虚拟现实技术在教育中的应用与困境

摘 "要：虚拟现实（VR）技术发展至今已有60余年，而作为具有沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination）的计算机模拟技术，对VR技术能否应用于教育领域的讨论已有许多。该文对VR技术的发展与其特点、VR技术在教育中的应用、VR技术存在的问题与教育推广中面对的问题以及如何在我国推进VR技术在教育中的应用做出总结与分析。意在对这一新兴技术能够为教育领域带来的影响与变革提出思路。使更多教育工作者对这一技术存在的可能性有更多的了解。

关键词：虚拟现实；VR；教育应用；教学技术；混合学习

中图分类号：G434 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2023）20-0191-06

Abstract： Virtual reality （VR） technology has been developed for over 60 years， and as a computer simulation technology immersion， interaction， and imagination， there has been much discussion on whether VR technology can be applied in the field of education. This article summarizes and analyzes the development and characteristics of VR technology， its application in education， the existing problems and challenges in education promotion， and how to promote the application of VR technology in education in China. Intended to propose ideas on the impact and changes that this emerging technology can bring to the education field. Enable more educators to gain a better understanding of the possibilities of this technology.

Keywords： virtual reality; VR; educational applications; teaching technology; hybrid learning

虚拟现实技术（VR）作为计算机技术的一种，自20世纪60年代诞生便得到了较多行业的关注。几十年来，VR技术能否做到为教育行业带来革新是人们一直在讨论的问题。人们认为，VR可以用于对特定场景进行模拟，来创造基于模拟的教育环境。学习者在模拟环境中进行新技能的练习，从而实现对在现实中存在危险无法实际练习的情境进行训练学习。尽管人们对这一技术的作用给予了较高期望，但在VR技术发展早期，除了特定领域如军事等外，其并没有能够得到广泛的推广和使用。

而VR技术真正被人所广泛熟知并实际开始走向民用是从2013年开始，由Oculus推出了第一款面向消费者的消费级头戴式显示器（HMD）。以此为契机，竞争厂商们开始推出各自的VR产品，多以HMD为主，逐渐使得VR技术能够更为广泛地为公众所使用，在教育领域开始有所建树。技术逐渐成熟，一些VR使用中的关键问题逐渐得到解决。

同时，社会变化也推进了VR技术与教育领域的融合。自2020年以来，新冠感染疫情打乱了正常的教学和学习生活，混合式教学（Hybrid Learning）开始受到关注。混合式教学通过线上线下相结合，部分师生在教室内正常开课，而不能到场的学生可以通过线上进行学习。在这一情况下，便有部分地区尝试将VR设备融入到混合式教学中，以提升教学效果[1-2]。毫无疑问地，VR技术正在越来越被教育领域所接纳与重视，对相关状况进行分析与讨论是必要的。

1 "虚拟现实技术的发展历程与其特点

1.1 "虚拟现实技术的发展历程

虚拟现实（VR）是一种计算机模拟环境，通过将感官信息传递给人脑以与用户交互并改变用户的感知。如今的VR是由数十年的技术以及处理器性能发展相结合所得到的产品，以用户能够负担的价格进行高水平计算。VR最早始于1960年，当时Morton Heilig发明了一种名为Sensorama的多感官模拟设备[3]。Sensorama被认为是当今头戴式显示器（HMD）的固定版本。通过在立体3D显示器上播放预先录制的电影，配合立体声、风扇、气味发生器与振动椅，来对用户的感官进行刺激，使用户能够“沉浸”在电影中[4]。1984年，美国国家航空航天局航空航天人因研究部的Scott Fisher发明了第一个单色立体HMD，命名为虚拟交互环境工作站（VIEW）[3-5]。VIEW与当今HMD中使用的元素相类似，包括音频、身体追踪、触觉反馈以及与远程机器人系统的连接，这让系统在使用中产生了交互[6]。80年代开始人们对虚拟现实在专业教育与培训领域的应用产生了想法[7]。随后90年代开始VR技术出现在高等教育应用中，在空间科学、安全科学以及原子科学等方向得到应用[8]。

