虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代化教學領域中的應用實施

何丹

（遼寧廣告職業(yè)學院）

在2022年11月，國家工業(yè)和信息化部、教育部、文化和旅游部、國家廣播電視總局、國家體育總局這五個部門聯(lián)合發(fā)布了《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃（2022—2026年）》，該計劃的發(fā)布，意味著我國已經相對完善地建立了虛擬現(xiàn)實產業(yè)生態(tài)體系。虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代化教育領域中的廣泛應用，實現(xiàn)了實驗性教學項目與現(xiàn)代信息技術相融合，讓教學內容實施渠道更具寬度、廣度及深度，使教學活動不再受時間和空間限制，大大提升了教學質量和水準。

一、現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代教育教學中的應用概況

2020年在新冠疫情影響下，為了使畢業(yè)生們有一種畢業(yè)的儀式感，美國紐約大學舉辦了一場VR線上畢業(yè)典禮——畢業(yè)巷Grad Alley。畢業(yè)生們可以根據(jù)自己的喜好設計屬于自己的外觀形象并合影留念。加州大學伯克利分校校園因新冠疫情關閉期間，100多名學生和校友一起在《我的世界》（Minecraft）沙盒游戲的虛擬世界中構建了包含學校一百多棟建筑物的整個校園，舉辦了虛擬畢業(yè)典禮。在畢業(yè)典禮上，校長進行了畢業(yè)致辭、授予學位以及畢業(yè)典禮等環(huán)節(jié)，在虛擬場景中甚至創(chuàng)建了教職工們的座位，為身處各地的畢業(yè)生及老師彌補了因疫情不能正常舉辦畢業(yè)典禮的遺憾。這次線上畢業(yè)典禮的舉辦，被視為全球第一場使用虛擬現(xiàn)實技術舉辦的大學畢業(yè)典禮。

2021年12月，中國傳媒大學虛擬校園在百度 “希壤”元宇宙平臺上正式亮相，并面向公眾開放體驗，成為中國首個開放虛擬現(xiàn)實平臺的大學。中國地質大學與騰訊公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，探索元宇宙賦能的現(xiàn)代化高等教育，構建虛擬現(xiàn)實技術在高等教育行業(yè)的智能應用體系。同年10月，清華大學藝術與科技創(chuàng)新基地啟動“元宇宙特別計劃”，運用虛擬現(xiàn)實技術載體進行概念設計表達，呈現(xiàn)未來科技館、博物館、宇宙探索、未來城市等方向的設計作品。

不斷更新迭代的信息技術時刻影響著教學形態(tài)的變革，新冠疫情促使了多種學習形式的產生與發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術在教學領域中的使用開發(fā)，成為了現(xiàn)代教學改革的重要組成部分。以虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實及混合現(xiàn)實為主的虛擬仿真技術，是提高教學質量的重要手段，以其特有的沉浸性、交互性和構想性，使體驗者能夠沉浸其中，打破了傳統(tǒng)教學理論知識的學習壁壘。

（一）AR（增強現(xiàn)實技術）

AR（Augmented Reality）即為增強現(xiàn)實。通過AR技術，我們可以實時的在顯示屏上觀察到仿真的立體模型，全方位多角度地觀察學習，這樣就能將課堂中抽象的、書本上二維的知識以更加全面、更加生動、更加直觀的可交互3D模型方式來呈現(xiàn)。這樣不僅能夠在整體上提升學習者的認知和理解能力，同時也能夠使學習者有一種超脫現(xiàn)實的學習體驗，增加學習興趣。

AR技術主要應用在教育、培訓、數(shù)字出版物和娛樂游戲等領域，并在醫(yī)學類、軍事類、農學類、理工類等相關課程中有相當強的實用性。

（二）VR（虛擬現(xiàn)實技術）

VR（Virtual Reality）即為虛擬現(xiàn)實，它是用來體驗虛擬仿真技術世界的一種技術手段。VR技術的實現(xiàn)需要體驗者通過穿戴設備來體驗虛擬仿真場景，通過VR眼鏡、VR手柄等設備來進行仿真操作。可以融合多種來源的信息內容，使學習者在交互過程中得到三維動態(tài)實景，對肢體行為產生系統(tǒng)化的仿真反饋，能夠沉浸在虛擬仿真的環(huán)境當中。與過去傳統(tǒng)的實訓方式相比，VR仿真技術不必局限于場地、天氣、空間這樣的限制，大大降低了學習成本，可以廣泛地應用在現(xiàn)實的技能實訓當中。在具有一定風險系數(shù)或是需要大量資金、造價較為昂貴的項目中，VR技術不僅可以大大降低辦學成本，也可以解決教育資源短缺這樣的難題。

