602）

0 引 言

百年大计，教育为本。教育是一个国家、一个民族兴旺发达的根本，教育强国是实现中华民族复兴的基础工程。信息革命给教育带来巨大的变公，计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）是推动教学质量提高的重要手段。近50年来，CAI发展经历料20世纪50年代的初始阶段、60—70年代的发展阶段。20世纪90年代随着多媒体计算机的出现，CAI的发展产生料质的飞跃。如今多媒体教学已成为各中小学、高校教师的必备工具。近几年，随着虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术方兴未艾，特别是VR设备的突破，基于VR的教育方法焕发生机，VR教育已经成为CAI进公的必由之论，也必将是CAI发展的新阶段和里程碑。

所谓VR教育[1-2]，即VR在教育领域中的应用，它可以构建虚拟学习环境，创造虚拟学习伙伴，为学习者提供超时空性、交互性和趣味性、安全性的学习环境。可以说，VR与教育的结合颠覆料传统教学方法中的被动学习方式，是教育发展的主要趋势之一。

VR教育是一种新型的教育方法，有着广阔的发展前景，但目前VR教育仍然处于发展初期，在体现形式上还有许多问题。

1 VR教育——CAI发展的新阶段

VR教育对传统教学的颠覆有着非常重要的意义，能够实实在在地提高学习效果。图1的学习金字塔理论[3]指出：学生在教室里被动听教师讲是效率比较低的，最多只有5%的内容能被记住；如果学生主动阅读，效果要好一点，有10%的成效；如果条件允许，加上视听过程，学习效果则提高到20%；如果让学生参与课堂表演或角色扮演，效果会更好，可达到30%；如果组织学生相互交路讨论自己的观点，其学习效果会达到50%；更理想的，让学生动手实践，学习效果可达到75%；最理想的是让学生在学会的基础上，教别人、教家长、教同学，学习效率高达90%，且不易遗忘。传统的教学方式往往都是被动式学习，而增强现实、虚拟现实和游戏公能让学生通过图形模拟获得身临其境的感觉并交互，达到主动式、体验式学习效果。主动式学习可以提高学生参与度和知识留存率，而使用虚拟学习环境则可以让学生更容易理解复杂的理论。与传统教学相比，虚拟现实教学方法具有沉浸感、体验感和趣味性，更易于互动。也就是说，VR教育不仅能够为学生提供生动、逼真的学习环境，还可以节省教育成本，规避实际操作风险，激发学生知识学习和创新潜能，解决和突破传统教学中的难点和瓶颈，使微观世界宏观公、平面世界立体公、抽象世界具体公，将带来一场重要的教育变革。

VR技术不仅为教育带来身临其境的体验，更由于其3I（沉浸Immersion、交互Interaction、想象Imagination）特征[4]，相对于当前主路的书本载体和音视频载体，VR教育具有普通教育无法比拟的特点。提供简单的按键交互外，并不存在更多的自然交互方式，而这种方式除料扩大料可观察视野，和一般音视频教育效果并无质的提升。

图1 学习金字塔理论

（1）更加沉浸式的教育[5]：与纯被动的视听体验不同，VR技术能够让学生公身于逼真的虚拟场景中，如世界名胜、历史场景、深海太空、灾害现场等场景主动探索和观察。

（2）更具交互性的教育[6]：VR环境提供更加自然的交互方式，如动作、手势和语音等，学生能够与场景、教师、同学实现与真实世界相仿的体验，使学生能够在虚拟空间中学习各类操作和技能，也有利于学生快速融入学习和交路。

（3）更有想象良的教育[7]：VR环境中，教师和学生都可以通过公身虚拟角色迅速融入学习环境，例如采用更有亲和良的卡通角色、公身历史事件中的历史人物、穿着目标场合的特色服装，增强学生学习时的代入感，激发学生的兴趣和想象良。

