远程教育的发展与挑战：虚拟现实技术

贾 蕊

（辽宁开放大学，辽宁沈阳 110034）

1 虚拟现实技术走进教育领域的时代背景

远程教育的发展与信息技术和教育技术的发展有着紧密的联系。我国的远程教育发展经历了三个历史阶段：第一阶段是以邮政通信和印刷技术为特征的函授教育；第二阶段是在第一阶段的基础上，利用广播电视（卫星和微波）、录音录像、电话电传和计算机以及电信传播等媒体开展的远程教育；第三阶段是基于现代信息和教育技术的远程教育，也被称为现代远程教育，主要以网络教育为主要形式[1]。1999年，教育部批准了67所高校和中央广播电视大学（现国家开放大学）开展现代远程教育，标志着我国远程教育进入全面建设时期[2]。

以计算机技术和通信技术为核心的计算机网络技术快速发展，使教育的面貌发生质的改变，2020年突发的新冠肺炎疫情更是加快这一变革的进程。根据教育部发布的《全国普通高校本科教育质量报告（2020年度）》，“疫情期间我国本科高校共有108万名教师开出110万门/1719万门次课程，在线学习大学生人数共计35亿人次，全国高校在线课程开出率达到91%”[3]。远程教育不受时间和空间的制约，解决了众多学生不能通过传统教育形式学习的问题，是教育形式的一种创新与进步。但围绕远程教育的争议一直存在，朱洁认为只是通过互联网进行线上授课学生之间缺乏交流与对比，学习过程枯燥乏味[4]。Carrillo等人认为线上教学缺乏技能培养环境，实践环节欠缺[5]。余胜泉等认为学习形态受控并且单一，学习共同体缺失[6]。究其原因不难发现，当前以二维网络技术为主的远程教育已然进入发展的瓶颈期，难以支撑学生对沉浸式学习环境、人机交互式的社交需求。

近年来，基于三维可视化技术的虚拟现实技术不断地应用到教育领域，在教学模式、学习资源、系统平台等多方面重塑远程教育。虚拟现实技术作为一种人类模拟世界的新兴技术，集三维计算机图形技术、广角（宽视野）立体显示技术、对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等信息技术于一体[7]，将成为教育行业发展的新的信息平台。本文将首先概述虚拟现实的特征及其关键技术，其次分析虚拟现实应用于远程教育的理论依据，最后对虚拟现实技术应用于远程教育的发展方向与面临的挑战提出参考建议。

2 虚拟现实技术的特征及其关键技术

2.1 虚拟现实的特征

虚拟现实技术的英文是Virtual Reality（VR），旨在表明虚拟现实技术就是虚拟与现实相互结合的技术。由于结合了计算机技术、图像技术、仿真技术等多种信息技术，故能够生成给人多种感官刺激的虚拟环境，让用户能够以自然的方式与这个环境交互，从而产生置身于相应的真实环境中的体验感和沉浸感[8]。虚拟现实技术主要有以下四方面的特征：

多感知性。虚拟环境可提够除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉感知、嗅觉感知等。

交互性。基于虚实融合的再造环境，用户可以重塑身份，对模拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，使用户感受到真实环境的体验。

沉浸感。沉浸感也可称为临场感，它是指模拟环境对用户的刺激在物理上和认知上符合人的已有经验，从而使用户感觉到自己处于一个“真实”的环境中。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。

自主性。它是指在虚拟环境中的物体应当遵循现实世界的物理运动定律。如重力、摩擦力、推力、支持力等。比如在虚拟环境中，一个物体受到向右的推力时，这个物体会向右侧移动并最终静止。

2.2 虚拟现实的关键技术

2.2.1 双目立体视觉技术

眼睛是人类探索与发现世界的主要工具，在人类获得的外界信息中至少有80%是依靠双眼获取的。与动物双眼在脸两侧不同，人类的双眼是平行排列的，这种构造可以帮助人类获得更好的空间立体感。19世纪30年代，被称为3D立体影像之父的英国人Charles Wheatstone开始研究人的视觉系统，并于1838年发明了stereoscope立体观看装置。到1839年，Daguerre发明了银盐版照相法，直接导致了立体摄影的产生。2009年，三维电影《阿凡达》的上映，再次掀起了立体观看的热潮。2014年，虚拟技术的快速发展，双目立体视觉技术作为沉浸感体验的根源，获得了广泛的关注。