VR技術廣泛應用于實驗類、工學類、醫(yī)學類和具有實際操作需求的相關課程中。例如通過虛擬現(xiàn)實技術搭建趨近于現(xiàn)實的場景，使用VR眼鏡和手柄，模擬機械操作全套流程，獲得身臨其境的學習體驗，并及時得到教學反饋。

（三）MR（混合現(xiàn)實）

MR （Mixed Reality）即為混合現(xiàn)實，它是虛擬現(xiàn)實技術的進一步發(fā)展，混合現(xiàn)實是指在現(xiàn)實場景當中同步呈現(xiàn)出虛擬場景的信息，為用戶在現(xiàn)實世界與虛擬世界之間搭建一個交互反饋的信息回路，從而大大增強用戶體驗的真實感?；旌犀F(xiàn)實技術實現(xiàn)的前提是能夠將三維畫面與傳感裝置進行同步化處理，雖然三維成像的生成技術已經相對成熟，但是實時成像才是技術的關鍵。為了確保三維圖像在混合現(xiàn)實應用中的真實感官效果，必須要保證15幀/秒以上的圖像的刷新頻率，如需取得最佳效果，則需要在30幀/秒以上。但是現(xiàn)有的傳感設備還不足以滿足最佳體驗效果的需求，力學傳感設備和觸覺傳感裝置的開發(fā)也有待進一步提升，以確保虛擬現(xiàn)實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍。其次，立體顯示和傳感器技術的發(fā)展決定了混合現(xiàn)實中的虛擬交互效果。然而，想要追求最佳的體驗效果，我們現(xiàn)有的傳感設備還有很大的提升空間。觸覺傳感裝置和力學傳感設備的開發(fā)也有待進一步提升，以確保虛擬現(xiàn)實設備的跟蹤范圍和跟蹤精度，從而提供更加逼真的虛擬交互體驗。

MR技術常應用在技能訓練和實操培訓等方向，學習者通過手持或穿戴傳感設備，與虛擬場景中的裝備進行匹配，再與環(huán)境進行相關聯(lián)的互動，實時得到互動反饋，從而發(fā)出下一步操作指令。這種技術手段集合了感知、建模、呈現(xiàn)、交互多方位的學習體驗，通過眼部、頭部、肢體動作捕捉設備進行實時位置定位。由幾何建模來搭建出具體形狀，再進行物理建模，搭配生理建模、行為智能建模等手段進行3D顯示和3D音效間的無縫融合。之后通過設備得到的觸覺、力量反饋和語音識別，來進行體感交互。

二、不同虛擬交互技術手段在教學中的應用

（一）課件及板書標注

1.標注提示

當課件中有圖片需要進行講解時，通過標注，能夠更有效地引導學生進行觀察畫面中所要傳達出的信息。對教學重點、難點進行突出展示。

2.公式推導

公式推導類常常應用在高等數(shù)學等需要解析過程的科目中，優(yōu)點在于能夠在講授過程中，將解題思路、推導邏輯完整、清晰地展示在學生面前。

3.創(chuàng)意繪畫

智慧教室在現(xiàn)代數(shù)字化教育體系中展示出獨特的優(yōu)勢，電子黑白配合VR及AR顯示設備為多種教學手段提供技術支撐。在解析類型的講解中，在板書和課件中使用自由度更高的繪畫功能，授課形式更加靈活多變。

（二）三維模型及場景交互

1.虛擬解剖

在醫(yī)學研究中，動植物的構造有了一個虛擬的解剖形態(tài)，加上動畫展現(xiàn)空間結構、過程演變效果，授課形式更加生動、直觀。能夠大大節(jié)約授課所需要的資源，節(jié)約教學成本。

