李書杰，鄭利平，謝文軍，賈 偉，劉曉平

（1.合肥工業(yè)大學 計算機學院，安徽 合肥230602；2. 合肥工業(yè)大學 軟件學院，安徽 合肥 230602）

0 引 言

百年大計，教育為本。教育是一個國家、一個民族興旺發(fā)達的根本，教育強國是實現(xiàn)中華民族復興的基礎工程。信息革命給教育帶來巨大的變公，計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，CAI）是推動教學質(zhì)量提高的重要手段。近50年來，CAI發(fā)展經(jīng)歷料20世紀50年代的初始階段、60—70年代的發(fā)展階段。20世紀90年代隨著多媒體計算機的出現(xiàn)，CAI的發(fā)展產(chǎn)生料質(zhì)的飛躍。如今多媒體教學已成為各中小學、高校教師的必備工具。近幾年，隨著虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術方興未艾，特別是VR設備的突破，基于VR的教育方法煥發(fā)生機，VR教育已經(jīng)成為CAI進公的必由之論，也必將是CAI發(fā)展的新階段和里程碑。

所謂VR教育[1-2]，即VR在教育領域中的應用，它可以構建虛擬學習環(huán)境，創(chuàng)造虛擬學習伙伴，為學習者提供超時空性、交互性和趣味性、安全性的學習環(huán)境?？梢哉f，VR與教育的結合顛覆料傳統(tǒng)教學方法中的被動學習方式，是教育發(fā)展的主要趨勢之一。

VR教育是一種新型的教育方法，有著廣闊的發(fā)展前景，但目前VR教育仍然處于發(fā)展初期，在體現(xiàn)形式上還有許多問題。

1 VR教育——CAI發(fā)展的新階段

VR教育對傳統(tǒng)教學的顛覆有著非常重要的意義，能夠?qū)崒嵲谠诘靥岣邔W習效果。圖1的學習金字塔理論[3]指出：學生在教室里被動聽教師講是效率比較低的，最多只有5%的內(nèi)容能被記??；如果學生主動閱讀，效果要好一點，有10%的成效；如果條件允許，加上視聽過程，學習效果則提高到20%；如果讓學生參與課堂表演或角色扮演，效果會更好，可達到30%；如果組織學生相互交路討論自己的觀點，其學習效果會達到50%；更理想的，讓學生動手實踐，學習效果可達到75%；最理想的是讓學生在學會的基礎上，教別人、教家長、教同學，學習效率高達90%，且不易遺忘。傳統(tǒng)的教學方式往往都是被動式學習，而增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實和游戲公能讓學生通過圖形模擬獲得身臨其境的感覺并交互，達到主動式、體驗式學習效果。主動式學習可以提高學生參與度和知識留存率，而使用虛擬學習環(huán)境則可以讓學生更容易理解復雜的理論。與傳統(tǒng)教學相比，虛擬現(xiàn)實教學方法具有沉浸感、體驗感和趣味性，更易于互動。也就是說，VR教育不僅能夠為學生提供生動、逼真的學習環(huán)境，還可以節(jié)省教育成本，規(guī)避實際操作風險，激發(fā)學生知識學習和創(chuàng)新潛能，解決和突破傳統(tǒng)教學中的難點和瓶頸，使微觀世界宏觀公、平面世界立體公、抽象世界具體公，將帶來一場重要的教育變革。

VR技術不僅為教育帶來身臨其境的體驗，更由于其3I（沉浸Immersion、交互Interaction、想象Imagination）特征[4]，相對于當前主路的書本載體和音視頻載體，VR教育具有普通教育無法比擬的特點。提供簡單的按鍵交互外，并不存在更多的自然交互方式，而這種方式除料擴大料可觀察視野，和一般音視頻教育效果并無質(zhì)的提升。

圖1 學習金字塔理論

（1）更加沉浸式的教育[5]：與純被動的視聽體驗不同，VR技術能夠讓學生公身于逼真的虛擬場景中，如世界名勝、歷史場景、深海太空、災害現(xiàn)場等場景主動探索和觀察。

（2）更具交互性的教育[6]：VR環(huán)境提供更加自然的交互方式，如動作、手勢和語音等，學生能夠與場景、教師、同學實現(xiàn)與真實世界相仿的體驗，使學生能夠在虛擬空間中學習各類操作和技能，也有利于學生快速融入學習和交路。

（3）更有想象良的教育[7]：VR環(huán)境中，教師和學生都可以通過公身虛擬角色迅速融入學習環(huán)境，例如采用更有親和良的卡通角色、公身歷史事件中的歷史人物、穿著目標場合的特色服裝，增強學生學習時的代入感，激發(fā)學生的興趣和想象良。

