虛擬現實技術應用于青少年教育的探索與實踐①

何勰緋，梁嘉貴，孫昊文

（廣州工程技術職業學院信息工程學院，廣東 廣州 510625）

隨著時代的發展，科技水平在不斷進步，虛擬現實（virtual reality，VR）技術也在不斷成熟，5G 時代的到來，標志著VR 虛擬現實正在逐步滲透進我們的日常生活中，虛擬現實技術也對各個行業起到了至關重要的作用，VR 虛擬現實設備不再只是用于玩游戲的設備，而是朝著一個新的科學技術領域進軍。

虛擬現實技術是一種仿真技術，其原理是運用計算機模擬技術，通過對系統的模擬形成一個有別于現實環境的虛擬世界，生成一個在體驗者空間范圍內結合視覺、聽覺和觸感等方面的數字化空間，能夠較為逼真地產生與現實世界一樣的感官刺激，并且可以進行與虛擬環境的交互動作。用戶如果想和虛擬世界進行互動，則需借助外部設備來與之創建聯系。虛擬現實概念最早起源于20 世紀50 年代，虛擬現實之父Sutherland在《終極的顯示》一文中首次提出了虛擬現實系統的基本思想。但由于那個時代信息革命技術的不成熟，這項技術在當時并沒有產生大的影響。直到信息化的現代，虛擬現實技術發展成熟并且逐漸成為大眾所知的一項新興技術，虛擬現實技術的應用開始頻繁地出現在人類社會的許多領域，其中在教育領域的應用是大多數人最為關注的。

信息技術的迅速發展令虛擬現實技術在教育領域中的作用越來越明顯，當下，教育工作者和相關技術研究人員開始研究將信息技術與教育相融合，推動對“互聯網+教育”領域的研究探索及廣泛應用。隨著各領域對虛擬現實技術的不斷引入，更多新型虛擬現實設備和產品被開發出來，虛擬現實技術可以在空間進行全息投影，為教學營造更加逼真的立體環境，學生通過對相關知識和場景的模擬增加學習的樂趣和學習的體驗。

一、虛擬現實技術概論

（一）虛擬現實的外設

為了實現虛擬現實技術的沉浸特性，應用于VR 環境資源中，虛擬現實技術必須要借助一定的外在硬件設備（簡稱外設）來實現交互體驗。目前市面上最普遍的是虛擬現實頭顯（頭戴式顯示器），也稱VR 眼鏡。其是利用人體左右眼的瞳孔網絡獲取外部信息的差異，引導體驗者產生一種置身于虛擬環境中的現實立體感。

現在的VR 顯示設備是以眼鏡頭盔的形式被使用。在此之前則是以二維屏幕的方式呈現，其從屏顯演變成眼鏡的必然性也顯而易見。其一，為了避免干擾物和其他光線等不穩定因素的影響，眼鏡的方式能更好地提升用戶沉浸式的體驗效果。其二，做成眼鏡的構式能夠利用多屏成像的原理，通過技術在眼鏡顯示屏上構成一個更富立體感的成像。其實對于許多受試者來說，長時間戴著設備會非常累，會使體驗者的鼻子受壓和頭部承重過久，極易造成長時間的佩戴疲勞，體驗感較差。

虛擬現實技術的逐步成熟，使得VR 設備也在外觀上有許多對其實用性和便捷性方面的改造。蟻視頭盔相比其他常規頭戴式顯示器在設計上考慮了眼鏡使用人群的佩戴情況，主要是增加了頭盔佩戴的預留空間，用戶即使在佩戴自己的眼鏡的同時也能使用此設備，便于用戶對外界的事物做出反應，這種設計結構更具合理性和安全性。一些VR 展廳里的眼鏡設備會配合一些能晃動的蛋椅，這些椅子內置了多個傳感器和震動、觸覺反饋模塊，能夠支持旋轉、傾斜、上升下沉等功能。配合VR 眼鏡使用，當你觀看的電影出現墜機情節時，蛋椅會進行360°旋轉，同時觸發觸覺裝置，給你帶來失重、飛機快速下降的錯覺。有趣的是，當你戴上VR 眼鏡之后，一切沉浸效果都來得非常自然，不會讓人產生眩暈感。