直到2010年，商业化VR系统开始推出，如三星Oculus Rift和HTC Vive，当时VR系统价格较高，通常需要数千美元的价格，这限制了其商业化推广[9-10]。随后部分公司开始推出由纸板以及移动设备（智能手机）等组成的廉价VR设备[11]。但这类设备相较于以PC链接为基础的能够提高算力的VR设备存在体验低、弱交互、沉浸感低的问题[12-13]。而提供高算力的PC链接的VR设备受限于传送速率，要求设备通过线缆链接，加以定位器等对活动空间的限制，使用限制更大。

但随着大数据云计算技术的成熟以及5G技术的普及推广，计算能力以及传输速率已不再成为VR设备的瓶颈，这为虚拟现实设备的移动化、便携化提供了有利条件，VR设备具有如同手机在3G以及4G时期智能手机一样成为下一代移动互联网终端的潜力。

1.2 虚拟现实技术的特点

虚拟现实技术被定义为具有3个典型特征，即具有沉浸感（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination）。其中沉浸感指VR环境可以为使用者提供视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等多种感官上的体验，从而为使用者带来身临其境的感觉；而交互性是指在虚拟环境中，往往会为使用者提供可以进行交互的人机操作界面，以及针对交互所产生的反馈；构想性则是通过沉浸感与交互性，能够让使用者随着环境状态以及交互行为的变化从而产生对未来的构想，增强创想能力。而VR的这三个特征决定了其应用方向：通过提供VR环境，复现现实情况中可能存在危险或现实中难以设置的场景。如VR最早投入使用便是针对军事训练、火灾救援训练、飞行员及航天员训练等场景的应用。通过VR的使用，能够提供较为逼真的训练场景，同时大大减少了相应训练的成本，并且能够切实起到训练的作用，为相关行业提供了便利条件。而VR的这些特点也决定了将VR技术运用在其他场景下能够提供作用的基础。因此随着VR技术的成熟以及成本的降低，教育领域逐渐将其引入到教学之中，以期望得到更好的教学效果。

2 虚拟现实技术在教育方向的应用

通常认为，学生在学习的过程中，传统课堂如在教室内进行课程教学，教师通过板书或PPT的形式进行讲解。这个过程是以教师为主体，教师为主动方。但学生作为接受者是被动的一方[14]。在进行学习的过程中会导致学习效果的削弱。尤其是一些概念或者操作过程，仅通过书面讲解，难以直观展示。麻省理工学院使用技术驱动的主动学习（TEAL），该学习方法以学生为中心，提高他们的学习经验和理论思维。这是由于动手实验和互动，技术支持的学习和现象可视化的可视化和参与，以及基于探究的科学教学[15]。因此可以认为，学生学习状态从被动到主动的变化会产生积极的认知和教学结果。将虚拟现实作为一种教育工具，引入教学过程，将积极吸引学生，并具有积极的认知和教学效益。借此可将VR技术运用在以下方面。

2.1 模拟实操训练场景

在教学过程中，尤其是工科、医学专业相关以及职业教育过程中，对进行实操要求较高。通过VR构建虚拟的操作场景，一方面可以获得类似于现实实操的操作经验，如通过虚拟现实模拟急救学习环境，提升初级学员的知识与信心[16]；通过模拟手术进行虚拟正颌手术，这是一组需要在患者身上进行的测试，但通过虚拟环境与触觉反馈，能够为学员提供更多的培训机会[17]；通过开发与验证模拟建筑工地VR程序，使学生在安全的课堂中提高实践与安全体验等[18]。另一方面，可以降低校园为学生提供实操环节的投资成本，如车床加工实操项目中，为了让学生能够熟练地使用相关机械，保证训练人数与次数，需要进行大量的投资购入较多车床设备，并且提供素材为学生练习。如果能够营造VR环境，配套练习程序，当学生在VR程序中获得一定程度的经验后再进行实操，便能够减少对设备的需求数量以及使用次数，从而降低所需成本。

