虚拟现实的教育应用现状及面临的挑战

刘振生

(渤海大学 教育科学学院，辽宁 锦州 121013)

虚拟现实(Virtual Reality，VR)是继互联网之后又一项引领硬件革命的技术。VR凭借其逼真的沉浸感、自然的交互性以及构想性，已成功应用于商业、医疗、娱乐、社交、建筑、工业、旅游等多个行业。可以说，随着技术的不断发展、应用模式的逐渐成熟，VR正试图在改变世界,已经开始涉足教育领域，在给学生带来良好用户体验的同时，能够支持哪些交互方式，具有哪些教学应用情境，目前面临怎样的挑战，都有待教育研究者的进一步探索。

一、虚拟现实概述

虚拟现实是指一种利用计算机仿真系统模拟生成虚拟世界的技术。使用者借助VR设备，能够感知视觉、听觉、触觉等多种感官刺激，并能与虚拟环境进行交互，仿佛置身于真实世界。虚拟现实技术最早起源于1956年，当时人们就设想能够突破通过二维屏幕进行观看的方式。由于当时技术的限制，这项技术在当时并没有产生大的影响。直到近几年，随着技术的不断成熟，虚拟现实重新走进了大众视野。

(一)虚拟现实的外设

应用VR资源，必须借助一定的硬件设备才能实现，其中必须的，也是最重要的外设是头戴式显示器，简称头显，也称VR眼镜。用户只有在佩戴VR眼镜观看VR资源时，才能产生逼真的身临其境之感。用户可以上、下、左、右转动头部，就能看到不同视角下的三维虚拟世界，就像我们日常在自然环境中通过转动头部来转换我们的观看视角一样。目前，VR眼镜分为三种：移动端头显、PC端头显、一体机头显。移动端头显是指基于智能手机的头显。使用时，用户只需在手机终端下载所需的虚拟现实APP，将其打开后将手机放到VR眼镜中，戴上VR眼镜后即可使用。PC端头显需要连接电脑并下载VR资源才能进行观看。这种类型的头显能够带来更好的用户体验，但价格较昂贵。一体机头显不需要手机和计算机，在头显设备中不仅包含独立的处理器，还具有计算和输入输出功能。

戴上VR眼镜后，用户通常会沉浸在虚拟世界中，视线也仅限定在VR眼镜内。因此，在应用VR时，通常会通过一些外设与系统进行交互。一般用户最常用的外设是手柄。通过手柄上的按键等与系统进行交互。此外，VR外设的种类很多，例如数据手套、数据衣等可允许用户通过手势和肢体语言与系统进行交互。理论上讲，只要能够将传感器连接到某个设备上，该设备就可以成为VR外设。

(二)虚拟现实的特点

1.沉浸性

虚拟现实的最显著特点是沉浸性，即虚拟现实能够使用户沉浸在一个由计算机生成的虚拟世界中。借助外围设备，用户能够感知虚拟世界中的视觉、听觉、触觉等多种感官刺激。用户不再在二维屏幕外进行观看，而是“走进”虚拟世界，成为虚拟世界中的一个组成部分。虚拟现实的沉浸性，能够带给用户更强烈、更逼真、记忆更深刻的感官刺激。

2.交互性

交互性是指虚拟现实能够模拟人在自然环境中的交互方式实现用户与虚拟世界的交互。利用头显，就可以通过转动头部来改变观察世界的视角。用手柄可以实现现实世界中拿起、放下等操作。用户通过位置移动，可以从一个场景走进另一个场景等。这些自然的交互方式为用户带来了更好的体验。

3.构想性

构想性是指虚拟现实允许人们发挥无尽想象，不仅可以构建和还原现实存在的世界，也可以构建任意不存在的世界。

二、虚拟现实的交互方式

交互是学生利用资源进行学习的重要环节之一，也是资源设计开发者关注的重点。如何根据媒体资源特点、学习内容特点以及学生的认知特征进行人机交互设计，始终是教育研究者关注的焦点。VR将学习者从传统的二维界面“拉进”了三维的虚拟空间，因此VR教育资源与其它教育资源的人机交互方式有很大的差异。根据目前的技术发展，VR教育资源的人机交互方式可以分为以下几种。

