沈陽 逯行 曾海軍

[摘? ?要] 趙沁平院士從虛擬現(xiàn)實技術(shù)內(nèi)涵、虛擬現(xiàn)實與人工智能技術(shù)的結(jié)合、虛擬現(xiàn)實在教育培訓中的應(yīng)用、技術(shù)實現(xiàn)路徑、未來發(fā)展趨勢幾個方面提出了諸多有價值的建議。他提出，隨著技術(shù)的發(fā)展，VR的3I特征已經(jīng)演化為4I特征;與人工智能結(jié)合可能成為終極性的教育技術(shù);VR技術(shù)構(gòu)建的智慧學習環(huán)境，應(yīng)建立在教學參與者較好的信息化素養(yǎng)基礎(chǔ)上，具備體驗性、交互性、可信性與可評價性等特征;深度結(jié)合教與學的過程要素，給出了VR+教育應(yīng)用及研究的10個突破點。同時，呼吁研究者深入探討VR教育活動中何以敬畏和堅持的倫理問題，從倫理層面對教育管理者、產(chǎn)業(yè)界和政策制定者等相關(guān)角色進行倫理規(guī)范。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實; 教育技術(shù); 虛擬仿真實驗; 智慧教育

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的意蘊溯源及其發(fā)展現(xiàn)狀

訪談?wù)撸黑w院士您好！很榮幸采訪您。作為中國VR技術(shù)領(lǐng)域的第一位院士，請您先簡要介紹一下VR技術(shù)及其特點。

趙沁平：我先簡單談?wù)刅R的產(chǎn)生和發(fā)展的必然性。從人類探索自然界開始，模擬仿制真實世界中的對象，為人類生產(chǎn)生活所用，始終是人類實現(xiàn)進步的一個重要方式。比如，“草船借箭”“紙船明燭照天燒”，其中都講述了古代人類用智慧進行簡單的實物仿真?，F(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，將人類的這一追求不斷推向新的階段和高度，如機電類仿真（早期的車輛駕駛仿真）、計算機數(shù)字仿真（早期的飛行模擬器）等。隨著高性能計算、圖形圖像處理、人機交互等計算技術(shù)的發(fā)展，人類模擬現(xiàn)實世界所達到的新高度就是“虛擬現(xiàn)實”。

關(guān)于VR概念的含義，具有代表性的是Wikipedia、Bryson、NASA等給出的定義。早年，我對VR是什么也給出過一種較為嚴謹?shù)谋硎觯禾摂M現(xiàn)實是以計算機技術(shù)為核心， 結(jié)合相關(guān)科學技術(shù)，生成與一定范圍真實/假想環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對應(yīng)真實環(huán)境的感受和體驗[1]。VR具有4I特征，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、構(gòu)想性（Imagination）和智能化（Intelligence）。早期的VR主要具有前三種特征，智能特征是隨著VR技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展相互結(jié)合形成的。此外，常與VR同時出現(xiàn)的還有增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）。增強現(xiàn)實是將計算機生成的數(shù)字化對象或環(huán)境疊加在用戶感知到的現(xiàn)實對象或環(huán)境之上，向用戶呈現(xiàn)出一種虛實混合的新環(huán)境;此外還有增強虛擬（Augmented Virtuality，AV）和混合現(xiàn)實（Mixed Reality， MR）等。廣義的VR包括以上三者，通常人們使用VR的狹義概念，以便于和AR、MR等其他幾類技術(shù)、設(shè)備及其不同的應(yīng)用相區(qū)分。