2.2 建立虚拟现实实验室

实验室作为大学研究的场所，在提供所需知识方面发挥至关重要的作用。由于实验室对学习的积极影响，实验室在科学教育中发挥的核心和独特作用的重要性一直被人们所重视。一些学校通过VR环境建立虚拟现实实验室，作为对校园内由于设备、空间以及预算限制而缺少实验室的补充和延伸。通过VR程序，实验室工作从固定的空间导向转向了设备导向，学生若能够拥有自己的虚拟设备，便可以不受实验室是否在现实中设立的限制，在虚拟现实实验室中进行研究学习。Zacharia等[19]比较了学生在虚拟实验室和传统实验室中的物理入门课程测试结果，发现与传统实验室组相比，使用虚拟实验室的学生更好地理解和开发了复杂电路的适当概念模型，还发现学生在两种实验室中所获得的知识结果是相似的。可见通过建立虚拟现实实验室，可以降低对设备、空间以及预算的要求，并且获得与传统实验室相似甚至更良好的学习成果。

2.3 "进一步推进远程教育普及

通过VR技术，对提升远程学习学生以及有特殊需求（如残疾）学生的学习体验有所帮助。一方面，如通过远程学习与虚拟现实实验室的结合，可以让远程学习学生也从实验室学习中有所收益，这是传统远程教育所不能够做到的，从而进一步提升远程学习的吸引力。另一方面，使用VR设备并不需要学生处于活动或站立姿态，有特殊需求的学生可以通过控制器来达成在虚拟环境中的移动和互动操作，无需进行活动，便能拥有身临其境的体验。对于听障学生，可以通过增加字幕的方式使其能够更加便利地对学习内容进行理解。除此以外，还可以通过虚拟环境便利地对优质的师资资源进行整合沟通，将我国发达地区优质师资通过教学点对偏远地区进行课堂教学以及教学经验交流等。通过对VR的使用，可以让一些原本无法接受教育的人群接受相应的教育，提升远程教育的普及率。

2.4 "提供直观的学习环境

虚拟现实技术可以呈现立体直观的学习环境，从多感官多角度对学习过程进行优化，将课本中对物体或场景的描述具现化。如：在进行地理课程的过程中，相较于提供二维的地貌图片，以及描述性语句，若能够通过VR技术将地貌3D化，并在课堂中直观地向学生进行展现，从而让学生身临其境地了解现实中的地貌特征，加深对于相关知识的理解。先前便有历史教师在教学过程中利用游戏展现法国大革命期间法国当地的人文风情与城市建筑。而利用VR可以使这一过程更加沉浸与真实，从而取得更佳效果。

2.5 "进行心理治疗与矫正

VR对心理治疗领域的探究也较早，1995年时便有人使用VR暴露疗法来替代现实情境暴露疗法以治疗恐高症[20]。根据研究表明，VR环境在治疗恐高症、幽闭恐惧症等焦虑障碍方面是有效的，经过治疗后，被试者能够重新获得对情境的掌控感。除此之外，还可以通过VR环境对特殊儿童进行多感官的训练和学习。可以作为对传统教学与康复治疗的补充和改良[21]。经过研究，在如肢体康复训练、多动症、自闭症儿童的治疗中，均取得了成效[22]。总体来讲，相较于传统心理治疗和矫正，结合VR方法，能够更好地被来访者接受，并取得更好的效果。

3 "应用推广中存在的问题与瓶颈

虽然虚拟现实技术的运用能够给教育领域带来充足的益处，但是其至今尚未能够得到广泛应用。究其原因，尽管VR技术发展已有约60年的时间，但在使用过程中出现的一些问题还不能够完全地解决。同时VR技术的使用仍然存在一定的技术瓶颈，推广应用存在困难。

3.1 "虚拟现实技术应用中存在的问题

3.1.1 "使用过程中导致的身体不适

Clarke等[23]指出，部分使用HMD的VR用户在VR环境中会感到头晕。Kennedy等[24]认为这种头晕是一类精神功能障碍，包括头胀以及难以集中注意的感觉，其进一步指出在使用过程中还可能出现其他生理反应如眼疲劳、全身不适、头痛和恶心等。多项研究一致认为VR会使使用者产生不适，Regan[25]的一项研究显示，61%用户出现不适，5%的用户出现中度不适，2%的用户产生严重不适。目前使用VR产生不适的机制尚未产生统一结论，当前的研究成果并不能够解决用户在使用VR过程中产生不适感的问题。虽然产生不适感的用户多为轻度不适，但这说明VR的使用仍然存在一定的使用风险。