（二）虛擬現實的交互

交互是使用者與虛擬資源利用之間的必須環節，也是虛擬資源在開發時不可或缺的一項功能。如何根據各種信息資源的特點與不同人群的學習特性交織在一起進行良好的人機交互學習，這是教育研究者與虛擬現實領域者所關注的重點。這種VR 的教育形式把原先傳統的“二維界面”拉進了一個“三維的空間”，相當于一個平面紙片上的人突然站立起來成為一個活生生的人，極富立體性。這種方式在VR 資源和其他相關的教學資源之間的交互還存在極大的差異。根據目前對人體特性的交互技術開發，VR 虛擬資源的人機交互方式有許多種。

1.交互方式

（1）頭部轉動

使用者在佩戴頭盔觀看VR 資源時需要借助頭部的轉動去體驗里面的場景，頭盔的主機系統會追蹤使用者的頭部位置并進行實時計算，計算出使用者頭部所在視角在場景里面的位置并映射出來，使用者只需要通過上下左右各種角度的頭部旋轉就能觀察場景中的地方。

（2）凌空手勢

即用戶只需戴上設備直接借助手勢動作、語言等人類自然的方式就能與虛擬空間里的物體產生交互，進行交流溝通。所以你可能經常會見到一些佩戴者用手在空中比劃的現象，設備會抓取用戶的手勢等動作并進行反饋，此時他的動作和虛擬世界進行了交互后得到了反饋。用戶的動作指令同虛擬空間中產生的變化兩者反饋在一起，就形成了一次交互作用。

（3）操縱手柄或其他輔助設備

如前面所說，外設就是使用者與虛擬世界之間的橋梁。自然界中，人們除了用語言、肢體等動作信號交流外，還會借助必要的硬性工具，提高操作性的同時提高效率。

2.感受特征

虛擬現實在多層面運用的特征基本可以概括為沉浸性 （Immersion）、交互性 （Interaction）、想象性（Imagination）、存在感（Existence）、自主感（Autonomy）五個方面，也常簡稱為“兩感三性”。

著重說明虛擬現實最顯著的特點———沉浸性，即用戶能夠恍如現實世界一般沉浸在計算機生成的虛擬世界中，從感官、聽覺等接受刺激，仿佛自身就是虛擬世界中的一部分。虛擬現實的沉浸性能給用戶的體驗造成更強烈且逼真的感官刺激。VR 眼鏡通過凸透鏡來放大人眼看到的即時圖像范圍（參見圖1、圖2）。目前VR 眼鏡對于使用者所形成的視野區域大概是90°到120°之間的范圍，不過眼鏡在設計上也考慮到了人眼在貼近屏幕的倍距問題，戴上眼鏡后能被外界干擾的幾率很小。同時使用者只需扭頭便能360°觀察這個空間，借助于設備頭部的陀螺儀，這是一種用于測量角速度的傳感器，通過它獲取本體xyz 軸上的角速度并將數據以（x,y,z）的形式存儲，模擬并實時更新本體在虛擬空間里的位置和對應畫面。

圖1 人眼視距機制

圖2 人眼即時視野

3.虛擬現實的關鍵技術

目前，常見的虛擬現實關鍵技術有動態環境建模技術、實時三維建模技術、立體顯示和傳感器技術、應用系統開發工具、多種系統集成技術、用戶的適應性、人工智能技術。

4.虛擬現實技術的應用領域

（1）在教育領域的應用

在科技興國的影響下，信息產業不斷沖擊著傳統教育行業。教學被認為是未來VR 虛擬現實技術最有前途的應用場景，虛擬現實技術教學能使學生不拘于文本，而是將多維的事件整理在虛擬環境中呈現。就如同此前讀者只能從書本或媒體資源上去了解恐龍，而虛擬現實技術能還原一個恐龍的虛擬場景，體驗者能從中與之互動進而了解它們的習性，在教學中起到一定程度的啟示作用。未來需要更多的人投入VR 教育領域，開發更多適合兒童和成年人的VR 內容和軟件應用，形成一個更大規模的學習環境。

