發布時間：2020-09-02所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：近年來虛擬現實技術成為了一個熱門的研究領域，它在許多領域都有著廣泛的應用前景。在教育領域，虛擬現實技術的引入是我國教學信息化改革的重點之一，該技術可以應用于課堂教學、實訓教學、虛擬實驗、特殊教育等方面，改善現有的教學環境和教學形式，
摘要：近年來虛擬現實技術成為了一個熱門的研究領域，它在許多領域都有著廣泛的應用前景。在教育領域，虛擬現實技術的引入是我國教學信息化改革的重點之一，該技術可以應用于課堂教學、實訓教學、虛擬實驗、特殊教育等方面，改善現有的教學環境和教學形式，克服傳統教學過程中存在的學生學習效率低下，缺乏教學條件等問題。但是當前虛擬現實的教育應用尚存在包括技術、引入成本、實際教學效果等方面的問題，還需要進一步的發展和完善，相信未來虛擬現實技術能夠實現普遍化的教育應用，為我國乃至全世界的教育事業做出貢獻。
關鍵詞：虛擬現實技術;教育;應用
1.虛擬現實技術概述
1.1基本特征
虛擬現實技術具有學科交叉的特點，其融合了包括傳感器技術、計算機圖形學、人機接口技術、人工智能等技術在內的多種技術特征，目的是創造一個實時變化的虛擬環境，使用戶在體驗過程中能夠獲得真實的觸覺、聽覺、嗅覺、視覺等體驗效果，讓用戶獲得在虛擬現實中的沉浸感，它總體上可以概括為具有三大特性：沉浸性、交互性和想象性。
1.2設備構成
虛擬現實解決方案中常見的硬件設備可分為輸入設備和輸出設備兩大類。
輸出設備：從感官的角度分類輸出硬件設備可以分為：視覺、聽覺、前庭系統和體感幾個方面，其中視覺輸出設備為主要的輸出設備，包括大型投影系統(cave)、3D展示系統、Mobile VR設備和頭戴顯示器(HMD)。我們常見的VR輸出設備主要為頭戴顯示器和移動VR設備，而在市場上主流的頭戴顯示器設備是Oculus Rift，而移動VR設備則以Gear VR、Google cardboard和國產的暴風魔鏡等幾款產品為主。
相關期刊推薦：《中國教育學刊雜志》創刊于1980年，是由中華人民共和國教育部主管、中國教育學會主辦，面向基礎教育的綜合性學術刊物。設有：教育研究、教育言論、區域教育發展、教育廳局長談教改、課改視窗、學校管理、教師專業化、科研動態、教學探索、教改實踐文萃等欄目。
輸出設備：輸出硬件設備主要為動作捕捉設備和動作控制設備，常見的包括數據手套、眼動儀、位置追蹤儀等。這些設備將用戶的操作以另一種信息形式傳遞給計算機，從而進一步形成仿真環境對用戶行為的反饋。
輸出設備與輸入設備之間的聯系主要依靠虛擬現實系統的計算機處理技術，計算機模擬系統負責輸入與輸出信息的數據轉換和預處理，即接收輸入的信息并輸出相應的反饋信息，從而達到用戶與虛擬現實交互的目的。
2.虛擬現實技術的教育應用的優勢
傳統的教學往往都是線下教學，理論知識教學往往會出現理論知識晦澀抽象、學習過程被動、學習效率低下等問題，而在一些職業教育中也經常會涉及到實訓教學，但是教學卻經常會因為缺乏一些客觀條件(場地、器材等)而受到限制，除此之外，一些學科實操起來可能會有一定的危險性，這也是目前實訓教學所面臨的一個重要問題。
而虛擬現實技術的出現卻能使當前的教學困境得到很大程度上的改善。即便只運用電腦、鍵盤和鼠標，只要有相應的虛擬現實課程內容，學生就能進行自主的操作和學習，這種主動的參與過程能夠有效激發學生的學習興趣，使學生對知識有更深刻的理解，而如果能夠為學生配備虛擬現實頭盔等設備，使學生獲得真正的沉浸式的感官體驗，同時學生可以依據虛擬現實課件內容與虛擬環境進行交互，這相對于桌面式的虛擬現實教學而言將會起到更好的教學效果，使學生的學習效率得到大幅度的提升。
