vr在教育领域的应用案例分析

现代社会的电子信息技术自从计算机诞生以来就得到了飞速发展，人们不满足于二维平面等级的人机交互界面，开发了一系列帮助人们进行多元化人机交互的辅助工具。输入设备从最传统的键盘、鼠标，发展到今天的触摸板、眼球测位仪、语音识别，输出设备也从简单的显示屏、扬声器发展出各种形态。在硬件设备进化的同时，人机交互的“内容”即软件与信息层面也发生着急速变化。从最初的二进制数字到后来的命令提示符字符串，再到后来的桌面化操作系统及多媒体声像，时至今日人们已经掌握了足够顶层的技术以使用计算机来模拟日常所见的真实场景，而这种技术的代表作之一、同样也是未来信息技术领域最有发展前景的技术之一，就是虚拟现实技术。

随着教育形式的多样化以及前沿信息技术在教育领域的深入应用，VR/AR 学习环境推动越来越多的教育学者通过重塑学习方式回归教育本质，对培育创新型人才和教育普及产生了深远的影响。本文在介绍VR/AR 概念的基础上，阐述了国际VR/AR 的教育应用现状，介绍了经典的VR/AR 教育案例开发与实证结果，有助于我们更加深刻地认识信息化教学模式构建的一般规律。当然，VR/AR 在教育领域的应用还处于早期阶段，在教育领域的应用既有发展机遇，也还面临着一些挑战。在未来的研究中，应该深入研究VR/AR 学习环境如何支持学与教，以提升学生在课堂教学中的学习效果，为教育教学模式的改革创新实践提供经验和启示。

虚拟现实在教育领域的应用

不难看出VR技术在传递信息方面是多媒体技术的一大突破。VR所传递的信息不仅仅是简单的图形、声音或者超文本，而是一系列实时生成的拟真声像信息、触觉和运动感知（未来还要加上嗅觉和味觉）等。VR最大的特点就是“身临其境”，这和教育原理中的“情景构建”理论不谋而合，因此将VR应用到教育领域也成为一个较为热门的研究方向。

早期的探索中，人们可以利用VR技术构建虚拟场景及理想实验，在输入参数后运行就可以观察演化过程，美国就曾有利用3D场景复现推翻传统火灾救援理论的实例，且成本相比真实的火灾实验大为降低。而在现在，VR技术由于其高度拟真和不受时空限制的特性，可以为学习者提供各种各样的虚拟场景供他们细致观察，甚至投入其中进行实验或操作。

下面列举了几种典型的VR在教育领域的应用：

1 VR训练场和实验台

顾名思义，VR训练场和实验台就是在虚拟世界中构建出实验场所来供学习者进行活动与操作。由于操作对象从实际存在的物体变成了虚拟世界中的模型，允许操作方式会随着教学设计者的设计精细程度而增加或者减少（一般是减少），设计者可以给出较为精简的操作流程提示告知学习者应当怎样控制和处理“眼前”的对象。同时，即使学习者由于失误导致实验失败，也不会造成实际的财产损毁甚至生命危险，是一种相对安全的训练方法。例如，我们可以在3D实验室中进行制造TNT并试爆的化学实验。由于真实世界中的一些操作要根据操作对象的力的反馈（严格来说是除声光形式以外的反馈）获取信息，对硬件就提出了一定要求。现在已经投入应用的力反馈装置包括内置振动器的手套、外形仿真的笔等装置。

2 科技研究与模拟观测

这种应用主要是上一种应用的改版。相比高度的可操作性，科技研究与实验观测更注重让用户观察到更多更精确的有效数据以供后续分析或使用。因此，这种应用重在以高度拟真的方式，将一些难以观测的现象放到虚拟世界中，让用户以更为舒适便捷的视角或时间测度进行观测，相应地也要由系统给出真实实验中应当观测到的数据。例如，我们可以利用VR系统重建某次天体碰撞的场面及数据分析。这种应用对硬件设备的要求不高，主要还是对计算机系统的运算能力提出了要求。

3 虚拟校园

“不出门便知天下事”在前互联网时代已经开始逐步实现，而VR系统将赋予这句中国古谚以更新的内涵。相比传统的主要提供音视频及超文本内容的远程教育系统来说，若能用VR系统构建高度仿真的校园，我们就可以克服由于交互性或互动性不足所带来的一系列问题。世界各地的师生可以使用VR校园的软硬件客户端，通过互联网链接到同一个虚拟校园中，像真实处在相同地理位置的学生一样进行他们早已适应的学习活动。

综合上述实例，我们可以看到VR系统在教育领域的应用前景有多么广阔。然而技术本身的发展还不足以创建完全拟真和完全沉浸的虚拟现实世界。

典型VR/AR教学案例

国内外对VR/AR 技术在教育领域应用的关注与日俱增，一些团队也对VR/AR 的教育应用做了尝试，下面通过一些典型案例来展示VR/AR 的教育应用情况。

（一）三维虚拟学习环境

第二人生（Second Life，简称SL）是一部模拟真实社会的大型多人在线角色扮演平台，作为一种沉浸式游戏学习环境，SL 应用在合作式学习中具有较大的发展潜力。