3.1.2 "沉浸感会对教学结果产生影响

一些研究报告在对教育场景下的VR使用进行研究后称，在使用过程中部分被试会由于某些原因而产生分心的情况。包括但不限于在虚拟环境中会发生移动的物体[26]，或者在虚拟环境中添加用户的手，一些3D的声音，以及部分的图形渲染等[27]，均会导致被试在任务过程中分心。而研究表明，在虚拟环境中添加更加真实的细节，其目的是为了让用户在虚拟环境中的感知结果更加接近现实世界，从而增加用户的沉浸感。如对用户手部的添加，研究称通过添加用户手部，可以使用户在虚拟环境中的距离感知结果偏差降低等[28]。针对以上情况，有的研究提出简化虚拟环境[29]，减少或消除触觉设备等辅助设备[30]，设计以学习目标为主而非美学为主的虚拟环境。通过简化的环境限制被试在学习或实验中的注意力。但与之相对的，减少或消除触觉反馈设备等辅助设备意味着虚拟环境中能够进行的任务复杂程度将大大降低，这与进行训练和学习所要达成的目标并不相符。

3.1.3 "虚拟环境拟真程度不足

搭建虚拟环境的目的是为了能够创造出一个与现实世界相似的环境，这需要增加用户的沉浸感、交互性与构想性。为了创造接近真实的虚拟环境，以往的研究从硬件与软件两方面入手，硬件上如采用不同类型的虚拟现实设备（洞穴式虚拟现实、头戴式显示器等）、增加可视角度、提升显示器分辨率等。软件上采取如增加程序贴图分辨率、光影效果、增设3D声音、开发新引擎和添加用户虚拟身体、增加交互的自然程度等。尽管采取多种方法，去提升虚拟环境的真实程度，但由于现实中存在着种类繁多、构型复杂的信息，同时部分抽象的信息模型并不能够被人所直接感知，这便要求拥有高效的建模方法与实时的图像生成技术。这对硬件与软件均提出了较高的要求，当前仍然不能够满足以上条件。用户在体验的过程中仍然会察觉到其中存在的差别，导致用户在使用中存在不自然感，从而降低体验。在虚拟教学过程中会导致占用心理资源从而降低教学效果。

3.2 "推广应用中的瓶颈

尽管近些年人们对将VR引入课堂拥有乐观的态度，因为硬件成本降低，大多数消费者也能够承担这一笔消费。但是在推广应用中仍然存在一些障碍。

3.2.1 "需要教师拥有一定的技术水平

当前VR平台的应用相较于成熟的PC平台与手机平台来说相当匮乏，尤其是教育资源。这便要求教师必须使用虚拟现实来创建自己的教学内容。并对制作VR应用有一定的了解。同时在设备使用过程中，要面对频繁的软件更新，流媒体材料的加载与更换，用户文件的配置。这也要求教师对学生所拥有的VR设备进行调试与设置。大大提高了对教师技术水平的要求。对于一些教学经验丰富，但年龄较大的教师来说这毫无疑问是一个巨大的挑战。

3.2.2 "公平与平等接受教育的问题

虽然VR设备的价格下降，大多数消费者能够负担这笔费用，但是仍然存在着部分偏远地区或贫困家庭无法购买高质量的VR设备。尽管可以通过智能手机等价格较低的设备来构建虚拟环境，但能够得到的虚拟环境质量较差。同时不同的学习者在使用VR设备时体验是不相同的，如同前文中提到的，部分用户在使用VR设备后会产生不适感。此外，Janssen等[31]表明，性格特征对VR的体验有很大影响，这反过来又会影响学习结果。因此在进行推广使用的过程中不仅要考虑到使用环境的安全，还要考虑是否能够带来公平与平等的教育体验。

3.3.3 "传统教育培训模式转换难

多年以来，我国教育与培训产业已经形成成熟的模式，以线下教学为主，部分情况辅以线上教学，保持了以教师为中心的教育体系。而技能培训领域，通常各高校与技术学校已与国内或国外的设备厂商达成合约，由厂商为学校提供设备与技术支持，或提供实操场地与条件。在此大环境下，对传统教育培训模式的转换阻力较大。首先，引入新的教学方法与教学设备需要面对学生家长对教育效果的质疑与考验；其次，学校与厂商之间的合作通常需要数年的努力才能够达成，投入大量的时间成本、金钱成本与人力成本，引入VR设备需要与VR厂商再次进行沟通交流，前期投入成本较大；最后，由于国内对相关领域的探究尚处于起步阶段，成果较少，国家对VR进入教育领域从资金到政策的支持力度远不及传统教育领域。

