虚拟现实在教育中的应用
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作者:唐智昊
【摘要】介绍了虚拟现实技术各个阶段研发过程，虚拟现实技术目前所具备的通性，虚拟现实技术在教育行业的应用现状，并与其他行业的应用现状进行对比，总结出了虚拟现实技术目前在教育行业应用的利弊，并对未来虚拟现实技术的应用前景进行了预测。
【关键词】虚拟现实教育利弊发展前景虚拟现实技术，英文名VirtualReality。近年来，利用三维图形生成、多传感交互、多媒体、人工智能、人机界面、高分辨率显示等技术来模拟现实世界是一项新兴的高新技术。VR往往是通过电子计算机对使用者模拟出一个三维空间，它允许用户看到360度全景图像，除视觉之外，还有听觉、触觉等感觉，使得用户可以最大限度地感知三维空间中的一切事物。甚至当使用者发生位移时，虚拟现实系统可以同步复杂的操作，并将相应的精确的3D虚拟世界图像发送回用户。虚拟现实技术有着广泛的应用，它的沉浸性、交互性等特点能给传统的教育行业带来新的变革。
一、虚拟现实的发展
第一阶段：思想阶段
1963年以前，虚拟现实技术只是处于第一阶段，单纯处于思想阶段，应该归类于仿真技术。是一种对生物的动作和感官等行为以及大自然環境的交互模拟技术。例如风筝，在战国时期就是模拟人和飞行类动物进行交互的自然环境。在国外，发明出飞行模拟器，让使用者体验飞行的感觉，整体而言大同小异，都属于最早的虚拟现实技术。
第二阶段：探索阶段
20世纪60年代，虚拟现实技术开始进入萌芽探索阶段。1968年，美国计算机图形学之父IvanSutherland发明了第一台计算机图形驱动头盔显示器HMD和头部位置跟踪系统，这是虚拟现实技术发展史上的重大突破。在这一探索阶段的历史中，产生了虚拟现实技术发展的理论和基本思想。1973年开始到1989年，开始初步产生虚拟现实技术概念和理论，并出现了VIDEOPLACE与VIEW两个经典的虚拟现实系统。能通过影像投影的方式对语言、简单手势进行交互，形成虚拟现实。
第三阶段：应用阶段
20世纪90年代始至今，虚拟现实技术进入概念完善阶段并开始进行实际应用，它涵盖范围广泛，包括科学研究、游戏、军事、医学等人类生活领域。娱乐方面例如卡普空（CAPCOM）的《生化危机7》，是大IP游戏VR化最成功的案例之一。做到卖好又卖座，根据公司数据统计，该游戏上线了包括VR版本的多个版本，但一个月内，保守估计就有13.3万玩家安装了VR版本的《生化危机7》，这部大作让不少PSVR用户和设备的潜在购买用户爱上了VR。在医学领域除了最早开发出的模拟手术训练器，帮助外科医生进行外科手术实习训练。近年，日本关东医院开始使用VR设备对达芬奇机器人手术进行辅助，使得手术操作更加精确，该医院还开发出一套3DVR解剖系统，医生使用该系统可以提前进行手术预演，了解病灶，通过VR虚拟空间大大提高手术精度。除外科手术外，VR治疗在精神疾病的治疗中也起着一定的作用。同样的道理，军事方面，VR技术的仿真模拟能够模拟出实战场景，让士兵身临其境感受战场，在战场中毫无顾忌地进行实战，却又不用受到伤害，VR军事训练方法比传统的训练方法成本更低，但是训练的效果会更好。
二、虚拟现实技术的特性
虚拟现实具有三个基本特征：沉浸、交互和构想，即沉浸交互构想，也称为3个“I”特征。3“I”特性也在技术层面上强调了人对虚拟现实系统的主导型。
1.沉浸性
沉浸，也被称为沉浸感，允许用户感觉完全置于虚拟世界所包围的虚拟世界。它又分为语言、语音、电影等沉浸空间，通过设置的文字描述、语言描述以及同时结合视觉和听觉，让用户沉浸在系统中。
2.交互性
交互性是指模拟出的三维虚拟空间能够和人的行为进行互动，交互时产生的感觉与现实一样。其特点为：虚拟环境中的电子计算机对人的行为进行同步且有规律性预测计算，并将处理后的虚拟环境实时反馈，产生人与虚拟空间的同步交互。
3.构想性
构想性指开发者制作出的虚拟空间和场景，可以是真实场景的完整复刻，可以有真实场景加上部分主观想象部分。比如房屋建筑、室内装修等的设计，三维场景的虚拟现实技术比起传统的二维图纸描绘更形象生动，更加逼真。也可以是完全想象的虚拟空间，
4.延伸
在三大基本特性基础之上，它也发展了虚拟现实技术在教育领域中的应用，如多感知、存在和自主深度思考学习（多用于加入了人工智能的虚拟现实系统）。
三、虚拟现实技术目前在教育领域的应用
