虚拟现实技术在教育领域的应用现状与发展趋势

刘潇忆，金 浩，刘 伟

（沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159）

0 引言

虚拟现实技术是20世纪发展起来的一项全新的实用技术，是一种综合性技术统称。虚拟现实技术集计算机图形识别技术、传感器技术、人机接口技术、多媒体技术、计算机并行处理技术等高新技术于一体，主要通过计算机模拟虚拟环境，让使用者可以根据自身感觉对虚拟环境中的事物进行观察和操作，从视觉、听觉、触觉等方面，给体验者以身临其境的沉浸式体验感。如今，随着社会生产力和科学技术的发展，VR技术也取得了巨大进步，并逐步向新的科学技术领域前进[1-4]。

1 虚拟现实技术的分类

虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、构想性和多感知性4个基本特征，目前虚拟现实系统根据不同的类型可分为以下4种[3]。

1.1 桌面式虚拟现实系统

桌面式虚拟现实系统是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。该系统是利用中低端图形工作站以及立体显示器，产生虚拟现实场景，是目前比较普及的一类虚拟现实系统，但是这类虚拟现实系统会受到周围环境干扰，虚拟体验感较差。

1.2 沉浸式虚拟现实系统

沉浸式虚拟现实系统又分为非交互式体验、人—虚拟环境交互式体验和群体—虚拟环境交互式体验等几类。系统利用头盔显示器封闭使用者的视觉和听觉，从而产生虚拟视觉；利用数据手套封闭触觉，从而产生虚拟触动感；利用头部、手部、眼睛视向跟踪器，追踪使用者发出的操作命令，从而使体验者完全沉浸于虚拟环境。

1.3 增强式虚拟现实系统

增强式虚拟现实系统中的增强现实技术是在实际的环境上扩增信息，将虚拟环境的图形和真实物体进行叠加，再依赖虚拟现实位置跟踪技术，以达到精确的重叠和良好的虚拟体验感。

1.4 网络分布式虚拟现实系统

网络分布式虚拟现实系统是一个多客户端网络交互系统，多个用户可以在不同地址，对同一个虚拟现实环境进行观察和操作，并实现共享信息的功能。

2 虚拟现实技术在教育领域的研究应用现状

虚拟现实技术使学生在教学中拥有更强的主动性，为学生提供生动形象逼真的学习环境。这种优势来源于虚拟现实技术本身的沉浸感，而传统的教学方式无法提供这种沉浸感。在虚拟现实技术的教学过程中，学生拥有更强的参与度,可以很好地沉浸在整个学习过程中。虚拟现实技术对原理和方法的理解以及对问题的主观感受上有良好的结果。目前虚拟现实技术已经成为一个用于补充常规授课内容的理想工具，无论在国外还是在国内，其在教育领域中的应用都取得了一定的成绩。国内外许多专家和学者都开始了相关的研究工作并取得初步进展，而且有越来越多的专家学者参与进来。其中较为成功的有VREX云平台、Multigen creator平台、NCLS等[5]。

2.1 国外虚拟现实技术在教育领域的研究现状

早期，在一些欧美国家虚拟现实技术就被应用到了教育领域，原因在于虚拟现实技术可以很好地构建出相似度较高的现实环境，可以实现学习的情景交互。1985年，美国国立医学图书馆开展人体解剖图像数字化研究。随后，一些国家也加入这个行列，开始创建实验室开展虚拟技术的研究。同年，为进行虚拟环境的正规研究，MIT成立了媒体实验室。AftabAlam团队通过模糊逻辑的方法用定量的方式测定了学生的学习技能，并以它为标准用于改变3D虚拟学习环境的内容,来解决3D虚拟学习环境的自适应能力[6]。

美国在教师教育中领先运用虚拟现实技术，2008年中佛罗里达大学首创TeachlivE教师技能训练系统，利用新技术探索教师教育的信息化，通过虚拟现实技术的运用创设了虚拟学生和现实课堂相结合的混合现实教学环境，为实习教师提供具体的教学内容、教学方法以及课堂管理技巧等，强化了教师教学实践能力的培养，并取得了显著成效。

2.2 我国虚拟现实技术在教育领域的研究现状

我国虚拟现实技术已经引起政府有关部门的高度重视并根据我国国情制定了开展虚拟现实技术的研究计划，国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划、九五计划等都把虚拟现实技术列入了研究项目。国内一些高等院校已经紧跟国际步伐投入这一领域中，其中西安虚拟现实工程技术研究中心是最早开始进行虚拟现实技术试验的研究中心。该中心的成立，对发挥学校电子信息工程学院等其他院系在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟制造等方面的研究具有积极作用[6]。

当前，我国已经在虚拟现实技术与仿真领域的软硬件研发推广方面具备了较先进的解决方案和相关服务，拥有数字城市仿真平台、虚拟现实编辑器、三维仿真系统开发包、物理模拟系统、三维网络平台、工业仿真平台等，满足不同层次和领域的客户对虚拟现实技术的需求[7]。

