沉浸式VR在教育培训中的应用概况和展望.docx

沉浸式VR在教育培训中的应用概况和展望 刘崇进 贺佐成 叶雯 吴应良 张云霏摘 要：本文简述了沉浸式虚拟现实（immersive VR）和非沉浸式虚拟现实（non-immersive VR）的概念，概述了沉浸式VR的特征和在教育培训中的应用现状，讨论了沉浸式VR在教育培训中的优缺点及其应用展望关键词：沉浸式虚拟现实；教育培训；应用现状；展望：G451 文献标志码：A ：1673-8454（2018）15-0009-05一、引言虚拟现实（Virtual Reality，简写VR）的概念来自于科幻小说，Laurence Manning在1933年出版了一系列的科幻小说，提出了虚拟生活（Virtual life）的概念随着电子管计算机的应用和全息照相技术的发展，为VR技术的实现提供了基本的条件Ivan E.Sutherland 在1965 年发表了《终极的显示》的论文，首次提出了虚拟现实的思想，并在1968年发明了第一台头显设备（Head-mounted display，HMD）[1]随着计算机和虚拟现实技术的发展，虚拟现实越来越类似于现实的世界Jaron Lanier在1989年推出了面向市场的第一台VR头盔——EyePhone VR头盔和数据手套，这是现代意义的沉浸式虚拟现实（immersive VR）的VR套件。

Jaron Lanier 在研發EyePhone VR套件的过程中，发展了沉浸式虚拟现实技术，他在1989年介绍该产品时最早使用“Virtual Reality（VR）”一词在1990年，以麻省理工学院为中心，召开了圣巴巴拉会议，把不同称谓的沉浸式虚拟现实统称为“Virtual Reality（VR）”[2]，Jaron Lanier也被称为“虚拟现实之父”[3]，在2010年被美国“时代”杂志评为100个最有影响的人物之一沉浸式VR技术应用于教育领域，能模拟生成虚拟的三维学习环境，学生等有关人员在这个模拟环境中学习或得到培训Delucia A 等人把这个学习环境称为“Second Life”，即“第二人生”，是模拟真实社会角色扮演的平台，构建一种沉浸式、游戏般趣味性的学习环境，这个学习环境远比坐在屏幕前观看二维图像和动画要真实、方便和有趣得多[4]现在，沉浸式VR已经在教育培训领域获得了广泛的应用，[5]在国外归属于计算机多媒体的教学，被称为沉浸式多媒体二、沉浸式虚拟现实和非沉浸式虚拟现实的概念沉浸式虚拟现实是利用图形系统和各种控制接口设备，在计算机上生成可交互和具有沉浸感觉的现实世界的模拟仿真，也就是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，给使用者在虚拟环境中提供关于视觉、听觉、触觉等感官的现实世界模拟。

用户需要戴上VR头盔，几乎与现实世界隔绝，才能进入洞穴状自动虚拟环境（the Cave Automatic Virtual Environments）[6]非沉浸式虚拟现实也称为桌面式虚拟现实，是借助于计算机和其鼠标、键盘、话筒等外围设备，通过三维制图软件在屏幕生成窗口式虚拟环境，或者通过摄影技术获得实际图像加上计算机处理生成的虚拟环境，[7]该虚拟环境一般由三维视频或3D电影组成，不足之处是能感觉到脚和手不在虚拟空间里沉浸式VR比非沉浸式VR更有吸引力，用户在沉浸式虚拟空间漫游体验时，犹如身临其境沉浸式VR还具有与虚拟物体实时交互的优点，可以根据自己的思路探索整个虚拟环境，选择自己想体验的内容另一方面，用户在虚拟空间观看VR作品的时间不受限制，可以随时播放或暂停，切换到其他的VR作品，也可以从不同角度长时间浏览虚拟作品，而且操作简单快捷因此，沉浸式VR技术被称为终极的多媒体技术[2]三、虚拟现实的特性G. Burdea和Coiffet Philip在1993年的世界电子年会上发表了论文《Virtual Reality System and Application（虚拟现实系统和应用）》，指出虚拟现实具有沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination），即3I特性，是沉浸式VR的标志特性。

