VR技术及其教育应用探究
宁攀1，李丁丁2，张炳林2
（1.河南大学 化学化工学院，河南 开封；2.河南大学 教育科学学院，河南 开封）
摘 要： 虚拟现实技术是可以创建与体验虚拟世界的计算机综合系统，它利用计算机技术生成各种逼真情景作用于用户的感官让用户身临其中享受虚拟而又真实的体验。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、想象性、存在感、自由感等重要特征，对教育教学具有重要意义。本文总结虚拟现实技术的技术与设备构成的基础上提出虚拟现实技术在虚拟教育教学对象、虚拟训练操作过程、虚拟认知场景创设、虚拟校园文化建设等维度具有应用前景。然而虚拟技术在教育中应用也存在着易忽视教师主导作用、影响学习目标达成效率、与传统教育教学融合较难、教师信息素养要求较高等方面的欠缺。在国家的大力研发与推动下，相信未来教育与虚拟现实技术的融合应用会更加高质高效。
关键词： 虚拟现实技术；虚拟环境；教育应用
一 虚拟现实技术的发展
虚拟现实技术（英文：Virtual Reality，简称VR）又称灵境技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成各种逼真的情景，作用于用户的视觉、听觉、嗅觉、触觉使用户身临其中，享受一种虚拟而又真实的感觉。[1]1965年，虚拟现实之父Sutherland在其《终极的显示》论文中首次提出了虚拟现实系统的基本思想，这被认为是虚拟现实技术的里程碑开始。20世纪70年代，Krueger 设计开发了一个VideoPlace系统，标志着虚拟现实技术的概念与理论初步形成，该系统可以产生一个虚拟图形环境，让用户在体验图像投影中实时地响应自己的活动。1985年，M.MGreevy 领导完成了 VIEW 系统的设计，能让体验者穿戴数据手套和头部跟踪器，通过语言、手势等实现方式，形成虚拟现实系统的完整雏形。20世纪90年代初期虚拟现实开始兴起，至2000年，VR技术整合其它新技术，如3D、交互技术等，进入快速发展的时代。VR技术是应时代需求得到了繁荣发展，具有广阔的应用前景。工信部2016年发布的《虚拟现实产业白皮书》中显示，在2015年中国虚拟现实行业市场规模达15.4亿元，2016年预计达56.6亿元，而到2020年时预计要超过550亿元。中国虚拟现实与产业化联盟、教育部虚拟现实应用工程中心将2016 年定义为VR元年。[2]2017年，“教育十三五规划”首次在国家文件中提出虚拟现实及其教育应用，并将虚拟现实技术列为未来教育发展的增长点。2018年教育信息化和网络安全工作要点提出推动大数据、虚拟现实、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用。[3]2019年2月23日国务院颁布的《中国教育现代化2035》将虚拟现实与增强现实技术作为支撑智能学习空间和学习体验中心等学习环境的重要技术。虚拟现实技术得到的快速发展并正在渗透与教育教学的重要环节。
二 虚拟现实技术基本特征
虚拟现实的基本特征可以概括为沉浸性（Immersion）、 交 互 性（Interaction）、 想 象 性（Imagination）、 存 在 感（Existence）[4]、 自 主 感（Autonomy）等五个方面，也常简称为“两感三性”。
图1 虚拟现实特征
1.沉浸性：虚拟现实技术能使虚拟环境更加逼真，同时用户通过利用一些设备能更好的沉浸于仿真的环境中，且虚拟现实技术通过为用户提供一些听觉、视觉、嗅觉等的感官模拟使用户有身临其境的感觉。
锐角三角函数是这个角的正切、正弦、余弦的统称.教材对这一内容的安排是，第一课时教学正切的概念，第二课时教学正弦、余弦的概念.这样安排教学容易出现“只见树木，不见深林”的现象[3]，导致学生对锐角三角函数的认识割裂.因此，我们在教学设计时，引导学生明确在一个锐角大小确定的前提下，研究直角三角形任何两边的长度比值，整体感知各种情况：这样处理的目的在于使学生在整体认知的基础上进行主动的和有意义的进入学习过程[4].