對于實訓教學而言，虛擬現實技術的應用能夠很大程度上避免客觀條件的限制，例如醫學專業的實訓運用虛擬現實技術就可以很大程度上避免醫療器材缺乏的限制，一個虛擬現實實驗室軟件再加上相應的硬件設備供學生進行模擬實驗對比進入真實的實驗室進行試驗能夠節省很大一筆開支。由此可見虛擬現實技術的應用對比傳統教學模式有著十分明顯的優勢。
3.虛擬現實技術的教育應用現狀
當前虛擬現實技術在教育領域的實際運用主要集中在技能實訓、虛擬實驗室、特殊教育等幾個方面。
3.1技能實訓
如今教育行業越來越注重實踐教學，而實踐技能的養成往往需要學生進行大量的實訓操作，而再這樣的情況下虛擬現實技術便能派上用場。德國的Ruhr大學建立了一個有關工程控制的虛擬現實學習系統，學生在直觀的三維實驗場景內可以通過虛擬現實設備進行實訓操作。北京科技大學開發了純交互式汽車模擬培訓系統，該系統模仿真實的駕駛環境，投入使用之后獲得了良好的使用反饋。江方記等基于中視典VR全息臺的虛擬現實設備制作出了典型機械產品虛擬裝配的VR內容，從而根據不同機械裝配的教學要求在虛擬環境下完成機械裝配體的拆裝要求。在醫療護理領域，一些醫學院基于桌面式的虛擬現實系統開發出虛擬現實解剖教學系統，學生在計算機上操作可以全面觀察并進行虛擬解剖。除此之外還有很多相關的實例，尤其是在職業教育領域，虛擬現實技術的發展和應用對于學生職業技能的培養具有很大的現實意義。
3.2虛擬實驗室
虛擬實驗室的作用即允許實驗人員在虛擬的環境中模擬進行物理、化學、生物等學科的實驗操作。例如一位名叫Michael Bodekaer的演講者曾在TED演講中向大家展示了他們團隊開發的一款虛擬現實實驗室模擬軟件，他們還和麻省理工學院合作，將最前沿的癌癥研究帶到學生的面前，學生們先通過這個軟件進行虛擬仿真的實驗，再到真實實驗室上手操作，這樣可以節省上百萬美元的開支，不僅如此，學生們在虛擬實驗室中可以從分子層面了解到機器里到底發生了什么，而原來一些因為生物安全問題學校不予開展的實驗同樣也可以通過這個軟件進行。除此之外還有很多高校也在開展相關的虛擬實驗室的研究和開發。
3.3特殊教育
虛擬現實技術可以被應用于自閉癥兒童、唐氏綜合征兒童等特殊群體的教育。我國研究者雷顯梅等人用kinect體感游戲對自閉癥兒童進行干預，結果發現自閉癥兒童的上下肢運動能力和視覺動作協調能力有所提升。Wuang等人使用以VR為基礎的體感設備Wii對唐氏綜合征兒童的運動功能進行訓練, 結果表明VR-Wii的干預效果較標準的作業治療更加明晰, 粗大運動能力顯著提升。盡管目前虛擬現實技術在特殊教育中的應用范圍和效果有限，但是考慮到目前的應用尚處于初級階段，未來虛擬現實技術在特殊教育領域的實際應用還有很大的潛力。
4.虛擬現實技術的教育應用存在的不足
盡管虛擬現實技術應用于教育領域能夠有效解決學生在學習過程中自主參與度不高、學習效率低下、實驗實踐教學條件缺乏等問題，但是當前虛擬現實技術的教育應用大部分還處于研究實驗和小規模應用的階段，想要實現在教育領域的普遍應用仍存在技術、成本以及教學效果等方面的問題，可能導致實際效果不達預期。
4.1技術問題
