虚拟现实技术在现代化教学领域中的应用实施

何丹

（辽宁广告职业学院）

在2022年11月，国家工业和信息化部、教育部、文化和旅游部、国家广播电视总局、国家体育总局这五个部门联合发布了《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，该计划的发布，意味着我国已经相对完善地建立了虚拟现实产业生态体系。虚拟现实技术在现代化教育领域中的广泛应用，实现了实验性教学项目与现代信息技术相融合，让教学内容实施渠道更具宽度、广度及深度，使教学活动不再受时间和空间限制，大大提升了教学质量和水准。

一、现阶段虚拟现实技术在现代教育教学中的应用概况

2020年在新冠疫情影响下，为了使毕业生们有一种毕业的仪式感，美国纽约大学举办了一场VR线上毕业典礼——毕业巷Grad Alley。毕业生们可以根据自己的喜好设计属于自己的外观形象并合影留念。加州大学伯克利分校校园因新冠疫情关闭期间，100多名学生和校友一起在《我的世界》（Minecraft）沙盒游戏的虚拟世界中构建了包含学校一百多栋建筑物的整个校园，举办了虚拟毕业典礼。在毕业典礼上，校长进行了毕业致辞、授予学位以及毕业典礼等环节，在虚拟场景中甚至创建了教职工们的座位，为身处各地的毕业生及老师弥补了因疫情不能正常举办毕业典礼的遗憾。这次线上毕业典礼的举办，被视为全球第一场使用虚拟现实技术举办的大学毕业典礼。

2021年12月，中国传媒大学虚拟校园在百度 “希壤”元宇宙平台上正式亮相，并面向公众开放体验，成为中国首个开放虚拟现实平台的大学。中国地质大学与腾讯公司签署战略合作协议，探索元宇宙赋能的现代化高等教育，构建虚拟现实技术在高等教育行业的智能应用体系。同年10月，清华大学艺术与科技创新基地启动“元宇宙特别计划”，运用虚拟现实技术载体进行概念设计表达，呈现未来科技馆、博物馆、宇宙探索、未来城市等方向的设计作品。

不断更新迭代的信息技术时刻影响着教学形态的变革，新冠疫情促使了多种学习形式的产生与发展。虚拟现实技术在教学领域中的使用开发，成为了现代教学改革的重要组成部分。以虚拟现实和增强现实及混合现实为主的虚拟仿真技术，是提高教学质量的重要手段，以其特有的沉浸性、交互性和构想性，使体验者能够沉浸其中，打破了传统教学理论知识的学习壁垒。

（一）AR（增强现实技术）

AR（Augmented Reality）即为增强现实。通过AR技术，我们可以实时的在显示屏上观察到仿真的立体模型，全方位多角度地观察学习，这样就能将课堂中抽象的、书本上二维的知识以更加全面、更加生动、更加直观的可交互3D模型方式来呈现。这样不仅能够在整体上提升学习者的认知和理解能力，同时也能够使学习者有一种超脱现实的学习体验，增加学习兴趣。

AR技术主要应用在教育、培训、数字出版物和娱乐游戏等领域，并在医学类、军事类、农学类、理工类等相关课程中有相当强的实用性。

（二）VR（虚拟现实技术）

VR（Virtual Reality）即为虚拟现实，它是用来体验虚拟仿真技术世界的一种技术手段。VR技术的实现需要体验者通过穿戴设备来体验虚拟仿真场景，通过VR眼镜、VR手柄等设备来进行仿真操作。可以融合多种来源的信息内容，使学习者在交互过程中得到三维动态实景，对肢体行为产生系统化的仿真反馈，能够沉浸在虚拟仿真的环境当中。与过去传统的实训方式相比，VR仿真技术不必局限于场地、天气、空间这样的限制，大大降低了学习成本，可以广泛地应用在现实的技能实训当中。在具有一定风险系数或是需要大量资金、造价较为昂贵的项目中，VR技术不仅可以大大降低办学成本，也可以解决教育资源短缺这样的难题。

VR技术广泛应用于实验类、工学类、医学类和具有实际操作需求的相关课程中。例如通过虚拟现实技术搭建趋近于现实的场景，使用VR眼镜和手柄，模拟机械操作全套流程，获得身临其境的学习体验，并及时得到教学反馈。