3.3.4 "需要形成完成度高且资源统一的教育平台

当前我国拥有如慕课平台和超星学习通这样的线上课程平台，这些平台对推广线上教育、分享教育资源做出了极大贡献。而要将VR技术结合到教学中进行推广，也要求拥有类似的VR课程分享平台。想要创建这样的平台首先要求拥有一批高质量、高完成度和大数量的教学内容，还需要拥有整合这批教育资源，进行分享的平台。毫无疑问地，对中小学或一所单独的大学院校是难以承担资源创建与分享的，这不仅需要大量优秀的师资力量进行合作，还需要有力的技术资源支持。

4 "展望

通过对以往研究，结合VR特性与当前教育模式的分析，将VR技术与现代教育相融合，将VR作为新型教学的手段与方法，从客观上来看是具有极大的潜力，且能够从多方面取得较好的收益。一是可以通过建立虚拟实操场景与虚拟实验室等大大减少教育成本；二是能够作为远程手段更好地对优质教育资源进行整合推广；三是能够提供更加直观和沉浸的教学体验提升教学效果；四是能够对教育中出现的心理问题进行治疗与矫正。这些优点对教育模式发展具有积极的意义，值得去进行尝试。但虽然前景乐观，一些VR使用中的问题仍然亟待解决：包括但不限于使用中出现的身体不适，技术瓶颈所导致的使用体验下降，教学资源较少，技术平台要求高，以及模式转换所带来的阵痛等。因此，想要将这一技术引入教育教学中，仍然需要对VR技术进行进一步的挖掘与改良。

4.1 "推进国内的VR技术研究

由于VR技术研究内容属于新兴技术范畴，当前国内对相关内容的研究起步较晚，研究成果也较少。当前大部分VR研究的成果来自于国外高校与研究机构。而国内的VR公司产品相较于国外前列公司有一定的技术差距，产品竞争能力较弱。因此必须对VR技术研究进行推进，以对VR技术目前使用过程中存在的痛点加以改善，完善使用体验，减少技术推广中可能存在的危险性。

4.2 "国家提供进一步的政策支持

VR技术具有复杂性，仅凭研究机构和高校的研究难以对研究成果加以转化，想要以教育推广为目标，就要求能够开发以教育模式为导向并行之有效的VR应用与内容。这需要国家进行政策与预算上的倾斜，以建立健全行业标准、支持产品技术研发、组建科研团队与课题组，跨学科研究，完成VR环境下的教育教学体系建立。

4.3 "转变教育思维模式与技术研发模式

提供VR技术与产品的公司在技术层面与学校、大学等平台存在较大的差距。因此导致教师等角色在这一供应链中处于技术弱势，难以对公司开发的产品做出自己的修改，缺少自主权与个性化定制的能力。这就要求从公司层面，研发产品时要尊重教育模式与规律，尊重教师与学生在产品使用中的积极性与主动性，从多角度对产品方向进行研判。而从教育者层面，要考虑如何让已有的教育模式与新生技术进行结合，立足学生需求与教学要求，对可能使用的VR产品做出选择和判断。同时积极对新兴技术进行学习，避免使用过程中被技术瓶颈所影响。

4.4 "借鉴已有的成功案例

教育技术的引进与教育方法的转变需要对已有的成功经验进行借鉴。在国外存在大量的案例能够借鉴，如River City、Quest Atlantis、SAVE Science等成功案例。当前国内并没有类似的案例。建议在已有案例的基础上，结合我国学生发展需求与历程，面向部分学科、部分地区、部分学校进行设计，展开VR教学，建立教育试点。以此为基础，拓展应用面与应用范围，促进VR技术在教育过程中的发展与融合。

5 "结束语

每一种技术的出现与兴起，都会对其他领域产生广泛而深刻的影响。计算机、互联网、智能手机等技术在发展之初并没有人能够预料到其为人类社会带来的巨大变革。VR技术作为能够为人们提供前所未有的沉浸式体验的技术，具有不可想象的广阔前景，其在教育领域也必将大有可为。

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