陈征 覃梦河

摘要：VR作为一种新兴的IT技术，为教学手段升级提供了新的解决方案。目前众多教育领域对VR教学应用前景进行了广泛的研究，但关于VR教学特征的系统性概括与应用模型研究较少。文章结合丰富的案例研究与VR教学项目实践经验，总结出VR教学的6大特性，提出具有参考价值的VR教学建设MIRAI应用模型，给不同教育领域的VR教学建设提供有益参考。

关键词：Virtual Reality;VR教学;教学特征;应用模型

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）35-0099-03

1 引言

VR（Virtual Reality）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统[1]。它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。其利用计算机模拟产生一个虚拟世界，提供给使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，具备沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、构想性（Imagination），本文概括为I3特性。

VR教学即将VR技术应用于教学过程。VR技术作为一种新的教学工具，亦是一种新的教学手段。VR技术的I3特性符合教学技术的发展趋势。沉浸式体验与沉浸式教学完美结合，VR教学具有广阔的应用前景。虽然目前在教育领域对VR教学应用前景进行了广泛的探讨，但关于VR教学的特征概括与应用模型研究较少，本文结合丰富的案例研究与VR教学项目实践经验，开展了VR教学特征、应用模型研究，希望能给相关的教学研究与实践工作提供参考。

2 VR教学相关背景

教学工具与手段的发展历经文字、图形、多媒体。目前，多媒体教学已得到广泛普及，成为必不可少的教学工具之一。教学技术的发展，旨在将知识更加全面、完整地传递给学生，并力争学生更全面、准确地吸收掌握。知识的表达在传递过程中存在衰减，越抽象的表达衰减越严重。随着教学技术的发展，基于VR的沉浸式教学成为一个新的成长方向，“教——学”过程中信息衰减逐渐降低。这一现象可以用图1形象地描述：

2016年以来，VR教学相关研究与实践方兴未艾。VR教学应用于中小学教育领域。国内黑晶科技首推VR超级教室，涉及天文、地理、物理、化学、历史等多科目，目前已在国内40余省市落地。VR的沉浸性为中小学生带来更加直观形象的知识认知，帮助其理解与提升学习兴趣。VR教学在教授抽象概念（电磁波、磁力线）、宏观事物（宇宙天体）、微观事物（分子结构、生物结构）、历史场景、未来场景等方面具有很高的应用价值。2018年，教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知，要求加强虚拟现实技术在教育中的深入应用[2]。

VR教学应用于安全教育領域。日本爱知县在311地震5周年，采用VR技术模拟地震场景，进行防灾自救教学演练。在国内，VR教学越来越多应用于煤矿、高压电等危险环境作业教学[3-4]。VR的构想性为安全教育领域带来更加安全、低成本的教学方式。在虚拟的环境中，构建出在现实世界危险、较难出现的特殊场景开展教学，不仅降低了构建现实环境的成本，更加避免了某些真实环境对人员、周边生态可能造成的危害。

VR教学应用于职业技能培训领域。美国最早将VR教学应用于军事技能训练，结合VR设备开展室内跳伞训练[5-6]。VR教学给军事训练方式带来深度创新[7]。国泰安教育推出VR焊接教学，实现了焊接技能的实训教学。VR焊接教学在爱华德州立大学开展了对比研究，通过VR焊接教学的学生综合认证通过率提高41.6%，耗时节约23%。VR的交互性为职业技能培训提供了一个虚拟的实训平台。基于VR的腹腔镜手术模拟器已被很多医院手术技能培训中心和医学院引入[8]。VR教学在物流、制造、航空、航天、工业、医疗培训等领域提供了新的培训手段升级解决方案。

3 VR教学的特征

根据相关案例研究与VR教学项目实践经验，我们发现：VR教学利用VR技术的I3特性，正在逐渐形成具有低成本（low-cost）、高效率（high-efficiency）、高安全（high-security）的新一代教学工具与手段。沉浸性、交互性、构想性与低成本、高效率、高安全共同构成了VR教学的6特性，如图2所示。

VR教学的6特性为分析VR教学的优势、当前研究与实践存在的问题、误区提供了参考。VR教学的6特性，决定了VR教学的价值与广阔的应用前景。同时，背离6特性的VR教学建设的价值就会受到影响。值得注意的是，目前VR教学研究与实践存在两个误区，VR作为全新的教学工具与手段也还存在两个方面的问题。

VR教学研究与实践存在的两个误区：

一是应用建设相互割裂与低成本特性相背离。VR教学构建虚拟的教学训练环境，代替现实世界构建教学训练环境。当构建虚拟教学训练环境的成本远低于构建真实教学训练环境的成本时，VR教学的价值得到凸显。在民航教学训练领域，VR教学构建的虚拟程序训练器、虚拟驾驶舱、虚拟维修培训教室部分代替了成本高昂的飞行模拟机，充分体现了VR教学的低成本优势[9-10]。VR教学建设的成本主要集中在VR模型构建的成本。在VR教学研究与实践初期，VR教学应用按照教学科目为单位进行相对独立的建设，VR教学应用之间相互割裂。用于不同VR教学应用的VR模型不能够相互复用共享，造成了低利用率、重复建设、成本增加的问题。以民航教学训练为例，昂贵的实体飞行模拟机可以覆盖大部分教学训练科目。同时，VR教学构建的虚拟驾驶舱，若仅用于个别科目的学习，成本就会升高。