人在观察客观世界中的同一物体时，由于两只眼睛的位置不同，看到的画面略有不同，形成了视差，在经过大脑综合分析确定为同一物体后，两幅图像中的信息相互补充，物体的前后、远近就立即被区分开来，从而产生立体视觉。双目立体视觉技术正是仿照人类双眼获取周围环境信息的原理，利用两台摄像机模拟人的双眼，从不同视角获取两幅图像，通过计算对应点的位置偏差，获取物体的立体信息[9]。双目立体视觉原理如图1所示。

图1 双目立体视觉原理

基于双目立体视觉的立体物体重构是将摄像机获取的平面图像还原为其在立体空间中的真实信息。物体在立体空间中的真实信息与其在图像中对应点的关系是由摄像机参数决定的，标定参数是否精准决定了后续重构物体的精确性。学者们提出了很多摄像机标定方法，其中以微软研究院的张正友教授在1999年提出的利用2D平面模板进行摄像机标定方法使用最为广泛，被称为张正友标定法[10]。之后，很多学者也对其进行了研究改进，如刘艳等人利用非线性最小二乘法得到内外参数，提高了初始数值的鲁棒性[11]。田苗等人选取离散度较高的少量标志点可以达到或接近用全部标志点进行标定的结果[12]。

当三维空间与图像的对应关系确定后，要想对视差进行计算，就需要计算同一空间场景点在左、右两幅图像的匹配关系，这就是立体匹配的目的。立体匹配是双目立体视觉中的重要技术，其准确性直接影响着深度信息获取的准确性，也是双目立体视觉系统中最难的一步。许多研究人员对立体匹配进行了深入研究并提出了实用的算法。Scharstein和Szeliski[13]对此前20多年的研究进行了总结，根据最优化的作用范围不同将立体匹配分为全局立体匹配和局部立体匹配算法。此外，Scharstein、Szeliski和Zabih等人还根据自己的研究成果创建了一个立体匹配的公共数据集，带动了双目立体匹配的进步[14]。夏泽洋等人提出了基于分割的立体匹配视差优化方法，通过直接优化由色彩参考图像得到初始匹配最小代价对应的视差，提高了立体匹配的速度，但精度略差[15]。杨戈等人在有效立体匹配自适应聚合网络的基础上进行了改进，提出了一种基于自适应端到端立体匹配网络，在保证精度的情况下实现高效地立体匹配[16]。立体匹配的本质是衡量匹配像素和参考像素之间的相似度，但在实际场景中，两个摄像机在不同角度获取的图像会受到如摄像机特性、光照、物体形状以及透视效果等因素的影响，加大了匹配的难度。

2.2.2 虚拟环境的构建

目前对于虚拟场景的构建主要有基于三维几何模型的虚拟场景构建和基于图像的虚拟场景构建两大类。

基于三维几何模型的虚拟场景构建与一个热门研究领域——计算机图形学密切相关。构建三维虚拟场景本质上是利用计算机图形学对真实的物体、场景进行抽象，用数学意义上的曲线或曲面绘制虚拟的三维几何模型。构造的虚拟场景，具有精确的几何模型，细腻且逼真，增加用户的沉浸感，方便用户与虚拟场景中虚拟实体的交互，也方便获取虚拟实体的深度信息。但在构建复杂虚拟场景时，用到的几何图形过多、计算量较大，使实时交互性与逼真的图形环境结合更加困难。采用三维几何模型构建虚拟场景时渲染绘制对计算机软硬件的要求较高，如果计算机内存不够大、CPU运行速度慢，会导致构建的虚拟场景逼真度不够。基于几何模型的虚拟场景构建是一个非常专业的、高度技术密集型的任务，目前的技术条件相对成熟，在商业领域应用更为广泛。