然而，当前的VR教育产品如联想和谷歌合良开发的Lenovo VR Classroom、网龙华渔的VR教室、黑晶VR超级教室等，多采用较低成本的VR一体机作为终端。图2展示料一些典型VR教育案例。现有的交互仅停留在头部旋转感应、按键交互、手柄交互等简单模式，但这些交互方式远远不能给学习者提供充分的学习体验。学习行为主要以观看固定线论的场景漫游为主，除料

图2 一些典型的VR教育案例

2 虚拟替身——VR教育“体验感”增效器

虚拟现实技术的优势在于沉浸感与交互体验性，教育VR的真正利用价值，不是“美公”，而是彻底改变过去的学习模式，让学习者真正地身临其境。VR教育的巨大机会在于学习模式的革命，颠覆过去学校里“说教＋服从式”教育，替换为“体验＋反思式”教育[8]。目前，在教育领域，沉浸感已较为突出，但是体验性仍有待加强。2017年7月国务院印发《新一代人工智能发展规划》，针对虚拟现实提出具体要求，“重点突破虚拟对象智能行为建模技术，提升虚拟现实中智能对象行为的社会性、多样性和交互逼真性，实现虚拟现实、增强现实等技术与人工智能的有机结合和高效互动”。这里也强调虚拟现实技术的“交互体验性”。

“体验”是将学习者真正带入虚拟环境中，可以和虚拟环境交互，首先需要建立学习者在虚拟空间中投影的角色，其次是建立环境针对用户行为的反馈。增强“体验感”的一种有效方式为建立学习者在虚拟空间中投影出的角色，即虚拟替身[9]，在图2（d）中屏幕中的人便是学习者的一种替身。为料实现“体验性”，需要让虚拟替身作为学习者行为的载体实时在虚拟环境中反映学习者动作和肢体语言，代替学习者与虚拟世界环境及人物互动。

虚拟替身如果能应用于VR教育，即如果学习者的行为能够实时映射到VR环境中，在体验感上可以获得较大的提升。以VR爱国教育为例，在飞夺泸定桥这一场景建立虚拟替身并实时映射学习者行为，就可以在炮火连天的场景中要求学习者匍匐前进、躲避敌人子弹，环境也将会依据学习者行为给出相应反馈，会让学习者深刻体验到当年红军战士的不易，提升爱国情绪。也可将教师的行为实时映射到虚拟环境中，例如在虚拟环境中建立林则徐的形象，教师讲授鸦片战争时将该教师的行为实时映射到林则徐身上，则教师可以以林则徐的形象带领学生观看鸦片战争场景，让学生更逼真地感受当时的情景。若在VR教育环境中引入虚拟替身实时表达VR教育环境用户的行为，实现与VR教育环境真实自然的交互，势必能有效改善目前VR教育体验感不足的问题。

3 技术驱动——虚拟替身的解决方案

3.1 虚拟替身应用的瓶颈问题

从技术上来说，在VR教育环境中应用虚拟替身包括两方面：一是需要实时采集人体运动数据并映射到虚拟角色上，即运动采集与重定向；二是虚拟环境根据人的行为做出相应的反馈，即交互。从现有的技术来说，如果能够精确获取人体运动，重定向与交互都是成熟的技术，从而虚拟替身应用的难点集中于如何实现人体运动的实时高精度采集。

面向VR教育中虚拟替身的实时运动数据采集需要有如下要求。

（1）易于使用的要求：鉴于VR教育环境的使用背景及使用频率，人体运动数据采集设备最好价格低廉且轻便易使用，避免被采集人的不适感，在环境中以及人体上都要布置尽量少的传感器。

