裴培

（陜西師范大學 教育學院，陜西 西安710062)

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、可穿戴技術(shù)、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸滲入人們工作、學習生活的各方面。上世紀八十年代，就有虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中的應(yīng)用案例，只因當時的硬件發(fā)展水平較低，因此未得到廣泛的關(guān)注。而在21世紀，隨著硬件的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也得到了較快的發(fā)展，不僅為教師教學創(chuàng)設(shè)了新的教學環(huán)境，增添了新型教學工具，還有可能孕育出新的教學策略、方法以及模式。此外，它還為創(chuàng)客教育、STEAM教育賦予了新的生機與活力[2]，激發(fā)學習者的學習興趣，促使他們在愉快的心態(tài)下在體驗中學習，進而培養(yǎng)其想象力與創(chuàng)新思維，為發(fā)展21世紀學生的核心素養(yǎng)提供保障。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的定義

當前，對于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）的定義，仍然眾說紛紜，但是從總體上來看，其本質(zhì)沒有發(fā)生變化，人們普遍認為VR是一種計算機仿真系統(tǒng)[3]。VR是一種通過多種技術(shù)，利用計算機生成逼近現(xiàn)實的模擬情境，模擬人的多種感覺行為，借助頭顯、手柄等裝置進行自然的人機交互，給人以身臨其境般的體驗的技術(shù)。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

對于VR的特征的認識，大多數(shù)人比較認可Coiffet與Burdea G的說法，即沉浸性、交互性與想象性[3]。

（1）沉浸性（Immersion）

沉浸性，簡而言之就是用戶感到自己本身是模擬世界中的一部分，具有“感同身受”、“身臨其境”的感覺，像在真實世界中一樣具有主動性，參與虛擬世界中的活動。當人們在任意位置，深處VR環(huán)境時，都可以像鳥類一樣體會翱翔的感覺，像游魚一般體驗水浪搏擊的痛快，而這比之普通的視頻給人類帶來更為震撼的體驗。

（2）交互性（Interactivity）

交互性，主要是指用戶與虛擬環(huán)境中的對象交互操作。過去，人們主要以鍵盤、鼠標等設(shè)備進行人機交互，而VR環(huán)境中的交互，主要是由人以手勢、體式、語言等自然方式與計算機進行互動，這樣，人可以感覺到自由落體、粗糙、疼痛等多種感覺，仿似在真實情境中一樣。

（3）想象性（Imagination）

想象性，主要是指VR為人類認識和改造世界提供了嶄新的方法，促使人們思考并構(gòu)想真實世界中并不存在的事物或者當下沒有條件一覽的事物，進而提高認識，加強聯(lián)想。例如，學習者可以利用Tlit Brush、Blocks等工具進行三維創(chuàng)作，抓住一閃而過的靈感，使頭腦中想象的事物像搭積木一樣變?yōu)楝F(xiàn)實。

但是，也有部分教師及家長認為VR的使用可能會限制學生想象力的發(fā)展，主要是因為VR可以將抽象的知識具體化、場景化，這種“一覽無余”的呈現(xiàn)手段，在給學生帶來多種感官刺激的同時，卻在時間、空間上都給他們帶來了想象與幻想的限制，可能會造成學生的“同質(zhì)化”發(fā)展，阻礙了教師對其創(chuàng)造性的培養(yǎng)，不利于學生個性化的發(fā)展。當前，對于VR是否能有效提高用戶的高階思維（如批判性思維、創(chuàng)造性思維等）的培養(yǎng)與發(fā)展，還缺乏大量的實證研究與實驗數(shù)據(jù)支持。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用

根據(jù)Edgar Dale著名的“經(jīng)驗之塔”理論以及美國緬因州國家訓練實驗室提出的“學習金字塔”理論，可得知學習者參與學習情境的程度愈高，記憶亦愈牢固。VR課堂帶來的沉浸感促使學習者在虛擬情境中進行任務(wù)的操練。學習者可操控各種物品，與復雜的各種方程式、天體、古建筑等進行三維互動。再者，VR技術(shù)帶給學習者全新的學習體驗，對于激發(fā)他們的學習積極性與創(chuàng)造性也大有裨益。以下主要從課堂教學、實驗教學以及安全教育三個角度進行闡明。

1.理論知識——課堂教學

常言道，“耳聽為虛，眼見為實”，在教師的教學經(jīng)歷中，常常會遇到有些學生考試成績很不錯，在課堂上對于教師提出的問題也可以流利應(yīng)答，但是他們本身又對學習到的知識存在困惑、批判或質(zhì)疑，這與他們對內(nèi)容的理解或想象存在偏差不無相關(guān)。VR對于糾正學習者對概念理解的偏差或者加深與驗證正確的理解有一定的幫助。

