王美霞

摘? ?要：教育技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新非常突出，VR在教學(xué)中的應(yīng)用一直是教育研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。許多研究表明，這項(xiàng)技術(shù)在改善學(xué)習(xí)成果和學(xué)生動(dòng)機(jī)、克服學(xué)校和考試焦慮、確保學(xué)生專注于教學(xué)內(nèi)容等方面具有顯著的潛在益處。然而，學(xué)校在頭戴式顯示器以及虛擬現(xiàn)實(shí)軟件方面的投資仍然存在資金投入過大的問題。文章對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，重點(diǎn)介紹技術(shù)和教學(xué)方面、整合和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：教育技術(shù);沉浸式學(xué)習(xí);沉浸式技術(shù);虛擬現(xiàn)實(shí)

1? ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)背景介紹

信息和通信技術(shù)在教育內(nèi)容中的使用極大地改變了學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)習(xí)方法和教學(xué)帶來了重大挑戰(zhàn)和持續(xù)變化。虛擬技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新為個(gè)人體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）提供可能。同時(shí)，這也為教育部門使用這些技術(shù)提高學(xué)習(xí)效率提供了更多機(jī)會(huì)。

現(xiàn)代沉浸式技術(shù)創(chuàng)造了將學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為令人興奮的努力的新機(jī)會(huì)。Kinshuk等（2016）指出，AR和沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是創(chuàng)新技術(shù)的例子，可用于智能學(xué)習(xí)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)環(huán)境中非常困難或不可能的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。這兩種技術(shù)不同，但在某些特征和用途上有關(guān)聯(lián)。AR用虛擬對(duì)象補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)世界，而虛擬現(xiàn)實(shí)則模擬整個(gè)現(xiàn)實(shí)，通常被定義為一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的三維實(shí)時(shí)環(huán)境，允許用戶通過不同的輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行交互。在教育背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)可以定義為各種技術(shù)（硬件和軟件）的集合，用來提供沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)[1]。

2? ? 虛擬現(xiàn)實(shí)在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1? 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)：提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中存在一定局限性的情境和對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如不同的時(shí)間段、身體不可接近性、缺乏訪問權(quán)限或者對(duì)訪問具有高度危險(xiǎn)性、倫理問題等情況。其可以在一個(gè)安全的環(huán)境中提供實(shí)踐和培訓(xùn)，提升學(xué)習(xí)者的參與度和學(xué)習(xí)動(dòng)力，支持不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格，促進(jìn)內(nèi)容理解和記憶。

2.2? 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)技術(shù)

20世紀(jì)中期以來，與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的技術(shù)一直在開發(fā)中。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)超出了學(xué)校的范圍，并且有許多問題阻礙了這種技術(shù)在教育中的廣泛應(yīng)用，例如頭戴式顯示器（Head-Mounted Display，HMD）的高成本、用戶體驗(yàn)較差以及虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)較差等。然而，基于桌面的虛擬現(xiàn)實(shí)在中學(xué)和高等教育中得到了應(yīng)用，許多教育工作者已經(jīng)將這些技術(shù)（模擬、游戲和虛擬世界等）整合到他們的教學(xué)實(shí)踐中。有研究人員進(jìn)行了游戲類的13項(xiàng)研究、模擬類的29項(xiàng)研究和虛擬世界類的27項(xiàng)研究，結(jié)果表明，游戲、模擬和虛擬世界是有效的，對(duì)學(xué)習(xí)效果有積極影響，并且，游戲顯示出比模擬和虛擬世界更高的學(xué)習(xí)效果。

研究人員和教師對(duì)軟件（尤其是教育視頻游戲和嚴(yán)肅游戲）的興趣日益增長，他們強(qiáng)調(diào)商業(yè)視頻游戲也可以用作教育工具。游戲在創(chuàng)造、協(xié)作和分發(fā)方面具有巨大的影響作用，并且已經(jīng)在世界各地的各種教育主題中使用。教師友好型平臺(tái)Minecraft：Education Edition和虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)室被越來越多地用于正規(guī)教育環(huán)境中的學(xué)習(xí)。

2.3? 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型

目前，兩種主要的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型是洞穴自動(dòng)虛擬環(huán)境（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）系統(tǒng)和HMD。

CAVE系統(tǒng)是1992年發(fā)明的基于房間的全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。一個(gè)立方體房間的側(cè)墻以及地板和天花板是由投影屏幕構(gòu)成的，參與者戴著一副特殊的3D眼鏡，以獲得虛擬環(huán)境的立體視圖，使用不同的輸入設(shè)備在參與者和系統(tǒng)之間提供交互（用戶可以指出、選擇或拖放虛擬對(duì)象）。CAVE的潛在用途已在包括教育在內(nèi)的各種領(lǐng)域進(jìn)行了探索，但實(shí)際應(yīng)用往往局限于研究項(xiàng)目。

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)可以用于模擬學(xué)習(xí)（學(xué)生可以在安全和互動(dòng)的環(huán)境中學(xué)習(xí)和實(shí)踐新技能），具有改革教育的潛在應(yīng)用可能，至于是否可以實(shí)現(xiàn)這一觀點(diǎn)，人們已經(jīng)討論了幾十年。然而，直到現(xiàn)在，HMD在教育環(huán)境中還沒有真正地大規(guī)模應(yīng)用。由于2013年Oculus Rift推出了開發(fā)者版本Goggles，虛擬現(xiàn)實(shí)情況發(fā)生了變化，推動(dòng)了新一代質(zhì)量更好、價(jià)格更高的虛擬現(xiàn)實(shí)出現(xiàn)。2015年，谷歌通過探險(xiǎn)先鋒計(jì)劃，使得全世界數(shù)百萬學(xué)生開始在課堂上使用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)[2]。