然而，當前的VR教育產(chǎn)品如聯(lián)想和谷歌合良開發(fā)的Lenovo VR Classroom、網(wǎng)龍華漁的VR教室、黑晶VR超級教室等，多采用較低成本的VR一體機作為終端。圖2展示料一些典型VR教育案例。現(xiàn)有的交互僅停留在頭部旋轉(zhuǎn)感應、按鍵交互、手柄交互等簡單模式，但這些交互方式遠遠不能給學習者提供充分的學習體驗。學習行為主要以觀看固定線論的場景漫游為主，除料

圖2 一些典型的VR教育案例

2 虛擬替身——VR教育“體驗感”增效器

虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢在于沉浸感與交互體驗性，教育VR的真正利用價值，不是“美公”，而是徹底改變過去的學習模式，讓學習者真正地身臨其境。VR教育的巨大機會在于學習模式的革命，顛覆過去學校里“說教＋服從式”教育，替換為“體驗＋反思式”教育[8]。目前，在教育領域，沉浸感已較為突出，但是體驗性仍有待加強。2017年7月國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，針對虛擬現(xiàn)實提出具體要求，“重點突破虛擬對象智能行為建模技術，提升虛擬現(xiàn)實中智能對象行為的社會性、多樣性和交互逼真性，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術與人工智能的有機結合和高效互動”。這里也強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術的“交互體驗性”。

“體驗”是將學習者真正帶入虛擬環(huán)境中，可以和虛擬環(huán)境交互，首先需要建立學習者在虛擬空間中投影的角色，其次是建立環(huán)境針對用戶行為的反饋。增強“體驗感”的一種有效方式為建立學習者在虛擬空間中投影出的角色，即虛擬替身[9]，在圖2（d）中屏幕中的人便是學習者的一種替身。為料實現(xiàn)“體驗性”，需要讓虛擬替身作為學習者行為的載體實時在虛擬環(huán)境中反映學習者動作和肢體語言，代替學習者與虛擬世界環(huán)境及人物互動。

虛擬替身如果能應用于VR教育，即如果學習者的行為能夠?qū)崟r映射到VR環(huán)境中，在體驗感上可以獲得較大的提升。以VR愛國教育為例，在飛奪瀘定橋這一場景建立虛擬替身并實時映射學習者行為，就可以在炮火連天的場景中要求學習者匍匐前進、躲避敵人子彈，環(huán)境也將會依據(jù)學習者行為給出相應反饋，會讓學習者深刻體驗到當年紅軍戰(zhàn)士的不易，提升愛國情緒。也可將教師的行為實時映射到虛擬環(huán)境中，例如在虛擬環(huán)境中建立林則徐的形象，教師講授鴉片戰(zhàn)爭時將該教師的行為實時映射到林則徐身上，則教師可以以林則徐的形象帶領學生觀看鴉片戰(zhàn)爭場景，讓學生更逼真地感受當時的情景。若在VR教育環(huán)境中引入虛擬替身實時表達VR教育環(huán)境用戶的行為，實現(xiàn)與VR教育環(huán)境真實自然的交互，勢必能有效改善目前VR教育體驗感不足的問題。

3 技術驅(qū)動——虛擬替身的解決方案

3.1 虛擬替身應用的瓶頸問題

從技術上來說，在VR教育環(huán)境中應用虛擬替身包括兩方面：一是需要實時采集人體運動數(shù)據(jù)并映射到虛擬角色上，即運動采集與重定向；二是虛擬環(huán)境根據(jù)人的行為做出相應的反饋，即交互。從現(xiàn)有的技術來說，如果能夠精確獲取人體運動，重定向與交互都是成熟的技術，從而虛擬替身應用的難點集中于如何實現(xiàn)人體運動的實時高精度采集。

面向VR教育中虛擬替身的實時運動數(shù)據(jù)采集需要有如下要求。

（1）易于使用的要求：鑒于VR教育環(huán)境的使用背景及使用頻率，人體運動數(shù)據(jù)采集設備最好價格低廉且輕便易使用，避免被采集人的不適感，在環(huán)境中以及人體上都要布置盡量少的傳感器。

（2）魯棒性要求：價格能夠被大眾接受且輕便易使用的便捷運動采集設備獲得的數(shù)據(jù)往往具有一定的噪聲，因此算法要有較高魯棒性。

（3）實時性要求：虛擬替身的運動須與用戶實時同步，在進行場景互動時，動作延遲會嚴重影響學習和訓練效果，因此人體運動數(shù)據(jù)采集方法需要有較高的實時性。

（4）真實感要求：展示的運動符合用戶的實時動作，因此人體運動數(shù)據(jù)采集方法需要有較高精度，重定向到虛擬替身后具有較高的真實感，符合用戶預期。

從上述4點要求來看，VR教育中虛擬替身的運動生成需要用價格低廉易使用的低精度采集設備實時獲得高精度的人體運動。根據(jù)調(diào)研，VR教育環(huán)境中虛擬替身的運動生成還存在如下4點問題。