(一)头部转动

用户在观看VR资源时，需要佩戴VR眼镜。随着头部的移动，VR主机或手机可追踪头部的位置，并进行实时计算，计算出头部处于某个角度时应该呈现出的画面。这样，使用者戴上VR眼镜转动头部时，就会看到不同视角的场景。可以说，头部转动是观看VR资源的最主要人机交互方式之一。使用者可以上、下、左、右各个角度转动头部，通过转动头部来观看三维场景中的不同地方。

(二)眼睛“凝视”

通常情况下，人眼的视角是120°，也就是在不转动头部的情况下，我们能看到120°左右视线范围的事物。当集中注意力时，视角则为25°。自然世界中，人们可以通过转动眼球来改变注意力方向。但在VR技术中，目前无法追踪眼球的移动位置，不能通过捕获眼球的移动进行交互。现在人们可采用一种变通的方法模拟眼睛 “凝视”，进而通过“凝视”完成人机交互。

(三)手势交互

我们通过手完成各种活动，利用手与外部世界进行交互。目前的VR设备模拟了自然界中人利用手势进行交互的方式，通过捕获各种不同的手势，识别出手的抓取、松开、移动、翻转等动作，进而针对不同的手势动作完成相应的交互。在现有的VR设备中，利用手势进行交互的方式有两种：徒手的自然手势交互与带数据手套的手势交互。数据手套是一种能够戴在手上的手套，手套内部有多个传感器，计算机通过这些传感装置定位出手的位置，进而实现手势识别，完成人机交互。目前，利用数据手套进行人机之间的手势交互是一种识别精确度较高的交互方式。另一种手势交互方式是徒手的自然手势交互，这种交互方式的理想目标状态是与现实世界相一致，不借助手套等外围设备，而是直接徒手与虚拟世界进行交互。目前这种徒手的手势识别技术的精确度还较差，特别在识别复杂的手势时错误率较高。

(四)利用手柄等外设交互

自然世界中，人们除了用眼睛、语言、手势、肢体动作与外界进行交互外，往往还借助工具。在VR中，通过捕获用户对手柄等真实的外围设备的操作，实现对虚拟对象的操作，进而完成真实世界与虚拟世界的“统一”。通过捕获用户对手柄的移动以及对手柄上按键的操作来获知用户的意图，实现自然、便捷的人机交互。除了手柄之外，理论上讲，可以将一切外设与主机连接，捕获用户在真实世界中的数据，并将之映射到虚拟世界，与虚拟世界中的对象实现交互。目前，已实现了将灭火器、跑步机、玩具等与计算机相连接，用户真实地操作这些外设与虚拟对象进行交互，显著增强了用户的沉浸感和兴趣。

(五)空间定位

对用户进行空间定位与位置追踪，是另一种VR人机交互方式。现有的空间定位技术，较多地在使用者头显和手柄等外设上设置多个激光或发光装置，再使用接收设备获取发出的信号并进行位置计算来获取位置信息。空间定位使得虚拟世界中的画面像在真实世界中一样，能够随着身体的移动而发生改变，为用户带来更好的用户体验。目前，VR行业中的Oculus Rift、HTC Vive以及索尼PlayStation VR等基于桌面的VR厂商，为用户提供了空间定位。有了空间定位，使用者可以在一定范围的封闭空间中自由移动，就像在真实世界中一样，通过头显就能看到不同的景象[1]。

(六)肢体交互

目前VR中的肢体交互主要是指利用数据衣实现基于肢体的人机交互。数据衣的原理与数据手套大致相同，通过衣服内的传感器对身体的动作进行监测和跟踪，是一种比较常用的动作捕获方法。但目前这种技术还仅处于起步阶段，主要的不足表现为：延迟较大，作用范围小，识别准确率不好，使用不方便等。

三、虚拟现实在教学中的应用情境及典型案例

(一)客观事物和过程的“真实”呈现

在戴尔经验之塔的最底层，是“有目的的直接的经验”，也就是学习者与客观事物本身接触后取得的经验。通过这种“有目的的直接的经验”进行学习，学习者最容易理解，印象也更深刻。然而在大部分的学习过程中，学习者很难有机会获得直接的学习资源，多是基于“观察的经验”进行学习。VR凭借三维虚拟环境带来的身临其境的沉浸感，为学生构建了一个基于“直接经验”进行学习的新世界。