當前的一些虛擬現實設備例如Oculus Rift和HTC Vive屬于連接PC端的顯示設備，這類設備供使用者移動的空間有限，一定程度上會影響使用者的沉浸式體驗感。盡管還有一些設備屬于移動式的設備，例如Gear VR和Google Cardboard,此類設備并不受空間的限制，但是它們和連接PC端的設備一樣，都存在著像素的問題，有研究表明虛擬現實設備至少需要達到4K的像素才能有效體現其沉浸性，但是當前大部分的VR頭顯都無法達到這個標準。此外如果未來學校能夠普遍配備沉浸式的虛擬現實設備，那么意味著學生將會長時間地使用，這可能導致學生出現眼部的疲勞、不適，乃至出現暈動癥的癥狀。
4.2成本問題
虛擬現實頭顯的市場價格在幾百元到上萬元不等，如果學校想要真正實現沉浸式的虛擬現實教學，那么這些設備就必須另行購買，此外如果考慮交互性，想讓學生能夠在虛擬環境中進行自主的操作，那么還必須配套其他的交互設備例如手柄，這對于動輒上千人的學校來說成本負擔較大，因此現今國內的一些學校即便是采用了虛擬現實教學模式，使用的還是桌面式的虛擬現實教學設備，即電腦、鼠標和鍵盤等。
除了硬件成本外，還有虛擬現實軟件的開發成本，一些用于虛擬現實建模與渲染的軟件已經被開發了出來，學校實際上需要采購的是相應課程的虛擬現實課件，而不同的課程對應的課件內容都會完全不同，市場上高質量的VR視頻外包制作費用能達到每秒1萬元，VR課件內容往往只有幾分鐘，而如果要設計學生與虛擬環境互動的課件內容必然面臨更高的花費，因此成本問題是虛擬技術普遍應用于教育領域的一個很大的障礙。
4.3教學效果問題
虛擬現實技術的教育應用的最終目的是更好地達到教學目的，使學生對知識有更深入的理解和更準確的把握，盡管虛擬現實技術從理論上來說能夠使學生對虛擬環境中所呈現的知識有更好的掌握，但是在虛擬環境中過于豐富的場景和內容可能使學生無法集中注意力在學習重點上，再考慮人機交互的情況，學生在主動地與虛擬現實交互的過程中如果缺乏教師的引導有可能偏離原來的學習目標。這也意味著在虛擬現實教學過程中即便傳統的教學問題能夠得到彌補，可能會產生新的問題影響實際的教學效果。
5.對虛擬現實技術的教育應用的建議與展望
隨著技術的持續發展和政策的不斷出臺，虛擬現實技術應用于我國的教育領域是一個大的趨勢，針對實際應用存在的一些問題，我們提出以下幾點建議：
選取部分學校開展試點性的虛擬現實教學，選取范圍可以從不同的角度進行劃分，例如理論性的課堂教學和實訓教學，初等教育、中等教育和高等教育或者根據不同的學科劃分，選取典型的學科進行試點教學。
加強虛擬現實教學的過程控制。為了避免出現上述的教學效果問題，我們認為可以引入一套過程控制的機制，加強在學習過程中對學生的監督和管理，例如在教學內容中插入測驗環節評估學生的學習效果，在教學系統的設計研發中更多考慮教師的主導作用等。
政府針對學校引入虛擬現實技術的成本問題應當給予一定的政策考慮，在恰當時候可以給與一定的補貼或者對供應商的稅收優惠。同時應當引導技術的進一步開發，幫助供應商企業實現技術的產業化應用，從而真正地降低應用成本。在軟件開發方面，現今的VR課件的制作成本都十分高昂，教師往往也只能按照設定的方式開展教學，教學內容不具有靈活性，不同的課程內容都需要進行新的開發制作。而如果對VR課件內容進行模塊化的設計，在特定模板的基礎上根據教學要求對VR課件進行模塊化的設計，這樣既可以使課程內容更加豐富，讓教師對新的教學模式更易上手，同時也可以避免重新制作課件，從而降低成本。
盡管當前我國的虛擬現實技術的教育應用尚處在研究開發和小規模應用的階段，但是隨著技術領域的不斷突破和商業化的應用，VR技術極有可能在未來實現教育領域普遍化的應用，從而進一步深化我國的教學改革。——論文作者：傅昊 蘭嘉琪 冷嘉露 林海燕 程思嘉
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