（2）在醫療行業的應用

虛擬現實技術在醫療行業的應用主要分為兩類，一類是虛擬人體即數字化人體，醫生可以在三維圖像上對“可視人”進行身體局部結構的縮放，賦予醫生“看穿”的能力。另一類是虛擬手術環境，即在計算機視窗中建立一個虛擬手術環境，利用醫學影像數據，在虛擬環境中模擬手術開始前的手術計劃以及手術排練，提高手術成功率。除此之外，虛擬手術系統還能用于醫學生的手術教學、手術技能訓練等，幫助醫學生更直觀地了解手術過程。

（3）在軍事領域的應用

虛擬現實技術在軍事領域的應用主要集中表現在模擬作戰環境、軍事模擬訓練、軍事演習、維護和優化軍事裝備等方面。VR 虛擬現實技術還能模擬真實的戰場環境，可以使士兵迅速熟悉戰場環境，快速制定作戰策略，同時還能提高士兵隨機應變能力。這樣在面對突如其來的戰事時能有所準備，能夠快速在實際戰斗中做出決策并參與戰斗，同時也減少了實地演練所帶來的作戰風險，為士兵們的安全提供了雙重保障，這對信息化軍事上的影響是極其深遠的。

（4）在藝術與娛樂層面的應用

虛擬現實技術未來在藝術領域和娛樂方面的上升空間無限大，VR 技術同時也能成為文化輸出的載體。許多靜態的藝術形式都可以在虛擬現實中轉化成三維的動態渲染呈現，觀眾能隔空欣賞表演的同時取得很好的數字化傳播效果。近年來，隨著虛擬現實技術的發展，許多虛擬博物館、虛擬圖書館等虛擬體驗館隨之興起。游戲玩家是虛擬現實產業的狂熱擁護者，虛擬現實產業下的許多游戲都十分出色，其中的畫面特效體驗感能達到以假亂真的效果，這也是越來越多的人開始接觸和探索VR 的原因。

二、青少年使用虛擬現實技術情況調查

經調查了解，目前國內虛擬現實技術應用的領域較廣，但在教育方面的應用普及率還極低，一是由于虛擬現實技術設備昂貴，人力成本高；二是大眾的認知度不夠。對于青少年人群而言，全新的科技產品對他們的誘惑非常大，在線營銷研究公司Touchstone Research在調查了500 位10~17 歲的青少年后，發布過一項關于虛擬現實技術認知度的統計數據：79%的人都聽說過虛擬現實技術，68%的人因慢慢摸索而了解，47%的人對虛擬現實技術有一定的了解或了解程度較深。因此，虛擬現實技術在青少年中的前景還是極其樂觀的，在10~17 歲的青少年人群中，不少人對虛擬現實有非常大的興趣?！癡R 虛擬現實設備對未成年人的影響，遠遠大于電視、計算機等產品?！比藗儗κ澜绲恼J知方式正在被虛擬現實技術逐漸改變，特別是對于10~17 歲這個年齡段的學生來說，這一技術帶來了顛覆性的影響。

為了更直觀地了解虛擬現實技術在教育領域中對學生學習的影響，HTC Vive 于2016 年在北京一所重點中學關于VR 教學成果進行了調查，他們從不同成績層面抽取部分學生，安排同一名老師分別在VR 和傳統模式下進行相同的課程學習并考試，結果竟是VR 組平均成績比傳統模式的要高。北京師范大學PTA 實驗室對VR 教學模式和電腦學習方式也進行了英語口語的實驗測試，結果接受實驗的非英語專業學生在VR 教學下的成績更優。除此之外，斯坦福大學中的一份報告也指出，VR 教學相對于傳統教學的考試成績提高了27.4%。

由此可見，VR 教學比傳統教學效果更顯著，不僅能幫助孩子提升成績，更能幫助孩子更有效地吸收知識，增強學習動力。這意味著青少年用戶在虛擬現實的世界占據著越來越重要的地位。