從心理學的角度來看，學習者對于“放大”自己、“縮小”自己以及“穿越時空”很感興趣。所以，當學習者借助VR，佩戴相應(yīng)設(shè)備，遨游太空，感受整個太陽系就擺在自己面前，“親眼”觀看太陽系中各行星的表面狀態(tài)、運動軌跡及其相應(yīng)位置時，更能準確且深入地理解所學地理知識，體驗“放大”自我的樂趣。當學習者借助VR，仿佛進入顯微鏡下的世界，感受血液的流動，用觸控筆剖開細胞，觀察細胞的結(jié)構(gòu)，體會細胞的增殖及新陳代謝。而且，借助教育游戲還可以模擬癌細胞與正常細胞的變化，理解這兩類細胞的特點，感受“縮小”自己的樂趣。當學習者借助VR，“穿越”到白堊紀時期，可以親自觀看恐龍的生活習慣及其生活環(huán)境，讓想象更豐滿，寫出更具震撼力的作品，繪出更炫目的畫作。

VR為學習者在課堂上進行合作學習也拓寬了思路。例如，zSpace所推出的一體式虛擬現(xiàn)實解決方案，不必佩戴笨重的3D眼鏡或頭盔，學習者就可以輕松進行協(xié)作學習與個性化自主學習。

2.實踐操作——實驗教學

虛擬現(xiàn)實仿真實驗室為師生開展實驗教學與學習提供了重要平臺。在一些技能訓練任務(wù)中，學習者可以借助虛擬實驗室按需進行數(shù)次操作練習，這樣，學習者在不斷的假設(shè)、實驗、驗證等過程中逐漸提升批判性思維、問題解決能力，進而提升自身核心素養(yǎng)。

圖1 VR仿真實驗室

例如，Michael Bodekaer團隊借助智能手機與VR頭盔為學習者提供了全方位模擬的價值百萬的常春藤實驗室（如圖1所示），學習者可以利用實驗室中的各種設(shè)備做多種多樣的實驗，如聚合鏈酶反應(yīng)（PCR）、瓊脂糖凝膠電泳等等[4]。此外，虛擬現(xiàn)實仿真實驗室中還包括下一代的基因測序機器、顯微鏡、學生自己的實驗機器設(shè)備以及智能平板，學生可以用它查詢相關(guān)知識，觀看相關(guān)視頻及其他內(nèi)容。更重要的是，實驗室中還有作為學生實驗助理的教師，可以指導學生在實驗室中完整的操作。VR實驗室還為學生提供了PCR機器，有了它，學習者能夠獲得即使在現(xiàn)實實驗室中也不能嘗試的經(jīng)歷與體會，PCR機器允許學習者在理論上將自己縮小一百萬倍，幾乎與分子大小一般，切實體會到實驗對象正在發(fā)生的變化。

眾所周知，教師在開展實驗教學中最先突出強調(diào)的就是實驗操作的安全性問題，而VR實驗室對于降低安全風險有一定幫助。比如做關(guān)于沙氏門菌的認識這一實驗，基于安全性的考慮絕大多數(shù)學校都不會安排實驗課，然而這一實驗內(nèi)容又包括極其重要的知識點，這樣，VR實驗室就可以“一展拳腳”了。

此外，也有專家研究采用VR教學對學習者學習效果的影響，例如有心理學家對來自斯坦福大學和丹麥技術(shù)大學的160名學生進行準實驗研究，即將實驗對象分為2組，實驗組采用VR實驗室教學，對照組仍采取傳統(tǒng)教學方法，在相同的時間內(nèi)開展教學，結(jié)果表明，實驗組比對照組學習效果高76%，研究人員進一步的實驗還表明，當教師采用VR實驗室教學并加以現(xiàn)場指導時，學習者的學習效果提高了101%，實現(xiàn)了翻倍的可能。當前，對采用VR進行教學的應(yīng)用效果的研究，從整體上來看，絕大多數(shù)研究都表明VR在教育領(lǐng)域存有巨大的潛力，對學習者的學習具有積極的影響。

3.安全教育

當前，國內(nèi)甚至國際上越來越強調(diào)“以人為本”的理念，因此，安全教育就更是具有舉足輕重的地位。但是，傳統(tǒng)的學校安全教育方式主要是理論灌輸或者在理論知道的前提下進行實地模擬，而只采用理論教導進行安全教育，常常會產(chǎn)生效果甚微的結(jié)果，當理論教導與實地模擬相結(jié)合開展安全教育時，又需要花費大量的人力、財力來部署模擬環(huán)境，在實地操作時，甚至可能發(fā)生事與愿違而又無法估量的安全事故。

而將VR運用到安全教育環(huán)節(jié)，有可能減少以上損失，甚至達到事半功倍的效果，使學習者在安全體驗中實現(xiàn)安全教育的目標。這是因為VR可以根據(jù)學習者自身特點、災(zāi)害類型以及災(zāi)害大小為他們提供有效的應(yīng)急方案，學習者在安全體驗中可能會感到重物沖擊身體的疼痛感，感到規(guī)避障礙物的成就感，感到洪水淹沒的窒息感，當其完成一次體驗后，VR會根據(jù)學習者的運動數(shù)據(jù)給予反饋，而學習者可以據(jù)此進行新一輪的體驗，逐漸提高自身安全意識以及應(yīng)對風險的實踐能力。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于教育領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)