[8]虚拟现实技术融合了计算机图形技术、传感器技术、多媒体技术、包含人工智能的人机交互技术、立体显像技术、网络技术、计算机仿真模拟和心理学等众多科学技术，现在这些科学技术逐渐走向成熟，沉浸式VR也开始变得成熟，并获得了越来越广泛的应用虚拟现实的沉浸性是指利用计算机产生的三维立体图像，让人置身于一种虚拟环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉用户需要戴上VR头盔（头显设备），才能在虚拟空间漫游和体验VR头盔里装有目镜和立体显示屏，用户观看立体图像时，透过目镜的视角放大和视场放远作用，实现视觉的沉浸性；头盔里装有传感器，能追踪用户的位置、姿态的变化及其眼球的转动，通过人工智能中的动作捕捉和识别，实时地调用或生成立体图像虚拟现实的交互性是指用户能在虚拟空间里与虚拟对象互动交流，实现相应的动作和功能虚拟现实的交互手段摒弃了键盘和鼠标与计算机的人机交互方式，采用传感设备如数据手套、操纵手柄或者音频设备等新型交互方式用户采用这些新型设备与虚拟空间的物体交流互动，感觉就像处于现实世界中一样虚拟现实的想象性是指人们在虚拟环境中对现实世界中的环境发挥想象，并进行创造性的模拟，能拓展人类的认知范围和可想象的空间。

VR专家在开发作品时可再现过去的或真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的，或不可能发生的环境，研发充满想象力的作品；另一方面，用户在虚拟空间漫游体验时根据所获取的信息，通过联想、推理和逻辑判断等传统思维，展开自己的想象，以便了解更多的作品内容，获取更多的知识四、虚拟现实在教育培训中的应用概况虚拟现实在教育培训中应用的首次尝试在美国1992年，虚拟现实技术与教育实验室在美国东卡罗琳那大学正式成立该实验室主要是用来确认虚拟现实技术在教育上是否适用，并且对这一技术中的软件和硬件进行评价，以便更好地观察虚拟现实技术对教育教学活动的推广情况1994年，华盛顿大学和西屋科学基金会组织了一个流动教学计划，一辆装有虚拟设备的流动教学车在各个学校中进行教育体验，为中小学生提供虚拟现实技术的教学服务，并观察虚拟现实教学对提高学生兴趣和领悟能力的情况从20世纪90年代到21世纪初，这一时期的虚拟现实设备非常贵，其存在沉浸感不足、三维图像的质量比较差，交互动作发生时图像变换滞后引起晕眩感等缺陷，只有少数游戏发烧友迷恋虚拟现实的游戏在教育培训领域，一般是大学和公司在基金资助下展开一些应用研究，尙未在教育界获得实际应用。

1.虚拟现实在国外教育培训中的应用概况2012年，Oculus Rift推出了VR套装（VR头盔和数据手套），沉浸式虚拟装置的价格下降了很多，沉浸式VR也获得了很大的发展和推广，并在2013年开始应用于美国的教育界[6]德克萨斯大学（The University of Texas）是把Oculus Rift VR套装应用在教育培训中最早的大学之一2013年，高分辨率的大型视觉墙（a large-scale high-resolution VizWall）的数字图像输入到Oculus Rift VR头盔，形成沉浸式的虚拟现实的学习环境，成为新的教育方法[9]例如，大型视觉墙可以显示比较详细的地球图景，其图像是由一组计算机处理器（CPU/GPU）耦合后建模产生的大型数字图像，该数字图像输入VR头盔，变为学习地理知识的虚拟环境，内容详细丰富，这是真实的地球仪无法比拟的虚拟现实技术应用于教学，学生与虚拟的教师进行交流互动，形成虚拟课堂Cai S.、 Wang X. 和Chiang F-K 设计了几个面向初中生关于化学物质结构认识的虚拟现实的操作实验，在实验中，学生可以采用自然交互方式对虚拟出来的微观世界中的分子、原子进行操作、组合和创作，[10]该实验表明虛拟现实的教学较大地提升了学生的学习兴趣和对物质微观结构的认知与理解，这是虚拟现实技术对日常难以呈现的微小物体之间的空间关系和内部结构细节的展示，有效地促进了学生技能的培养。