VR在各个行业都有着不同程度地渗透，但在教育行业的应用却没有重大突破。原因一方面是，VR目前在教育行业的开发仍很有限，另一方面VR技术目前在教育行业仍处于试验阶段，并不能稳定地进行大规模使用。很多学校并不想让学生冒险尝试新式教育，坚持传统保守方式。但不可否认的是VR应用于教育是将是教育发展的一个飞跃。它将取代传统的教师，促使学习方式发生变革，为学生提供一个独立学习的空间，并通过创造一个完全的、更加清晰的信息环境来方便学生获取知识。在目前的应用状况上，虚拟现实技术满足的更多的是一种学习的情景化和交互性的解决条件，使得教学模型更加立体化，更加真实清楚。
1.欧美国家应用现状
目前欧美国家应用较广泛，主要用于高校实验室。早在1985年，国家医学图书馆就数字化了人体解剖图像。此后，德国、西班牙、意大利等欧洲国家也开始建立远程虚拟教育实验室。主要应用于物理力学实验和生物解剖实验等新发展方向。
2.中国应用现状
与欧美相比，我国虚拟现实技术在教育行业的应用范围小，仍存在不小的差距。目前我国一些高校也发现了这一新兴技术的益处，正在进行研究。清华大学、复旦大学等一批高等院校相继开发了一些虚拟现实系统进行教学研究。与游戏产业相比，虚拟现实技术在教育行业的应用正处于探索状态，除了高校开发出的应用外，在中小学阶段应用很少，几乎没有，处于一片空白的状态。它主要具体应用在以下几个方面。 （1）虚拟仿真校园
虚拟校园是教育部的重点研究方向，它也是虚拟现实技术在教育产业中应用最早、最广泛的应用。大致分为三个深浅不同的级别，适应于学校各种程度的需求。目前最简单也是最广泛地应用在各个高校网站上的360度校园全景地图，提供给访问者其校园的全景地图，结合教学、教务、校园生活等功能，让访问者更真切地贴近高校，了解高校。
（2）远程教育平台
远程教育平台是指通过虚拟现实技术，对高校扩建后的分校进行远程教学，建立一种电子教学场所。相比于简单的视频会议样式的远程教育方式，基于虚拟现实技术的远程教育平台可以通过交互式远程教学的课程目录和网站作为远程教育技术，使遠程教育平台的功能更加完善。例如新建成的区域教学系统，就可以通过远程教育平台，将多个高中的学生学习数据共享，多校联动教育，对于老师来说，使得教育的方式更加多样化，也能够根据联动数据进行攻坚克难，有目的地计划教学任务。对于学生家长来说，解决了师资力量不均衡的矛盾，为学生提供一个更加完善公平的学习环境。
（3）科技研究
目前高校建立的相关虚拟现实的研究室往往是和系统仿真研究室结合在一起，方便将研发出的新型成果进入实用阶段进行测试。早在2007年初，中国科学院就为其计算技术研究所虚拟现实实验室之外的商界提供了核心技术服务。该实验室重点研究包括三维虚拟人建模、运动模拟仿真在内的“虚拟人合成”和包括环境建模呈现和交互技术、自然灾害现象模拟与仿真在内的“虚拟环境交互”。清华大学在2016年和北京一拍科技有限公司共同合作成立了VR技术联合实验室，并发布了国内首个虚拟现实教育全产业链的系列培训产品。
北京航空航天大学建立了虚拟现实技术与系统国家重点实验室，致力于虚拟现实的应用基础和核心技术的研究中。又于2016年成立的北京航空航天大学青岛研究院成立虚拟现实国家重点实验室分室，与青岛市政府共同推进崂山地区“虚拟现实之都”的建设，虚拟规划设计在浙江大学建筑中的应用，哈尔滨工业大学在人机交互中的应用研究室已经能够独立承担大型虚拟现实项目。
3.现状分析
综合欧美国家与我国的应用，目前虚拟现实技术在教育行业的应用仍屈指可数。由于虚拟现实技术在教育行业的投入大，回报少，使得他们不想向教育行业的应用开发。而就学校方面，学校的教育理念传统单一，不敢让学生尝试新的实验室阶段的事物，所以也就造成了两个行业互相闭塞信息交流，发展困难，所以目前虚拟现实技术在教育行业的应用最广泛的还是在各个独立的高校实验室，并不能实现大规模使用。
四、虚拟现实技术在教育领域的发展前景
虚拟现实技术未来在教育领域的发展前景应该偏向于高校专门化、中小学普遍化。凭借虚拟现实技术的交互性和沉浸性，提高课堂的参与率，使教学模型更加立体，大幅提升学生的理解力，高校则应着重针对专门的虚拟现实技术要求，进行科研项目，开发出可以适用于虚拟现实系统的应用。除此之外，虚拟现实技术还可以发展课堂外的教育，例如音乐、美术等兴趣的深度培养，沉浸式数字图书馆的开发，等等。
从实际角度出发，目前虚拟现实技术在教育行业的应用方面还很少，但虚拟现实技术本身具有较强的教学优势和潜力，其多样化、真实的生动课堂将提高学生的学习和理解能力，大大提高教学效率。交互性的特点将会提升学生的综合实践能力。虚拟现实给教育带来的一切将逐渐受到教育者的关注和青睐，必将不可避免地被广泛应用于教育培训领域，发挥其重要作用。
参考文献：
[1]范丽栋，李树光，张志刚.虚拟现实技术在医学培训中的应用.创伤外科杂志，2008，（12）.
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