有研究发现，教育技术学、媒体研究、定性研究方法、计算机科学、历史学、女性研究、写作与出版、文化研究和管理学等学科都曾在SL 中被教授过。以语言学为例，学习英语的学生与以英语为母语者在SL 中通过虚拟化身进行口语交流，达到了现实生活中很难实现的效果。

赵晶晶以建构主义为理论支撑，对虚拟现实中开展对外汉语教学活动的要素进行了梳理归纳。以SL 平台为研究载体，选取一个中文教学虚拟岛屿与一个英语教学虚拟岛屿作为案例进行对比分析，重点探讨了开展对外汉语教学的教学环境特征、教学活动特征以及人机交互界面的特点及局限。

基于SL 的学习环境有三个特点：①包含交互和知识建构的沉浸式环境；②所有用户创造维护；③注重网络社交。尽管作为目前用户最多、最流行、相对开放的平台，SL 中却缺乏支持学习过程的管理工具。因此，Sloodle 应运而生。Sloodle，即基于Second Life 的面向对象分布式学习环境，它整合了SL 和目前最具开放特点的网络教学平台Moodle 中的若干功能， 构建了一个方便、有趣的三维学习环境。如图1 展示了Sloodle 的体系结构，它将Moodle 中的二维码功能模块对应改造成自身的三维工具，并用HTTP 协议和XML 远程调用进行通信。

Sloodle 中包含Web-Intercom、MetaGloss、Choicer、Translator 等工具，可支持角色扮演和模拟、协同合作、问题呈现、活动构建（自创对象和属性开发）等教学活动，并能在活动前后和活动过程中对学生进行任务指导。

除了SL，北京师范大学蔡苏等人自主设计开发了一个跨平台的三维虚拟学习环境平台i3DVLE，并在中小学中开展准实验研究，旨在分析和评估三维虚拟学习环境下教学的有效性、学生的学习动机和参与度。针对中小学的学科教学对于三维虚拟学习环境的潜在需求，i3DVLE 中设计了若干教育案例，如太阳系行星运动规律、牛顿运动规律、虚拟大讲堂等。

i3DVLE 被运用到中小学的实际教学中，研究团队通过面对面的交流和网络答疑等方式对学习过程进行协助，了解到了教师和学生的实际应用状况。但是，部分学生的学习成效并不如预期那样好，他们在正式的课堂中能够较好掌握的一些概念，在三维虚拟学习环境中的学习效果却不甚理想。因此，根据教师和学生的一些反馈，团队也做出了很多改进，如添加虚拟教师，给予虚拟教师更多的权限去控制和把握课堂，改进用户的交互工具界面等，完善了i3DVLE 平台的功能。

当前三维虚拟学习环境的发展趋势为：一是用户参与创作，即完全由用户创作学习内容。二是提供探究的空间，与学习管理系统整合。前文介绍的Sloodle 就是一个典型案例，当然它还做得不够完美，为把三维虚拟环境和学习管理系统两种异构的环境更好地融合，还需要有更多的研究工作者和实践人员的努力。三是虚拟与真实的融合。虚拟环境的真实感有赖于图形学的发展，但不管它如何发展，虚拟的毕竟都是虚拟的，而我们的学习活动还都是发生在真实物理世界里，“增强现实” 能使学习者进行学习活动时有更好的体验，应该在教育领域更加普及该种技术。四是三维和人工智能技术深度整合。因学习的复杂性，三维虚拟学习环境若要能完全做到像人类行为，比如自动答疑、自动组卷、自动判卷等，还是比较困难的，需要人工智能界技术的突破。

（二）AR 图书

在教育领域里最早运用增强现实技术的案例是毕灵赫斯特制作的魔法书（Magic Book）。它根据书本内容制作成3D 场景和动画，并且利用一个特殊的眼镜就能让儿童看到虚实相结合的场景，如图2 所示。

顿瑟和霍纳科尔以寓言故事为载体，通过阅读来完成故事设定的挑战性任务，对儿童的学习行为进行观测和分析。研究发现，儿童普遍认为AR 环境新颖有趣。而后他们又根据数据反馈，设计了针对七岁儿童阅读的AR 书，主要分析儿童是如何将真实世界的知识技能与AR 环境建立起有意义的联系的。研究得出，AR 交互与真实世界的交互基本一致，而这种新奇的显示效果使得他们的阅读兴趣大大提升。

在这之后有团队又设计开发了填色绘本，书中图片被涂色后，使用平板拍摄即可显示涂颜色的3D 模型。

蔡苏、宋倩和唐瑶 在2010年提出增强现实学习环境的架构，并基于此实现了一本增强现实概念演示书——未来之书。书中选取了物理学科中的单摆、牛顿定律等实验呈现虚实相结合的效果，如图3 所示。作为国内最早的增强现实书，未来之书参展2010 年第十七届北京国际图书博览会，获得了与会者的好评。