概念·历程·教育展望：虚拟现实的发展脉络

摘要：目的：随着经济社会的发展和科技的不断进步，人们的生活、工作和学习方式发生了翻天覆地的变化。以虚拟现实为代表的新一代信息技术扮演着越来越重要的角色，为进一步加深对虚拟现实的认识，文章首先厘清虚拟现实的有关概念，其次对虚拟现实在教育中的相关应用进行分析。方法：对虚拟现实的发展脉络进行梳理，其大致可分为初期发展、商业化尝试、技术进步、全面发展、应用开拓五个阶段，同时阐述虚拟现实在教育领域的发展历程。整个进程表明，虚拟现实在教育领域的应用发展十分迅猛。结论：近年來，虚拟现实已经进入教育领域。一是虚拟现实可以提供个性化的学习环境，满足不同学生的需求；二是虚拟现实可以为跨学科学习提供更多可能，为学生学习提供更多的选择方式；三是虚拟现实可以提升学生的实践能力，提供真实且更安全的环境；四是虚拟现实在全球化教育中发挥着不可替代的作用；五是虚拟现实让职业培训变得更加便捷，能够潜移默化地推进终身教育。结果：运用虚拟现实加快教育方式的转变，克服虚拟现实的种种弊端，推动未来教育的发展，是值得深入研究实践的重要内容。

关键词：虚拟现实；发展脉络；教育领域；未来教育

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）01-0-04

1 虚拟现实的概念

虚拟现实（Virtual Reality）是20世纪90年代发展起来的一种利用计算机系统和传感器技术创建三维虚拟环境的新技术。虚拟现实技术具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）等特点［1］3，还具有极强的操作体验和技术融合，是一种崭新的人机交互方式。

增强现实（Augmented Reality）是在虚拟现实的基础上发展起来的一种新兴技术，是使用增强组件［2］将虚拟世界投射在显示世界中的技术。增强现实具有虚实结合、实时交互和三维配准三大特点［3］。在教学过程中，增强现实可以让学习者在现实环境背景中看到虚拟生成的模型对象，在最贴近自然的交互形式下为学习者搭建一个自主探索的空间［4］。

混合现实（Mixed Reality）是虚拟现实技术的进

一步发展，该技术通过现实场景呈现虚拟场景信息［5］。为了增强用户体验的真实感，通常将虚拟和现实对象相结合。

扩展现实（Expander Reality）是虚拟现实的高级发展阶段，虚拟和现实的边界变得更加模糊，人们很难分辨自己是在现实世界还是在虚拟空间。

总之，虚拟现实的重点是虚拟世界，增强现实的重点是现实世界，混合现实则结合了虚拟现实和增强现实的优势，而扩展现实是人联网和物联网的整合，将现实和虚拟融为一体。

虚拟现实的教育意义在于利用虚拟现实技术提供沉浸式和互动性的学习体验。通过虚拟现实，学生可以身临其境地参与各种场景，如历史事件、科学实验、艺术创作等。这种亲身体验可以激发学生的兴趣和好奇心，提高他们的参与度和学习效果。

2 虚拟现实的发展脉络

2.1 虚拟现实技术的发展历史

迄今为止，虚拟现实技术已经取得了巨大的发展，并在各个领域展现出了广阔的应用前景。然而，虚拟现实的发展并非一蹴而就的，它经历了多年的研究和实践，才逐渐成为现在为人所熟知的形态。

2.1.1 初期研究（20世纪80年代以前）

1935年，美国科幻小说家斯坦利·温鲍姆在他的小说Pygmalion’s Spectacles（《皮格马利翁的眼镜》）中首次提出了有关VR的想法，即小说中的人物通过佩戴护目镜进入了一个虚构世界。这是最早关于VR的构想。

1956年，著名电影摄影师莫顿·海利格研究并发明了Sensorama全传感仿真器（见图1），集成了3D显示器，具有较大的视场角和立体声。莫顿·海利格因此被誉为“VR之父”。