1.三维模拟呈现教学内容

目前，VR在教育领域中主要通过三维模拟为学生呈现传统学习中很难直接观察到的客观事物或者过程。学生戴上VR眼镜后，仿佛是在直接接触这些事物，或者亲临现场进行直接观察。VR创建的三维虚拟世界所带来的沉浸感近似于为学生提供了“有目的的直接的经验”。例如，World of Comenius project是基于Oculus Rift和Leap Motion的用于生物学习的VR产品。借助Leap Motion的手势感应，学生可以通过手指点击，以及抓取、翻转、放下等操作，不仅可以以不同比例观察人体的构成，还可以对人体的骨骼或器官进行“拆卸”，以便360°进行观察[2]。

Toti submarine VR experience是一款可在APP Store上免费下载的APP。学习者只需佩戴Google Cardboard，即可“进入”潜水艇内部，并在系统的引导下，“实地”参观学习潜水艇各个舱的内部结构以及主要部件的功能。The Apollo 11 Virtual Reality Experience是一款模拟美国阿波罗11号飞船登月的VR资源。学习者佩戴Oculus头显，即可变身成宇航员达姆斯特朗，进入阿波罗11飞船内部，参观飞船的内部结构，感受人类登月的壮举。MoleculE VR则能够带领学生进入人体细胞的微世界，在细胞世界里为学生“现场”讲解细胞如何在周围环境中接收和发送信息，以及如何与其他细胞进行通讯，并协同完成各种生物过程[3]。

谷歌公司则推出了基于安卓系统和Cardboard的Expeditons Pioneer Program。Expeditons Pioneer Program是一个VR资源集成平台，提供大量建筑物、博物馆以及水下、太空等各类三维虚拟场景，还有个人用户上传的三维虚拟场景。教师可以利用Expeditons Pioneer Program，在课堂上带领学生到世界的各个地方进行参观，并配合相应的学习活动。

2.虚拟实验

实验是理工科目教学过程中必不可少的关键环节。但是，一些实验存在高成本、高风险或者对实验环境要求极其严格的因素，很多实验都无法进行，或者较难重复进行。利用VR，可以为学生提供虚拟的实验环境，使学生可以规避危险，突破环境限制，利于观察实验现象，也可以缩短或延长实验时间，放大或缩小实验比例，还可以重复多次地对实验对象进行研究，根据需要改变、取消某个实验变量，进行实验对比，发现客观规律。同时，VR带来的沉浸感还可以提高学生的学习兴趣，促进学生热爱实验、热爱科学。Chemistry Lab VR是一款基于HTC VIVE的虚拟化学实验系统。学生使用HTC VIVE手柄，在虚拟环境中进行实验，不仅能够完成真实环境中的实验仪器的操作，还可以来回走动，模拟从一个操作台到另一个操作台等动作。

(二)营造逼真环境，感受临场氛围

情境认知理论强调学习的设计要以学习者为主体，内容与活动的安排要与人类社会的具体实践相联通。与其他形式的学习资源媒介相比，VR资源最显著的特征在于能够为学生营造近乎真实情境中才能感受到的现场氛围。通过VR资源营造的三维虚拟世界，使学生仿佛置身于真实环境中，能够切身感受到现场带给人的各种真实体验。同时，还可以在虚拟的教学场景中，通过主机连接外设，判断学生的活动是否正确，并给予及时的反馈。目前，VR已经在教师专业发展、学生的安全教育、外语学习、职业技能训练等方面进行了很好的尝试。

1.VR在教师专业发展中的应用

听课是教师研究他人课堂教学、提高新手教师教学水平的最直接和最有效的途径[4]。一般情况下，听课的途径有两个：现场听课和看课堂录像。在现场听课，听课者无论坐在教室的哪个角落，都很难观看到全体学生的课堂表现。通过课堂教学视频进行听课，仅能从摄像机拍摄到的某个视角进行观看，看到的是教师或某些学生的表现，不能有选择地进行观察和分析。而VR录播可以360°无死角地进行现场拍摄，为听课者还原真实课堂。听课者可以带上VR眼镜，根据需要随时调整视角，360°观察课堂上的每个角落、每个学生的不同表现，切身感受真实课堂的教学氛围。VR录播可应用于国家级、省级等异地教师培训，一方面能够节约成本，另一方面也为360°观看课堂提供了可能。

