教育学虚拟现实技术教育应用研究综述.docx

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1、虚拟现实技术教育应用研究综述摘要：随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实教育也取得了快速发展，虚拟现实技术应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式，打破了空间、时间的限制。本研究对虚拟现实教育应用现状进行研究综述，分析目前虚拟现实在教育应用中所面临的挑战，并结合我国教育现状，对虚拟现实教育应用的趋势进行展望。关键字：虚拟现实(VR),教育应用，研究目前，在教育实践和研究中大多采用多用户虚拟现实平台(开放式与非开放式平台)，使用较多的虚拟现实技术产品以国外产品为主，总体呈现“一超

2、三强”的竞争格局：一超指的是OCUIUSRift；三强是SoNYP1ayStatiOnVR、HTCViVe以及AVegantG1yph,而国内产品如蚁视、灵镜、3G1asses等也在逐渐成为有力的竞争者。1一、虚拟现实的定义与特征迄今为止，学界对虚拟现实技术尚未给出统一的界定，存在着三种不同的观点与认识。以刘光然为代表的学者将虚拟现实技术看作媒介的一种形式，这种媒体由交互式计算机仿真组成,它能够感知参与者的位置,捕捉参与者的动作信息，替代或者增强一种或者多种感官反馈，而产生一种精神沉浸于或出现在仿真环境(虚拟世界)中的感觉2。第二种观点是从数字环境视角来看，赵沁平认为虚拟现实是在一定范围与真实

3、环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助一定的装备与数字化环境中的对象进行交互，从而产生对应真实环境的直观感受和体验3。第三种观点则认为虚拟现实技术是计算机技术的拓展，是综合了利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术等为一体的科学技术4OBurdeaG和Phi1ippeCoiffet在1994年提出了想象性(Imagination)、交互性(Interaction)和沉浸性(Immersion)等虚拟现实的三个基本特征5,即虚拟现实的31特征。其中，想象性是指虚拟现实技术使得理性与感性相结合，可以创建人为想象出来的场景或事物,促使人们深化概念，创造想法；交互性是指使

4、用者不用借助鼠标、键盘等工具，以自然方式与虚拟环境进行互动，同时，虚拟环境可以通过多重感官给予使用者反馈；沉浸性则强调了使用者从观察者到参与者身份的转变，使用者能够身临其境，感受到自己是虚拟世界中的一部分，在使用过程中更具有主动性。王聪系统分析了增强现实(AR)与虚拟现实这两种技术的区别和联系，认为增强现实是在虚拟现实基础上发展起来的，这两种技术具有同源性，其在信息生成、设备以及技术交互方面有重叠6。王同聚将虚拟现实的主攻领域定位在“虚拟世界”，即人们通过虚拟现实设备来探索人为因素所构建的虚拟世界，并且在纯虚拟数字画面中追求沉浸感，而将增强现实的主战场定位在“现实世界”，即人们使用增强现实设备

5、产生的虚拟信息来提升探索现实世界的能力，是虚拟数字画面加上裸眼现实70张枝实从技术和应用两个维度对以上学者的观点做了详尽的说明8。根据文献分析可以总结出，虚拟现实与增强现实在技术使用、设备配置、应用目的、教育特性上都有不同。虚拟现实实际上强调建构场景与“投射”的过程,因此，它侧重于构建和创造模式，关注虚拟场景是否有良好的体验和交互9。相反，增强现实更关注复原人类视觉的功能，不隔离周围的现实环境，注重虚拟场景与现实场景的相互“融合”。虚拟现实重点依赖GraPhiCS等运算技术，而增强现实主要运用ComPUterViSiorI等信息与场景交互技术。在教育实践中，虚拟现实构建合理、夸张或虚幻的VR环

6、境，为学生带来想象性、交互性、沉浸性的学习体验，而增强现实则更加强调学习过程的兴趣性、智能性、自主性，从而提升现实工作、生活或学习的思维动力和实践能力。二、虚拟现实在教育中应用的理论基础一、建构主义学习理论虚拟现实通过建构可视化的场景，直观形象地向学生讲解事物的概念使学生更容易理解事物的性质、规律。更重要的是学生通过与虚拟对象的主动交互有利于建立先前经验，加强所学知识与将来运用该知识情景之间的联系，从而达到学习的意义建构。建构主义(COnStrUCtiViSm)也译作结构主义，其最早提出者可追溯至瑞士的皮亚杰(J.Piaget)90他坚持从内因和外因相互作用的观点来研究儿童的认知发展，他认为儿