2.結構展示

對于相對復雜的結構分析，運用可旋轉、縮放、拆解的三維交互模型會使講解更加到位。比如工業(yè)造型、包裝結構設計等科目，使用虛擬交互技術輔助教學，可以更加直觀地展示細節(jié)和結構之間的工作原理，知識點講解更加精準到位。

3.操作演示

講解某些機械設備的操作方法時，單純使用靜態(tài)的二維圖片和文字化的流程記錄太過枯燥，不夠直觀。在沒有實操條件的情況下，通過虛擬仿真技術實現(xiàn)模擬操作，為學習者提供最貼近現(xiàn)實的體驗感，提高學習及培訓效果。

三、虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代教學領域中的特征

（一）教育性

虛擬現(xiàn)實技術使整個教育生態(tài)體系的構建更加具有開放性，無論是在教學過程中所應用到的數(shù)字資源進行便捷的整合與發(fā)放、學習成果階段性考核、還是在課余自主學習等方面，都對教育教學產生了極有利的輔助作用。滿足教師與學生在線下和線上混合式教學中的教與學需求。日常教學不受時間、空間限制，在虛擬環(huán)境中搭建正式與非正式的教學場所，使師生在虛擬的教學場所進行教學互動。

（二）交互性

師生可以以個人實際情況創(chuàng)造數(shù)字化的身份參與學習，并在虛擬教學場所進行教學互動，更加直觀地進行教與學這兩種行為過程。打破了傳統(tǒng)教學理論知識的壁壘，當學生面對抽象的概念時，能夠做到身臨其境，甚至觸手可及。從而幫助學生理解知識點和技能點，充分調動起學生對學習的主觀能動性。

（三）沉浸性

借助虛擬仿真技術，特別是虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實，可以創(chuàng)造出具有強烈氛圍感的學習場景，使體驗者完全沉浸其中。通過讓學生置身于更加真實化的學習情境中，我們可以充分調動他們的五感，讓他們充分感受所處教學環(huán)境的學習氛圍，從而更好地促進他們對知識理論的認知和形成。

（四）持續(xù)性

創(chuàng)新型的學習模式能夠調動學習者的學習主觀能動性，激發(fā)學習熱情。使學生可以隨時隨地、個性化地學習、交流、實踐，將課上教師為主授的學習延續(xù)到課下的自主學習。同時，完整記錄教與學的全部教學環(huán)節(jié)，教師通過數(shù)據(jù)反饋總結教學成果，發(fā)現(xiàn)教學問題，改進教學方法，提高教學質量，促進自身專業(yè)持續(xù)性發(fā)展。

（五）娛樂性

學生根據(jù)自己的發(fā)展目標、個人學習和興趣，以及自身的學習能力，在自主選擇學習方式時，能夠更加自主地選擇自己感興趣的學習方式。這樣，學生能夠更好地發(fā)揮自己的學習能動性和創(chuàng)造性，實現(xiàn)更加有效的學習。還可以借助相關平臺，注冊個人賬戶，定制自己喜歡的角色、場景等，并設置游戲化的學習任務和目標。 在游戲化的學習過程中，充分調動全身感官系統(tǒng)，通過聲音采集設備的指令接收、動作捕捉設備的行為反饋、眼動儀的視覺捕捉、觸摸屏的手勢操作等不同渠道實現(xiàn)行為目的，以近乎真實的、自然的、感同身受的交互來完成學習這一枯燥的行為。借助虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等技術手段，根據(jù)授課計劃及教學目標，游戲化的教學模式為輔助手段，將知識、娛樂融為一體，實現(xiàn)真正意義上的寓教于樂的學習方式。

四、虛擬現(xiàn)實技術對于教育教學的影響

（一）輔助線下教學，改善線上學習體驗。

借助虛擬現(xiàn)實技術與工具，創(chuàng)造出最具還原效果的知識技能應用場景，模擬實際操作，實時檢驗學習成果。傳統(tǒng)教學模式下，需要教師與學生在固定的教學場地，一對多人進行教學，往往不能面面俱到照顧到每一名學生，學習成果的檢驗也需要在課后集中審閱，學生得到的考核結果具有延后性，不能與當堂學習的狀態(tài)銜接。學習效果的實時反饋能夠對學生起到一定的激勵作用，及時得到糾正與指導，實現(xiàn)對學習者在學習過程中得到的結果進行精準評價。降低學習成本，改善學習的認知過程。

