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摘要:本文介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領域的發(fā)展歷程,研究了虛擬現(xiàn)實再課堂教學方面的理論基礎,討論了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課堂教學方面的應用模型,最終為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領域的發(fā)展提出了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實；教育；VR課堂

1緒論

1.1課題研究背景。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualReality,VR)囊括計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體,是一種由計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感和人機強大交互體驗的技術(shù)?！丁笆濉眹倚畔⒒?guī)劃》要求落實“虛擬現(xiàn)實”等新技術(shù)的技術(shù)研發(fā)和前沿布局?！秶覄?chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中的戰(zhàn)略任務明確要求發(fā)展自然交互與虛擬現(xiàn)實。同時,5G的發(fā)展和推廣使得信息的傳遞更加快速更加穩(wěn)定,為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用降低了一定的難度。國外虛擬現(xiàn)實技術(shù)在上世紀末就開始研究、發(fā)展,并且嘗試在某些領域的應用,目前國外已經(jīng)有很多公司和組織將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到了教育領域,出現(xiàn)了classvr、Unimersiv、Nearpod等多個基于虛擬現(xiàn)實的教育平臺。VR具有高度的交互性、沉浸感,將VR應用在課堂教學中可以增強學生的學習體驗和學習效果,同時,將VR作為線上教育的一種手段也可以改善教育資源不平衡的現(xiàn)狀,我們旨在探究虛擬現(xiàn)實在教育領域的國內(nèi)外的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀,為其進一步發(fā)展奠定基礎。1.2基礎理論研究。1.2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論依據(jù)。虛擬現(xiàn)實在教育領域的應用,依賴于模擬環(huán)境、感知、自然技能、專用設備四個理論。模擬環(huán)境就是由計算機生成的具有雙視點的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像,這不僅包括三維視覺,還包括三維聽覺、觸覺甚至嗅覺等的逼真[1]。圖像可以是現(xiàn)實世界中真實存在的,也可以是利用計算機圖形學的技術(shù)構(gòu)造出來的。感知是指理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應該具備人類一切的感知能力,不僅只有計算機圖形學形成的視覺感知,還應具有味覺、嗅覺、觸覺等,這也被稱以為多感知(MultiSensation)。自然技能是指計算機處理與將人在虛擬現(xiàn)實環(huán)境的一切行為動作,包括手勢、眼珠轉(zhuǎn)動等相適應的數(shù)據(jù),同時做出回應。專用設備是指各種三維交互設備,包括立體頭盔,三維手套、攝像機、傳感器等等。1.2.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育相結(jié)合的理論依據(jù)。虛擬現(xiàn)實自提出以來,有不少學者對虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育相結(jié)合的理論依據(jù)進行了研究,現(xiàn)較為普遍的有認知主義學習理論、構(gòu)建主義理論和模擬法則理論。認知主義學習理論認為學習就是面對問題情境,在內(nèi)心經(jīng)過積極的組織,從而形成和發(fā)展認知結(jié)構(gòu)的過程,強調(diào)刺激反應之間的聯(lián)系是以意識為中介的,強調(diào)認知過程的重要性。虛擬現(xiàn)實與教育相結(jié)合,使學習者能夠在虛擬的現(xiàn)實情景下學習,利用自己原有認知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)經(jīng)驗去同化和順應當前學習到的新知識,從而賦予新知識以某種意義,主動積極地構(gòu)建自己的知識。構(gòu)建主義理論主張世界是客觀存在的,但是對事物的理解卻是由每個人自己決定。不同的人由于原有經(jīng)驗不同,對同一事物會有不同理解。建構(gòu)主義學習理論認為:學習是引導學生從原有經(jīng)驗出發(fā),建構(gòu)起新的經(jīng)驗。VR的沉浸性去除了參與者與計算機之間的界限,為個人了解世界創(chuàng)設了一種體驗,從而促進學生在VR學習平臺的學習過程中形成自己獨特的意見和觀點,構(gòu)建起自己的知識體系[2]。模擬法則理論通常運用在工程鄰域,分為物理模擬和數(shù)學模擬。虛擬現(xiàn)實與教育相結(jié)合適用的是物理模擬,虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過設計與原型相近的模型,將難以完成的實驗重現(xiàn),捕捉稍縱即逝的自然現(xiàn)象等等,讓學生切身發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律,感受自然科學的魅力。

