VR時代開展實踐教學的機遇、挑戰及對策

摘要：文章從當今虛擬現實產品風行和虛擬現實概念持續升溫的現象出發，揭示了虛擬現實技術大爆發的原因，指明了開展虛擬實踐教學所面臨的機遇。同時，文章從技術、教學和道德等三個方面，探討了開展虛擬實踐教學所需應對的挑戰，并針對挑戰提出了相應的對策，包括政府與行業共同推進技術發展、教學應用上繼續拓展深入、教師積極引導學生正確認識虛擬與現實的關系，以期為教育工作者開展虛擬實踐教學提供參考。

關鍵詞：VR；虛擬現實頭盔；沉浸感；虛擬實踐教學

2014年3月，Facebook斥資20億美元收購Oculus，并推出頭戴顯示設備。從那時起，VR、視場角、刷新率等新名詞開始不斷涌現。隨后，互聯網巨頭紛紛搶灘VR領域，如阿里巴巴宣布成立VR實驗室，將專注打磨未來購物體驗，并聯合阿里影業、阿里音樂、優酷土豆等建立VR內容輸出標準，推動高品質VR內容產出[1]；蘋果公司則向《金融時報》確認，虛擬現實和增強現實（Augmented Reality，AR）領域的頂級研究者道格·鮑曼已經加盟蘋果公司，這表明蘋果公司正在關注虛擬現實市場。從Facebook、蘋果公司到索尼、三星，全球的科技巨頭似乎一夜之間紛紛卷入了消費級VR的風口，使VR逐漸邁入消費者的主流市場。

作為一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機技術，VR利用計算機生成模擬環境，借助虛擬現實頭盔、數據手套等設備，使用戶實時感知和操作虛擬世界中的對象，獲得身臨其境般的感受。相對于計算機，VR將扁平的虛擬世界提升到三維立體的虛擬世界，其操控交互方式更加擬人化、自然化。實際上，VR并不是什么新事物，它可以追溯到20世紀50年代的立體電影和各種寬銀幕電影；VR技術的概念形成于20世紀80年代，當時美國的宇航局、國防部組織了一系列有關VR技術的研究，游戲機廠商也嘗試過VR模式[2]；20世紀90年代，任天堂公司開發的VR游戲機Virtual Boy賣了126萬——但是，這些都沒有讓VR普及起來，直到2016年“VR元年”的到來，VR產品才紛紛現世。歷經多年，VR終于從“神壇”走向平民化，其原因何在？

①技術瓶頸的攻克。VR出現后，由于技術有限，其清晰度和刷新率均無法達標，所以VR一直只能作為一種“高端概念”而存在。隨著計算機硬件技術的迅猛發展和計算機軟件系統的不斷改進，VR技術得以不斷發展，基于大數據集合的聲音和圖像實時動畫的實現成為可能。此后，芯片、顯示、人機交互技術等的發展，進一步推動VR技術逐漸成熟，雖其產品質量參差不齊，但用戶對VR的模糊認識已逐漸清晰，對VR的切身體驗也越來越多。

②設備成本的降低。VR的實現需通過系統構建一個高質量的虛擬場景，而這首先就需要配備高分辨率的虛擬現實頭盔顯示器、高音質的耳機和高精度的數據手套等設備，因而造成了VR產品在過去一直價格高昂，無法推廣。隨著4K電視、數據交互技術等的飛速發展，VR設備的成本也在不斷下降。如今，電子技術的更新換代使VR設備愈加便宜，用戶甚至可以把智能手機當作VR平臺，只需要一個附帶設備便可以享受VR體驗。

③沉浸感的提升。以往主要通過借助CAVE系統和比真人大的180°投影環境來獲得身臨其境之感——以這種不小于現實比例的屏幕來達到沉浸的方式，不僅制作體積龐大、費用高昂，而且操作復雜，故制約了VR的流行與推廣。如今，VR的技術瓶頸得以解決，清晰度、刷新率不斷改進，虛擬現實頭盔等設備不斷完善，使VR產品的畫面和真實感都得到了提升，視聽體驗也達到了前所未有的高度，故不再需要借助超大比例的投影屏幕就可以實現極致沉浸體驗。

當前，各大科技企業巨頭紛紛推出VR產品。隨著刷新率與屏幕分辨率的極大提高，輸入設備在姿態矯正、精準度、延遲等方面的持續改善，VR技術的日趨成熟，設備成本的不斷下降，基礎級VR產品大量涌入市場，人們對VR應用的最低要求得到滿足，使VR應用躍上了一個新的臺階，VR時代的實踐教學迎來了新機遇。

