图形图像新技术报告
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2018年6月20日
日期：报
告
正
文 虚拟现实技术的在教育领域的应用
摘要：虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。其应用范围广，使用方便，有广阔的发展空间。本文列举了一例虚拟现实技术实例，阐述了虚拟现实在教育领域的应用。
关键词：虚拟现实；教育应用；经验学习；虚拟现实教育
引言: 虚拟现实技术可以使参与者能够与真实的三维模型进行实时可控的交互，能高度逼真地模拟人在自然环境中的视、听、动等行为，为科学研究发展提供了极大便利。
一、虚拟现实技术的概念与现状
虚拟现实技术是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式虚拟现实，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征。目前已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛应用。
它具有三大重要特征：交互性，沉浸性，想象性： (1)交互性
参与者可对模拟环境中的事物进行操作，并能从环境中获得反馈，其过程的自然程度便是交互性的体现。例如拿取物体的真实感和物体随手的移动运动。通过这一特征，虚拟现实可以模拟出如现实生活中一样的互动体验。
(2)沉浸性
也可称作是临场感，是指参与者在虚拟环境中感受到的真实感程度，其理想状态可以使参与者难辨是现实还是虚拟，使参与者能全身心的投入到虚拟环境中，无论是视觉、听觉、触觉，甚至嗅觉、味觉都如同真实环境一样。沉浸性的高低影响了虚拟现实系统性能高低。
(3)想象性
虚拟现实具有广阔的想象空间，不仅可以模拟现实存在的事物，更可以模拟现实中不存在或不常见的事物，通过想象性，来扩大人们的认知范围，以满足人们在各种环境因素下的特殊要求。
虚拟现实这种技术离我们的日常生活也很近，例如三维计算机游戏。虚拟现实通过逼真的三维模型和仿真环境来使参与者拥有真实的体验，把复杂难懂的数据转化为可观察的三维模型，从而达到使参与者全面直观的了解整个系统信息的目的。
二、虚拟现实技术在教育领域的独特发展优势
（一）为教育工作者提供代入式教学工具
当虚拟现实技术被应用于教育领域时，它能够体现出诸多的独特优势。 首先，在现代教育中采用虚拟现实技术，能够为教育工作者提供全新的工具，他们利用 VR 技术将轻松代入更多学生进入学习思考，更高效的让学生进入学习状态。虚拟现实的目标是在特定活动中激发、鼓励学生，与此同时，还能够让学生体验动手参与的学习乐趣。不过让虚拟现实在教学中更具吸引力的是，它能够在毫无风险的情况下，让学习者参与实践和进行模仿。这可以被用于难以进行现场实验的、传统的教学环境中，如相隔万里的某个工程实践项目模拟，师生可以打破时空限制投入到临场感的教学中去。再如传授学生关于安全程序和有危险性的实验练习，VR 技术不会真正置师生于危险环境，这就提供了安全的讲解条件和训练环境。不过与其它的新技术一样，虚拟现实在教育中的应用也会引发关于实用性和接受性的顾虑。
（二）为不同专业背景的求知者提供交互式学习的平台
在虚拟现实技术教育中，虚拟现实提供了一种特殊的感觉，能够帮助说服学生学习更多的知识。在工程建设实验室，VR 被用于提高学生的实践知识，并改进他们独立解决问题的能力。虚拟现实技术可以帮助学生把他们的理论知识应用到实际工程问题中。虚拟现实在这一领域的应用，可以在实训之前加入虚拟实验环节，这将减少教学过程中对危险化学品的使用，并减少学生犯下的错误，提高练习效率。在医学外科教学中使用虚拟现实技术，能够帮助外科医生在实际开展手术前掌握他们的能力水平。医学教育已展示出使用 3D 计算机应用的巨大兴趣，特别是在人体解剖学领域。根据对使用 3D 模型改进人体解刨学学习流程的研究表明，使用此类的技术能够对学生产生积极影响。职业教育受到社会广泛关注，特别是“加快职业教育发展、推进现代职教体系建立”等国家政策的引导，对培训市场产生了一定影响。虚拟现实技术以其可操作性强的优势，在职业教育方面存在巨大挖掘潜力。在线教育市场伴随互联网渗透率的逐步提高，目前正在中国进入高速发展时期。如果能够注入虚拟现实因素，这种学习方式无疑更贴近线下临场授课，知识接受度将会大幅提高。
三、虚拟现实技术教育应用进展
（一）虚拟现实技术支持学习环境创设
虚拟学习环境的创设通常有三种基本类型: 1) 虚拟仿真环境设计
在虚拟仿真环境中，学生做他们在真实世界中无法做到的事，例如，可以触碰按钮从而改变虚拟森林环境四季的变化，观察环境按照生命线移动的各种变化，也可以学习操作真实环境中危险而不能触碰的大型机器。虚拟现实技术为师生创设了直观的学习环境，便于学生理解和应用知识，便于教师及时调整教学方法。
2) 建构主义活动设计
建构主义学习理论认为知识的建立和学习发生在已有知识经验的基础上，学习者在一定情境下利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得。
