徐舒婕

（安徽師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、仿真技術(shù)與人機交互技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得人類的學(xué)習(xí)方式發(fā)生了巨大變革，教育手段也從文字發(fā)展到圖像、從多媒體技術(shù)逐漸向虛擬現(xiàn)實技術(shù)演變。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育的結(jié)合從20世紀(jì)80年代開始，進入21世紀(jì)后由于各種虛擬現(xiàn)實設(shè)備的誕生，虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用變得更加廣泛。這種趨勢使得許多國家相繼開展了關(guān)于虛擬現(xiàn)實的研究項目，其中以澳大利亞和新西蘭在2009年合作成立的虛擬世界工作組和美國林登實驗室開發(fā)的 Second Life項目最為顯著[1]。而且自2011年起，全球每年都會舉辦關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的專業(yè)國際會議。

雖然和西方發(fā)達國家相比，我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的研究較為落后，但是我國十分看好虛擬現(xiàn)實與教育教學(xué)融合發(fā)展的前景。在政策方面：《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》指出虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)已成為信息技術(shù)領(lǐng)域重點發(fā)展的三大前沿技術(shù)之一[2]；《2017新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術(shù)展望：地平線項目區(qū)域報告》將虛擬現(xiàn)實技術(shù)列為十二項教育技術(shù)的重要發(fā)展之一[3]。在實踐層面：到2016年為止我國已經(jīng)建成了300個國家級的虛擬仿真實驗教學(xué)中心和35個虛擬現(xiàn)實科技館項目[4]。盡管虛擬現(xiàn)實的前景十分美好，但是現(xiàn)實中仍然存在許多問題與挑戰(zhàn)，比如虛擬現(xiàn)實本身存在的技術(shù)難題挑戰(zhàn)，以及與傳統(tǒng)課堂的融合問題等，只有解決了這些問題才能在真正意義上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實與教育的融合。因此，本文通過探究虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域的機遇與挑戰(zhàn)，以期為有關(guān)“VR+教育”的實證研究奠定理論基礎(chǔ)。

一、虛擬現(xiàn)實的概念與特點

目前，學(xué)術(shù)界對于虛擬現(xiàn)實的定義尚未完全統(tǒng)一，但是在總結(jié)各個學(xué)者所下的定義之后，我們發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的概念包含了三方面的含義：其一，虛擬現(xiàn)實是通過計算機生成的相對人體而言在視覺、嗅覺、聽覺、觸覺四方面均有真實效果的“實體”；其二，用戶通過頭動、眼動、手勢等其他肢體動作與這個“實體”產(chǎn)生交互行為；其三，這些交互行為必須要利用三維設(shè)備和傳感設(shè)備才能實現(xiàn)。也就是說，虛擬現(xiàn)實是綜合多種技術(shù)模擬產(chǎn)生了一個虛擬的空間環(huán)境，在這個環(huán)境中用戶借助特定設(shè)備獲得視覺、聽覺、觸覺等感受，從而產(chǎn)生身臨其境的體驗感。由此可以看出，虛擬現(xiàn)實具有三個特點：沉浸性、交互性和想象性。沉浸性是指使用者在佩戴產(chǎn)品設(shè)備之后感覺自己像是處于一個真實環(huán)境中一樣，計算機技術(shù)為用戶創(chuàng)造立體顯示產(chǎn)生了視覺沉浸、立體聲產(chǎn)生了聽覺沉浸、力反饋產(chǎn)生了觸覺沉浸、虛擬嗅覺產(chǎn)生了嗅覺沉浸，讓用戶有一種身在真實世界中的感覺；交互性是指用戶可以通過輸入輸出設(shè)備操縱計算機模擬出來的虛擬對象，并且虛擬對象會根據(jù)用戶的行為做出相應(yīng)的反饋；想象性是指在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實中不可能出現(xiàn)的景象或物體，并且可以將用戶腦海中抽象的想法變?yōu)榭梢暬男蜗?。這三個特點打破了真實環(huán)境的局限，克服了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的弊端，使用戶能在虛擬環(huán)境中充分發(fā)揮想象力，提高學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)習(xí)體驗感。