1961年，飞哥公司研发了一款头戴式Headsight，集成了头部追踪和监视功能［6］126。

1962年，美国科学家伊万·苏瓦尔托设计了第一台头戴式显示器，此举被视为虚拟现实的起源。

1965年，美国“计算机图形学之父”伊万·苏泽兰在《终极显示》中提出了虚拟世界的概念。

1966年，GAF View Master通过内置镜片来达到3D效果，是简易VR眼镜的原型。

1968年，伊万·苏泽兰开发了第一个计算机图形驱动的头盔显示器HMD及头部位置跟踪系统。同年，麻省理工学院开发了Sword of Damocles（见图2），但因设计复杂、组件沉重，所以需要一个机械臂吊住头戴来使用，这被认为是虚拟现实设备的真正开端。同年，哈佛大学的艾伦·凯伊发明了头戴式显示器系统（Head-Mounted Display System）。

1970年，首个功能齐全的头戴式显示系统面世。

1976年，游戏巨头日本的雅达利公司发布了第一个3D游戏《夜晚驾驶者》。

1977年，麻省理工学院制作了关于白羊的虚拟仿真电影。

1980年，美国计算机科学家Jaron Lanier（杰伦·拉尼尔）创造了“虚拟现实”（Virtual Reality）这个术语。

1981年，爱姆斯研究中心开发了关于虚拟接口和界面环境映射系统的工作站。

1984年，第一款商用VR设备RB2诞生。同年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室开发了用于火星探测的虚拟视觉显示器。同年，杰伦·拉尼尔和托马斯·齐默尔曼创立了VPL（visual programming lab），开始对外发售第一套投放市场的VR商业产品。

1985年，NASA创建了虚拟界面环境工作站，使用了一款LCD光学头戴显示器（见图3）。同年，美国国立医学图书馆开展人体解剖图像数字化研究，一些国家也开始了实验室虚拟技术的研究［7］。

1987年，VPL创始人杰伦·拉尼尔正式提出了“Virtual Reality”一词。

1989年，VPL公司把虚拟现实开发为商品，推动了虚拟现实技术的发展。

2.1.2 商业化尝试（20世纪90年代）

1991年，NASA设计了一套VR系统用于模拟火星机器人的操作，推出了VR街机，广受欢迎。同年，美国谷歌公司的创始人之一杰里·杨在加州大学圣塔克鲁兹分校开发了第一套商用化的虚拟现实设备。同样在90年代初，我國虚拟现实技术逐渐起步。

1992年，美国虚拟现实公司VPL Research推出了第一套商业化的虚拟现实设备——DataGlove，它可以追踪手部动作，使用户能够与虚拟环境交互。

1993年，游戏厂商世嘉为游戏机开发了一款头戴式虚拟现实设备，但因内测时反应平淡而夭折［6］127。1994年，日本游戏公司Sega和任天堂针对游戏产业推出Sega VR-1和Virtual Boy，但由于成本较高，因此昙花一现［8］。

1995年，伊利诺伊大学研发出CAVE系统。同年，美国虚拟现实公司SEGA发布了名为“SEGA VR”的虚拟现实游戏机，但由于技术和商业原因，所以该产品并未成功推广。

1996年，Sony进军虚拟现实行业，但Glasstron并没有太大的技术提升，在当时基本没有造成轰动。

1997年，飞利浦发布了Scuba VR。同年，佐治亚理工学院和埃默里大学的研究人员合作创建虚拟现实模拟越南战区为退伍军人治疗PTSD病症，这种医疗手法至今受用。