试讲训练是职前教师提高教学水平的主要手段。目前我国多采用微格教学的形式进行试讲训练，试讲学生和听课学生集中到微格教室，在指导教师和微格教学技术人员的共同配合下完成训练。一般情况下，学生很难有机会多次重复地进行试讲训练。学生自己去空教室进行试讲，又缺少真实的课堂氛围。利用VR，可以模拟真实的课堂环境。试讲者戴上VR眼镜，仿佛置身于真实课堂，感受真实课堂的氛围。还可以在虚拟环境中进行设置，模拟师生互动环节。通过这种方式，学生可以随时随地进行授课训练，尽快提高授课技能。

2.VR在安全教育中的应用

在日常进行安全知识的学习和训练时，教师很难为学生营造现场的紧张、危险氛围，往往导致一旦危险真正发生时，很多学生在巨大的恐惧、紧张等情绪影响下完全忘记所学知识而无所适从。通过VR提供的三维虚拟场景，并配合其他感官刺激模拟灾害现场，预先让学生感受真实现场的危险、恐怖、紧迫。在学生紧张、害怕的心理状态下进行模拟训练，能够取得更好的训练效果[5]。目前，已将VR技术应用于地震、火灾、洪水、恐怖袭击等方面的安全教育。例如，美国的达特茅斯医学院创建的OPS-PLUS，能够模拟恐怖袭击场景，训练人们如何应对恐怖危害[6]。现在也有VR产品模拟真实的城市街道场景，用于训练儿童安全过马路[7]。在安全教育中，往往将虚拟场景与外设相连接，通过传感器判断学生的反应是否正确，并对相应的操作给予及时反馈。

3.VR在外语学习中的应用

真实情境下的学习是提高外语水平非常重要、有效的途径[8]。创造和提供真实的语言交际资源，是外语课堂教学的最基本目标[9]。House of Languages是一款基于三星手机的VR学习产品，学习者戴上VR眼镜后会置身于一个虚拟场景中，一个卡通角色会引导学习者学习这个场景中出现的各种物件，并通过头显设备上的触摸按钮来回答卡通人物提出的问题。这种学习方式与传统的外语学习具有很大的不同，学习者在“真实”情境中的体验式学习，会使学习效果更好。

4.VR在战地医学培训方面的应用

目前，英国政府已将VR技术应用于战地医生的培养和训练。通过模拟真实的战争场景，受训者能够真切感受到战争，“亲眼”看到某个人被炸弹炸飞双脚，还能听到各种爆炸声、子弹从耳边飞过的声音。在这种极度紧张、恐怖、焦急的心理状态进行各种医学训练，使受训者能够更快适应战场并更快地投入到工作中。

5.VR在职业技能训练中的应用

职业技能训练是VR教育应用的主要阵营。加涅在《学习的条件和教学论》中强调，“反复练习”和“言语指导”是掌握动作技能的关键[10]。由于真实环境训练的高成本、高风险以及师资有限等原因，传统的职业技能教学存在三个较难解决的问题：提供真实的训练场所、反复练习、及时的言语指导。

VR能够模拟逼真的训练场景，提供趋于自然的交互方式，使得受训者可以无风险、低成本、反复多次地在“教师”的耐心指导下更好地完成训练。目前，VR正在外科手术训练、汽车维修、飞行训练、电力维修、交通管理、车床模拟训练等领域发挥着重要的作用。[11-12]

6.为协同创新搭建平台

创新能力培养是各国人才培养的重中之重，为学生提供能够进行自主探究和假设检验的信息技术平台是创新能力培养的有效途径[13]。当前各级教育部门在促进创客教育的普及、推广方面进行了大胆尝试，并取得了一定的成果。基于VR的创客教育，为学生的创新能力培养开启了一扇新的大门。VR能够创建和模拟真实世界，可以将真实世界中的问题置于VR虚拟世界中，让学生主动发现问题、自主探究并解决问题，甚至可以让学生按照自己的想法构建自己的虚拟世界。