VR的目標和技術(shù)特點，使其對現(xiàn)有技術(shù)形成一定的顛覆性：它致力于突破二維顯示，實現(xiàn)各種機制的三維顯示;突破鍵盤鼠標的傳統(tǒng)輸入方式，實現(xiàn)手、眼、行協(xié)調(diào)的人景自然交互;突破固定屏幕顯示，實現(xiàn)眼鏡式自由觀看;突破時空局限，使體驗者沉浸在歷史或未來、宇觀或微觀的逼真虛擬環(huán)境中。VR技術(shù)的顛覆性會對人類社會和生產(chǎn)力產(chǎn)生重大影響，許多專家認為VR是繼個人電腦、智能手機之后的新一代計算平臺，是包括教育在內(nèi)的各行業(yè)發(fā)展的新的信息支撐平臺，是互聯(lián)網(wǎng)未來的新入口和新的社交環(huán)境，也是一種新的媒體[2]。

訪談?wù)撸耗鷱?0世紀90年代初開始研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)至今，虛擬現(xiàn)實有了很大發(fā)展，特別是2016年VR產(chǎn)業(yè)熱，被媒體稱作“虛擬現(xiàn)實元年”。請您談?wù)勌摂M現(xiàn)實的主要應(yīng)用和對相關(guān)行業(yè)發(fā)展帶來的影響。

趙沁平：所謂的“虛擬現(xiàn)實元年”，實際上是VR技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，一些新技術(shù)產(chǎn)品進入大眾消費領(lǐng)域，新技術(shù)、新產(chǎn)品帶來的新鮮體驗促成了新的大眾消費市場，巨大的商機引起產(chǎn)業(yè)界、投資界以及媒體的關(guān)注。因此，2016年應(yīng)該是“虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)元年”。實際上，早在30多年前，VR就在多個行業(yè)開始了高端應(yīng)用，如今已經(jīng)在軍事、制造、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域取得了很多應(yīng)用成果。現(xiàn)在，“VR+”已經(jīng)成為一個行業(yè)發(fā)展趨勢。

軍事是應(yīng)用VR比較早的一個領(lǐng)域?，F(xiàn)在VR技術(shù)已經(jīng)全面應(yīng)用于美軍各軍兵種及聯(lián)合作戰(zhàn)訓練，作戰(zhàn)規(guī)劃、預演和決策。進入21世紀，行動更復雜、節(jié)奏更快速、空間更廣闊的未來戰(zhàn)爭，對VR技術(shù)提出了更新、更高的需求。VR技術(shù)應(yīng)用于裝備制造，產(chǎn)生了許多新的制造技術(shù)，如沉浸式設(shè)計、虛擬樣機與評價、虛擬組裝、AR裝拆導引，以及裝備操作維護培訓等。1992年，波音777的管線布局設(shè)計采用VR技術(shù)，縮短研發(fā)周期50%，降低成本60%。近年來，在制造業(yè)界興起的數(shù)字孿生，將VR技術(shù)應(yīng)用于裝備從設(shè)計到操作培訓、售后服務(wù)的整個生命周期。醫(yī)療健康是VR技術(shù)具有廣闊應(yīng)用前景的領(lǐng)域。為了降低手術(shù)技能培訓對動物活體、尸體的依賴，并提高技能培訓的有效性，如口腔手術(shù)模擬器、腹腔鏡手術(shù)模擬器等VR智能醫(yī)教系統(tǒng)已經(jīng)批量應(yīng)用于醫(yī)學教學中;虛擬人體器官和虛擬人體的研究取得進展，將成為全新的醫(yī)藥研究、轉(zhuǎn)化醫(yī)學和醫(yī)學教育培訓的新平臺，為手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)預演與評價、手術(shù)導航以及新藥研發(fā)提供實驗支撐，對醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生顛覆性影響[3]。

我們可以看到，VR在這些行業(yè)的應(yīng)用，拓展了人類的感知能力，改變了這些行業(yè)的產(chǎn)品形態(tài)和服務(wù)模式，使這些行業(yè)得到升級換代式的發(fā)展。教育也是VR的一個極有生命力的應(yīng)用領(lǐng)域，VR是新的強大的教育技術(shù)。

二、虛擬現(xiàn)實與人工智能相結(jié)合可能構(gòu)成

終極性的教育技術(shù)訪談?wù)撸耗鷦偛耪fVR技術(shù)是新的強大的教育技術(shù)，是智慧教育的重要構(gòu)成技術(shù)，依據(jù)是什么呢？