1 實踐教學環境的虛擬化

在實踐教學中，往往會受到教學條件的限制，如實踐場地有限、設備費用昂貴、實踐材料消耗大等。而運用VR技術，既可以在計算機上建立虛擬儀器設備、虛擬實驗室、虛擬實踐基地，創造接近于實際的技能仿真訓練環境，也可以在計算機上優化實踐教學的環境。因此，應用VR技術在計算機上生成模擬環境，能較好地解決實踐場地限制、裝備損耗等問題，可進行操作復雜、費用高、周期長的實踐教學[3]，增加實踐教學的機會，提高實踐教學的效率。

2 實踐教學時空的自由化

應用VR技術，可以突破實踐教學的時空限制，實現反復的、無危險的情境式實踐教學；可以在任何時間、地點提供將特定的對象和發生的事件（如過去、現在、未來、微觀、宏觀、幻想等世界）予以單獨呈現或進行有機組合的教學內容與虛擬環境。也就是說，應用VR技術可以使學習者不受時空的制約，隨時隨地進入學習環境，自主安排學習的進度，進行“虛擬”的實踐體驗并從中獲取經驗，在反復探索中充分發揮學習的主體性與實踐的積極性。

3 進一步激發學習動機和實踐興趣

VR具備的聲、圖、文并茂功能，極大地提高了學習者的感知水平——VR技術創設的逼真學習場景、呈現的多重感官刺激、提供的動態人機交互，增強了學習的沉浸感，并給學習者帶來了放松、愉悅、有趣的積極情緒，故有利于激發學習者主動學習的興趣，從而便于教學活動的順利實施。如在介紹河姆渡人的生活場景時，通過運用VR技術創建的虛擬情景，學習者可以進入并感受河姆渡人的生活情景——這種四維（三維空間+時間）的呈現方式，比二維的體驗模式更易讓學生產生學習激情[4]。

4 實現情境化教學

情境學習理論強調知識與情境的相互作用，認為學習者是在一定的情境中主動建構知識。通過VR技術打造具有真實感的學習情境，學習者可以在虛擬的學習情境中主動建構知識。比如，在醫學實踐教學中，利用VR技術可以模擬人體的各個部位、功能，實現各種病癥及治療、護理效果的仿真再現，提供近似真實的醫療、護理訓練條件[5]；在物理實驗教學中，構建的虛擬物理實驗室采用VR技術對現實現象進行模擬，能實現用可視化的方式來展示物理現象，并通過操作虛擬環境來觀察實驗過程和了解實驗效果[6]；在化工專業實踐教學中，通過建立虛擬化工單元實驗操作場景，使學生熟悉各種操作，可以將實驗室中的關鍵操作、故障設置、安全隱患等設計成真實感強的三維世界[7]；而在歷史教學中，也可利用VR技術還原歷史事件與歷史情境，使學生親身體驗當時的情境，從而更深入地領會課本上的相關歷史知識。

1 技術效果與標準挑戰

①虛擬現實頭盔存在技術難題。有研究表明，虛擬現實頭盔的分辨率至少要達到4k甚至更高，才能獲得較好的畫質。然而，當前大多數虛擬現實頭盔的分辨率遠未達到這個程度，而且設備使用中的眩暈問題也難以徹底解決。②感知效果比較有限。在虛擬世界的感知方面，有關視覺合成的研究很多，而對聽覺、觸覺（力覺）的關注較少，基于嗅覺、味覺的設備還很不成熟。也就是說，在與虛擬世界的交互中，自然交互性不強，在語音識別等人工智能方面的效果還遠不能令人滿意[8]。③缺乏統一的行業標準。目前，VR產品眾多，各廠商各行其是——無論是頭戴設備廠商還是內容廠商等，由于行業標準不統一，故各類VR產品的相關核心技術、設備之間無法實現互聯互通，致使VR產品的大規模推廣與產業化受阻。VR在技術與標準上存在的挑戰，在一定程度上影響了實踐教學的設計與實施。

2 案例研究與教學挑戰

目前，VR技術在虛擬實踐教學中的應用還處于初級階段，相關的案例研究成果不夠豐富，且大多屬于經驗型研究，缺乏配套的理論指導和模式建構。此外，虛擬實踐教學還面臨著兩方面的教學挑戰：①教學開發技術門檻高。在虛擬實踐教學中，需要大量進行技術與教學資源相結合的研究工作，尤其需要解決交互技術、仿真技術等一系列關鍵的技術問題，這就需要加大研發投入，同時對教學內容和教學方法進行準確理解和把握。就目前而言，由于教學開發技術門檻過高，學科教師很難像開發課件那樣去熟練地設計、開發相關的虛擬教學資源。②新環境下的教學設計面臨挑戰。VR技術為教學過程體驗、教學結果呈現、教學評價及師生交互等提供了新的可能，而新環境下的教學活動如何設計、學習過程如何交互、學習效果如何評價等，都成為了虛擬實踐教學亟待解決的問題。