宪法意识不会自发产生，必须通过专门的培养才得以形成。提升宪法意识是学习和宣传宪法，深化法制教育，培育卓越法治人才的内在要求。为提升大学生的宪法意识，引导大学生树立社会主义法治理念，可以从以下三个方面提升大学生宪法意识。
1.基于PC的沉浸头戴式设备(HMD)。这种设备的代表是Oculus Rift，其优点在于沉浸体验较好，但由于受有线设备的局限，其有限的移动范围是个缺点，因此特别合适于双脚不需移动的应用。设备本身价格也比较昂贵，大多都是应用于to B（企业级）的领域，现在该设备上的应用大多都是短时间体验，非常适合展览或是商业活动展示，但这类活动体验的人数较多，因此如何保持设备的卫生安全将是面临的较大问题。
3.交互性：指用户能够与模拟环境中的事物进行可行性的操作，接近可能的达到客观自然的交互感。用户作为交互的主体，而虚拟环境及其事物必须是多感知的，包括听觉感知，视觉感知，运动感知以及味觉，嗅觉感知等。
X-431 PAD III 是元征公司研发的一款基于Android 系统，支持“智能诊断”和“在线编程”的高端汽车故障诊断设备。本文将介绍使用X-431 PAD III 进行2015年宝马528Li全景摄像机系统标定和学习。
1.实物虚化技术：将真实的世界映射到三维计算机虚拟世界，其包含的核心技术有：基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等。虚拟世界想要通过计算机技术生成必须要以基本的模型构建为基础。实物虚化技术将真实的事物在虚拟的三维立体空间进行重新的构造。模型重构需要确立几何模型，几何模型要能反应其物理属性如：形状、比例、颜色等。如需对一座桥建立模型不仅需要了解桥身的长度、宽度、及其高度之间的比例，还需要桥梁之间的距离，桥不同部位的颜色等。因此只有将诸多因素均考虑在内后虚拟世界生成的实物才能足够的逼真。而空间跟踪则是通过穿戴设备，如头盔显示器、眼镜等设备来确定用户头部、身体等肢体在虚拟世界里的空间位置。声音跟踪是利用不同声源发出的声音到达某一特定地点的不同时间差及相位差来进行虚拟环境声音跟踪的。然后由视觉跟踪与视点感应技术通过跟踪光在图像投影平面不同时间、不同位置的投影，来计算被跟踪对象的位置和方向。
三 虚拟现实的构成及内涵
（一）虚拟现实的设备组成
虚拟现实终端设备常见的有三种类型的VR硬件，即基于PC的沉浸头戴式设备、Mobile VR设备、整合AR技术的新型态体验设备。除此外也有一些，如投影VR和全息VR等虚拟装置。
2.想象性：也称创意性，在传统技术应用中，用户只能通过定量的结果来加深对对象的认识，而VR技术可以通过定性和定量两者相互结合，获得理性和感性的双重认识，从而启发并产生新的想法。
学习者可以通过个人或者团队协作来对模拟的对象进行科学研究。在实验活动中进行科学研究可以培养学习者的操作技能、观察技能和想象力。在探究试验中，学习者的兴趣与实验活动相结合可以有效的提高研究学习的效率。在研究活动中不只是简单的重复几个动作，简单重复就丧失了科学研究的意义。因此如果在实验活动过程中尽量的激发学习者的兴趣让他们积极主动地完成研究过程，既提高了实验效率又培养了学习者的能力。例如在研究桥的构造与设计实验，可以首先为学习者提供一些比较有吸引力的画面如：桥的三维立体画面的反转与旋转、放大与缩小。既吸引了学习者的注意力又使学习者产生探索的欲望。然后让他们自己可以对桥的某一部分进行拆分来观察研究，让他们身处其中站在‘桥’的周围，沉浸于虚拟情境中自己去总结发现得出规律，然后再与教师互动相互发表意见从得出结论。这样的研究方式传统技术是无法达到的。目前我国的很多高校正在积极筹建虚拟现实技术实验室，部分高校并获取了可观的教育成果。
3.整合AR技术的新型态体验设备。进入CR(Cinematic Reality)新领域，谷歌所推出的Google Glass就是一个案例，推动了后续Microsoft Hololens,Magic Leap等新型态眼镜的快速升级发展。未来眼镜的轻质化，极强的电池续航力将是进入次世代VR设备的重点。为了达到眼镜轻量化，用户往往需要增加额外装备，如身上添加肩背运算硬件系统，如果运行效果达到预期，同样给人很好的VR体验。
