單華茗 張海 楊絮 李思維

虛擬現(xiàn)實(shí)的定義與發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)2016、2017連續(xù)兩年的考察與準(zhǔn)備，2018年國(guó)家教育部明確將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)列入教育信息化的年度重點(diǎn)工作任務(wù)，明確要求全國(guó)高校、中小學(xué)、職教等深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育教學(xué)深度融合，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用。在《2018年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》文件的重點(diǎn)任務(wù)中，針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)這一新興技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也提出了具體要求，并落實(shí)責(zé)任明確到教育部各職能部門(mén)。因此，在全國(guó)中小學(xué)教育教學(xué)中深入應(yīng)用大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)成為各級(jí)教育行政部門(mén)的年度重點(diǎn)工作任務(wù)。本文將介紹國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的兩個(gè)經(jīng)典案例，以期從中獲取經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，為我國(guó)發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用提供參考。

快速發(fā)展的AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）和MR（混合現(xiàn)實(shí)）為人們提供了新的體驗(yàn)，在一個(gè)感覺(jué)足夠真實(shí)的環(huán)境中創(chuàng)造一種身臨其境的心理存在感，這種感覺(jué)足以被觀察、體驗(yàn)、探索和操作。盡管AR、VR和MR的定義在不斷變化，其部分原因是技術(shù)正在快速發(fā)展，但增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以被描述為通過(guò)疊加額外的計(jì)算機(jī)生成內(nèi)容來(lái)體驗(yàn)真實(shí)世界。相反，虛擬現(xiàn)實(shí)將用戶(hù)沉浸在完全模擬的環(huán)境中，混合現(xiàn)實(shí)則以物理和數(shù)字交互的方式將真實(shí)和虛擬世界混合在一起。

AR、VR和MR在健康科學(xué)領(lǐng)域尤其流行。例如，醫(yī)學(xué)院的學(xué)生正在學(xué)習(xí)如何進(jìn)行醫(yī)患交流，他們使用ODG智能眼鏡來(lái)快速獲取患者數(shù)據(jù)，而不需要查閱文件夾或筆記本電腦，從而留出更多的時(shí)間與患者互動(dòng)。使用微軟HoloLens，護(hù)理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生可以利用全息視頻進(jìn)行模擬，在模擬中，虛擬病人呈現(xiàn)出各種各樣的健康問(wèn)題。管理人員認(rèn)為MR模擬有一天可能會(huì)取代那些使用真人演員作為病人的做法，這是一種昂貴且難以標(biāo)準(zhǔn)化的做法。

AR、VR、MR技術(shù)能夠彌補(bǔ)教學(xué)活動(dòng)的弊端，解決教育領(lǐng)域一直存在的問(wèn)題，所以，對(duì)AR、VR、MR技術(shù)與教育相結(jié)合的嘗試和探索已成為國(guó)內(nèi)外研究的應(yīng)用熱點(diǎn)。

美國(guó)不少高校已經(jīng)創(chuàng)建了自己的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，本文將介紹兩個(gè)典型的美國(guó)高校虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目。兩個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)設(shè)目標(biāo)有所不同，斯坦福大學(xué)開(kāi)設(shè)的虛擬人類(lèi)交互實(shí)驗(yàn)室傾向于使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行社會(huì)人文學(xué)科的學(xué)習(xí)，了解沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真（VR）和其他形式的媒體、通信系統(tǒng)和游戲中的人類(lèi)數(shù)字表示中人與人之間交互的動(dòng)態(tài)和含義。而格林內(nèi)爾學(xué)院的沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，則由教師、員工和學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)在研究項(xiàng)目上進(jìn)行合作，然后使用3D、VR和MR技術(shù)作為一個(gè)平臺(tái)來(lái)綜合和展示他們的發(fā)現(xiàn)。