二是应用建设重体验轻教学与高效率特性相背离。VR教学打破了物理环境空间、时间限制，更有利于知识重构与展示。以VR教学应用于需要实地教学的领域为例。虚拟环境中的“空间瞬移”，有效节约教学路途中耗费的时间。VR的沉浸性特性，为教学带来较好的体验效果。然而，若重体验而轻教学，会导致在实际教学过程中，VR教学作为工具与手段较难融入教学过程当中，老师较难接受与掌控，反而导致教学效率降低。实际调研发现，老师普遍反映VR教学消耗课时高于传统教学。VR教学的交互性给学生带来更多的自主空间。但是在教学过程中，不能将“教”与“学”的地位完全等同。教学过程强调传授与反馈，体现在VR教学系统的功能上存在差异。然而，目前多数VR教学单纯强调沉浸式体验，甚至老师与学生只有相同的功能，VR教学退化为VR自学。

VR教学作为全新的教学工具与手段也仍然存在两个方面的问题：

一是VR硬件设备正在快速迭代成长但还未普及。2016年，消费者版本虚拟现实头盔OculusRift正式发售。同年，虚拟现实头盔HTC Vive发售，并提供BE（商业版）版本。VR逐渐走进大众视野。2018年Vive Pro发售，其分辨率达到2880×1600，高分辨率提供更清晰的画面，整体VR体验变得更流畅。设备便捷性方面，VR一体机异军突起。2019年，Oculus Quest率先实现一体机6向自由度（6DoF），它提供了6Dof的同时，提供了更好的人体工程设计、多模式应用与VR 5G云功能[11]。VR技术的发展解锁了更多的VR教学应用需求。同时，不可否认的是VR硬件设备的易用性还需要进一步提高，VR硬件设备还未普及。在实际的VR教学过程中，由于VR设备未普及，很多学生第一次使用VR头盔。初次使用的学习成本必须考虑到VR教学的建设过程中。在当前硬件条件下，老师对设备的熟悉程度要远高于学生，不能用老师接受程度作为VR教学建设的易用性标准。VR教学设计过程中，学生的操作需要尽量地简单易用。

二是VR教学缺乏VR教学平台支撑[12]。缺乏教学平台支持的VR教学退化为单机版应用。作为单独的应用适用于VR游戏、VR参观体验却不适用于VR教学。知识传授的过程是灵活多变的。变化体现在两个方面，其一、不同老师、不同学生的教学风格、学习重点存在差异;其二、教授的教学点本身也会出现变化。VR教学中的变化在流程类、规范类教学中尤为突出。若VR教学不能支持教学内容的调整，当教学内容发生变化后，相应的VR课件就失去了教学价值。VR教学平台提供VR教学关于资源、工具的支持，是VR教学具有持续生命力的重要保证。當前，学界与企业均认识到平台对为VR教学的重要性，提出VRPPT的类比概念，提出了像编辑PPT一样编辑VR的平台建设目标[13]。

本文认为在将VR教学手段应用到各教学领域中时，应注意避免以上两个误区，并注意弥补VR作为全新的教学工具与手段存在的两个问题。

4 VR教学的应用模型

VR教学6特性对VR教学表现出来的特征进行了较为全面的抽象总结。在此基础上，本文结合大量的VR教学应用案例，通过分析当前VR教学研究、实践中存在的误区与问题发现：尽管VR教学在不同教学领域有着不同的特点、差异，但是其应用模型相对一致。该发现对指导VR教学平台建设具有一定价值。笔者将VR教学应用呈现的模型概括为MIRAI模型，如图3所示：

4.1 Modeling，即以模型为基础

VR教学以模型为基础。VR模型不仅是构建沉浸式体验虚拟环境的基础，也是VR交互式设计的基础。

构建沉浸式体验虚拟环境的手段，除了VR模型构建外，还包括720度全景图、VR动画与VR视频多种方式。目前，以720度全景图为代表的构建方式，大量应用于房地产营销、旅游景点介绍领域。然而，这些手段构建出来的场景难以开展多人教学互动、交互性差、灵活性差，并不适用于VR教学领域。

4.2 Interaction，即以交互为核心

VR教学以交互设计为核心。VR交互设计的过程即是，将教学知识、知识反应的交互规律、现象内置于软件系统的过程。其本质是利用交互实现信息的输入输出，达到教学培训的目的，包括人机交互设计和教与学的交互设计。