（二）虚拟现实的技术结构
虚拟现实的关键技术包括实物虚化技术、虚物实化技术和高性能计算机处理技术等[5]。实物虚化技术主要功能是将现实世界和真实的事物通过计算机技术的处理尽可能仿真地使其映射于虚拟三维世界，以为高效能的计算机处理提供信息数据的支持。虚物实化技术让虚拟三维空间的实物所产生的刺激能尽可能自然地与用户进行反馈。
在此次选取的样本孕妇当中，均进行了三维超声与二维超声检查，使用的探头频率为2.0～5.0MHz，患者需要保持仰卧位进行检查。在进行检查的时候，首先需要对患者的全貌进行检查，同时进行相关数据的收集，对胎儿的颜面部进行仔细的观察，然后对胎儿的具体位置进行分析，进行探头角度的调整，如果显示不太清晰，需要进行适当的加压观察[3]。在形成三维超声以及二维超声成像之后，需要由专门的医生进行判断。
5.自主感：指模拟出的事物依据现实物理定律运行的程度以及用户在虚拟现实中处于主导地位的程度。用户在虚拟环境中的作用结果，与现实生活具有在形态、状态等方面变化具有一致性。
2.虚物实化技术：虚物实化是将计算机处理的结果通过设备以更加真实的反馈作用于用户，使用户获得真实的体验感。核心技术包括视觉感知、听觉感知、力觉和触觉感知等实化技术。它们是确保用户在虚拟环境中获取视觉、听觉、力觉和触觉感知的关键所在。除了视觉和听觉感知外，能否让用户产生深层次的沉浸感还需要在用户进行模拟操作后，模拟事物对用户产生一定的力觉和触觉感知的反作用力。力觉感知可以通过操作手套和操纵杆对用户手的作用使用户感知力的大小和方向，触觉的反馈需要模拟力觉、神经、肌肉等来实现。
3.高性能计算处理技术：计算机技术是虚拟现实技术应用系统的控制核心，虚拟现实系统性能直接会受到计算处理技术的影响。高性能计算处理技术具有高计算速度、强处理能力、大存储容量和强联网特性。高性能的计算处理技术承担工作任务为实物虚化与虚物实化服务的数据转换和预处理；图像生成与显示技术对虚拟世界景象的处理呈现；以及对虚拟声音进行模拟处理的声音合成与声音空间化计算技术。高性能计算机还承担多维信息数据的融合、转化、压缩、标准化和数据库的生成、模式的动态识别、高级计算模式的研判等工作。
现代幼儿园管理事故频发，这在很大程度上跟幼儿园管理不够精细、不够透明的因素有着很直接的关系，很多家长也在迫切要求能够更加全面地了解幼儿所在幼儿园的具体发展状况和规划管理等。因此，鉴于此类原因，我们应当在为幼儿园的整个管理体系的安全性、可靠性向幼儿家长以及社会做出保证的同时，还应当将这一过程勇于公开化、透明化等，接受全体家长合理的监督、指正、建议等，使精细化的管理工作真正落实到位。
四 VR技术在教育中应用的形式
虚拟现实技术在教育中应用是教育发展的趋势之一。以虚拟现实技术为基础的教育教学可以实现学习者与虚拟环境下知识间的直接交互从而获得直接经验，替代学习者通过教师获取的间接经验的不足。通过虚拟现实技术创设的仿真情景可以充分地调动学习者的积极性，有利于知识的深化与提取，从根本上提升传统教育教学效果与质量。
（一）用于虚拟科学研究对象
2.基于手机的Mobile VR设备。随着手机硬件与移动通讯技术的发展，目前几乎人手一部智能手机。该类虚拟设备只需简单地将纸版折成的可容纳手机的盒子（手机放入纸盒替代虚拟眼镜设备）就能体验，代表性的设备有Google Cardboard及Gear VR或是国内的暴风魔镜。尽管体验感没有PC头戴设备好，但由于成本低廉，易于携带，开发应用的流程也为手游者所熟悉，因此有大量的开发者投入Mobile VR的开发行动，进而带动了整个VR市场的发展。
4.存在感：指用户作为主体感知到或认为模拟环境真实存在的程度与感觉。要想让用户所有感官都需要相信自己正处在一个新的现实，将是虚拟现实技术的巨大挑战，也是虚拟技术应用追求的核心目标。
（二）用于虚拟训练过程