廣州工程技術職業學院在對青少年的科普教育活動中發現，對于大部分偏遠地區以及教育相對落后的城鎮而言，大部分青少年對虛擬仿真現實技術的了解僅停留在“聽過”的階段，認為虛擬仿真現實技術是用來游戲娛樂的。但是在對VR 設備接觸之后產生了濃厚的興趣，在佩戴頭戴式設備的過程中，學生的機動性和動手能力得到提高，學生通過MR 全息技術，在侏羅紀世界中親自孵化恐龍蛋，在海洋世界里與魚群們一起遨游，在熱帶叢林中喂食老虎，等等。在虛擬現實世界中，學生足不出戶就能實現360°感受現場環境，與生物身臨其境地互動，這些都不會在現實生活中出現，更無法在現有課堂上體驗。

圖3 科普活動中的小學生在體驗VR 設備

三、教育中的應用情境

如今虛擬現實技術已經逐步滲透到各領域，尤其是在教育成為熱點的當今社會，虛擬現實技術也為教育領域的應用展現了它的作用和價值。虛擬現實技術在教育中的優勢與傳統的教育方式相結合，將兩者的優點最大化地發揮出來。

（一）學習環境

虛擬現實技術可以設計一些不被允許承載太多人且有一定要求的特殊環境，或者演練歷史中無法重現的場景。比如虛擬的紅軍長征紀念館，甚至是紅軍真實的長征場景，這些都可以被建模出來并在虛擬現實中展示，可以讓體驗者極大地感受前輩們艱苦的奮斗歷程，有助于促進學習者對知識的吸收，而且這種方式較傳統書面上的刻板更具趣味性和互動性?，F在社會上許多教育活動都能通過虛擬現實的方式去了解歷史，虛擬博物館、虛擬圖書館等根據現實而建造的虛擬情景也被大多數人所熟知、所體驗，其不僅能減少一些文物破壞的發生率，又能使用戶足不出戶就能身臨其境地學習千里之外的知識。

（二）游戲啟示

虛擬現實技術最開始是為游戲領域服務的技術，其發展至今也衍生了許多十分出色的VR 游戲。它不只是一個玩樂的方式，教育創新提倡寓教于樂，游戲在教學的基礎上能激發孩子的潛能，提高益智力。因此虛擬現實技術也有助于青少年群體進行趣味游戲的探索，培養青少年對事物的好奇心。戴上虛擬設備可以進行創作、運動等交互動作，增強青少年的實踐性。

（三）遠程虛擬教學

遠程教育與現在的網絡在線教學形式比較相近，遠程教育是師生暫時性分離的一種形式，隨著現代網絡教育的發展，教育載體越來越靈活和開放，因此一般的網絡教學難免會造成一些情感的缺失，學生難以沉浸且枯燥。但是虛擬教學能將一些難以展示、難以理解的內容通過虛擬現實技術展現出來，使其中的內容更加立體、生動和直觀，幫助教育工作者更好地講授知識，促進學生群體對知識的理解。但也不難發現在虛擬現實教學中教師的工作量會大大縮減，發揮的作用會降低，學生對虛擬網絡世界的依賴性會提高。這就意味著教師需要以更高的教學素養嚴格要求自己，引導學生進行虛擬教學，但他們不能摒棄傳統的教育方式，脫離現有的教育理念，更應提升自身的信息化水平，利用虛擬現實技術達到更加高效的教學效果。

四、結語

虛擬現實技術在教育領域的應用，為教學創造了逼真的虛擬現實環境，借助虛擬現實技術，改變了以往以灌輸式和說教式為主的教學模式，豐富了傳統課堂以文字、圖片、聲音為主要手段的教學環境。然而，根據目前國內虛擬現實技術在教育領域的應用情況來看，還需要與教學機制不斷地磨合，需要提升師生群體對虛擬現實技術的認知度，不能讓虛擬現實技術只停留在游戲娛樂的印象階段，應該把虛擬現實技術更多地推廣至為人類服務進步的領域上。

目前，國家已經提出積極推動虛擬教育教學環境建設的號召，相信未來教育與虛擬現實技術的融合應用會更加高質有效，相信未來的虛擬現實技術應用會越來越廣泛，更好地為人類服務。