（二）去中心化的學習管理，個人定制化的學習。

不再單純以教師為教學主體，學習從被動行為轉為主動行為。為師生進行精準定位，根據(jù)授課內容需求定制多元化的學習場景，能夠為學習者呈現(xiàn)多模態(tài)的學習資源，開展豐富的學習活動形式。實現(xiàn)教育資源的共建共享，并能根據(jù)教學評估及時更新教學配置資源。節(jié)約傳統(tǒng)的收發(fā)作業(yè)形式所花費的時間與精力，不再側重于教師點對點的指導，方便師生更便捷地組織與開展多元學習活動。

五、虛擬現(xiàn)實技術在現(xiàn)代化教育教學過程中出現(xiàn)的問題

（一）技術支持與教學理論的匹配尚不成熟

虛擬現(xiàn)實技術在教育環(huán)節(jié)中雖然已得到廣泛應用，但是如何與教學實施的所有環(huán)節(jié)相匹配還處于早期探索階段，技術支持與底層教育理論尚未成熟。目前階段看來，缺乏專門為教育領域設計和開發(fā)的虛擬現(xiàn)實教育教學產品，在現(xiàn)階段已有的教學應用中，以依托于社交平臺或元宇宙游戲等方式為主，目前仍缺乏能夠保障教育標準規(guī)范化與整體育人體系發(fā)展的政策與技術支持。

（二）對虛擬與現(xiàn)實混合式教學合理配比不夠重視

如果學生長時間沉浸于虛擬的教學環(huán)境和教學方式，可能會產生對現(xiàn)實的逃避意識、過度依賴虛擬環(huán)境而喪失人際交往能力。尤其是在情境化教學、個性化學習、游戲化學習等場景中，雖然能夠實現(xiàn)教學的多樣化，但是智能的教學服務與體驗也會引發(fā)一系列的心理與行為影響，需要教師在教學環(huán)節(jié)中時刻保持教學的輿情監(jiān)控，為虛擬現(xiàn)實技術在教學中的應用環(huán)節(jié)制定合理的教學計劃。

六、未來發(fā)展

在教育部關于產學合作協(xié)同育人項目立項政策的支持下，各院校應積極思考如何使拓展教學空間，豐富教學方法，變革教學方式，創(chuàng)新教學模式，從整體的教學目標、教學環(huán)境、教學方法和教學過程等方面促進教學方式的改革，從而提高人才培養(yǎng)質量。虛擬現(xiàn)實技術恰恰能夠為現(xiàn)代化的教學提供開放性的、創(chuàng)造性的、更加寬泛的教育環(huán)境，使學生個人與社會產生正向的互動引導。通過人機協(xié)同的教育環(huán)境，為學習者呈現(xiàn)多模態(tài)的學習資源，實現(xiàn)教育資源的共建共享，合理配置教育資源。為師生進行精準的人物畫像，支持多元化學習場景的適配，提供豐富多樣的學習活動，方便師生更便捷地組織與開展多元學習活動。使教學評價主體更加多元化，并努力實現(xiàn)過程與結果的精準教學評價，真正實現(xiàn)對學生的知識、能力與素養(yǎng)的多維評價。

七、結語

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術是現(xiàn)代化教學改革的必然選擇，無論是在教學的實施環(huán)節(jié)，還是在教學成果的評價中，都具有相當重要的實施意義與價值。大力推進教學改革的形勢下，作為教育工作者更應當正視現(xiàn)代高精尖產業(yè)的應用價值。在高科技手段輔助下開展實踐教學。在現(xiàn)代化的教學實訓環(huán)節(jié)中，教師可以嘗試將虛擬現(xiàn)實技術應用到教學，使教學環(huán)節(jié)的實施不再受場地、設備、空間、實踐的局限，使教學中的各個實訓環(huán)節(jié)都能夠得到有效實施，滿足不同資質的學生不同的學習需求，提升教學效果和教學質量。