3? ? 在教育環(huán)境中實(shí)施沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)

最適合在教育環(huán)境中實(shí)施的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)是MVR，因?yàn)榇蠖鄶?shù)學(xué)校計(jì)算機(jī)的配置不滿足Oculus Rift或HTC Vive的要求?；谥悄苁謾C(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，故而更適合課堂使用。

高昂的價(jià)格一直是HMD在教育環(huán)境中使用的最大障礙之一，然而，隨著低成本MVR HMD的出現(xiàn)，這一問題逐步得到了解決，如MVR與Google Cardboard的視圖可以成功地集成在低資源的教育環(huán)境中。

3.1? 在教育環(huán)境中實(shí)施沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的理論基礎(chǔ)

Liu等[3]提出了將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育的3個(gè)關(guān)鍵理論基礎(chǔ)：

首先，建構(gòu)主義。將學(xué)生作為學(xué)習(xí)環(huán)境的中心，通過活動(dòng)和互動(dòng)不斷挑戰(zhàn)學(xué)生先前的經(jīng)驗(yàn)，并促進(jìn)新知識(shí)的學(xué)習(xí)。情境學(xué)習(xí)、體驗(yàn)學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等教學(xué)策略（從這一理論延伸而來）適用于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)。

其次，自主學(xué)習(xí)理論。學(xué)生可以選擇學(xué)習(xí)目標(biāo)以及如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，然而，學(xué)生必須有相當(dāng)?shù)淖钥啬芰η揖邆溥\(yùn)用向老師或環(huán)境反饋的能力。VR技術(shù)可以為自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐提供一個(gè)合適的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以檢查他們的學(xué)習(xí)情況并從環(huán)境中獲得實(shí)時(shí)反饋。

最后，認(rèn)知負(fù)荷理論。人類在精神活動(dòng)（思考、解決問題等）中的工作記憶具有局限性，VR學(xué)習(xí)環(huán)境具有多種信息形式，豐富的模擬可能會(huì)導(dǎo)致注意力分散效應(yīng)和心理負(fù)荷過載。學(xué)生可能會(huì)忽略真實(shí)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，只關(guān)注特定的刺激物，有時(shí)，當(dāng)心理負(fù)荷超過能力時(shí)，會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.2? 在教育環(huán)境中實(shí)施沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的類型

虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的使用可以分為4種非互斥的類型：（1）觀察式學(xué)習(xí)，沉浸式體驗(yàn)可以加深對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，并展示不同的時(shí)間和空間視角。（2）操作式學(xué)習(xí)，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境可以用作更安全的觸覺和動(dòng)能培訓(xùn)平臺(tái)。（3）社會(huì)學(xué)習(xí)，虛擬現(xiàn)實(shí)提供了在模擬環(huán)境中進(jìn)行互動(dòng)和合作的平臺(tái)，克服物理距離的限制，適合于遠(yuǎn)程和混合/混合教育。（4）學(xué)術(shù)研究，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠模擬不同的科學(xué)和工程實(shí)驗(yàn)，并可以在模擬環(huán)境中進(jìn)行預(yù)測(cè)，減輕風(fēng)險(xiǎn)和成本負(fù)擔(dān)[4]。

4? ? 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)與其他信息和通信技術(shù)不同，它可以與各種教育技術(shù)相連接，并通過計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備與教學(xué)相連接。簡(jiǎn)單的集成是必要的，因?yàn)樵谥悄軐W(xué)習(xí)環(huán)境中，異構(gòu)設(shè)備必須成功地相互連接和組合，以支持環(huán)境適應(yīng)和個(gè)性化。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以提供沉浸式的視覺和動(dòng)覺體驗(yàn)，這在傳統(tǒng)的教室和講堂環(huán)境中是不可能實(shí)現(xiàn)的。將虛擬現(xiàn)實(shí)作為教學(xué)工具與教育者將沉浸式技術(shù)融入其教學(xué)工具包和教學(xué)實(shí)踐能力密切相關(guān)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]顧君忠.VR、AR和MR—挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2018（3）：1-7，14.

[2]夏蕾.探析VR/AR應(yīng)用場(chǎng)景及關(guān)鍵技術(shù)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2018（10）：144-146.

[3]LIU D，BHAGAT K K，YUAN G，et al.The potentials and trends of virtual reality in education[M].Singapore：Springer，2017.

[4]孟利清，徐藝，王浩，等.VR技術(shù)在高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用—以物流工程專業(yè)為例[J].物流技術(shù)，2018（1）：150-152.

Research on the application of virtual reality technology in teaching

Wang Meixia

（Department of Mechatronics， Jiangsu Vocational & Technical Shipping College， Nantong? 226010， China）

Abstract：The innovation in the field of educational technology is very prominent， the application of immersive virtual reality in teaching has always been the focus of educational researchers. Many studies have shown that this technology has significant potential benefits in improving learning outcomes and students motivation， overcoming school and exam anxiety， and ensuring students focus on teaching content. However， head mounted displays and virtual reality software used in schools still has the problem of over investment. This paper reviews the application of virtual reality in education， focusing on technology and teaching， integration and evaluation criteria.

Key words：educational technology; immersive learning; immersive technology; virtual reality