虚拟现实技术在教育领域的运用

摘要:本文介绍了虚拟现实技术在教育领域的发展历程,研究了虚拟现实再课堂教学方面的理论基础,讨论了虚拟现实技术在课堂教学方面的应用模型,最终为虚拟现实技术在教育领域的发展提出了总结与展望。

关键词:虚拟现实；教育；VR课堂

1绪论

1.1课题研究背景。虚拟现实技术(VirtualReality,VR)囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体,是一种由计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感和人机强大交互体验的技术。《“十三五”国家信息化规划》要求落实“虚拟现实”等新技术的技术研发和前沿布局。《国家创新驱动发展战略纲要》中的战略任务明确要求发展自然交互与虚拟现实。同时,5G的发展和推广使得信息的传递更加快速更加稳定,为虚拟现实技术的应用降低了一定的难度。国外虚拟现实技术在上世纪末就开始研究、发展,并且尝试在某些领域的应用,目前国外已经有很多公司和组织将虚拟现实技术应用到了教育领域,出现了classvr、Unimersiv、Nearpod等多个基于虚拟现实的教育平台。VR具有高度的交互性、沉浸感,将VR应用在课堂教学中可以增强学生的学习体验和学习效果,同时,将VR作为线上教育的一种手段也可以改善教育资源不平衡的现状,我们旨在探究虚拟现实在教育领域的国内外的发展历程和研究现状,为其进一步发展奠定基础。1.2基础理论研究。1.2.1虚拟现实技术的理论依据。虚拟现实在教育领域的应用,依赖于模拟环境、感知、自然技能、专用设备四个理论。模拟环境就是由计算机生成的具有双视点的、实时动态的三维立体逼真图像,这不仅包括三维视觉,还包括三维听觉、触觉甚至嗅觉等的逼真[1]。图像可以是现实世界中真实存在的,也可以是利用计算机图形学的技术构造出来的。感知是指理想的虚拟现实技术应该具备人类一切的感知能力,不仅只有计算机图形学形成的视觉感知,还应具有味觉、嗅觉、触觉等,这也被称以为多感知(MultiSensation)。自然技能是指计算机处理与将人在虚拟现实环境的一切行为动作,包括手势、眼珠转动等相适应的数据,同时做出回应。专用设备是指各种三维交互设备,包括立体头盔,三维手套、摄像机、传感器等等。1.2.2虚拟现实技术与教育相结合的理论依据。虚拟现实自提出以来,有不少学者对虚拟现实技术与教育相结合的理论依据进行了研究,现较为普遍的有认知主义学习理论、构建主义理论和模拟法则理论。认知主义学习理论认为学习就是面对问题情境,在内心经过积极的组织,从而形成和发展认知结构的过程,强调刺激反应之间的联系是以意识为中介的,强调认知过程的重要性。虚拟现实与教育相结合,使学习者能够在虚拟的现实情景下学习,利用自己原有认知结构中的有关经验去同化和顺应当前学习到的新知识,从而赋予新知识以某种意义,主动积极地构建自己的知识。构建主义理论主张世界是客观存在的,但是对事物的理解却是由每个人自己决定。不同的人由于原有经验不同,对同一事物会有不同理解。建构主义学习理论认为:学习是引导学生从原有经验出发,建构起新的经验。VR的沉浸性去除了参与者与计算机之间的界限,为个人了解世界创设了一种体验,从而促进学生在VR学习平台的学习过程中形成自己独特的意见和观点,构建起自己的知识体系[2]。模拟法则理论通常运用在工程邻域,分为物理模拟和数学模拟。虚拟现实与教育相结合适用的是物理模拟,虚拟现实技术通过设计与原型相近的模型,将难以完成的实验重现,捕捉稍纵即逝的自然现象等等,让学生切身发现其中的规律,感受自然科学的魅力。

