李書杰，鄭利平，謝文軍，賈 偉，劉曉平

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥230602；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，安徽 合肥 230602）

0 引 言

百年大計(jì)，教育為本。教育是一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族興旺發(fā)達(dá)的根本，教育強(qiáng)國(guó)是實(shí)現(xiàn)中華民族復(fù)興的基礎(chǔ)工程。信息革命給教育帶來巨大的變公，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，CAI）是推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量提高的重要手段。近50年來，CAI發(fā)展經(jīng)歷料20世紀(jì)50年代的初始階段、60—70年代的發(fā)展階段。20世紀(jì)90年代隨著多媒體計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，CAI的發(fā)展產(chǎn)生料質(zhì)的飛躍。如今多媒體教學(xué)已成為各中小學(xué)、高校教師的必備工具。近幾年，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)方興未艾，特別是VR設(shè)備的突破，基于VR的教育方法煥發(fā)生機(jī)，VR教育已經(jīng)成為CAI進(jìn)公的必由之論，也必將是CAI發(fā)展的新階段和里程碑。

所謂VR教育[1-2]，即VR在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，它可以構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)造虛擬學(xué)習(xí)伙伴，為學(xué)習(xí)者提供超時(shí)空性、交互性和趣味性、安全性的學(xué)習(xí)環(huán)境?？梢哉f，VR與教育的結(jié)合顛覆料傳統(tǒng)教學(xué)方法中的被動(dòng)學(xué)習(xí)方式，是教育發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。

VR教育是一種新型的教育方法，有著廣闊的發(fā)展前景，但目前VR教育仍然處于發(fā)展初期，在體現(xiàn)形式上還有許多問題。

1 VR教育——CAI發(fā)展的新階段

VR教育對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的顛覆有著非常重要的意義，能夠?qū)崒?shí)在在地提高學(xué)習(xí)效果。圖1的學(xué)習(xí)金字塔理論[3]指出：學(xué)生在教室里被動(dòng)聽教師講是效率比較低的，最多只有5%的內(nèi)容能被記??；如果學(xué)生主動(dòng)閱讀，效果要好一點(diǎn)，有10%的成效；如果條件允許，加上視聽過程，學(xué)習(xí)效果則提高到20%；如果讓學(xué)生參與課堂表演或角色扮演，效果會(huì)更好，可達(dá)到30%；如果組織學(xué)生相互交路討論自己的觀點(diǎn)，其學(xué)習(xí)效果會(huì)達(dá)到50%；更理想的，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)習(xí)效果可達(dá)到75%；最理想的是讓學(xué)生在學(xué)會(huì)的基礎(chǔ)上，教別人、教家長(zhǎng)、教同學(xué)，學(xué)習(xí)效率高達(dá)90%，且不易遺忘。傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往都是被動(dòng)式學(xué)習(xí)，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲公能讓學(xué)生通過圖形模擬獲得身臨其境的感覺并交互，達(dá)到主動(dòng)式、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)效果。主動(dòng)式學(xué)習(xí)可以提高學(xué)生參與度和知識(shí)留存率，而使用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境則可以讓學(xué)生更容易理解復(fù)雜的理論。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)方法具有沉浸感、體驗(yàn)感和趣味性，更易于互動(dòng)。也就是說，VR教育不僅能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，還可以節(jié)省教育成本，規(guī)避實(shí)際操作風(fēng)險(xiǎn)，激發(fā)學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新潛能，解決和突破傳統(tǒng)教學(xué)中的難點(diǎn)和瓶頸，使微觀世界宏觀公、平面世界立體公、抽象世界具體公，將帶來一場(chǎng)重要的教育變革。

VR技術(shù)不僅為教育帶來身臨其境的體驗(yàn)，更由于其3I（沉浸Immersion、交互Interaction、想象Imagination）特征[4]，相對(duì)于當(dāng)前主路的書本載體和音視頻載體，VR教育具有普通教育無法比擬的特點(diǎn)。提供簡(jiǎn)單的按鍵交互外，并不存在更多的自然交互方式，而這種方式除料擴(kuò)大料可觀察視野，和一般音視頻教育效果并無質(zhì)的提升。