7、童是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认知结构得到发展。虚拟现实技术为交互式学习提供了坚实基础。建构主义认为10,教学是学习者充分利用环境提供的丰富的工具和资源建立自己的认识和理解的过程。学生的知识建构是一个积极主动的活动，试图将新知识与更广泛的知识经验联系起来，成为整合的知识体系，而不只是与一两个观念建立联结。学生不只是理解和记忆现成的结论，而是要理解这些知识所指向的问题，并基于自己的知识经验，来批判地分析它的合理性，形成属于自己的知识。二、自主学习理论自主学习(autonomous1earning)也称为自我导向学习(se1f-directed1earn

8、ing),一般指学习者自行确定学习目标、选择学习方法、监控学习过程、评价学习结果的过程。在自主学习中，教师起指导作用，但学生自主探索、建构知识的过程更重要,因而学生在学习过程中一定要借助于反馈信息，形成对客观事实的认识及解决实际问题的能力。齐莫曼认为，当学生在元认知、动机、行为三个方面都是一个积极的参与者时，其学习就是自主的11。Winne和BUtIer认为12,自主学习者面临学习任务时，首先要利用已有的知识和信念对任务特征和要求进行解释。学生一旦完成对学习任务的解释，接下来就要设置学习目标。学生所选择的目标在形成和展开自主学习的过程中居核心地位，因为学生要根据学习目标来确定学习方向，判断学习

9、的进展情况，选择和调整学习过程和策略。学习目标确定之后，自主学习的学生就要根据学习目标选择和运用相应的学习策略。利用学习策略对学习任务进行加工，最后生成学习结果。三、认知主义学习理论认知主义学习理论的基本观点是13,人的认识不是由外界刺激直接给予的，而是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果。虚拟现实与教育相结合，必须从学生的认知心理出发，注重学生的具体经验和对情境的理解，使得学习者的新旧知识之间的同化顺利完成，建构起自己的认知结构，促进认知发展。四、行为主义学习理论行为主义学习理论认为，学习有四个基本的要素14：内驱力（如对赞许的需要）、线索、反应和奖励（或强化），并由此总结出三种学习

10、的基本原理即内驱力演化为动机作用，反应演化为积极反应原理，奖励（或强化）演化为即时强化与反馈。虽然行为主义理论因其强调外部行为和动机，忽视了学习者本身及周围环境的影响，但行为主义的强化论对指导虚拟现实的系统设计仍然具有指导作用。依据对虚拟现实与传统动画的区别分析，如果去掉网络传输与文件大小的因素，单从本质上考虑，它们之间最大区别在于交互与反馈的不同，而及时有效的反馈是强化的必要手段。因此，在设计虚拟现实系统的软件时，行为主义的强化论对导航和反馈机制的设计具有理论指导作用15O三、虚拟现实在教育中的应用形式一、虚拟现实校园虚拟校园是利用虚拟现实技术创设的虚拟校园场景，是虚拟现实技术与网络和教育最

11、早的具体应用。如1996年基于VRM1技术开发的天津大学虚拟校16。由于系统刻意去重现学习环境，在虚拟技术构建的校园环境里进行学习，可以提供比传统教学采用的文字或图片更有参与感和认同感。系统还将高速计算机网络与交互式多媒体工作站相结合，学习者可通过个人工作站参加学习，观看多媒体讲课并在多媒体笔记本上做记录，经由音频、视频及共用计算机工具进行交互，使之更容易投入到学习情境中。二、虚拟现实实体虚拟现实实体是指用虚拟现实的方法来展示教学中用到的实际物体，学生可以根据自己的想法对虚拟的实体进行移动、旋转或缩放，通过对虚拟实物的操作来完成所学知识的意义建构。如在高中物理中讲到机械波这一章时，如果教师一味