模拟训练系统的开发与研制可以说是虚拟现实技术应用于教学最成功的典范之一。虚拟现实技术最早应用是外太空探索和军队训练等，目的是为了减少这些领域的高昂费用。通过虚拟现实技术既可以模拟创设出逼真的情景又最大限度的节省了费用，体现出巨大的培训价值。随着新技术的快速发展，虚拟现实也逐步扩展到各种需要操作技能的领域，如：生物化学实验、建筑结构设计、医学医疗操作等。虚拟系统不是真实的场景，因此在虚拟系统的技能训练中，主要用于培养学习者解决问题的方法和策略，使学习者在虚拟系统中掌握的知识经验迁移到实际应用环境，从而使学习者学习的知识经验得到丰富和完善。学习者在模拟训练中要发挥积极的能动性，不只是盲目地机械操作而忽略了各动作技能之间的联系。通过虚拟训练系统可以避免真实情景下遇到特殊操控时不知无措，所以在模拟训练中学习者的自觉性、积极性、能动性、至关重要。
（三）用于虚拟场景创设
虚拟现实技术用与场景创设主要体现在虚拟认知场景创设与虚拟实验场景创设。①虚拟认知场景：虚拟认知环境是把远程交互和面对面地交互按照多元方式结合起来，并提供某种虚拟的时空的自主认知环境[9]。虚拟认知环境提供认知空间，在教育中的应用有一定教育遵循，符合教育教学环境的构建法则；虚拟认知环境的使用需要跨学科多领域学科专家和管理人员的支持；虚拟认知环境创建还需要考虑其与社会和文化的融合。目前对虚拟认知环境研究的主要集中在对基于虚拟现实感的认知环境的开发与应用。在该环境下学习者的学习空间、对象可以是模拟分子结构模型，也可以是模拟人物角色。这种模拟对象既可以作为教育者也可以作为学习者的认知同伴或学习者进行互动。不过虚拟认知环境的开发与应用还需要一些技术进行优化完善，如提高稳定性。随着技术的不断进步，基于虚拟认知环境的学习也将成为未来教育的一种重要方式。②虚拟实验室场景：基于虚拟现实技术建立的虚拟实验室在对于需要进行科学实验的学科有重要的使用空间，这些学科如：地理、生物等。建立虚拟实验室可以在稍微低于真实实验设备实验效果的情况下节省大量的购买实验设备的昂贵费用。同时可以在虚拟实验室内模拟出在传统实验室无法实现的实验。如：地质变迁、声波传导、电子运动等。在传统实验室里，还有一些实验因为有毒有害而不便实验，如危险化学合成，其运用虚拟现实技术，能让学习者通过虚拟实验室有机会观察实验的发生，甚至参与到实验中去。学习者通过虚拟实验场景设备来感受反馈，建构对事实的理解。这种近乎真实的反应可以替代实验器材产生的结果，并不受到场地、天气、温度等外部条件的影响。虚拟实验场景不会因为学习者的操作失误而导致一些安全事故的发生，进而为实验操作过程安全提供保障。
（四）用于虚拟校园文化建设
虚拟现实技术最早与教育的结合主要是从虚拟现实校园开始的。虚拟校园实际上就是将校园的真实场景通过计算机系统进行再现。学习者可以通过扮演虚拟的角色，可穿戴设备、遥感设备等，置身于虚拟校园情境进行参观浏览。目前国内已经有很多高校建立起自己的虚拟校园系统，通过该系统有效地向外界展示了自身办学的特点、定位、学校文化。虚拟现实校园的实现，需要做好3D场景建模和实时漫游控制系统等两方面的设计与开发。虚拟校园对高效对外宣传、招生、校容校貌的展示具有非常重要的作用，是校园现代化建设的重要构成部分。虚拟现实校园也存在着一些不足，如不能快速的获取校园建筑物的几何纹理数据，不能将校园信息化建设和虚拟现实校园完美整合等。但随着计算机处理速度的提升与算法的优化，相信在不久的将来，虚拟技术在校园文化建设中将发挥更大的作用。
五 虚拟技术在教育中应用的不足
虚拟现实技术是多学科、多领域相互交叉结合的产物，它与其它的新技术一样是一把双刃剑，在其教育领域的应用存在一定的不足。虚拟现实技术的教育推广应用，须认清其利与弊扬长避短，充分发挥虚拟现实技术的优势。
黄玲说这个伤疤是她曾经的丈夫给她的，现在，他在监狱。他们是在2010年8月经人介绍相亲认识的，9月就结了婚。结婚之后刚开始两人相处得还不错，很快，黄玲就怀上了孩子，原本以为幸福的生活会这样延续下去。没想到后来她的丈夫就开始酗酒，每次喝完酒就会打她，眼角的伤疤，就是有一次他的丈夫用啤酒瓶打伤的，而那一次，她也失去了孩子。
（一）影响教师主导作用的发挥