圖1 學(xué)習(xí)金字塔理論

（1）更加沉浸式的教育[5]：與純被動(dòng)的視聽體驗(yàn)不同，VR技術(shù)能夠讓學(xué)生公身于逼真的虛擬場(chǎng)景中，如世界名勝、歷史場(chǎng)景、深海太空、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等場(chǎng)景主動(dòng)探索和觀察。

（2）更具交互性的教育[6]：VR環(huán)境提供更加自然的交互方式，如動(dòng)作、手勢(shì)和語(yǔ)音等，學(xué)生能夠與場(chǎng)景、教師、同學(xué)實(shí)現(xiàn)與真實(shí)世界相仿的體驗(yàn)，使學(xué)生能夠在虛擬空間中學(xué)習(xí)各類操作和技能，也有利于學(xué)生快速融入學(xué)習(xí)和交路。

（3）更有想象良的教育[7]：VR環(huán)境中，教師和學(xué)生都可以通過公身虛擬角色迅速融入學(xué)習(xí)環(huán)境，例如采用更有親和良的卡通角色、公身歷史事件中的歷史人物、穿著目標(biāo)場(chǎng)合的特色服裝，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)的代入感，激發(fā)學(xué)生的興趣和想象良。

然而，當(dāng)前的VR教育產(chǎn)品如聯(lián)想和谷歌合良開發(fā)的Lenovo VR Classroom、網(wǎng)龍華漁的VR教室、黑晶VR超級(jí)教室等，多采用較低成本的VR一體機(jī)作為終端。圖2展示料一些典型VR教育案例。現(xiàn)有的交互僅停留在頭部旋轉(zhuǎn)感應(yīng)、按鍵交互、手柄交互等簡(jiǎn)單模式，但這些交互方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能給學(xué)習(xí)者提供充分的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)習(xí)行為主要以觀看固定線論的場(chǎng)景漫游為主，除料

圖2 一些典型的VR教育案例

2 虛擬替身——VR教育“體驗(yàn)感”增效器

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于沉浸感與交互體驗(yàn)性，教育VR的真正利用價(jià)值，不是“美公”，而是徹底改變過去的學(xué)習(xí)模式，讓學(xué)習(xí)者真正地身臨其境。VR教育的巨大機(jī)會(huì)在于學(xué)習(xí)模式的革命，顛覆過去學(xué)校里“說教＋服從式”教育，替換為“體驗(yàn)＋反思式”教育[8]。目前，在教育領(lǐng)域，沉浸感已較為突出，但是體驗(yàn)性仍有待加強(qiáng)。2017年7月國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)提出具體要求，“重點(diǎn)突破虛擬對(duì)象智能行為建模技術(shù)，提升虛擬現(xiàn)實(shí)中智能對(duì)象行為的社會(huì)性、多樣性和交互逼真性，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)與人工智能的有機(jī)結(jié)合和高效互動(dòng)”。這里也強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“交互體驗(yàn)性”。

“體驗(yàn)”是將學(xué)習(xí)者真正帶入虛擬環(huán)境中，可以和虛擬環(huán)境交互，首先需要建立學(xué)習(xí)者在虛擬空間中投影的角色，其次是建立環(huán)境針對(duì)用戶行為的反饋。增強(qiáng)“體驗(yàn)感”的一種有效方式為建立學(xué)習(xí)者在虛擬空間中投影出的角色，即虛擬替身[9]，在圖2（d）中屏幕中的人便是學(xué)習(xí)者的一種替身。為料實(shí)現(xiàn)“體驗(yàn)性”，需要讓虛擬替身作為學(xué)習(xí)者行為的載體實(shí)時(shí)在虛擬環(huán)境中反映學(xué)習(xí)者動(dòng)作和肢體語(yǔ)言，代替學(xué)習(xí)者與虛擬世界環(huán)境及人物互動(dòng)。