將VR引入教育領(lǐng)域，除了因為其自身沉浸性、交互性等特點外，還因為借助VR在一定程度上能夠體現(xiàn)出建構(gòu)主義理論以及認知理論的要求，此外，部分相關(guān)實驗也表明VR對于學習者的學習具有積極影響[5]。但是，從教師、學生、教學內(nèi)容等教學要素來看，將VR引入教育教學領(lǐng)域，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。以下主要從媒體技術(shù)的性能、教師的教學內(nèi)容、學生的操作技能三方面進行說明。

1.提升人機交互的自然性

雖然VR頭顯設(shè)備能給人帶來沉浸感，但是用戶的體驗效果并未達到理想效果，比如對眩暈問題的處理就并未完全實現(xiàn)突破性的進展。因此，未來VR的發(fā)展需要采取更適合于人的多種感官知覺以及語言的人機交互方式，促進用戶之間的溝通與合作。

2.改進教學內(nèi)容的科學完整性

VR應(yīng)用于教學中也存在多種多樣的問題，對于教師而言，所面臨的挑戰(zhàn)主要突出體現(xiàn)在VR教學內(nèi)容設(shè)計的科學性與系統(tǒng)完整性。VR在教學中若要實現(xiàn)規(guī)模性的發(fā)展，就需要學校、企業(yè)、教師、研究人員等根據(jù)學習者的學習風格、學習策略等學習特點，開發(fā)與設(shè)計系統(tǒng)而又完整精良的VR教學內(nèi)容，其中還包括VR教學情境、知識點等多種內(nèi)容的規(guī)劃與設(shè)計，促使學習更加有效地發(fā)生，并避免學習者認知負荷超載[6]。此外，VR應(yīng)用于教學時，教師對學習者的學習過程及結(jié)果的評估也存在困難，因此研究人員需要對該模塊進行更加細致的開發(fā)，教師也要采取輔助方法加強對學習者學習過程的跟蹤與記錄，最終利用數(shù)據(jù)進行科學有效的評估。

3.提升操作實踐技能

對于學習者而言，VR應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)一方面體現(xiàn)在學習者的VR操作技能上，部分學習者不能熟練操作VR設(shè)備，完成教學任務(wù)。然而，學習者若對VR產(chǎn)品不能靈活熟練地進行運用，就可能會產(chǎn)生抵觸情緒，甚至引發(fā)焦慮，最終與教師期望背道而馳，影響教學效果。因此，教師以及相關(guān)研究人員需要針對這一現(xiàn)象對學習者開展相應(yīng)的技能訓練，以適應(yīng)信息時代生存與學習發(fā)展的需要。

四、總結(jié)與展望

在信息技術(shù)與課程不斷融合的信息時代，可穿戴技術(shù)、自適應(yīng)學習技術(shù)、3D打印等新技術(shù)不斷滲入到學習的方方面面，VR也因其自身優(yōu)越性及其對教學的促進作用，頗受教育工作者的青睞。比如，VR的沉浸性特點對于激發(fā)學習者的學習興趣、進行個性化學習以及培養(yǎng)其合作探究能力都發(fā)揮出一定的積極作用，而且在技術(shù)應(yīng)用過程中，對于培養(yǎng)學習者的創(chuàng)客精神及核心素養(yǎng)也具有重大意義。

但是，國內(nèi)對于VR的教育應(yīng)用還處于嘗試的初級階段，VR自身在設(shè)備性能、資源設(shè)計、教學方法、教學評估等方面仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。此外，還要注意避免舍本逐末，重視技術(shù)而忽視教學的現(xiàn)象的發(fā)生，始終秉持技術(shù)服務(wù)于教學的理念。要實現(xiàn)VR與課程的融合還有很長的路要走[7]，需要學校、政府以及相關(guān)企業(yè)鼎力配合，共同挖掘VR的潛能，設(shè)計并開發(fā)優(yōu)質(zhì)資源，使之更好地滿足智慧教育的需求。隨著軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，相信VR有朝一日定能在教學中發(fā)光發(fā)亮。

參考文獻：

[1]張枝實.虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的教育應(yīng)用及融合現(xiàn)實展望[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2017,27(1):21-27.

[2]王同聚.虛擬和增強現(xiàn)實(VR/AR)技術(shù)在教學中的應(yīng)用與前景展望[J].數(shù)字教育,2017,3(1):1-10.

[3]丁楠,汪亞珉.虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用:優(yōu)勢與挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2017,27(2):19-25.

[4]Michael Bodekaer，This virtual lab will revolutionize science class[EB/OL].http://www.ted.com/talks/michael_bodekaer_this_virtual_lab_will_revolutionize_science_class，2016-06-07.

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

[6]Maciasdiaz，J.E.(2008).Numerical study of the transmis-sion of energy in discrete arrays of sine-Gordon equations in two space dimensions［J］.Physical Review E Statistical Nonlinear&Soft Matter Physics,77(2):981-984.

[7]喻思孌.虛擬現(xiàn)實，路還很長[N].人民日報,2016-06-06(018).