（三）MR（混合现实）

MR （Mixed Reality）即为混合现实，它是虚拟现实技术的进一步发展，混合现实是指在现实场景当中同步呈现出虚拟场景的信息，为用户在现实世界与虚拟世界之间搭建一个交互反馈的信息回路，从而大大增强用户体验的真实感。混合现实技术实现的前提是能够将三维画面与传感装置进行同步化处理，虽然三维成像的生成技术已经相对成熟，但是实时成像才是技术的关键。为了确保三维图像在混合现实应用中的真实感官效果，必须要保证15帧/秒以上的图像的刷新频率，如需取得最佳效果，则需要在30帧/秒以上。但是现有的传感设备还不足以满足最佳体验效果的需求，力学传感设备和触觉传感装置的开发也有待进一步提升，以确保虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围。其次，立体显示和传感器技术的发展决定了混合现实中的虚拟交互效果。然而，想要追求最佳的体验效果，我们现有的传感设备还有很大的提升空间。触觉传感装置和力学传感设备的开发也有待进一步提升，以确保虚拟现实设备的跟踪范围和跟踪精度，从而提供更加逼真的虚拟交互体验。

MR技术常应用在技能训练和实操培训等方向，学习者通过手持或穿戴传感设备，与虚拟场景中的装备进行匹配，再与环境进行相关联的互动，实时得到互动反馈，从而发出下一步操作指令。这种技术手段集合了感知、建模、呈现、交互多方位的学习体验，通过眼部、头部、肢体动作捕捉设备进行实时位置定位。由几何建模来搭建出具体形状，再进行物理建模，搭配生理建模、行为智能建模等手段进行3D显示和3D音效间的无缝融合。之后通过设备得到的触觉、力量反馈和语音识别，来进行体感交互。

二、不同虚拟交互技术手段在教学中的应用

（一）课件及板书标注

1.标注提示

当课件中有图片需要进行讲解时，通过标注，能够更有效地引导学生进行观察画面中所要传达出的信息。对教学重点、难点进行突出展示。

2.公式推导

公式推导类常常应用在高等数学等需要解析过程的科目中，优点在于能够在讲授过程中，将解题思路、推导逻辑完整、清晰地展示在学生面前。

3.创意绘画

智慧教室在现代数字化教育体系中展示出独特的优势，电子黑白配合VR及AR显示设备为多种教学手段提供技术支撑。在解析类型的讲解中，在板书和课件中使用自由度更高的绘画功能，授课形式更加灵活多变。

（二）三维模型及场景交互

1.虚拟解剖

在医学研究中，动植物的构造有了一个虚拟的解剖形态，加上动画展现空间结构、过程演变效果，授课形式更加生动、直观。能够大大节约授课所需要的资源，节约教学成本。

2.结构展示

对于相对复杂的结构分析，运用可旋转、缩放、拆解的三维交互模型会使讲解更加到位。比如工业造型、包装结构设计等科目，使用虚拟交互技术辅助教学，可以更加直观地展示细节和结构之间的工作原理，知识点讲解更加精准到位。

3.操作演示

讲解某些机械设备的操作方法时，单纯使用静态的二维图片和文字化的流程记录太过枯燥，不够直观。在没有实操条件的情况下，通过虚拟仿真技术实现模拟操作，为学习者提供最贴近现实的体验感，提高学习及培训效果。

三、虚拟现实技术在现代教学领域中的特征

（一）教育性

虚拟现实技术使整个教育生态体系的构建更加具有开放性，无论是在教学过程中所应用到的数字资源进行便捷的整合与发放、学习成果阶段性考核、还是在课余自主学习等方面，都对教育教学产生了极有利的辅助作用。满足教师与学生在线下和线上混合式教学中的教与学需求。日常教学不受时间、空间限制，在虚拟环境中搭建正式与非正式的教学场所，使师生在虚拟的教学场所进行教学互动。

（二）交互性

师生可以以个人实际情况创造数字化的身份参与学习，并在虚拟教学场所进行教学互动，更加直观地进行教与学这两种行为过程。打破了传统教学理论知识的壁垒，当学生面对抽象的概念时，能够做到身临其境，甚至触手可及。从而帮助学生理解知识点和技能点，充分调动起学生对学习的主观能动性。

（三）沉浸性

借助虚拟仿真技术，特别是虚拟现实和增强现实，可以创造出具有强烈氛围感的学习场景，使体验者完全沉浸其中。通过让学生置身于更加真实化的学习情境中，我们可以充分调动他们的五感，让他们充分感受所处教学环境的学习氛围，从而更好地促进他们对知识理论的认知和形成。

（四）持续性

创新型的学习模式能够调动学习者的学习主观能动性，激发学习热情。使学生可以随时随地、个性化地学习、交流、实践，将课上教师为主授的学习延续到课下的自主学习。同时，完整记录教与学的全部教学环节，教师通过数据反馈总结教学成果，发现教学问题，改进教学方法，提高教学质量，促进自身专业持续性发展。