斯坦福大學(xué)虛擬人類(lèi)交互實(shí)驗(yàn)室

2003年，斯坦福大學(xué)傳播學(xué)教授杰里米·拜倫森（Jeremy Bailenson）和學(xué)生肖尼·鮑曼（Shawnee Baughman）一起創(chuàng)辦了虛擬人類(lèi)交互實(shí)驗(yàn)室，此后開(kāi)展了多個(gè)與VR相關(guān)的研究項(xiàng)目。最有名的一個(gè)項(xiàng)目是與國(guó)家自然科學(xué)基金和聯(lián)邦司法中心一起開(kāi)展的，他們研究了在虛擬環(huán)境中證人的指認(rèn)能力。在學(xué)界，該實(shí)驗(yàn)室享有極高的聲譽(yù)，加州大學(xué)圣巴巴拉分校虛擬環(huán)境研究中心創(chuàng)始人吉姆·布拉斯科維齊（Jim Blascovich）認(rèn)為，斯坦福大學(xué)的研究走在了同行前列。

實(shí)驗(yàn)室用虛擬現(xiàn)實(shí)研究種族主義的項(xiàng)目創(chuàng)造了一種“虛擬鞋”體驗(yàn)，讓人們體驗(yàn)到各種形式的種族主義。在布朗媒體創(chuàng)新研究所（Brown Institute for Media Innovation）的資助下，實(shí)驗(yàn)室利用虛擬現(xiàn)實(shí)這一媒介來(lái)研究種族主義，并與哥倫比亞大學(xué)的考特尼·考本博士合作，創(chuàng)造了“1000次切割之旅”，這是一種身臨其境的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，讓你站在邁克爾·斯特林（Michael Sterling）的角度，親身體驗(yàn)種族主義。了解種族主義的社會(huì)現(xiàn)實(shí)對(duì)促進(jìn)有效和集體的社會(huì)行動(dòng)至關(guān)重要。

此外，實(shí)驗(yàn)室目前正在進(jìn)行模擬海洋酸化的項(xiàng)目，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的啟示，讓人們了解氣候變化對(duì)海洋環(huán)境的影響?，F(xiàn)實(shí)中，很少有人有在珊瑚礁中潛水的第一手經(jīng)驗(yàn)，那里充滿(mǎn)了珊瑚魚(yú)，因此，大多數(shù)人都沒(méi)有接觸過(guò)這些海洋生物，如果我們不改變對(duì)海洋環(huán)境有害的行為，這些海洋生物最終會(huì)消失。但即使是那些做了有害行為的人也無(wú)法看到實(shí)時(shí)的惡化，大多數(shù)人要么從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)海洋酸化，要么錯(cuò)誤地認(rèn)為這是酸雨的另一種說(shuō)法。

而在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)者經(jīng)歷了導(dǎo)致海洋酸化的多個(gè)階段。第一階段模擬了由燃燒化石燃料而導(dǎo)致的海洋酸化過(guò)程，在這一過(guò)程中，研究人員跟蹤二氧化碳分子釋放到大氣中并被海洋地表水吸收的過(guò)程。隨后的階段包括學(xué)習(xí)者融入或與不同的海洋物種相互作用，并見(jiàn)證這些物種的生態(tài)系統(tǒng)由于二氧化碳的增加而發(fā)生的變化。這些模擬由海洋科學(xué)合作者——Kristy Kroeker和Fio Michelli指導(dǎo)，并將被程式化以適應(yīng)不同年齡組的課程。

總體來(lái)看，斯坦福大學(xué)的虛擬人類(lèi)交互實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)項(xiàng)目目標(biāo)不只是讓學(xué)生學(xué)習(xí)理論上的既定知識(shí)，而是側(cè)重于學(xué)生的心理層面，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的形式培養(yǎng)學(xué)生的同理心，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)社會(huì)人文產(chǎn)生更多的思考。

格林內(nèi)爾學(xué)院沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室

格林內(nèi)爾學(xué)院沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室（GCIEL）是一個(gè)跨學(xué)科的探究和實(shí)踐社區(qū)，探索通過(guò)沉浸式三維（3D）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）體驗(yàn)來(lái)接近人文科學(xué)的新方法。與其他高校不同的是，GCIEL的教師和學(xué)生更多地致力于開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的學(xué)習(xí)軟件等，因此實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備除了常規(guī)的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)設(shè)備外，還有許多制作虛擬現(xiàn)實(shí)作品的設(shè)備。