构建虚拟世界，需要三维建模。而三维建模的工作繁杂，不仅需要耗费较长的时间，而且对建模人员的相关技术水平和能力都有较高的要求。目前已有可供学生使用的VR编辑器，学生可通过拖拽3D素材库中的相应素材，并在素材上设置相关事件的方式，方便快捷地根据教师布置的主题创建自己设想的虚拟世界，或者重建历史场景、自然遗址等。例如，我国网龙公司的101创客教室系统就属于这类平台。

7.沉浸式远程教学

基于VR的远程教学，能够带给学生完全不同的学习感受。讲授埃及历史时，教师可以与学生一同置身于埃及进行现场讲授；讲解海洋生物时，教师可与学生一起在海底近距离观察各种海底生物；介绍太阳系的构成时，教师可以带领学生一同遨游太空。学生也可以根据教师布置的学习任务，在虚拟世界中自主探究，或者同其他学习者进行协作、交流。基于VR的远程教学，学生不必拥有与教学相关的各种VR资源，但可以充分共享远程教学平台中的VR资源。

Lecture VR是一款基于HTC VIVE或者Oculus Rift的远程虚拟学习平台。教师可以根据自己的教学内容选择“授课地点”，还可以从素材库中选择与教学内容相关的素材呈现给学生，而这个过程就像教师展示PPT一样方便。

四、虚拟现实教育面临的挑战

(一)人机交互设计的挑战

信息设备的进化都伴随着人机交互方式的变革。从PC机到智能手机，再到现在的虚拟现实设备，人机交互方式也发生着巨大的变化。作为一种全新的资源形态，VR在人机交互方式上具有显著的不同。在虚拟世界中，操作对象不再是二维平面图形，而是三维的空间图形图像。此外，不同的VR设备的人机交互方式也不尽相同。为此，如何根据不同学科和不同类型知识的特点、学生的认知特点，以及现有的VR设备支持的交互方式，科学合理地进行交互设计，把响应动作融入到虚拟环境中，同时尽可能少地干扰用户的正常体验，在虚拟世界中完成PC机和智能移动终端的所有交互并能够超越，都有待进一步研究。

(二)资源呈现方式设计的挑战

VR资源以360°全景方式呈现给学生。戴上VR眼镜后，学生的自由度很大，关注点很可能停留在无关紧要之处。因此，在进行资源设计时，需要考虑各个角度呈现什么内容，哪些内容呈现是必要的，呈现在什么方位。在使用眼睛“注视”进行交互时，能够被“注视”激活的对象也是虚拟世界的一个组成部分。在众多虚拟对象中，如果没有特殊提示或标识，使用者很难“注视”到这个对象，进而造成迷航。如何在不影响用户体验的情况下进行有效导航设计，有待进一步探索。

(三)VR教育资源开发面临的挑战

三维虚拟环境需要360°全景素材，不仅对之前的二维素材无法重复利用，而且开发三维素材的周期、成本都会成倍增加。VR资源交互的程序开发与传统的WEB开发或者APP开发也有较大差别。总之，VR资源的开发门槛高，周期长，成本高。目前，VR在教育行业中的应用才开始崭露头角，多数教师、学生和家长对VR并不了解。无论是VR教育资源的开发者，还是VR的使用者，都急需进行VR人才和VR用户的培养。只有拥有一定的用户群体，新的技术才能较快地发展与普及。

(四)VR教育资源评价面临的挑战

VR资源与其硬件设备绑定，不同的VR资源需要的硬件设备也不同，在人机交互方式上也存在较大差异。如何针对VR资源独有的特性，对其进行有效评价，以及如何制定VR教育资源的规范与标准，都有待教育研究者进一步研究。

五、结语

虚拟现实作为新兴信息技术手段，在教育领域的应用已经取得了很大进展。未来虚拟现实的教育应用将如同互联网、智能移动终端等技术一样，会引发更大的教育变革。同时，我们也认识到任何一项新技术在教育领域的成熟应用都需要一个长期过程。实现虚拟现实在教育应用中的美好愿景，需要教育工作者不断探索实践。