学习活动的设计对于建构主义学习理论在教学中的应用至关重要。在虚拟学习环境中，通过学习活动的设计，学生利用工具按照自身经验和兴趣建构虚拟环境，或者在已有虚拟环境当中，通过探究建构知识。这种基于活动的方法非常有效，因为学生在其中创造性地学到很多知识。 3) 学习体验设计
学习体验指用户借助虚拟现实技术进入虚拟学习环境中，对所学知识等产生相应的认识和情感。多用户虚拟学习环境( Multi － User Virtual Environ-ment，简称 MUE) 是当前教育游戏中较常用的虚拟现实环境。多用户虚拟学习环境运用虚拟现实和增强现实技术，创建的第一人称视角下的虚拟世界，可以为教师和学生提供教学环境。研究同时表明，使用创造体验式教学设计，让学生有机会开展社会实践项目，能够正向增强他们的学习体验。
（二）虚拟现实技术支持技能实训
虚拟实训是利用网络技术、多媒体技术、仿真技术等基于虚拟实训系统的一种新的模拟实训方式。与真实环境下的实训室相比，虚拟实训系统具有改善教学环境、节约办学成本、规避安全风险、激发学生兴趣的优点。虚拟现实技术打破传统课堂中“教师讲课，学生听课”的教学思维，将学生变为主体，给予他们更多的机会探索学习，促进学生主观能动地学习。飞行模拟器训练是虚拟现实技术在职业技能实训中的应用。飞行员在“真实”的飞行环境中进行训练，视觉、听觉、触觉有“真实”的感受，有助于提高飞行技能。
（三） 虚拟现实技术促进语言学习
技术促进学习( Technology Enhanced Learning，TEL) 泛指用技术支持的一切学习活动。技术促进语言学习是技术促进学习在语言学习系统中的应用。相较于技术促进学习，技术促进语言学习更关注技术如何促进人类的语言学习，以及人如何利用技术开展语言学习。
（四） 虚拟现实技术支持特殊儿童教育
自闭症儿童在心理和行为上有多方面的缺陷，其中社会方面的严重缺陷是其最重要的特征，这一缺陷成为教育工作者对自闭症学习者进行教育的阻碍( 孙圣涛，2003) 。自闭症儿童社会交往障碍具体体现在社会交流、情感表达、自我认知等方面。有研究表明，使用虚拟现实技术对自闭症学习者进行教学干预，会取得一定的成效。
四、虚拟现实技术教育应用的挑战
(一) 技术挑战
1、分辨率不高有研究表明虚拟现实的分辨率至少要达到 4k 甚至更高的画质，而当前大多数 VＲ 头显所能提供的分别率远远不够，这在一定程度上影响了沉浸式体验的实现。
2、不能无线连接
Oculus Ｒift 和 HTVive 等虚拟现实头显需要连接电脑端的 HDMI 接口。
3、缺乏视觉或触觉反馈
当用户戴上虚拟现实头显后，无法觉察现实世界周围发生的事情，因此虚拟现实技术需要添加视觉或触觉反馈等提醒用户现实世界中发生的一切。
4、健康问题。研究显示，长期使用虚拟现实头显会产生一系列的健康问题，如晕动症、疲劳和恶心等。
5、教育资源设计和开发技术门槛高。
学科教师很难像设计开发课件那样设计和开发虚拟现实资源。公司尽管有虚拟现实资源设计和开发专业团队，但是其资源质量的高低很大程度上取决于公司设计和开发人员对教学内容和教学方法的理解和把握。
(二) 教学法挑战
1、认知负荷控制。
在虚拟环境下活动，学生有时难以把注意力集中在学习活动上 ( Maciasdiaz，2008) ，虚拟世界过多的功能和丰富的模拟场景会干扰学习者对重要内容的注意。
2、有效的学习监控和评估工具的开发和使用。
在虚拟环境中学习，教师较难监控教育过程的开展，难以辨别学生在虚拟世界中究竟是在玩还是在学习。
3、对虚拟身份与真实身份交互作用的认识。
虚拟世界的身份表征通过虚拟化身实现，虚拟化身的行为可能与真实环境下用户的行为不同。
总结
作为一个有生命力的技术方向，虚拟现实技术有着广阔的发展前景。它的发展与人们的生活紧密相关。在这门技术日趋成熟的过程中，必定给人们生活带来巨大的改变。
当VR足以支持模拟部分的现实之后，人们对电子产品、电子商务的依赖会达到更高的程度，很多现实中的活动就会逐步转移到虚拟现实的平台中去，就像在线购物与实体店购物的关系一样，VR中的商务活动也会对现实的商务有所影响。并且，VR中的社会具有现实社会比拟不上的高效便捷，也可以提供更多样化和个性化的服务。正因如此VR的发展势不可挡。
虚拟现实也有助于计算机与人类的交流和人对世界的感知。人们可以很方便的将自己的想法表达给计算机。不仅限于鼠键盘这些常规的输入设备,虚拟现实技术可以理解更多的交流方式:语音,手势,体感,表情,气味,脑电波等。计算机通过对采集的数据进行整理可以显出更详尽生动的信息:3D地图、立体的地层结构、详尽的生物标本、化学反应的细节等。这些信息通过VR的方式展示出来,有利于专业人员的认识和研究我国目前VR发展与美国等国家有较大差距。所以更应该鼓励企业、学校发展VR。
VR 技术的普及使人类历史上第一次能够大规模、低成本地提供“沉浸式现场体验”。这是和言语完全不同的教育媒体，它对教育会有怎样的影响？认知科学的具身认知转向，帮我们将未来之门推开了一道窄缝，窥视之下，VR 前景无限：未来的教育应该是身心一体、知行合一，VR 是实现这一教育理想的有效工具。
我们相信，随着技术的不断发展完善以及与教育理论的深度融合，虚拟现实在教育领域会发挥着越来越重要的作用。
参考文献：
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