2效果

VR應用于教育中時能讓學生更加專注,同時學生也能在VR教學中有更好的主動性。這樣的優(yōu)勢來自于VR本身的沉浸感,這樣的沉浸感是傳統(tǒng)的教學方式無法提供的,在VR的教學過程中,學生自己能夠擁有更高的參與度,這也讓學生自己能夠很好的融入整個學習的過程。已有研究表明,虛擬現(xiàn)實研究對于不同學科、不同學習方面的教育效果會有所不同。傳統(tǒng)使用PPT的教學更加擅長于記憶需要通過文本和圖片記憶的特定知識,如特定的數(shù)字,而VR教學則難以完成。但虛擬現(xiàn)實對于原理或者方法的理解,以及對于問題的主觀感受上有著更好的結(jié)果。目前VR可以作為一個用于補充常規(guī)授課內(nèi)容的理想工具。雖然VR游戲?qū)τ诮逃姆e極影響也取決于某些變量,但不可否認的是他對于教育是一個有所貢獻的工具。在大量研究已證明虛擬現(xiàn)實有主意學習的基礎上,將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到教育游戲中,學生能夠在使用VR進行游戲的情況下有更好的注意力。由于技術(shù)的限制,目前的VR教育依然存在體驗感較差、難以獲得高精度的人體運動等問題。對于交互性很強的課堂,虛擬現(xiàn)實的效果并不理想。來自美國德克薩斯農(nóng)工大學教育學院的ZahiraMerchant團隊研究發(fā)現(xiàn)當學生單獨進行游戲而非小組進行游戲時,學生的游戲成績會有所提高[3]。來自美國的LeiZhang團隊發(fā)現(xiàn)當VR應用在教學過程中,互動程度對于學生學習過程的收獲影響并不明顯,同時也沒有證據(jù)能夠表明中等水平的互動性能給學生帶來最大的收益。對于需要一定想象力的學科來說,虛擬現(xiàn)實可以從全方位模擬一些普通課堂中無法實現(xiàn)的場景。AftabAlam團隊通過模糊邏輯的方法定量測定了學生的學習技能,并將其用于改變3D虛擬學習環(huán)境(3D-VLE)內(nèi)容的適應標準,以解決3D-VLE的自適應能力。實驗結(jié)果表明該方法用于為學生定制學習內(nèi)容能夠有效地增強學生的學習能力。來自臺灣師范大學的研究團隊研究了虛擬現(xiàn)實應用于科學教育時是否展現(xiàn)出顯著的差異。實驗結(jié)果表明該VR課堂對學生們的學習成績有積極影響,學生的學習主動性也比接受傳統(tǒng)教學的對照組要好不少。除此之外,教師也能通過VR教師的記錄制定教學策略,更好的糾正學生的弱點。OlgaLópezRíos團隊利用VR模擬真實過程,并以此完成不同場景下的教學,通過這樣的方式來培養(yǎng)本科工程專業(yè)學生在統(tǒng)計方面的思維。研究的結(jié)果證明接受VR教學的學生在統(tǒng)計學思維方面會有更好的認識。研究團隊還認為,學生能夠在VR的教學中收獲相關(guān)領域的一些技能。同時,研究結(jié)果還表明VR更適合于需要學生理解的知識的傳授,而那些需要記憶的知識則不便于通過VR傳授。由于在VR畫面中放入一大段文字也很難有學生愿意閱讀,因此VR也并不適合傳授文字一類的內(nèi)容。