国内高校及研究团队都致力于虚拟现实在教育领域的相关研究工作并取得了初步进展。为使虚拟现实技术在教育领域得到更快的发展，天津理工大学体育系基于体育教学与训练的本质，通过协作学习、在线教学等手段,构建了一款可以将体育教学与训练相互结合的虚拟显示技术模型与软件；武汉首义学院的尹坤坤设计出可以细分各领域的虚拟软件搭建的方案,同时该方案已在华中地区部分高校中应用并取得了较好的成果。

随着现代信息科技的发展，虚拟现实技术的发展前景以及空间十分广阔，很多高新技术领域例如计算机技术和网络信息技术等重要领域，都因为其强大的发展能力而投身虚拟现实技术[8]。

3 虚拟现实技术的发展趋势

在20世纪末期一些国家就对虚拟现实技术展开了研究,并且尝试将虚拟现实技术应用到教育领域,后期就出现了Classvr，Unimersiv，Nearpod等多个基于虚拟现实技术而存在的教育平台，这些教育平台的出现为VR技术走进教育领域奠定了基础。利用VR的交互性和沉浸性，将VR应用到课堂教学中不仅可以增强学生的学习体验，还可以改善现在教育资源严重不平衡的问题。

而当前VR虚拟现实技术在高等教育的应用中，并不完全依赖于虚拟现实技术，而是人机相互配合，将虚拟现实技术的优势最大限度地呈现出来，从根本上推动部分高等院校的高质量发展。在教育方面，虚拟现实技术可以应用到如下多个方面。

3.1 高校内应用虚拟现实技术

将现代的高端科学技术与传统教育结合，利用虚拟现实技术创建虚拟校园场景，为学生们提供更优质的服务，也可与更多优质的学校进行互动。

3.2 虚拟现实科学实验

将虚拟现实技术应用到科学实验中，可以让实验立体化，也可以让多个学生一同进行观察与操作，高效地培养了学生的观察能力、动手能力以及想象能力，有利于提高学生的创造性和对知识的掌握能力。

3.3 远控教育

虚拟现实系统会创建出虚拟的环境及角色，让学生身临其境，与此同时老师也可以在这个虚拟环境中与学生们进行互动，达到最好的教学效果。在虚拟环境中，学生们被充分调动起来，通过网络进行学习，提高自主学习的能力。

3.4 技能培训

通过虚拟现实技术，可以为学习者更好地还原出训练场景，让学习者更加快速地掌握其所学技能。用虚拟现实技术创建的虚拟场景进行弹药的虚拟拆装，让学生们亲身体会拆装的过程，主动探索和学习；虚拟的武器发射场景，也可以让学生们更加了解武器发射出去之后的运行轨迹，有利于学生们进行学习与探究。随着虚拟现实技术的不断发展，各种需要培养操作技能的领域，如医学教学、汽车驾驶等也从中受益。

4 虚拟现实技术在教育领域面临的挑战

4.1 技术挑战

（1）分辨率低。

有研究表明只有当分辨率达到4K甚至更高画质时才能拥有更加舒适的体验感，而当前大多数VR显示器的分辨率远远不够[9]，这方面影响了沉浸式体验的感受。

（2）无线连接困难。

目前这项技术还必须通过有线的方式进行操作，但是若想让这项技术得到普及，必将朝着无限的方向发展，不过根据现在的技术仍然无法实现。

（3）开发技术门槛高。

由于虚拟现实技术是新兴技术，对技术的掌握要求极高，尽管公司拥有虚拟现实技术资源，但资源是否能够得到充分利用依赖于在开发团队对该项技术掌握的程度上。

4.2 全新教学模式推广挑战

（1）对虚拟身份与真实身份交互作用的认识。

在传统教学模式中，教师会清晰直接地观察到学生们的行为，再通过经验判断来选择何种教学方式。而虚拟的学习环境中，教师无法看见真实的学生，而是由系统构建出的虚拟形象，其学习行为可能与现实中的学习者有所出入，这就需要教师不断研究与探索，掌握虚拟环境中学生的行为特点，并将学生的虚拟形象和真实身份进行交互。

（2）造价昂贵，不便于普及。

当前虚拟现实技术仍处于研究阶段，造价昂贵并且缺乏便携性，仍不能在各个学校或者教育行业普及。

5 结语

随着社会的快速发展，虚拟现实技术成了当今社会的新型产物，将其应用到教育中来，可以吸引学生，激发他们的学习热情，同时还可以完善当前的教学模式，让教学也可以与时俱进。但是，虚拟现实技术仍处于发展阶段，相关功能结构还有待完善。当然，随着社会的进步与发展，虚拟现实技术会愈加成熟，虚拟教学也将走进大家的生活。这种全新的教学模式会被更多的教育工作者所看到，现代教育虚拟现实技术必定未来可期。