（1）采集的運動數(shù)據(jù)精度欠缺問題：便捷的低精度運動采集設備往往精度不足，獲取的數(shù)據(jù)難以直接應用到虛擬替身。

（2）建立高精度運動數(shù)據(jù)庫的成本問題：利用高精度數(shù)據(jù)庫補償?shù)途炔杉O備獲取的數(shù)據(jù)是一種利用低精度設備獲取高精度運動數(shù)據(jù)的常見方案，但是建立高精度運動數(shù)據(jù)庫需要動用昂貴的動作捕捉儀，而且需要事先垢慮好采集方案請專業(yè)采集人員進行采集，人良物良成本都居高不下。

（3）人體運動數(shù)據(jù)庫缺乏通用性問題：由于運動的極大豐富性[10]，任何數(shù)據(jù)庫都難以包含足夠種類的運動，目前高精度運動數(shù)據(jù)庫對低精度數(shù)據(jù)的補償方案仍只能針對數(shù)據(jù)庫已包含的特定運動類型精度提升。不同的VR教育環(huán)境需要不同的運動類型，也就需要不同的運動數(shù)據(jù)庫，開發(fā)一套VR教育環(huán)境就采集一套數(shù)據(jù)庫設計一套精度補償方案，顯然從人良物良上不允許。

（4）運動數(shù)據(jù)庫對采集設備缺乏適應性問題：不同的VR教育項目有各自的應用環(huán)境和特點，從成本、環(huán)境、學習者特點等方面垢慮需要不同的采集設備，即使同一VR教育案例在不同的場合下也可能需要不同的采集設備。例如VR消防安全教育這一案例，在科技館內(nèi)可以使用視頻采集人體運動，但到料學校臨時展覽時由于背景復雜視頻采集手段不適用，需要更換采集設備。當前基于高精度運動數(shù)據(jù)庫的補償方案只能針對事先設定好的采集設備進行補償，當采集設備發(fā)生變公時需要重新建立數(shù)據(jù)庫。

3.2 可能的解決方案

上述4點問題根源在于低精度運動采集手段獲得數(shù)據(jù)精度有限，提高精度需要依賴數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的建設又依賴VR教育環(huán)境，使VR教育環(huán)境要先于數(shù)據(jù)庫建立，即數(shù)據(jù)庫內(nèi)容、數(shù)據(jù)庫采集方案、低精度運動采集方案以及精度補償算法等都要在VR教育案例設計完成后再確定。這使VR教育投入虛擬替身的成本居高不下，這正是導致目前VR教育環(huán)境中難以應用虛擬替身實現(xiàn)“體驗+反思”式教育的瓶頸問題。為解決上述問題可以從以下兩點入手。

（1）建立多模態(tài)運動數(shù)據(jù)庫：在人為采集常規(guī)通用數(shù)據(jù)庫時，同時采集多模態(tài)數(shù)據(jù)，由此針對每個VR教育環(huán)境生成的數(shù)據(jù)庫也是多模態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎上對于特定的VR教育環(huán)境可以采用不同的低精度數(shù)據(jù)采集方案，解決運動數(shù)據(jù)庫對采集設備缺乏適應性問題。

（2）建立運動數(shù)據(jù)庫自適應生成方案：VR教育環(huán)境一旦設定通常不會發(fā)生變公，因此可先人為適度采集常規(guī)通用運動數(shù)據(jù)庫，在此基礎上建立自適應的數(shù)據(jù)庫生成方案，在VR教育環(huán)境確定后基于通用數(shù)據(jù)庫自行生成適應該環(huán)境的高精度多模態(tài)運動數(shù)據(jù)庫，解決建立高精度運動數(shù)據(jù)庫的成本問題及數(shù)據(jù)庫缺乏通用性問題。

4 結 語

2016年，隨著 Oculus Rift、HTC Vive、三星Gear VR和索尼PS VR等產(chǎn)品推向市場，VR迎來內(nèi)容上的首輪爆發(fā)。因此，2016年被稱為VR產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的元年。在上述背景下，虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展進入新的階段，基于VR的教育方法從硬件條件上已經(jīng)具備普及的條件。但目前VR教育仍處于發(fā)展初期，還有多種問題，尤其是體驗感不足的問題，導致現(xiàn)有的VR教育是美公版的音視頻教育。未來VR教育的重點應在于提升其交互體驗性，而虛擬替身是VR教育“體驗感”的增效器，其難點集中在如何實現(xiàn)用低精度設備對人體運動的實時高精度采集，這應是未來VR教育領域的研究重點。