趙沁平：教育技術(shù)的內(nèi)涵和外延，隨著時代的發(fā)展會有一個不斷豐富和更迭的過程。早期的教育技術(shù)主要體現(xiàn)在實物教學模型和相關(guān)教學輔助器具的設(shè)計和制作。計算機、信息技術(shù)的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的出現(xiàn)，開創(chuàng)了教育技術(shù)的新領(lǐng)域，進入教育信息化發(fā)展的新篇章。

計算機、互聯(lián)網(wǎng)為教育信息化提供了平臺，VR則可以為教育教學情景設(shè)計、展示和教學的實施提供全新的平臺和手段。VR校園是智慧校園的基礎(chǔ)，可以隨時隨地線上漫游體驗校園及其開放場所，對校園進行全景安全監(jiān)控等;VR應(yīng)用于教育教學，可以通過情境創(chuàng)設(shè)，使教師、學習者和參與者投入到可感知的逼真的學習環(huán)境中，如微觀世界的分子、原子運動;人體三維器官及組織、循環(huán)系統(tǒng);太空、太陽系;重大歷史事件的場景等，在合理的認知負荷下，提升學生學習動機、投入度和學習績效;基于VR技術(shù)可以進行可交互的實驗教學和技能訓練，特別是危險性高的一些實驗操作（如某些物理電磁實驗、激光實驗、易燃易爆化學物質(zhì)合成實驗）或者現(xiàn)實生活中不可能真實開展的實驗（如人體解剖、高空作業(yè)、體驗相對論世界和黑洞等），從而大幅度提高學習的體驗，強化“具身學習”，加速知識的建構(gòu)。例如，目前，在實驗教學改革進程中，教育部大力推進的國家虛擬仿真實驗教學項目，利用網(wǎng)上做虛擬交互實驗的方式，降低對實體實驗室的依賴，就解決了許多因現(xiàn)實條件、資源不均衡等導致的實驗教學問題。此外，VR/AR圖書的出現(xiàn)，將傳統(tǒng)紙質(zhì)圖書內(nèi)容動態(tài)地、立體化地呈現(xiàn)給讀者，形成對傳統(tǒng)閱讀方式的顛覆，極大地提升了圖書的閱讀沉浸感和理解效果?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些VR/AR教育類圖書，收到較好效果，這將對未來的教學用書和教學方式產(chǎn)生深遠影響[4]。

綜上可見，通過VR技術(shù)可以實現(xiàn)任何設(shè)想的教育教學環(huán)境，使學習者沉浸式體驗學習對象和教學過程，拓展并深化教育信息化的維度和內(nèi)容，同時，會催生新的教育教學模式和方法。因此，可以說VR開啟了一種全新的教育技術(shù)。

訪談?wù)撸耗嗄昵爸赋鯲R與AI相互滲透融合是必然趨勢，VR的特征已經(jīng)由3I發(fā)展為4I，VR+AI可能成為終極性教育技術(shù)。為什么會有如此判斷？您認為VR+AI對未來教育會帶來什么影響？

趙沁平：VR和AI技術(shù)有天然的關(guān)系，且呈現(xiàn)出“你中有我、我中有你”的融合趨勢。隨著VR應(yīng)用不斷拓展深化，越來越多地需要表現(xiàn)VR環(huán)境中各種自主個體和群體對象的信念、愿望、意圖等高層次精神狀態(tài)和復雜行為，于是引入了AI中關(guān)于Agent的建模方法。此外，隨著VR技術(shù)和AI技術(shù)的不斷發(fā)展與相互滲透，VR交互的智能化和VR對象及內(nèi)容生產(chǎn)的智能化、自動化也在不斷增強。VR與AI的這種融合，非常適用于分布式虛擬仿真條件下的教育場景應(yīng)用。可以實現(xiàn)虛擬課堂、虛擬實驗、虛擬培訓場景中的智能化交互，促進高階的探究式、自適應(yīng)學習，對未來教育產(chǎn)生深刻影響。