二、虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具備的三個特點使其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用中具有獨特優(yōu)勢，它所創(chuàng)設(shè)的虛擬課堂和虛擬校園既能滿足學(xué)生對基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生理解抽象、復(fù)雜的知識內(nèi)容；又能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)技能時所需的嚴(yán)苛條件，提供逼真的虛擬訓(xùn)練環(huán)境；還能促進遠程教育和特殊兒童教育的發(fā)展，其應(yīng)用潛力巨大、前景廣闊。

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)環(huán)境

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以呈現(xiàn)逼真的場景，實現(xiàn)在真實世界中無法實現(xiàn)或難以實現(xiàn)的事，使學(xué)生更直觀、深入地理解知識，使教師更快速地得到學(xué)生的反饋。比如，學(xué)生可以開展有危險性的實驗而不用擔(dān)心人身安全，可以觀察動植物在各種條件下的生長狀況而不受外在環(huán)境的影響，可以遠距離遙控手術(shù)的操作而不受時空的限制。另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)加上增強現(xiàn)實技術(shù)還能創(chuàng)設(shè)多用戶的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，即學(xué)習(xí)者能以第一人稱視角行走在虛擬的校園場景中，并且能與其他虛擬學(xué)習(xí)者溝通交流。虛擬校園里不僅可以提供有學(xué)習(xí)者資料的圖書館，還可以有提供學(xué)習(xí)者上課的教室，甚至可以按照個人喜好設(shè)計校園的建筑風(fēng)格。曾經(jīng)在美國十分受歡迎的網(wǎng)絡(luò)虛擬游戲Second Life以及當(dāng)今國際上十分流行的虛擬現(xiàn)實軟件VR Chat都是以第一視角和小組的形式開展交流活動，這種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗使學(xué)習(xí)者更容易投入到學(xué)習(xí)情境中，而且和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相比學(xué)習(xí)者更具參與感和認(rèn)同感。VR Chat就被國外一所大學(xué)運用于遠程教學(xué)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中獲得了沉浸感，可以說部分實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學(xué)的融合[5]。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)滿足特殊訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與仿真技術(shù)等其它技術(shù)的結(jié)合能夠創(chuàng)設(shè)出與真實訓(xùn)練環(huán)境相同的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。和真實訓(xùn)練環(huán)境相比，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠優(yōu)化教學(xué)環(huán)境、降低訓(xùn)練危險、減少培訓(xùn)成本、增強學(xué)生學(xué)習(xí)專注度。不僅如此，虛擬現(xiàn)實的沉浸性特點還有利于轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)中以教師為主體的教學(xué)模式，有利于增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，使學(xué)生成為教學(xué)活動的中心，這些優(yōu)勢恰好是一些需要學(xué)生親自動手操作、演練的實踐課所需要的。例如模擬飛行的訓(xùn)練，飛行員在虛擬環(huán)境下不僅能進行多次的飛行演練及戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，還能在實際飛行過程中嘗試難度大、危險性高的動作。在仿真系統(tǒng)中，飛行員所有感官獲得的感受都有助于快速掌握飛行技能。除了特殊訓(xùn)練外，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的虛擬實驗也被廣泛應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，未來將會是一個應(yīng)用熱點。比如，在虛擬的實驗環(huán)境中，學(xué)生能夠更仔細地觀察燃燒、爆炸等危險的化學(xué)現(xiàn)象，探究復(fù)雜的物理原理，開展高精度的生物實驗，以更直觀的形式接受知識、學(xué)習(xí)技巧。

3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進語言學(xué)習(xí)