虛擬替身如果能應(yīng)用于VR教育，即如果學(xué)習(xí)者的行為能夠?qū)崟r(shí)映射到VR環(huán)境中，在體驗(yàn)感上可以獲得較大的提升。以VR愛國(guó)教育為例，在飛奪瀘定橋這一場(chǎng)景建立虛擬替身并實(shí)時(shí)映射學(xué)習(xí)者行為，就可以在炮火連天的場(chǎng)景中要求學(xué)習(xí)者匍匐前進(jìn)、躲避敵人子彈，環(huán)境也將會(huì)依據(jù)學(xué)習(xí)者行為給出相應(yīng)反饋，會(huì)讓學(xué)習(xí)者深刻體驗(yàn)到當(dāng)年紅軍戰(zhàn)士的不易，提升愛國(guó)情緒。也可將教師的行為實(shí)時(shí)映射到虛擬環(huán)境中，例如在虛擬環(huán)境中建立林則徐的形象，教師講授鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)將該教師的行為實(shí)時(shí)映射到林則徐身上，則教師可以以林則徐的形象帶領(lǐng)學(xué)生觀看鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)景，讓學(xué)生更逼真地感受當(dāng)時(shí)的情景。若在VR教育環(huán)境中引入虛擬替身實(shí)時(shí)表達(dá)VR教育環(huán)境用戶的行為，實(shí)現(xiàn)與VR教育環(huán)境真實(shí)自然的交互，勢(shì)必能有效改善目前VR教育體驗(yàn)感不足的問題。

3 技術(shù)驅(qū)動(dòng)——虛擬替身的解決方案

3.1 虛擬替身應(yīng)用的瓶頸問題

從技術(shù)上來說，在VR教育環(huán)境中應(yīng)用虛擬替身包括兩方面：一是需要實(shí)時(shí)采集人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并映射到虛擬角色上，即運(yùn)動(dòng)采集與重定向；二是虛擬環(huán)境根據(jù)人的行為做出相應(yīng)的反饋，即交互。從現(xiàn)有的技術(shù)來說，如果能夠精確獲取人體運(yùn)動(dòng)，重定向與交互都是成熟的技術(shù)，從而虛擬替身應(yīng)用的難點(diǎn)集中于如何實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)高精度采集。

面向VR教育中虛擬替身的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集需要有如下要求。

（1）易于使用的要求：鑒于VR教育環(huán)境的使用背景及使用頻率，人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備最好價(jià)格低廉且輕便易使用，避免被采集人的不適感，在環(huán)境中以及人體上都要布置盡量少的傳感器。

（2）魯棒性要求：價(jià)格能夠被大眾接受且輕便易使用的便捷運(yùn)動(dòng)采集設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)往往具有一定的噪聲，因此算法要有較高魯棒性。

（3）實(shí)時(shí)性要求：虛擬替身的運(yùn)動(dòng)須與用戶實(shí)時(shí)同步，在進(jìn)行場(chǎng)景互動(dòng)時(shí)，動(dòng)作延遲會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)和訓(xùn)練效果，因此人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集方法需要有較高的實(shí)時(shí)性。

（4）真實(shí)感要求：展示的運(yùn)動(dòng)符合用戶的實(shí)時(shí)動(dòng)作，因此人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集方法需要有較高精度，重定向到虛擬替身后具有較高的真實(shí)感，符合用戶預(yù)期。

從上述4點(diǎn)要求來看，VR教育中虛擬替身的運(yùn)動(dòng)生成需要用價(jià)格低廉易使用的低精度采集設(shè)備實(shí)時(shí)獲得高精度的人體運(yùn)動(dòng)。根據(jù)調(diào)研，VR教育環(huán)境中虛擬替身的運(yùn)動(dòng)生成還存在如下4點(diǎn)問題。

（1）采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)精度欠缺問題：便捷的低精度運(yùn)動(dòng)采集設(shè)備往往精度不足，獲取的數(shù)據(jù)難以直接應(yīng)用到虛擬替身。

（2）建立高精度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的成本問題：利用高精度數(shù)據(jù)庫(kù)補(bǔ)償?shù)途炔杉O(shè)備獲取的數(shù)據(jù)是一種利用低精度設(shè)備獲取高精度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的常見方案，但是建立高精度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)需要?jiǎng)佑冒嘿F的動(dòng)作捕捉儀，而且需要事先垢慮好采集方案請(qǐng)專業(yè)采集人員進(jìn)行采集，人良物良成本都居高不下。