已經(jīng)出現(xiàn)和將要出現(xiàn)的VR+AI教育應(yīng)用系統(tǒng)，采用大數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)VR+AI輔助的以學生為中心的情景化、個性化學習，使得“因材施教”成為可能。VR與AI、云計算等技術(shù)的結(jié)合，可以構(gòu)造虛擬類人教師，并可以實現(xiàn)學生在類人教師陪伴、指導下的泛在學習。作為人工智能與新聞采編融合的產(chǎn)物，我國首個AI合成的主播“新小萌”已經(jīng)出現(xiàn)在兩會會場，進行新聞報道。能夠自動完成語音識別，回答多種類型知識問題的智能機器人大量上市，帶給人們智能化教學的初步體驗。相信不久的將來，足以亂真的類人教師就能夠和學生進行實時交互、開展教學活動，其海量知識和快速解題速度可成為人類教師的搭檔，或部分取代人類教師。從此種意義上講，VR+AI將成為終極性教育技術(shù)。再繼續(xù)發(fā)展，就是將各種電腦芯片直接植入人腦，但這已不是教育技術(shù)，而是人工智能領(lǐng)域的腦機技術(shù)了。

訪談?wù)撸篤R/AR應(yīng)用教育的場景是廣泛的，在終身學習的時代，您認為依托VR/AR技術(shù)構(gòu)建的學習環(huán)境是怎樣的？應(yīng)具備哪些基本特性？

趙沁平：終身學習非常重要，建設(shè)終身學習體系和環(huán)境是我國的基本國策，我對此研究不多。不過，我深信隨著5G、AI、互聯(lián)網(wǎng)VR、邊緣VR/AR等技術(shù)的發(fā)展，VR將成為互聯(lián)網(wǎng)的新入口和新的社交環(huán)境，從而使終身學習體系的內(nèi)涵和效能得到豐富和提升。

首先，VR/AR的重要特征是交互，強調(diào)用戶體驗，在教育的語境中，就是注重通過多感知通道、自然化的交互來全面提升學習者的學習體驗。作為一名教育工作者，我深有體會，教師在設(shè)計傳統(tǒng)課堂教學時，都會考慮學生對學習內(nèi)容的感受和體驗，但限于傳統(tǒng)教學環(huán)境和條件，只能通過語言表達、互動問答和實物展示等方法進行課堂教學。而VR/AR學習環(huán)境可以真正成就“翻轉(zhuǎn)課堂”，使得教學過程以學習者為中心，學習者可以發(fā)揮主體作用，充分體驗教學內(nèi)容，并與之進行交互。學習者還可以圍繞教師提出的某一個問題，分小組協(xié)作探究，得出開放性的答案。整個課堂是“活”的，而不是事先預定好的“規(guī)程”。所以，VR技術(shù)構(gòu)建的智慧學習環(huán)境，應(yīng)該建立在教學參與者較好的信息化素養(yǎng)基礎(chǔ)上，具備體驗性強、交互性強的特征。其次是可信性與可評價性。一個完善的VR學習環(huán)境和一門好的VR課程必須由VR研發(fā)人員和教師密切合作、充分溝通，共同完成。真正有效的VR/AR教學資源和學習環(huán)境應(yīng)當具有可信性和可評價性?？尚判允侵竀R教學環(huán)境中各種VR對象模型及其對交互響應(yīng)的可信度，也即與相應(yīng)真實事物的吻合程度，可信性度量是目前VR研究領(lǐng)域尚未完全解決好的一個問題。

許多難以建模的復雜事物，將其影響因素簡化后都可以進行建模，現(xiàn)有的絕大多數(shù)VR教育應(yīng)用對象模型都是簡化后得到的。問題是，將事物簡化以后得到的模型在多大程度上可信，在什么范圍可用，這就是VR對象模型的可信性的評價度量問題。與此相關(guān)的問題是，應(yīng)該如何結(jié)合具體的VR教育應(yīng)用，確定對模型可信性的期望值，以及平衡模型的復雜性和可用性兩者的關(guān)系?？稍u價性是指對學習者學習體驗、學習投入度和學習績效等的自主量化評價。這也是目前AI領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，比如，通過眼動追蹤技術(shù)對學習者的學情進行實時評價和反饋等。