借助技術(shù)手段能夠保障所有學(xué)習(xí)活動的開展，達到促進學(xué)習(xí)的效果[6]，語言學(xué)習(xí)也不例外。技術(shù)促進語言學(xué)習(xí)不僅是指利用技術(shù)促進學(xué)習(xí)在語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的應(yīng)用，還是指利用技術(shù)創(chuàng)設(shè)語言環(huán)境開展學(xué)習(xí)。通常，技術(shù)在促進語言學(xué)習(xí)方面會存在一定困難，比如由于技術(shù)的限制無法創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)恼Z言使用場景，使學(xué)習(xí)者的代入感不強，也不能針對每個學(xué)習(xí)者的特點提供個性化學(xué)習(xí)的需求。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)恰好可以彌補這些缺陷，它能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的要求創(chuàng)設(shè)所需要的語言環(huán)境，并通過游戲的形式學(xué)習(xí)語言。已有相關(guān)實驗表明，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中練習(xí)口語的學(xué)生，其語言表達水平有所提高，平時容易害羞的學(xué)生進步則更大。

4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助特殊教育

虛擬現(xiàn)實技術(shù)對特殊兒童群體的教育有極其重要的作用。特殊兒童群體包括聾啞兒童、盲童、自閉癥兒童等，由于一些原因，使得他們在某個或多個生理機能上弱于常人，尤其是自閉癥兒童，因為自閉癥兒童在社會交流、情感表達和自我認(rèn)知障礙方面都存在嚴(yán)重缺陷，在接受教育方面會遇到很多難以克服的障礙，所以傳統(tǒng)的教育方式并不適合他們。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以幫助自閉癥兒童進行學(xué)習(xí)交流，已經(jīng)有實驗證明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅能夠提高自閉癥患者的情感識別和情緒控制能力，還對社會歸因和類比推理等方面有促進作用，虛擬現(xiàn)實因此成為輔助自閉癥兒童進行學(xué)習(xí)的一種教學(xué)手段。

三、虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用具備的機遇

1.促進知識和技能的遷移

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生通常是在脫離真實情境的情況下接受知識的，缺乏主動摸索和嘗試的機會，不能及時運用所學(xué)的知識和技能解決實際問題，從而導(dǎo)致學(xué)生的遷移能力普遍不強。由于虛擬現(xiàn)實能為學(xué)習(xí)者營造出符合知識、技能應(yīng)用的場景并能提供即時反饋，使學(xué)習(xí)者可以將在虛擬場景中學(xué)到的內(nèi)容遷移到真實環(huán)境中，實現(xiàn)情境式學(xué)習(xí)[7]，因此，對于復(fù)雜空間關(guān)系的理解和物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)完成。比如化學(xué)的分子結(jié)構(gòu)和幾何的空間關(guān)系。此外，對于一些抽象、晦澀難懂的概念，也可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)設(shè)相應(yīng)情境促進學(xué)生知識、技能的遷移。

2.提供豐富的個性化學(xué)習(xí)環(huán)境

我國自古以來就有“因材施教”的教育理念，但由于學(xué)生數(shù)量眾多、師資力量有限，長期以來只能實行程序化和標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)。隨著技術(shù)水平的進步，計算機在教學(xué)中的應(yīng)用范圍越來越廣、作用越來越大，漸漸改變了傳統(tǒng)教學(xué)的形式，但是技術(shù)水平的限制使得個性化教學(xué)并未真正實現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)滿足了學(xué)生能夠按照自己的喜好設(shè)計教學(xué)環(huán)境的愿望，也滿足了學(xué)生根據(jù)自己的個性特點和學(xué)習(xí)風(fēng)格設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)的需求。因此，虛擬現(xiàn)實能為學(xué)生提供比傳統(tǒng)教學(xué)和遠程教育更多樣化的學(xué)習(xí)情境，能給予學(xué)生更高效的自主學(xué)習(xí)體驗。