3應用

在線上教育應用方面,國內(nèi)外許多研究團隊在體育、采礦工程、殘疾人教育等多個方面均進行了應用研究并取得一定成績。其中較為成功的有Multigencreator平臺、VREX云平臺、NCLS。ZhaoGuoliang的研究團隊將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于采礦工程數(shù)字教育,開發(fā)了一個虛擬現(xiàn)實軟件Multigencre-ator平臺,具有三維場景漫游、動畫制作、交互控制等功能。它不僅可以應用于學習數(shù)字化教育,還可以應用于技術(shù)培訓、安全救援決策、事故模擬和調(diào)查分析等方面。LiYing教授團隊通過VREX構(gòu)建了一個開放的、沉浸式的虛擬的教室,讓學生能夠讓學生在任何時間、任何地點和任何頻率體驗交互式學習,虛擬現(xiàn)實教育表現(xiàn)了學習效率高、效果好、及時反饋、低成本、操作安全等特點和優(yōu)勢。ShuangLi的研究團隊基于VR技術(shù)構(gòu)建了一個網(wǎng)絡合作學習系統(tǒng)(NCLS),分析了其典型應用的工作流程和信息流程研究如何可以方便地實現(xiàn)遠程協(xié)作學習,分布式學習和自主學習。天津理工大學體育學系基于體育教學與訓練的本質(zhì),構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在體育教學與訓練領域的應用模型和VR系統(tǒng)培訓軟件,可以為人們提供視覺展示,并結(jié)合游戲、情境化、協(xié)作學習、在線教育等手段,激發(fā)學生主動學習的興趣。武漢首義學院的尹坤坤設計出了實現(xiàn)應用于教學實驗過程的虛擬軟件搭建的方案,目前該方案主要應用于教學實驗過程中各細分領域的虛擬軟件搭建,基于該方案搭建完成的虛擬現(xiàn)實機械領域?qū)嶒炇乙言谌A中地區(qū)部分高校中應用并取得較好成果。德雷克塞爾大學電子與計算機工程系的PramodAbichandani團隊介紹了一個可擴展且可遷移的基于云的虛擬現(xiàn)實教學生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)云服務的可擴展性和可訪問性與VR的沉浸式教育潛力結(jié)合在了一起。從虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領域的應用研究來看,大部分的應用都收獲了較好的成效。但是從研究方法和結(jié)果來看,目前還沒有一套VR線上教育的技術(shù)規(guī)范標準,這就會使得VR應用顯得參差不齊。

4總結(jié)和展望

虛擬現(xiàn)實作為一項新興技術(shù),雖然在教育領域的應用并不成熟,但已有的研究表明虛擬現(xiàn)實教育具有很大的潛力,能夠突破時間與空間的限制,讓學生獲得沉浸式的體驗與更直觀的感受。虛擬現(xiàn)實能夠模擬出傳統(tǒng)教學中無法提現(xiàn)的過程,這是虛擬現(xiàn)實在教育領域中最大的優(yōu)勢,其次,虛擬現(xiàn)實中學生所感受到的事物都是模擬的,使得學生有更多的精力放在關(guān)注點上,從而提高學生的注意力與學習效果。

參考文獻

[1]申蔚.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論、實現(xiàn)及應用[D].北京:首都經(jīng)濟貿(mào)易大學,2001.

[2]單美賢.虛擬現(xiàn)實與教育相結(jié)合的理論依據(jù)[J].開放研究教育,2001(6):23-25.

[3]MerchantZ,GoetzET,CifuentesL,etal.Effectivenessofvir-tualreality-basedinstructiononstudents'learningoutcomesinK-12andhighereducation:Ameta-analysis[J].Computers&Education,2014(70):29-40.

作者:薛濤 鄧業(yè)鵬 范世旭 許雅晴 蒯支睿 單位:中南大學計算機學院