三、“VR+教育”應(yīng)用系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)及未來發(fā)展趨勢

訪談?wù)撸簩崿F(xiàn)一個VR教育系統(tǒng)需要掌握哪些技術(shù)？還存在哪些有待解決和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題？

趙沁平：設(shè)計與實現(xiàn)一個VR教育系統(tǒng)和實現(xiàn)一般VR系統(tǒng)一樣，大體需要數(shù)據(jù)采集、分析建模、繪制呈現(xiàn)、傳感交互四個方面的技術(shù)。第一，數(shù)據(jù)是VR建模和構(gòu)建VR教育系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)獲取設(shè)備有VR通用型和領(lǐng)域?qū)Ｓ眯蛢纱箢悾罢呷缯障?、攝像、3D激光掃描等，后者如醫(yī)學領(lǐng)域的CT、核磁等。數(shù)據(jù)獲取的準確性直接決定了VR技術(shù)在教育等各行業(yè)的應(yīng)用效果。第二，建模是現(xiàn)實世界中的對象在計算機數(shù)字空間中的數(shù)據(jù)表示。就是利用數(shù)學、物理以及各種數(shù)字化技術(shù)將現(xiàn)實世界中的對象及其相互關(guān)系、相互作用及動態(tài)變化規(guī)律映射到數(shù)字空間中的靜、動態(tài)數(shù)據(jù)表達。第三，虛擬環(huán)境對象的呈現(xiàn)和感知，包括視覺、聽覺、觸覺、嗅/味覺等多個方面。VR呈現(xiàn)技術(shù)將虛擬環(huán)境中的各種對象模型通過不同的表現(xiàn)形式和方法繪制在輸出設(shè)備上，以沉浸方式呈現(xiàn)給用戶。表現(xiàn)方法和對象模型與輸出設(shè)備直接相關(guān)。第四，人對虛擬世界中對象的操作，以及虛擬世界中對象對人的感知和反饋，也就是VR的自然交互問題。上述四個方面的技術(shù)均涉及硬件裝置（如數(shù)據(jù)采集、頭戴顯示、裸眼3D、定位跟蹤、體感交互設(shè)備等）、芯片器件（如GPU、PPU、專用芯片、傳感器等）、軟件平臺（如圖形引擎、物理引擎、建模、視頻圖像處理等）、標準規(guī)范，以及不同學科教學中的VR內(nèi)容設(shè)計與制作。VR是多學科高度融合交叉的科學技術(shù)領(lǐng)域。

囿于人類認識世界的局限性以及現(xiàn)實環(huán)境形態(tài)的復雜性、變化的無限性，數(shù)據(jù)獲取、建模、交互等成為VR領(lǐng)域永不枯竭的研究熱點。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，VR技術(shù)取得巨大進步，但是仍然存在許多有待解決的問題，同時，新的問題也在不斷涌現(xiàn)。對于VR教育教學系統(tǒng)及應(yīng)用來說，如下一些問題的進一步突破會帶來VR+教育的巨大發(fā)展：VR教育應(yīng)用的需求調(diào)研分析、基于VR的教學方案及學習活動創(chuàng)意設(shè)計、與教學內(nèi)容相關(guān)的新概念數(shù)據(jù)獲取機制與設(shè)備、與學習過程相關(guān)的新交互機制與設(shè)備、多源數(shù)據(jù)/模型的無縫融合、學習對象的物理、生理建模以及對象的自由交互與實時逼真響應(yīng)、教育教學應(yīng)用中人的行為模型、模型的可信性度量、VR教育教學應(yīng)用效果的評價[5]。