12、地讲有关波的理论就很难引起学生的注意，但如果用虚拟现实的方法虚拟一面国旗，让学生自己用扇子扇动国旗来观察国旗的运动。或者用虚拟现实虚拟平静的湖面，让学生扔下一块石头来观察激起的涟漪，就能很容易地把学生引入波的世界中，进一步可深入到声波、电磁波这些无形的东西，在波的世界中学习波的相关知识。另外对一些教学中所描述的而在当代生活中很难找到物体，也可以用虚拟现实的方法，根据大量的资料，创设出虚拟的实物，来帮助学生对知识的理解。如高中语文第六册（必修）中的我国古代的车马17,介绍了我国古代车马的知识，同时介绍了古代人乘车骑马的情况，但是文中对“马”介绍的笔墨很少，而且在战国以前，马是专为拉车用的，文中所

13、介绍的“车”则是战国以前的，现实生活中己无从得见。这时老师就可以依据从各博物馆搜集的大量的关于古代车马的资料，用虚拟现实的方法造出与古代车马几乎毫无二致的“复制品”来。三、虚拟现实过程演示虚拟现实过程演示是用虚拟现实的方法来展示现实生活中一些无法看到的变化过程或变化太快、太慢的过程,学生通过自己的操作来控制事物的变化过程,完成所学知识的意义建构。如在讲物体的浮沉条件，经常会引用潜水艇的例子，但是潜水艇究竟是怎样工作的，一般学生是无法看到，这时就可以用虚拟的方法建立一艘超级潜艇，当要潜水艇上浮时，按控制台上相应的按键，就会看见潜水艇开始排水，到一定时候潜水艇就上浮，并显示出上浮的速度；当要潜水艇

14、下沉的，按相应的控制键，潜水艇就开始进水，到一定时候潜水艇就下沉，并显示出下沉的速度18。四、虚拟现实教育应用所面临的挑战目前虚拟现实呈现技术目前普遍存在建模工作量大、模拟成本高，与现实世界匹配程度不够以及可信度等方面的问题19。具体而言，从产品技术层面，丁楠、汪亚琅认为存在着头戴式显示设备使用体验不佳、显示设备的视域相对狭窄、设备的重量与体积过大，使用者的活动自由度受到硬件的限制，从而导致交互体验不足等缺陷20。而高媛等还从教学应用层面及学习者体验层面上总结了虚拟现实技术在教育教学中存在的不足21,在教学应用层面，海伦法利认为最大的挑战在于教师的教学方式还没有改变，在虚拟环境中仍旧采用传统的

15、教学，这样虚拟现实技术则难以起作用22。刘德建、高媛等皆提出了虚拟现实所使用的多元信息传送方式容易造成学生的认知负荷超载，对于学生的学习过程相关监控数据还没有配套成熟的辅助技术进行有效评价，不能明确辨别学生在使用虚拟现实技术到底是用于学习还是娱乐2324。五、总结与展望传统的教学方式在我国的教育事业中应用多年，照本宣科的教育方式让人们已经意识到了它的弊病与不足。而近些年引进并普及多媒体教学方法后，老师们不再被局限于黑板，而是可以借助于计算机、投影仪、音像设备等，通过全方位的展示、更加形象活泼的方式辅助教学，教学效果比以往有所提升，可是学生低参与度的弱点依然存在，从照本宣科时代进入了照PPT宣科

16、依然不是我们所满足的。所以尽管目前VR技术的发展还处于未成熟阶段，但从其技术的突破性不难预测VR技术将成为教学系统的重要工具，只要能解决目前VR输出设备的佩戴感受差、设备的价格略高，以及最关键的一点，VR视频的观赏舒适度低的这些问题，我们有理由相信其未来所带来的效果一定会不同凡响，并将给教育技术领域带来翻天覆地的改变。参考文献：黄奕宇.虚拟现实(VR)教育应用研究综述J.中国教育信息化,2018,000(001):11-162刘光然.虚拟现实技术M.北京：清华大学出版社,2011.3赵沁平.虚拟现实综述J.信息科学,2009(1):2-46.4钱中侯,张公绪.质量专业理论与实务M.北京:中国人事出版社,2001.5BurdeaG,CoiffetP.Virtua1rea1itytechno