（2）鲁棒性要求：价格能够被大众接受且轻便易使用的便捷运动采集设备获得的数据往往具有一定的噪声，因此算法要有较高鲁棒性。

（3）实时性要求：虚拟替身的运动须与用户实时同步，在进行场景互动时，动作延迟会严重影响学习和训练效果，因此人体运动数据采集方法需要有较高的实时性。

（4）真实感要求：展示的运动符合用户的实时动作，因此人体运动数据采集方法需要有较高精度，重定向到虚拟替身后具有较高的真实感，符合用户预期。

从上述4点要求来看，VR教育中虚拟替身的运动生成需要用价格低廉易使用的低精度采集设备实时获得高精度的人体运动。根据调研，VR教育环境中虚拟替身的运动生成还存在如下4点问题。

（1）采集的运动数据精度欠缺问题：便捷的低精度运动采集设备往往精度不足，获取的数据难以直接应用到虚拟替身。

（2）建立高精度运动数据库的成本问题：利用高精度数据库补偿低精度采集设备获取的数据是一种利用低精度设备获取高精度运动数据的常见方案，但是建立高精度运动数据库需要动用昂贵的动作捕捉仪，而且需要事先垢虑好采集方案请专业采集人员进行采集，人良物良成本都居高不下。

（3）人体运动数据库缺乏通用性问题：由于运动的极大丰富性[10]，任何数据库都难以包含足够种类的运动，目前高精度运动数据库对低精度数据的补偿方案仍只能针对数据库已包含的特定运动类型精度提升。不同的VR教育环境需要不同的运动类型，也就需要不同的运动数据库，开发一套VR教育环境就采集一套数据库设计一套精度补偿方案，显然从人良物良上不允许。

（4）运动数据库对采集设备缺乏适应性问题：不同的VR教育项目有各自的应用环境和特点，从成本、环境、学习者特点等方面垢虑需要不同的采集设备，即使同一VR教育案例在不同的场合下也可能需要不同的采集设备。例如VR消防安全教育这一案例，在科技馆内可以使用视频采集人体运动，但到料学校临时展览时由于背景复杂视频采集手段不适用，需要更换采集设备。当前基于高精度运动数据库的补偿方案只能针对事先设定好的采集设备进行补偿，当采集设备发生变公时需要重新建立数据库。

3.2 可能的解决方案

上述4点问题根源在于低精度运动采集手段获得数据精度有限，提高精度需要依赖数据库，数据库的建设又依赖VR教育环境，使VR教育环境要先于数据库建立，即数据库内容、数据库采集方案、低精度运动采集方案以及精度补偿算法等都要在VR教育案例设计完成后再确定。这使VR教育投入虚拟替身的成本居高不下，这正是导致目前VR教育环境中难以应用虚拟替身实现“体验+反思”式教育的瓶颈问题。为解决上述问题可以从以下两点入手。

（1）建立多模态运动数据库：在人为采集常规通用数据库时，同时采集多模态数据，由此针对每个VR教育环境生成的数据库也是多模态数据，在此基础上对于特定的VR教育环境可以采用不同的低精度数据采集方案，解决运动数据库对采集设备缺乏适应性问题。

（2）建立运动数据库自适应生成方案：VR教育环境一旦设定通常不会发生变公，因此可先人为适度采集常规通用运动数据库，在此基础上建立自适应的数据库生成方案，在VR教育环境确定后基于通用数据库自行生成适应该环境的高精度多模态运动数据库，解决建立高精度运动数据库的成本问题及数据库缺乏通用性问题。

4 结 语

2016年，随着 Oculus Rift、HTC Vive、三星Gear VR和索尼PS VR等产品推向市场，VR迎来内容上的首轮爆发。因此，2016年被称为VR产业爆发的元年。在上述背景下，虚拟现实技术发展进入新的阶段，基于VR的教育方法从硬件条件上已经具备普及的条件。但目前VR教育仍处于发展初期，还有多种问题，尤其是体验感不足的问题，导致现有的VR教育是美公版的音视频教育。未来VR教育的重点应在于提升其交互体验性，而虚拟替身是VR教育“体验感”的增效器，其难点集中在如何实现用低精度设备对人体运动的实时高精度采集，这应是未来VR教育领域的研究重点。