2效果

VR应用于教育中时能让学生更加专注,同时学生也能在VR教学中有更好的主动性。这样的优势来自于VR本身的沉浸感,这样的沉浸感是传统的教学方式无法提供的,在VR的教学过程中,学生自己能够拥有更高的参与度,这也让学生自己能够很好的融入整个学习的过程。已有研究表明,虚拟现实研究对于不同学科、不同学习方面的教育效果会有所不同。传统使用PPT的教学更加擅长于记忆需要通过文本和图片记忆的特定知识,如特定的数字,而VR教学则难以完成。但虚拟现实对于原理或者方法的理解,以及对于问题的主观感受上有着更好的结果。目前VR可以作为一个用于补充常规授课内容的理想工具。虽然VR游戏对于教育的积极影响也取决于某些变量,但不可否认的是他对于教育是一个有所贡献的工具。在大量研究已证明虚拟现实有主意学习的基础上,将虚拟现实技术应用到教育游戏中,学生能够在使用VR进行游戏的情况下有更好的注意力。由于技术的限制,目前的VR教育依然存在体验感较差、难以获得高精度的人体运动等问题。对于交互性很强的课堂,虚拟现实的效果并不理想。来自美国德克萨斯农工大学教育学院的ZahiraMerchant团队研究发现当学生单独进行游戏而非小组进行游戏时,学生的游戏成绩会有所提高[3]。来自美国的LeiZhang团队发现当VR应用在教学过程中,互动程度对于学生学习过程的收获影响并不明显,同时也没有证据能够表明中等水平的互动性能给学生带来最大的收益。对于需要一定想象力的学科来说,虚拟现实可以从全方位模拟一些普通课堂中无法实现的场景。AftabAlam团队通过模糊逻辑的方法定量测定了学生的学习技能,并将其用于改变3D虚拟学习环境(3D-VLE)内容的适应标准,以解决3D-VLE的自适应能力。实验结果表明该方法用于为学生定制学习内容能够有效地增强学生的学习能力。来自台湾师范大学的研究团队研究了虚拟现实应用于科学教育时是否展现出显著的差异。实验结果表明该VR课堂对学生们的学习成绩有积极影响,学生的学习主动性也比接受传统教学的对照组要好不少。除此之外,教师也能通过VR教师的记录制定教学策略,更好的纠正学生的弱点。OlgaLópezRíos团队利用VR模拟真实过程,并以此完成不同场景下的教学,通过这样的方式来培养本科工程专业学生在统计方面的思维。研究的结果证明接受VR教学的学生在统计学思维方面会有更好的认识。研究团队还认为,学生能够在VR的教学中收获相关领域的一些技能。同时,研究结果还表明VR更适合于需要学生理解的知识的传授,而那些需要记忆的知识则不便于通过VR传授。由于在VR画面中放入一大段文字也很难有学生愿意阅读,因此VR也并不适合传授文字一类的内容。

3应用

在线上教育应用方面,国内外许多研究团队在体育、采矿工程、残疾人教育等多个方面均进行了应用研究并取得一定成绩。其中较为成功的有Multigencreator平台、VREX云平台、NCLS。ZhaoGuoliang的研究团队将虚拟现实技术应用于采矿工程数字教育,开发了一个虚拟现实软件Multigencre-ator平台,具有三维场景漫游、动画制作、交互控制等功能。它不仅可以应用于学习数字化教育,还可以应用于技术培训、安全救援决策、事故模拟和调查分析等方面。LiYing教授团队通过VREX构建了一个开放的、沉浸式的虚拟的教室,让学生能够让学生在任何时间、任何地点和任何频率体验交互式学习,虚拟现实教育表现了学习效率高、效果好、及时反馈、低成本、操作安全等特点和优势。ShuangLi的研究团队基于VR技术构建了一个网络合作学习系统(NCLS),分析了其典型应用的工作流程和信息流程研究如何可以方便地实现远程协作学习,分布式学习和自主学习。天津理工大学体育学系基于体育教学与训练的本质,构建了虚拟现实技术在体育教学与训练领域的应用模型和VR系统培训软件,可以为人们提供视觉展示,并结合游戏、情境化、协作学习、在线教育等手段,激发学生主动学习的兴趣。武汉首义学院的尹坤坤设计出了实现应用于教学实验过程的虚拟软件搭建的方案,目前该方案主要应用于教学实验过程中各细分领域的虚拟软件搭建,基于该方案搭建完成的虚拟现实机械领域实验室已在华中地区部分高校中应用并取得较好成果。德雷克塞尔大学电子与计算机工程系的PramodAbichandani团队介绍了一个可扩展且可迁移的基于云的虚拟现实教学生态系统。该系统云服务的可扩展性和可访问性与VR的沉浸式教育潜力结合在了一起。从虚拟现实技术在教育领域的应用研究来看,大部分的应用都收获了较好的成效。但是从研究方法和结果来看,目前还没有一套VR线上教育的技术规范标准,这就会使得VR应用显得参差不齐。

4总结和展望

虚拟现实作为一项新兴技术,虽然在教育领域的应用并不成熟,但已有的研究表明虚拟现实教育具有很大的潜力,能够突破时间与空间的限制,让学生获得沉浸式的体验与更直观的感受。虚拟现实能够模拟出传统教学中无法提现的过程,这是虚拟现实在教育领域中最大的优势,其次,虚拟现实中学生所感受到的事物都是模拟的,使得学生有更多的精力放在关注点上,从而提高学生的注意力与学习效果。

参考文献

[1]申蔚.虚拟现实技术的理论、实现及应用[D].北京:首都经济贸易大学,2001.

[2]单美贤.虚拟现实与教育相结合的理论依据[J].开放研究教育,2001(6):23-25.

[3]MerchantZ,GoetzET,CifuentesL,etal.Effectivenessofvir-tualreality-basedinstructiononstudents'learningoutcomesinK-12andhighereducation:Ameta-analysis[J].Computers&Education,2014(70):29-40.

作者:薛涛 邓业鹏 范世旭 许雅晴 蒯支睿 单位:中南大学计算机学院