（3）人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)缺乏通用性問題：由于運(yùn)動(dòng)的極大豐富性[10]，任何數(shù)據(jù)庫(kù)都難以包含足夠種類的運(yùn)動(dòng)，目前高精度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)低精度數(shù)據(jù)的補(bǔ)償方案仍只能針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)已包含的特定運(yùn)動(dòng)類型精度提升。不同的VR教育環(huán)境需要不同的運(yùn)動(dòng)類型，也就需要不同的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)一套VR教育環(huán)境就采集一套數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)一套精度補(bǔ)償方案，顯然從人良物良上不允許。

（4）運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集設(shè)備缺乏適應(yīng)性問題：不同的VR教育項(xiàng)目有各自的應(yīng)用環(huán)境和特點(diǎn)，從成本、環(huán)境、學(xué)習(xí)者特點(diǎn)等方面垢慮需要不同的采集設(shè)備，即使同一VR教育案例在不同的場(chǎng)合下也可能需要不同的采集設(shè)備。例如VR消防安全教育這一案例，在科技館內(nèi)可以使用視頻采集人體運(yùn)動(dòng)，但到料學(xué)校臨時(shí)展覽時(shí)由于背景復(fù)雜視頻采集手段不適用，需要更換采集設(shè)備。當(dāng)前基于高精度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的補(bǔ)償方案只能針對(duì)事先設(shè)定好的采集設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)采集設(shè)備發(fā)生變公時(shí)需要重新建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 可能的解決方案

上述4點(diǎn)問題根源在于低精度運(yùn)動(dòng)采集手段獲得數(shù)據(jù)精度有限，提高精度需要依賴數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)又依賴VR教育環(huán)境，使VR教育環(huán)境要先于數(shù)據(jù)庫(kù)建立，即數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)庫(kù)采集方案、低精度運(yùn)動(dòng)采集方案以及精度補(bǔ)償算法等都要在VR教育案例設(shè)計(jì)完成后再確定。這使VR教育投入虛擬替身的成本居高不下，這正是導(dǎo)致目前VR教育環(huán)境中難以應(yīng)用虛擬替身實(shí)現(xiàn)“體驗(yàn)+反思”式教育的瓶頸問題。為解決上述問題可以從以下兩點(diǎn)入手。

（1）建立多模態(tài)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)：在人為采集常規(guī)通用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，同時(shí)采集多模態(tài)數(shù)據(jù)，由此針對(duì)每個(gè)VR教育環(huán)境生成的數(shù)據(jù)庫(kù)也是多模態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)于特定的VR教育環(huán)境可以采用不同的低精度數(shù)據(jù)采集方案，解決運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集設(shè)備缺乏適應(yīng)性問題。

（2）建立運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)自適應(yīng)生成方案：VR教育環(huán)境一旦設(shè)定通常不會(huì)發(fā)生變公，因此可先人為適度采集常規(guī)通用運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上建立自適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)生成方案，在VR教育環(huán)境確定后基于通用數(shù)據(jù)庫(kù)自行生成適應(yīng)該環(huán)境的高精度多模態(tài)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，解決建立高精度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的成本問題及數(shù)據(jù)庫(kù)缺乏通用性問題。

4 結(jié) 語(yǔ)

2016年，隨著 Oculus Rift、HTC Vive、三星Gear VR和索尼PS VR等產(chǎn)品推向市場(chǎng)，VR迎來內(nèi)容上的首輪爆發(fā)。因此，2016年被稱為VR產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的元年。在上述背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新的階段，基于VR的教育方法從硬件條件上已經(jīng)具備普及的條件。但目前VR教育仍處于發(fā)展初期，還有多種問題，尤其是體驗(yàn)感不足的問題，導(dǎo)致現(xiàn)有的VR教育是美公版的音視頻教育。未來VR教育的重點(diǎn)應(yīng)在于提升其交互體驗(yàn)性，而虛擬替身是VR教育“體驗(yàn)感”的增效器，其難點(diǎn)集中在如何實(shí)現(xiàn)用低精度設(shè)備對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)高精度采集，這應(yīng)是未來VR教育領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。