3.激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機

在教學(xué)過程中，一部分學(xué)生常常被課堂上發(fā)生的細微變化吸引而轉(zhuǎn)移注意力，還有一部分學(xué)生由于自身個性特征等原因很難集中注意力，而且教師和學(xué)生人數(shù)的比例差異過大使得學(xué)生不能擁有教師同等的關(guān)注度，容易產(chǎn)生心理落差從而影響其學(xué)習(xí)的熱情。因此，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機一直是教師亟待解決的問題。虛擬現(xiàn)實環(huán)境恰好彌補了這些缺陷，其沉浸性特點能讓學(xué)生產(chǎn)生深度學(xué)習(xí)的體驗感，其想象性特點能讓學(xué)生進行個性化學(xué)習(xí)，其交互性特點則能讓學(xué)生和學(xué)習(xí)環(huán)境產(chǎn)生互動行為，學(xué)生由此獲得了生理和心理上的滿足感，也增強了學(xué)習(xí)動機。

四、虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

1.技術(shù)難度制約教育應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前仍存在著很大的問題。在圖像顯示方面：設(shè)備呈現(xiàn)的視覺范圍較小，清晰度不夠，甚至?xí)兄赜暗默F(xiàn)象，用戶觀看久了容易產(chǎn)生眩暈感。在設(shè)備使用方面：虛擬現(xiàn)實的頭戴式顯示設(shè)備不夠小巧輕便，用戶不宜佩戴時間過長，否則會出現(xiàn)疲勞、惡心等癥狀，而且設(shè)備必須要通過數(shù)據(jù)線與主機連接才能保證其正常運行，因此使用者體驗起來十分不便。在技術(shù)難度方面：采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容需要教師具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)，而設(shè)計出完整的教學(xué)方案通常需要一個專業(yè)的團隊來完成。以上三方面因素均限制了虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.認(rèn)知負(fù)荷超載

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是由計算機模擬多個圖像、文字和聲音的信息組建而成的，從聽覺、視覺、觸覺等通道讓用戶產(chǎn)生真實的感覺，這些信息給學(xué)習(xí)者帶來了沉浸式的學(xué)習(xí)體驗。但同時，豐富的信息元素給學(xué)習(xí)者造成了認(rèn)知負(fù)荷超載，多重感官的刺激則會分散他們在重難點知識上的注意力[8]，使學(xué)習(xí)者無法在第一時間準(zhǔn)確地判斷和獲取最重要的知識。因此，在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實空間環(huán)境和設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時應(yīng)該借鑒認(rèn)知負(fù)荷理論，并提前掌握學(xué)習(xí)者的知識結(jié)構(gòu)和接受信息的能力，防止信息超載現(xiàn)象發(fā)生，以免影響學(xué)習(xí)者的知識建構(gòu)和注意力的集中。

3.缺乏有效的學(xué)習(xí)監(jiān)控和評估工具

在傳統(tǒng)課堂上，教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)一目了然，但在虛擬環(huán)境中，教師很難通過觀察學(xué)生的神情和行為來判斷學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中是否處于學(xué)習(xí)狀態(tài)。雖然有研究顯示虛擬化身的行為能代表學(xué)生的真實狀態(tài)，教師可以據(jù)此加以辨別，但是學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的所作所為并不完全與真實世界中相同。因此，為使教師能掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，為了教學(xué)活動能高效進行，我們需要開發(fā)有效的監(jiān)控和評估工具，使教師能及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果做出正確評價。然而，即使虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠用數(shù)據(jù)記錄下學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，但是如何通過分析數(shù)據(jù)達到有效監(jiān)控學(xué)習(xí)行為、評價學(xué)習(xí)結(jié)果的目的，目前仍沒有具體的可操作方案[9]。

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景，虛擬現(xiàn)實的固有優(yōu)勢意味著“VR+教育”將成為未來教育及其重要的一個發(fā)展趨勢，將會推動教育教學(xué)改革進一步發(fā)展，而且還將提高教育水平、豐富教育資源、改善教學(xué)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供個性化學(xué)習(xí)服務(wù)，讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中獲得成長與進步。雖然現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實與教育的融合才剛剛開始，并且面臨技術(shù)與教學(xué)的雙重挑戰(zhàn)，但是伴隨虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展與提高，虛擬現(xiàn)實與教育的融合將變得逐漸廣泛和深入。未來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在的挑戰(zhàn)一定會得到有效解決。