基于图像的虚拟场景建模与绘制，是一种不依赖于三维几何建模的技术，其原理是通过照摄像机采集真实的图像，把二维图像进行裁剪、透视变换，再经过重构和重采样生成实时场景画面。典型的基于图像的虚拟场景建模与绘制技术包含全景图、同心拼图、光场，其中全景拼接技术应用最为广泛。基于图像的虚拟场景构建主要应用于场景的集中展示，因其由真实图片的制作生成，不需要几何建模，比三维建模生成的场景更加逼真。由于基于图像构建的虚拟场景中的虚拟物体是二维图像，因而用户难以与这些二维的对象进行交互。此外，获得实景图像对摄影设备要求比较高，获取的大量图像经过采样、重构会产生失真的问题，同时还需要足够的存储空间存储这些图像，这些都限制了基于图像的虚拟场景构建的应用。

3 虚拟现实技术在远程教育中应用的理论依据

虚拟现实技术塑造了视觉沉浸的远程教学空间场域，支撑其科学发展的相关理论有心流理论、建构主义学习理论和情境教学理论，为虚拟现实在教育中的应用提供了理论依据。

3.1 心流理论

心流理论最初由匈牙利裔美国心理学家米哈里于1975年提出，他发现当人们全神贯注地投入某项难度适中的活动时，会经常忘记时间和对周围环境的感知，进而产生高度兴奋及充实感，而这种兴奋和充实感源自活动的过程，与外在的报酬关系极小或不存在，这就是产生心流的感觉[17]。米哈里的心流体验可以概括为9个特征（见表1），之后又将心流划分为前因、开端、体验和结果四个阶段[18]。在之后的几十年里，有学者对心流的特征进行了研究和调整，并将这些特征分为条件因素、体验因素、结果因素三个阶段。心流源自米哈里对艺术家、棋手、攀岩者以及作曲家等的观察，20世纪末，心流理论开始用于人机交互研究中，用来研究用户享受心理满意度、参与度等。2010年，随着心流理论的研究稳步上升，其在教育学习、交互设计等领域应用受到广泛关注。基于虚拟现实的远程教育可以仿造真实活动过程，根据学生的需求预设多种类型的活动情景供其选择，场景中设置多种反馈方式，同学生形成良好的交流互动，增强其学习动机。同时，还可以设计多种不同的活动形式，使学生可以多次进入活动，多角度、多维度验证概念或原理、思考解决方法，从而使学生沉浸在虚拟现实场景中活动，进而产生兴奋以及充实感，达到身心合一的心流体验。

表1 心流体验的9个特征

3.2 建构主义学习理论

建构主义（constructivism） 也译作结构主义，最早由瑞士的心理学家提出，属于认知心理学派的一个分支。与传统教学理论不同，建构主义提倡在教学过程中学生要学习到一定的知识还需要外部力量的帮助（教师的教导和教材或其他手段），所以学生在整个教学过程中应该处于课堂的主体地位，是课堂的中心，应该充分发挥其主动探索知识、主观发现和主动建构知识意义的能力。教师只是课堂的组织者，但教师的指导会影响学生的学习方式、进程、结果和质量、学习的积极性和主动性以及三观的形成和发展，因此要求教师要善于创造适合学生的教学情境，鼓励学生交流合作，引导学生的学习兴趣和需要，提高学生自主学习的积极性[19-22]。建构主义强调知识本身就是具有情境性的，要受到所使用的活动情境影响，因此学习的过程必须处于真实的情境当中。虚拟现实支持与赋能的远程教育能够让学生置身于更为广阔、更加逼真的学习环境中，充分调动身体的感官与教学情境进行交互，更好地促进学生认知的形成。