訪談?wù)撸?G的普及將解除制約VR發(fā)展的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，您認為VR在教育領(lǐng)域的一些重要平臺和關(guān)鍵技術(shù)將取得哪些突破性進展？

趙沁平：5G的普及，將解除制約VR發(fā)展的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，VR教育領(lǐng)域的一些重要平臺和關(guān)鍵技術(shù)將取得突破性進展。目前，進入校園課堂的VR教學應(yīng)用產(chǎn)品，能做到的主要是對一些科普內(nèi)容的VR體驗，能夠真正深入進行課程教學的并不多，且缺少有效性評價。其原因是多方面的，除了前面談到的許多核心關(guān)鍵技術(shù)尚需突破以外，VR教學內(nèi)容需要快速從云端向大量智能終端傳輸也是一個重要問題。5G的出現(xiàn)使這一問題迎刃而解，大體量、多內(nèi)容、高質(zhì)量的VR教育云平臺和基于邊緣VR計算的“AR/VR智能終端”將得以快速發(fā)展;相應(yīng)的教育內(nèi)容構(gòu)成數(shù)據(jù)和對象單元模型庫會大量出現(xiàn)，以滿足不斷增長的VR教育教學資源建設(shè)和內(nèi)容開發(fā)需求。這又進一步帶動新概念數(shù)據(jù)獲取機制與設(shè)備、高度自然的VR/AR交互，以及多源數(shù)據(jù)—模型的無縫融合、設(shè)備實時逼真響應(yīng)等技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)交互式學習。大量優(yōu)質(zhì)VR教育教學系統(tǒng)在教育教學過程中的應(yīng)用，會催生基于VR教育環(huán)境的教學方法，推動教育改革的發(fā)展。

訪談?wù)撸禾摂M和現(xiàn)實之間的對象高度融合，將隨著技術(shù)的飛速發(fā)展變得虛實難辨。AI存在倫理問題，那么VR呢？可以采取何種VR教育應(yīng)用的倫理構(gòu)建原則？

趙沁平：隨著VR教育應(yīng)用的多樣化，所帶來的一些倫理問題也日漸引起人們的重視。AI技術(shù)在教育中的應(yīng)用所帶來的倫理問題是顯而易見的，例如，AI教學機器的身份與權(quán)力邊界認定等。對于VR教育應(yīng)用來說，我認為首先值得研究的是對VR教育受眾的心理影響和可能的負面作用。例如，對幼兒來說，在他們需要接觸現(xiàn)實世界、與同伴交流互動的發(fā)育階段，采用VR教育環(huán)境和手段是否會產(chǎn)生負面作用？虛擬環(huán)境的發(fā)展是否會加重“宅害”，帶來一定的社會問題？所以，我一直希望教育界的學者們未雨綢繆，開展VR心理學和VR社會學研究。

同時，也要對VR教育應(yīng)用可能帶來的倫理問題進行研究，明確其可能產(chǎn)生的倫理失范以及導致倫理失范的根源。VR教育可能表現(xiàn)出內(nèi)容與形式的致癮性、虛實邊界模糊導致道德失范、VR教育活動忽視人的主體性等問題，不可避免地會涉及技術(shù)層面和人類主體性層面的倫理問題，如虛擬世界中生命的有限性與無限性、虛擬教育活動主體的尊嚴與生命性、虛擬世界中的主體認同與本體性安全、數(shù)據(jù)隱私安全等倫理問題。此外，當前的VR教學產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)不成熟，虛擬和現(xiàn)實的偏差導致了學習者謬誤，即虛擬和真實之間的失切性導致學習者產(chǎn)生認知偏差，比如，虛擬情境與真實世界參數(shù)表征的差異性，導致學習者對客觀知識的記憶性錯誤、操作經(jīng)驗結(jié)果分析的錯誤等。這就需要在VR應(yīng)用于教育時，深入探討VR教育活動中何以敬畏和堅持的倫理問題，對教育管理者、產(chǎn)業(yè)界和政策制定者等相關(guān)角色進行倫理規(guī)范。

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