3 虛擬成癮與道德挑戰

利用VR技術展現的虛擬世界，是一個比真實生活更引人入勝、且更易于掌控的世界。青少年學生一旦沉浸于虛擬世界，若自制力不強，就會深陷其中且難以自拔，最終導致虛擬成癮。而虛擬教學與現實教學之間的強烈反差，也容易引起青少年學生對現實教學的厭倦心理，這就需要教育為之付出一定的代價。此外，虛擬世界將人們帶入了一個圖像聲效時代，所有的突發事件、各種災難與極致體驗等，經過VR技術傳遞，均成為一次安全的、不在場的奇遇式刺激。由于在虛擬世界中的各種操作行為都沒有實際危險，不會造成現實傷害，因此可能會出現各種各樣膽大妄為的虛擬體驗，使學習者形成不負責任的態度和習慣[9]——這對實驗類操作性實踐教學尤為不利。值得注意的是，虛擬世界中沒有次數限制的操作體驗，還會降低學習者對事物的新奇感和規則感，從而養成無視現實世界中各種是非現象的習慣，進而形成麻木冷淡的性格。

1 政府與行業共同推進技術發展

從VR行業本身來說，應將重點放在：①不斷升級設備——在改進現有VR設備的同時，加快新VR設備的研制工作，并及時推進相關硬件設備的更新換代；②加大技術研發力度——進一步突破VR領域的核心技術，提升視覺傳感、體感識別、眼球追蹤、觸覺反饋等關鍵技術水平，打破現實世界和虛擬世界之間的隔閡，提升用戶體驗；③盡快建立并完善行業標準——由于行業標準不統一，各類VR產品的相關核心技術、設備之間無法實現互聯互通，不足以支撐VR產品的大規模推廣與產業化，因此硬件設備、軟件工具、內容生產等層面的標準化迫在眉睫。

與此同時，政府應通過政策和經費支持，明確產業政策支持的方向，推動VR產品關鍵技術的研發，頂層設計VR行業與各領域融合發展的路線圖，并提供具體的發展思路和政策引導。只有技術發展了，相關的應用才能隨之推進，虛擬實踐教學才能“落地”。

2 教學應用上繼續拓展深入

針對虛擬實踐教學中存在的案例研究與教學挑戰，未來的VR研究需在教學應用上繼續拓展深入，具體包括：①開展典型案例研究。大規模的教學變革需要典型案例的引領和支撐，因此，應結合我國虛擬實踐教學的具體需求，通過經驗型的研究形成抽象的理論體系，并設計開發VR學習系統，以支持虛擬實踐教學的理論和模式探索。②降低教學開發的難度。具體來說，可以引入專業的VR技術開發人員來攻破教學開發技術的難關，搭建虛擬教學平臺，然后有針對性地對相關教師進行培訓，讓教師能熟練地通過虛擬教學平臺開展虛擬實踐教學，并按照自己的需求設計、開發相關的虛擬教學資源。③深入研究虛擬實踐教學。虛擬實踐教學是一個復雜的活動過程，將VR的教育潛力變為現實，需要教育者的智慧。而教育者作為教學的主導，需立足于學生的發展，立足于實踐教學的教與學的需求[10]。具體來說，需要教師重新概念化一些重要的教學觀念（如語境、真實性等），設計交互和可視化的學習體驗，建立具體可行的學習體驗模型，并針對虛擬環境下學生的學習行為和過程開發有效的監控和評估工具，動態診斷學生的學習情況，從而及時為學生提供干預和引導。

3 教師積極引導學生正確認識虛擬與現實的關系

虛擬實踐教學離不開教育工作者（主要指教師）的積極引導。由于青少年學生的思想尚未完全成熟、辨別是非的能力有限、容易受到誤導，因此應充分發揮教師對青少年學生的引導作用，幫助他們學會正確認識虛擬與現實的關系，防止他們虛擬成癮、厭倦現實世界，盡量避免各種膽大妄為的不負責任的虛擬體驗。隨著VR技術的不斷發展，虛擬世界已然到來，對此我們應清醒地認識到：虛擬只是手段、工具，生活終歸是現實的；只有合理認識虛擬與現實的關系，把科技力量控制在道德范圍內，從虛擬的世界中走出，走回現實，才能讓虛擬豐富教學活動，并發揮虛擬本身的積極作用。

參考文獻

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