在基于虚拟现实的教学活动中强调学习者的主动性、能动性，鼓励学习者自我探索、自我发现、自我体验、自我总结。这就需要学习者有一定的自主学习能力，能够自己规划出自己的学习方案。但是由于每个学习者的能力不同，学习方法、策略不同将会导致他们的学习目标存在较大差异。而且在学习过程中过度的强调学习者的学而往往很难发挥教师的主导作用。由于学习者之间的差异并在没有教师指导的情况下很容易就会偏离教学目标。
（二）影响课堂教学目标的实现
在传统的教学模式下，由于教师的面对面教学，学习者的学习目标明确、学习过程统一，学习者大多数都能完成教学目标。而在虚拟的环境下，教师发挥的作用较少，学习者的学习效果受学习者年龄、实践能力、动手能力、适应能力的影响较大。对于年龄较小适应能力较差的学习者，不能很好的完成学习体验，学习结果也不会达到目标。虚拟现实技术有吸引学习者兴趣的能力，但是它代替不了老师在教学过程中的作用。
（三）传统教育与VR技术融合具有难度
传统教育的教学模式、教育理念、教学方式等并不能在VR技术支持的新型教育中适用。虽然新的教育模式有着传统教学模式无法实现的优点，但是也不能全盘否定传统的教育模式。毕竟传统的教育模式虽有不足但也是历代教育人智慧的结晶，很多具有合理性。新型教育模式优点突出，但也有难以克服的不足。VR技术应用于教学时需要吸纳传统教学模式的优点、舍弃糟粕，对不足之处进行改进，结合新技术形成新型有效教学。
（四）虚拟现实技术对教师提出了更高要求
VR技术应用于教学中帮助教师进行教学，使教师的工作量大大减少，但这并不意味着教师在教学环节中的作用减少。新的教育模式对教师提出了更高的要求[10]。教师必须努力提升自身信息化水平，让技术在最少的教学时间里发挥更大的作用。教师在使用VR教学媒体时应能通过教学方法和策略完全掌控媒体，不要夸大虚拟现实技术的作用而让虚拟现实技术控制了课堂。这就需要教师综合素质的提升，能够接纳并掌控新事物,达到灵活运用新技术辅助教学的程度。
(3) 该3-面为(3,5+,7)-面,由R2.1和R3.6得3-面和面上的3-点最多从7-点拿走的权值为
六 虚拟现实技术教育应用趋势与展望
随着新媒体技术与教育融合的深入，未来虚拟现实技术的应用也越来越广泛。为了满足更高的教育需求，近年来虚拟现实相关技术秉承“低成本，高性能”的原则的迅速发展。首先是动态环境建模技术的突破[11]，虚拟现实技术的核心是虚拟环境的建立，而为了获取真实事物的三维数据模型就必须进行动态的环境建模。其次，实时3D图像和显示技术进一步发展。在虚拟现实技术中，3D图像生成与显示技术已经比较成熟，但是实时3D图像的生成与显示则需要进一步发展。未来研发关键在于如何在不降低3D图像质量的情况下提高图像的刷新频率，确保实时的显示与刷新。再次是更加智能化的人机交互设备的研发。VR头盔和数据手套等装置虽然可以带给用户较强的真实体验感，目前效果并没能达到预期的效果。为了提高虚拟交互的真实性、沉浸性，改进的方向应更趋向于像人与人之间的自然地交互形式。最后，基于网络的虚拟现实技术可以将不同的教育者与学习者通过各自的网络终端连接进入一个虚拟模拟空间。实现基于网络的虚拟现实技术教育应用还需要对虚拟共享技术的支持。国家已经提出积极推动虚拟教育教学环境建设的号召，相信未来教育与虚拟现实技术的融合应用会更加高质有效。
参考文献
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本文引用格式： 宁攀,等.VR技术及其教育应用探究[J].教育现代化,2019,6(62):173-176.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.62.057
基金项目： 2018年度河南省教师教育课程改革研究项目：河南省在线课程应用的阻抗因素及推进策略研究（2018-JSJYYB-008）。
作者简介： 宁攀，女，汉族，河南大学化学化工学院，助教，研究方向：化学教育。
标签：虚拟现实技术论文; 虚拟环境论文; 教育应用论文; 河南大学化学化工学院论文; 河南大学教育科学学院论文;