1999年，虚拟现实电影《黑客帝国》上映，真正将虚拟现实这个话题变成了主流。

2.1.3 技术进步（21世纪初）

2008年，美国国家工程学院（NAE）公布了题为“21世纪工程学面临的14项重大挑战”的报告，虚拟现实位列其中，与新能源、新药物等技术并列［1］6。

2009年，Oculus Rift问世，真正将商用虚拟现实技术带向复兴。

2.1.4 全面发展（2010年以后）

2010年，美国虚拟现实公司Oculus VR成立，开始研发虚拟现实头戴显示器。

2012年，帕尔默·洛基创建了Oculus公司，将VR设备的价格降到300美元，这使VR向大众视野走近了一步。

2014年，Google发布了Google Class，该产品具有和智能手机一样的功能。同年，FaceBook宣布收购Oculus，CEO扎克伯格公开发表VR将是下一代计算平台。Oculus和三星合作，共同研发出了Gear VR。

2015年，《纽约时报》推出了VR新闻应用程序——NYT VR，这意味着VR在新闻行业将迎来全新的发展。

2.1.5 应用开拓（2016年至今）

2016年被称为“虚拟现实元年”。苹果公司发布了View-Master头盔，HTC的HTC Vive、索尼的LayStation VR相继出现。同时，Intel和高通开始从芯片层支持VR。同年，我国两会发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》强调了虚拟现实领域要加大发展力度。2020年以后，虚拟现实技术逐步进入成熟阶段。

2.2 虚拟现实教育应用的发展历程

1985年，MIT成立了媒体实验室，AftabAIam团队用模糊逻辑及定量的方式测量，改变3D虚拟学习环境，解决3D虚拟学习环境的自适应能力问题［6］128。20世纪末，一些国家开始研究虚拟现实技术，并试图将其应用于教育领域。随后，多个基于虚拟现实技术的教育平台出现，如Classvr、Unimersiv、Nearpod等。2009年，澳大利亚和新西兰合作成立虚拟世界工作组和美国林登实验室的Second Life项目，提出要探索个体在虚拟现实世界获得教育与成长的可能。2016年，我国批准了300个国家级虚拟仿真实验教学中心，公布了35个虚拟实验科技馆项目的建设。同年，微视酷推出了虚拟现实课堂教学系统，跨越了全国多个省市，制订了“VR课堂1工程”计划。

总的来说，虚拟现实应用于教育的时间可以追溯到20世纪90年代。然而，早期的虚拟现实技术发展受限于硬件和软件以及高昂的成本。到了21世纪，随着虚拟现实设备的不断改进和推出，以及教育界的需求，虚拟现实在教育中的应用开始加速发展。2010年以来，越来越多的学校和教育机构开始尝试在课堂中引入虚拟现实技术，提供更加沉浸式和互动性强的学习体验。如今，我国已建成多个国家级虚拟仿真实验室教学课程共享平台，如西南交通大学虚拟仿真实验教学、华东师范大学虚拟仿真课程共享平台等。

3 虚拟现实与未来教育

虚拟现实应用于教育领域的前景是非常广阔的，具有巨大的潜力和机会。教育在社会中具有极其重要的作用，因此，要实时更新，使之与新技术、新生活方式相适应［9］。

3.1 个性化学习

虚拟现实可以根据学生的学习需求和兴趣，为其提供个性化的学习体验［10］。虚拟现实技术可以让学生以自己的方式和节奏展开学习，从而增强学习效果和兴趣［11］。教育者和VR设计者可以使用明确的教学框架来支持教师的发展，构建扩展和一致的课程选项，以引发反思，提出见解，并确保创新和可衡量的结果［12］。虚拟现实技术可以为学生提供更加丰富、真实的学习体验。

3.2 跨学科学习

虚拟现实技术可以通过打造逼真的情境和场景，让学生在跨学科环境中学习。例如，学生可以通过虚拟现实模拟环境，同时学习数学、物理、生物等学科知识，培养综合思维能力。此外，虚拟现实还可以实现各种实际情境的融合，如历史事件、文化遗产等。这种交互沉浸的学习方式能够激发学生的学习兴趣，并强化学习效果。