當(dāng)前，格林內(nèi)爾學(xué)院的師生已經(jīng)獲得了一些研究成果。

在運(yùn)動(dòng)的意義研究（Meaning in Movement Project）項(xiàng)目中，Damian的實(shí)驗(yàn)室一直在研究視覺(jué)引導(dǎo)下的全身動(dòng)作捕捉（如瞄準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)），他的實(shí)驗(yàn)室與GCIEL的新項(xiàng)目將開(kāi)始整合全身動(dòng)作捕捉與數(shù)字化的虛擬環(huán)境，不僅要捕捉身體如何移動(dòng)，還要捕捉身體如何延伸到任務(wù)環(huán)境空間的數(shù)字軌跡。實(shí)驗(yàn)人員在一個(gè)數(shù)據(jù)豐富的虛擬環(huán)境中拋出一個(gè)彈丸，彈丸和耳機(jī)在3D空間中的位置數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)儲(chǔ)到一個(gè)平面數(shù)據(jù)文件中，供以后分析（如下頁(yè)圖）。

為了利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)進(jìn)行語(yǔ)言學(xué)習(xí)和文化認(rèn)知，實(shí)驗(yàn)室會(huì)創(chuàng)建三個(gè)具有輔助教學(xué)材料的開(kāi)源虛擬現(xiàn)實(shí)游戲，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展文化及語(yǔ)言能力。該項(xiàng)目有五個(gè)目標(biāo)：①建立一個(gè)跨學(xué)科和跨機(jī)構(gòu)的專(zhuān)家社區(qū)，在人文學(xué)科中使用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué);②培養(yǎng)學(xué)生的VR游戲設(shè)計(jì)素養(yǎng);③創(chuàng)造沉浸式VR環(huán)境，用于法語(yǔ)、德語(yǔ)、西班牙語(yǔ)的語(yǔ)言學(xué)習(xí);④利用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境設(shè)計(jì)語(yǔ)言學(xué)習(xí)和文化習(xí)得的教學(xué)方法，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、跨文化能力;⑤發(fā)布可用于創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)以教授其他語(yǔ)言和文化的開(kāi)放源代碼。

總體來(lái)看，格林內(nèi)爾學(xué)院沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室更注重培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)作品的能力，不再只是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)當(dāng)作一個(gè)具象知識(shí)的載體。

對(duì)我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的啟示

首先，我國(guó)各中小學(xué)也應(yīng)積極開(kāi)設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，并且不限時(shí)對(duì)所有師生開(kāi)放，而不是僅在某些特殊時(shí)段或針對(duì)某些課程才開(kāi)放。同時(shí)，學(xué)校也應(yīng)設(shè)置一些適合中小學(xué)生的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生興趣，將“虛擬現(xiàn)實(shí)+教育”的構(gòu)想落到實(shí)處。我們還應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)校負(fù)責(zé)人及教師對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興趣和正確認(rèn)識(shí)，當(dāng)前中小學(xué)教師的信息技術(shù)素養(yǎng)也有待提高，所以學(xué)校教師也應(yīng)積極了解學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)的知識(shí)，與學(xué)生一同學(xué)習(xí)進(jìn)步，并做好學(xué)生的引導(dǎo)者。

其次，要轉(zhuǎn)變虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)活動(dòng)中的角色，改變相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。當(dāng)前中小學(xué)已有的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備應(yīng)用僅僅是作為一個(gè)具象知識(shí)的載體，用于將原本抽象的文本知識(shí)以最具體的形式展示給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加透徹。但斯坦福大學(xué)和格林內(nèi)爾學(xué)院的虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)設(shè)目標(biāo)都已經(jīng)跳出了這個(gè)范圍。我們應(yīng)該思考如何使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給學(xué)生跨學(xué)科的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，如何進(jìn)行學(xué)生道德素養(yǎng)等方面的培養(yǎng)，如何改變我國(guó)學(xué)生的思維方式，如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提高教學(xué)質(zhì)量，有助于學(xué)生多元能力的培養(yǎng)，所以我們應(yīng)多了解國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的教學(xué)案例，結(jié)合自己的實(shí)際情況，將新興技術(shù)與教育深度結(jié)合，推動(dòng)新興技術(shù)在教育中的深度應(yīng)用。