（五）娱乐性

学生根据自己的发展目标、个人学习和兴趣，以及自身的学习能力，在自主选择学习方式时，能够更加自主地选择自己感兴趣的学习方式。这样，学生能够更好地发挥自己的学习能动性和创造性，实现更加有效的学习。还可以借助相关平台，注册个人账户，定制自己喜欢的角色、场景等，并设置游戏化的学习任务和目标。 在游戏化的学习过程中，充分调动全身感官系统，通过声音采集设备的指令接收、动作捕捉设备的行为反馈、眼动仪的视觉捕捉、触摸屏的手势操作等不同渠道实现行为目的，以近乎真实的、自然的、感同身受的交互来完成学习这一枯燥的行为。借助虚拟现实、增强现实、混合现实等技术手段，根据授课计划及教学目标，游戏化的教学模式为辅助手段，将知识、娱乐融为一体，实现真正意义上的寓教于乐的学习方式。

四、虚拟现实技术对于教育教学的影响

（一）辅助线下教学，改善线上学习体验。

借助虚拟现实技术与工具，创造出最具还原效果的知识技能应用场景，模拟实际操作，实时检验学习成果。传统教学模式下，需要教师与学生在固定的教学场地，一对多人进行教学，往往不能面面俱到照顾到每一名学生，学习成果的检验也需要在课后集中审阅，学生得到的考核结果具有延后性，不能与当堂学习的状态衔接。学习效果的实时反馈能够对学生起到一定的激励作用，及时得到纠正与指导，实现对学习者在学习过程中得到的结果进行精准评价。降低学习成本，改善学习的认知过程。

（二）去中心化的学习管理，个人定制化的学习。

不再单纯以教师为教学主体，学习从被动行为转为主动行为。为师生进行精准定位，根据授课内容需求定制多元化的学习场景，能够为学习者呈现多模态的学习资源，开展丰富的学习活动形式。实现教育资源的共建共享，并能根据教学评估及时更新教学配置资源。节约传统的收发作业形式所花费的时间与精力，不再侧重于教师点对点的指导，方便师生更便捷地组织与开展多元学习活动。

五、虚拟现实技术在现代化教育教学过程中出现的问题

（一）技术支持与教学理论的匹配尚不成熟

虚拟现实技术在教育环节中虽然已得到广泛应用，但是如何与教学实施的所有环节相匹配还处于早期探索阶段，技术支持与底层教育理论尚未成熟。目前阶段看来，缺乏专门为教育领域设计和开发的虚拟现实教育教学产品，在现阶段已有的教学应用中，以依托于社交平台或元宇宙游戏等方式为主，目前仍缺乏能够保障教育标准规范化与整体育人体系发展的政策与技术支持。

（二）对虚拟与现实混合式教学合理配比不够重视

如果学生长时间沉浸于虚拟的教学环境和教学方式，可能会产生对现实的逃避意识、过度依赖虚拟环境而丧失人际交往能力。尤其是在情境化教学、个性化学习、游戏化学习等场景中，虽然能够实现教学的多样化，但是智能的教学服务与体验也会引发一系列的心理与行为影响，需要教师在教学环节中时刻保持教学的舆情监控，为虚拟现实技术在教学中的应用环节制定合理的教学计划。

六、未来发展

在教育部关于产学合作协同育人项目立项政策的支持下，各院校应积极思考如何使拓展教学空间，丰富教学方法，变革教学方式，创新教学模式，从整体的教学目标、教学环境、教学方法和教学过程等方面促进教学方式的改革，从而提高人才培养质量。虚拟现实技术恰恰能够为现代化的教学提供开放性的、创造性的、更加宽泛的教育环境，使学生个人与社会产生正向的互动引导。通过人机协同的教育环境，为学习者呈现多模态的学习资源，实现教育资源的共建共享，合理配置教育资源。为师生进行精准的人物画像，支持多元化学习场景的适配，提供丰富多样的学习活动，方便师生更便捷地组织与开展多元学习活动。使教学评价主体更加多元化，并努力实现过程与结果的精准教学评价，真正实现对学生的知识、能力与素养的多维评价。

七、结语

综上所述，虚拟现实技术是现代化教学改革的必然选择，无论是在教学的实施环节，还是在教学成果的评价中，都具有相当重要的实施意义与价值。大力推进教学改革的形势下，作为教育工作者更应当正视现代高精尖产业的应用价值。在高科技手段辅助下开展实践教学。在现代化的教学实训环节中，教师可以尝试将虚拟现实技术应用到教学，使教学环节的实施不再受场地、设备、空间、实践的局限，使教学中的各个实训环节都能够得到有效实施，满足不同资质的学生不同的学习需求，提升教学效果和教学质量。