3.3 实践技能训练

虚拟现实可以为实践训练提供安全且真实的环境，确保学生获得更多实践经验和技能。例如，医学院的学生可以通过虚拟现实模拟手术操作，提高手术操作技能；工程学院的学生可以通过虚拟现实模拟建筑设计和施工过程，增强实践能力。虚拟现实还可以为远程教育提供更加便捷和高效的解决方案。虚拟现实技术可以通过模拟教室和实验室等场景，让学生与老师、同学面对面交流，增强学习的互动性和实践性。

3.4 全球化教育交流

虚拟现实可以打破地域限制，实现全球范围的教育交流和合作。学生可以通过虚拟现实设备参与跨国课程和项目，与来自不同文化背景的学生一起学习和合作。虚拟现实可以帮助学生跨越地理和文化障碍，参观世界各地的历史遗迹、博物馆、艺术展览等，体验不同国家和地区的教育资源和文化。

3.5 职业培训和终身学习

虚拟现实能够提供高质量的职业培训，并且为终身学习提供更多可能。通过虚拟现实技术，员工可以进行模拟工作场景的培训，提高职业技能。虚拟现实技术可以为学习者提供更加灵活的时空安排，学生可根据自己的日程安排展开学习，不再受传统教育的时空限制，实现终身学习的目标。

然而，虚拟现实在教育中的应用仍然面临一些挑战和问题。首先，虚拟现实技术的成本相对较高，需要投入大量的资金和资源进行研发和应用［13］。其次，虚拟现实技术的安全性和隐私保护是一个值得深入研究的重要课题。一旦信息被泄露或滥用，将对学生的隐私和安全构成潜在威胁。因此，相关的法律法规和技术措施必须与时俱进，确保虚拟现实在教育中的应用安全可靠。

4 结语

虚拟现实在未来教育中拥有巨大的潜力和广阔的应用前景。它不仅可以激发学生的学习兴趣和动力，还可以为远程教育提供更加便捷和高效的解决方案，促进教育普及和均衡发展。当然，虚拟现实在教育应用中还须克服成本、安全等挑战和问题。只有在充分考虑和解决这些问题的基础上，虚拟现实才能真正发挥在未来教育中的作用。未来，VR将渗入人们的生活，无所不在。

参考文献：

［1］ 王同聚.虚拟和增强现实（VR/AR）技术在教学中的应用与前景展望［J］.数字教育，2017，3（1）：1-10.

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［3］ 段鹏. VR应用与传媒影视教育的实验性探索［J］.中国新闻传播研究，2019（5）：149-161.

［4］ 蔡苏，张晗，薛晓茹，等.增强现实（AR）在教学中的应用案例评述［J］.中国电化教育，2017（3）：1-9，30.

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［6］ 张量，金益，刘媛霞，等.虚拟现实（VR）技术与发展研究综述［J］.信息与电脑（理论版），2019，31（17）：126-128.

［7］ 刘潇忆，金浩，刘伟.虚拟现实技术在教育领域的应用现状与发展趋势［J］.无线互联科技，2020，17（23）：63-65.

［8］ 吴江伟.基于DMAIC流程的T公司智能眼镜产品设计改进研究［D］.杭州：浙江工业大学，2019.

［9］ 阿瓦迪·阿斯，哈比伯·安，阿尔·穆拉斯，等.交互式虚拟现实教育应用［J］.科技与工程系统进展，2018，3（4）：1-2.

［10］ 于浩.“人工智能+教育”背景下的未来教师素养探讨［J］.中小学教师培训，2023（6）：26-31.

［11］ 陈荷玥.新媒体技术下高职院校开展思想政治教育的路径探索［J］.现代职业教育，2023（18）：33-36.

［12］ 约翰斯顿，奥利瓦斯，斯蒂，等.探索现有虚拟现实教育应用的教学基础：内容分析研究［J］.教育技术系统学报，2018，46（4）：4-5.

［13］ 馬卫.智能机器人在现代酒店业中的应用实践与挑战［J］.机器人产业，2023（3）：24-31.

作者简介：刘月敏（1990—），女，江苏扬州人，硕士在读，助理工程师，研究方向：现代教育技术、信息技术教育、虚拟现实与教育。