人机交互设计受到硬件设备的制约，VR硬件设备的快速迭代发展，VR交互方式越来越多样化，越来越符合人体自然动作交互。随着听觉全向三维定位、跟踪技术的发展，部分VR头戴式显示设备（头盔）不仅实现了对体验者视觉模拟，而且集成了3D空间化声效的耳机[14]。教与学的交互设计即教学过程中，老师提问，学生反馈;学生提问，老师反馈;老师演示，学生观摩。教与学的充分互动是保障教学效果的关键。VR教学中，学生的自主空间更大，却不能忽视老师对学生学习状态、进度的控制。

4.3 Reusable，即模型可复用

模型可复用极大地降低了VR教学的建设成本。VR模型是构建虚拟现实场景与VR教学交互的基础，同时也是VR教学建设成本主要部分。主要体现在功能设计上，可描述为模型可查、可用、可改、可分享这一闭环的过程。一个VR教学课件包括的VR模型多达数千个。Sketchfab是著名的VR模型资源网站，模型数量已超过75万。面对海量的VR模型，构建模型库，实现模型的组织与管理，是实现模型可查的基础。目前，绝大多数VR硬件设备对主流的VR模型文件格式均兼容，包括Unreal Engine 4、Unity3D等开发引擎对主流VR模型格式文件实现互转，并支持可视化编辑。

4.4 Adjustable，即课程可修改

课程可修改赋予了VR教学持久的生命力，也是VR教学与其他VR应用在功能需求上最大的差异之一。

VR课程不是一成不变的，VR教学平台需要提供VR课程编辑功能，对VR课程进行二次编辑。课程可修改的权限需要掌控老师手中。VR课程的编辑比传统PPT课件的修改更加复杂。类别传统PPT的修改，VR课程编辑除了对素材（文字、图片、音频、视频）的增删查改，还包括流程编辑、场景编辑等高纬度修改。

4.5 Independent，即课件可独立发布

课件可独立发布有效提高VR教学使用的灵活性。基于统一的平台开展VR教学课件的开发，VR教学课件之间在教学功能上相对独立。针对不同需求设计开发的VR应用之间共享统一的系统管理、基础资源。目前，VR应用普遍采用C/S架构，在平台的基础上，仅安装教学需要的课件，能够节约终端设备的资源消耗，在推广VR教学过程中更加灵活。

5 结语

综上所述，VR技术作为一种新兴的IT技术，为升级、优化、创新教学训练工具、手段提供了新的解决方案。本文从VR教学的研究与实践现状出发，总结出VR教学价值体现的6特性，并以该6特性为参考，分析了VR教学存在的问题与误区，提出了可用于建设VR教学平台的MIRAI应用模型。2020年，VR教学再次成为技术应用热点，VR教学平台建设相关研究也逐渐成为关注重点，相信本文能给相关的教学研究项目与实践工作带来一定的启迪与指导意义。

参考文献：

[1] 张占龙，罗辞勇，何为.虚拟现实技术概述[J].计算机仿真，2005，22（3）：1-7.

[2] 教育部.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[J].中华人民共和国教育部公报，2018（4）：118-125.

[3] 陈利.基于VR的悬臂式掘进机远程操控与仿真系统研究[D].西安：西安科技大学，2017：2-4.

[4] 顾卫山，张永超.基于VR技术的反窃电培训系统研究[J].电测与仪表，2018，55（16）：147-152.

[5] Virtual Reality. How the military is incorporating VR into troop training.[EB/OL].  https：//unimersiv.com/military-incorporating-vr-troop-training/，2019-06-18.

[6] 侯学隆，范雪扬.基于VR和VWT的跳伞综合模拟训练系统设计[J].系统仿真技术，2014（1）：42-48.

[7] 王雪平.颠覆性技术“颠覆”军事训练[N].解放军报，2017-12-07（7）.

[8] 沈阳，郝爱民，孙尚宇，等.虚拟现实技术在医学教育中的场景应用研究——基于79篇实验研究论文的系统分析与元分析[J].中国电化教育，2020（8）：107-118.

[9] 罗文田，邓位.虚拟现实技术在民航模拟飞行训练中的应用[J].软件导刊，2018，17（2）：161-163，167.

[10] 李育，李婷，李欣.VR全數字飞行程序训练系统设计[C]//第19届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集.贵阳，2018：131-135.

[11] VelevD，ZlatevaP.Virtualrealitychallengesineducationandtraining[J].InternationalJournalofLearningandTeaching，2017，3（1）：33 -37.

[12] 刘崇进，吴应良，贺佐成，等.VR教育培训平台的教学改革研究与实践[J].中国信息技术教育，2018（8）：88-91.

[13] https：//www.mirra.co/[EB/OL].2019-06-20.

[14] 李杰.体感交互游戏中的人体骨骼跟踪技术研究[J].现代计算机，2014（6）：58-61.

【通联编辑：王力】