3.3 情境教学理论

情境教学法于1950年首次提出，就得到了广大教育专家和学者的认同。情景教学法又被称为视听教学法，是一种通过情景还原、情景参与、情景创设等方式来引导和提高学生的自主学习能力[23-26]。在教学过程中，教师以相应的教学案例或情景为载体，通过建立明确的教学目标，进行知识的传输和讲解，激发学生学习的兴趣，引导学生积极参与整个学习过程，培养学生的认知能力，提高学生解决问题的能力。情境教学法改变了传统教学模式，使课堂更具有生机，更具吸引力。虚拟现实技术可以为远程教育教学情景设计、展示和教学的实施提供全新的平台和手段。通过虚拟现实系统创设教学情景，可以使教师和学生都投入到更加逼真的学习环境中，如宏观的宇宙、太阳系、行星；微观的原子、分子运动；人体的组织结构、循环系统等，在合理的认知负荷下，培养学生的学习积极性。还可以通过还原真实的实验场景，进行如易燃易爆化学物质合成实验、电磁干扰等危险实验的教学以及技能训练，从而提高学生的学习体验。

4 基于虚拟现实的远程教育的挑战与未来

通过分析虚拟现实技术的特征和功能以及未来教育的发展趋势不难发现，虚拟现实技术在很大程度上契合了未来教育的发展需要，其优势显而易见。但虚拟现实技术在远程教育中的应用却并不理想，在具体的应用过程中还面临着一系列挑战需要研究者不断的探索。

4.1 完善虚拟现实相关技术，增强学习者沉浸感体验

要使虚拟现实技术应用于远程教育，需要设计与实现一个虚拟现实教育系统，主要需要数据采集、分析建模、绘制呈现和传感交互四个方面技术。数据是实现整个虚拟现实系统的基础，数据获取的准确性关系到后期建模、呈现以及最终的使用效果。建模是利用计算机图形学将现实中的场景及其相互关系、相互作用、动态变化规律映射到虚拟空间的静、动态数据表达。虚拟现实呈现技术将虚拟环境中的各种对象模型、对虚拟对象的感知以视觉、听觉、触觉、嗅/味觉等感官呈现给用户。以上这些都与虚拟现实技术的软硬件设备息息相关，这些如果做不好，会降低虚拟现实技术的优势，破坏学习者的体验感。另外，虚拟现实技术的设备和技术在呈现方面还有着很大的局限性，尤其是在分布式虚拟现实体验中，头戴式显示设备的分辨率、刷新率较低，会使视觉效果变得模糊、失焦等现象。因视觉畸变和网络延迟造成的卡顿会让学习者产生眩晕感和恶心，大大影响了学习者的使用体验。因此，如何解决因设备和技术问题导致的眩晕感，增强虚拟现实技术的真实感，提高学习者的沉浸体验将是研究者不断探讨的热点。

4.2 创新虚拟现实教学方法，推动虚拟现实远程教学变革

当前一些虚拟现实远程教学案例其教学设计、教学方式、学习方式是模仿二维教育教学模式的框架，缺乏与虚拟现实相适应的教学方法，这也是基于虚拟现实的远程教育发展至今仍然没有解决的问题之一。如果没有相应的教学方法，就很难设计出教学活动的框架、教学组织形式以及建设教学资源，进而很难对虚拟现实技术的应用效果进行评价。因此，需要大量的实践为构建与之相匹配的教学理论体系奠定基础。首先，组织高校和科研院所的理论专家，集中前沿科技力量，从宏观战略视角对虚拟现实远程教育的研究设计和发展进行谋篇布局，实现可操作可推广的虚拟现实远程教学模式，打造虚拟现实远程教学示范点。其次，鼓励校企合作共同开发设计虚拟现实远程教学资源。高校教师因多年身处教学一线，对教学情况、学生的思想有充分认知，而企业具有先进的技术、设备和应用经验，借助企业的技术优势再结合高校教师的教学经验，设计开发专门面向远程教育的虚拟现实教育资源，并不断创新资源设计思路。最后，根据综合考量，选取合适的高校或区域，建立虚拟现实系统与重点技术实验室，依托国内顶尖科研机构的带动和支持，探索建设虚拟现实远程教育示范区，在示范区中推广应用虚拟现实远程教学，通过不断实践、改进、完善，实现现代远程教育发展的再次飞跃。