虚拟现实技术应用于实验或实训，学生操作虚拟实验（实训）设备或器材，形成虚拟仿真实验（实训）室，完成实验（实训）的任务例如，Michael J. Amirian等研究了一组学生参加虚拟仿真的外科缝合技术的培训，并与真实实验培训的另一组相比较，结果发现虚拟仿真培训的一组和参加真实实验培训的一组掌握的技术没有多少不同，证实了虚拟现实的仿真培训的有效性[11] 虚拟仿真实验（实训）室能利用计算机建立反映现实世界规律的实验仪器，进行的虚拟仿真实验（实训），能够替代许多难以完成的真实实验，或者费时费力费资金的实验沉浸式VR与网络技术相结合，形成分布式虚拟现实系统（DVR：Distributed Virtual Reality），在远程教育中得到了应用，使身处异地的教师和学习者处在同一个虚拟的教学场景中，可以不受时空限制，实现异地交互学习，或者通过实时语音、动作捕捉和识别进行无障碍交流，为学习者带来了极大的便利虚拟现实已经成功地应用于土木工程和建筑学、化学、医学与生物学、物理学与天文学、电信，涉及科学视频、工商管理、时装、体育运动和军事训练等教育培训领域，学生能下或线上进行学习培训[12]2.虚拟现实在我国教育培训中的应用概况沉浸虚拟现实技术在我国发展得比较晚，在教育培训中的应用目前正处于应用研究和尝试评估阶段。

[13]到2016年的VR元年，沉浸式VR在我国也得到了普遍重视，我国一些高校对沉浸式VR进行了相关课题的研究比如，北京航天航空大学对分布式飞行模拟方面的应用进行了研究，浙江大学在建筑上进行了虚拟规划和虚拟设计的研究，清华大学研究了临场感等一些国内公司和院校合作，在2017年初也推出了VR教育培训产品，比如，杭州万霆科技公司是推出VR教育产品的公司之一，比较有名的产品就是VR建筑实训平台，也叫VR建筑实训中心我国VR 技术在教育方面的运用主要包括以下三个方面：①虚拟仿真校园虚拟仿真校园在我国应用得比较广泛，校园文化和学习氛围对教育教学活动的开展有着重大影响，参观虚拟校园的沉浸式体验能起到良好的对外宣传作用，或者吸引学生报考该院校[14]②虚拟教学虚拟现实技术在理工科和医学的教育教学中获得了一些应用例如，同济大学建筑学院拥有一个虚拟现实实验室，可对建筑景观及其内部的结构进行仿真，学生戴上VR头显，在建筑教学中进行了尝试，学生能够通过新的方式学习到更加系统全面的知识③仿真实验（实训） 学生在虚拟环境中学习使用实验仪器设备，完成实验或实训的任务，在我国也获得了一些应用成果例如，杭州万霆科技公司和广州番禺职业学院进行了校企合作，在2017年4月构建了基于BIM的VR实训室（中心）。

我国关于虚拟现实在教育培训中的研究和应用仍停留在较为初始的阶段，还是以虚拟现实理论探讨为主，应用层面的研究和实践较少，教育教学效果还在进一步评估和确定阶段；研究和应用重心还集中在虚拟仿真校园的实现等方面，较西方国家仍有一段距离[15]五、虚拟现实在教育培训中的优缺点沉浸式VR模拟的虚拟空间身临其境，逼真的视觉和听觉感受让使用者不自觉地认为自己进入到真实世界；另一方面，沉浸式VR利用计算机图像建模技术、全景照相技术和相关软件等能整合丰富的VR资源，或创建丰富的VR作品，具有诸多优点沉浸式VR目前处于走向成熟的阶段，还在发展一些关键技术，而且使用者需要戴上头盔，透过目镜才能在虚拟空间漫游、浏览虚拟物体和作品，几乎与真实的外界隔绝，无疑存在一些缺点1.虚拟现实在教育培训中的优点Plamena Zlateva和 Dimiter Velev指出，虚拟现实的教学能使学习者在内容丰富的虚拟学习环境中磨合（hone）自己的知识，提高创造力和。