摘要：文章从当今虚拟现实产品风行和虚拟现实概念持续升温的现象出发，揭示了虚拟现实技术大爆发的原因，指明了开展虚拟实践教学所面临的机遇。同时，文章从技术、教学和道德等三个方面，探讨了开展虚拟实践教学所需应对的挑战，并针对挑战提出了相应的对策，包括政府与行业共同推进技术发展、教学应用上继续拓展深入、教师积极引导学生正确认识虚拟与现实的关系，以期为教育工作者开展虚拟实践教学提供参考。 关键词：VR；虚拟现实头盔；沉浸感；虚拟实践教学 虚拟现实（Virtual Reality，VR）现已成为科技行业最热门的话题之一，2016年被业界称为“VR元年”。经过国际消费类电子产品展览会（International Consumer Electronics Show，CES）、世界移动通信大会（Mobile World Congress，MWC）、游戏开发者大会（Game Developers Conference，GDC）的展出，Oculus Rift、HTC Vive、三星Gear VR向市场的大力推广，微软、Netflix、20世纪福克斯及CNN等许多公司相关VR技术产品或内容的发布，众多的VR厂商、硬件制造商、内容开发商和VR平台相继涌现，使VR获得了快速发展。现今，VR技术的发展已日趋理性、平稳和成熟，既面临机遇，也存在挑战。 一、 VR从“神坛”走向平民化的契机 2014年3月，Facebook斥资20亿美元收购Oculus，并推出头戴显示设备。从那时起，VR、视场角、刷新率等新名词开始不断涌现。随后，互联网巨头纷纷抢滩VR领域，如阿里巴巴宣布成立VR实验室，将专注打磨未来购物体验，并联合阿里影业、阿里音乐、优酷土豆等建立VR内容输出标准，推动高品质VR内容产出[1]；苹果公司则向《金融时报》确认，虚拟现实和增强现实（Augmented Reality，AR）领域的顶级研究者道格·鲍曼已经加盟苹果公司，这表明苹果公司正在关注虚拟现实市场。从Facebook、苹果公司到索尼、三星，全球的科技巨头似乎一夜之间纷纷卷入了消费级VR的风口，使VR逐渐迈入消费者的主流市场。 作为一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，VR利用计算机生成模拟环境，借助虚拟现实头盔、数据手套等设备，使用户实时感知和操作虚拟世界中的对象，获得身临其境般的感受。相对于计算机，VR将扁平的虚拟世界提升到三维立体的虚拟世界，其操控交互方式更加拟人化、自然化。实际上，VR并不是什么新事物，它可以追溯到20世纪50年代的立体电影和各种宽银幕电影；VR技术的概念形成于20世纪80年代，当时美国的宇航局、国防部组织了一系列有关VR技术的研究，游戏机厂商也尝试过VR模式[2]；20世纪90年代，任天堂公司开发的VR游戏机Virtual Boy卖了126万——但是，这些都没有让VR普及起来，直到2016年“VR元年”的到来，VR产品才纷纷现世。历经多年，VR终于从“神坛”走向平民化，其原因何在？ ①技术瓶颈的攻克。VR出现后，由于技术有限，其清晰度和刷新率均无法达标，所以VR一直只能作为一种“高端概念”而存在。随着计算机硬件技术的迅猛发展和计算机软件系统的不断改进，VR技术得以不断发展，基于大数据集合的声音和图像实时动画的实现成为可能。此后，芯片、显示、人机交互技术等的发展，进一步推动VR技术逐渐成熟，虽其产品质量参差不齐，但用户对VR的模糊认识已逐渐清晰，对VR的切身体验也越来越多。 ②设备成本的降低。VR的实现需通过系统构建一个高质量的虚拟场景，而这首先就需要配备高分辨率的虚拟现实头盔显示器、高音质的耳机和高精度的数据手套等设备，因而造成了VR产品在过去一直价格高昂，无法推广。随着4K电视、数据交互技术等的飞速发展，VR设备的成本也在不断下降。如今，电子技术的更新换代使VR设备愈加便宜，用户甚至可以把智能手机当作VR平台，只需要一个附带设备便可以享受VR体验。 ③沉浸感的提升。以往主要通过借助CAVE系统和比真人大的180°投影环境来获得身临其境之感——以这种不小于现实比例的屏幕来达到沉浸的方式，不仅制作体积庞大、费用高昂，而且操作复杂，故制约了VR的流行与推广。如今，VR的技术瓶颈得以解决，清晰度、刷新率不断改进，虚拟现实头盔等设备不断完善，使VR产品的画面和真实感都得到了提升，视听体验也达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实现极致沉浸体验。 二 、VR时代开展实践教学的机遇 当前，各大科技企业巨头纷纷推出VR产品。随着刷新率与屏幕分辨率的极大提高，输入设备在姿态矫正、精准度、延迟等方面的持续改善，VR技术的日趋成熟，设备成本的不断下降，基础级VR产品大量涌入市场，人们对VR应用的最低要求得到满足，使VR应用跃上了一个新的台阶，VR时代的实践教学迎来了新机遇。 1 实践教学环境的虚拟化 在实践教学中，往往会受到教学条件的限制，如实践场地有限、设备费用昂贵、实践材料消耗大等。而运用VR技术，既可以在计算机上建立虚拟仪器设备、虚拟实验室、虚拟实践基地，创造接近于实际的技能仿真训练环境，也可以在计算机上优化实践教学的环境。因此，应用VR技术在计算机上生成模拟环境，能较好地解决实践场地限制、装备损耗等问题，可进行操作复杂、费用高、周期长的实践教学[3]，增加实践教学的机会，提高实践教学的效率。 2 实践教学时空的自由化 应用VR技术，可以突破实践教学的时空限制，实现反复的、无危险的情境式实践教学；可以在任何时间、地点提供将特定的对象和发生的事件（如过去、现在、未来、微观、宏观、幻想等世界）予以单独呈现或进行有机组合的教学内容与虚拟环境。也就是说，应用VR技术可以使学习者不受时空的制约，随时随地进入学习环境，自主安排学习的进度，进行“虚拟”的实践体验并从中获取经验，在反复探索中充分发挥学习的主体性与实践的积极性。 3 进一步激发学习动机和实践兴趣 VR具备的声、图、文并茂功能，极大地提高了学习者的感知水平——VR技术创设的逼真学习场景、呈现的多重感官刺激、提供的动态人机交互，增强了学习的沉浸感，并给学习者带来了放松、愉悦、有趣的积极情绪，故有利于激发学习者主动学习的兴趣，从而便于教学活动的顺利实施。如在介绍河姆渡人的生活场景时，通过运用VR技术创建的虚拟情景，学习者可以进入并感受河姆渡人的生活情景——这种四维（三维空间+时间）的呈现方式，比二维的体验模式更易让学生产生学习激情[4]。 4 实现情境化教学 情境学习理论强调知识与情境的相互作用，认为学习者是在一定的情境中主动建构知识。通过VR技术打造具有真实感的学习情境，学习者可以在虚拟的学习情境中主动建构知识。比如，在医学实践教学中，利用VR技术可以模拟人体的各个部位、功能，实现各种病症及治疗、护理效果的仿真再现，提供近似真实的医疗、护理训练条件[5]；在物理实验教学中，构建的虚拟物理实验室采用VR技术对现实现象进行模拟，能实现用可视化的方式来展示物理现象，并通过操作虚拟环境来观察实验过程和了解实验效果[6]；在化工专业实践教学中，通过建立虚拟化工单元实验操作场景，使学生熟悉各种操作，可以将实验室中的关键操作、故障设置、安全隐患等设计成真实感强的三维世界[7]；而在历史教学中，也可利用VR技术还原历史事件与历史情境，使学生亲身体验当时的情境，从而更深入地领会课本上的相关历史知识。 三、 VR时代开展实践教学的挑战 1 技术效果与标准挑战 ①虚拟现实头盔存在技术难题。有研究表明，虚拟现实头盔的分辨率至少要达到4k甚至更高，才能获得较好的画质。然而，当前大多数虚拟现实头盔的分辨率远未达到这个程度，而且设备使用中的眩晕问题也难以彻底解决。②感知效果比较有限。在虚拟世界的感知方面，有关视觉合成的研究很多，而对听觉、触觉（力觉）的关注较少，基于嗅觉、味觉的设备还很不成熟。也就是说，在与虚拟世界的交互中，自然交互性不强，在语音识别等人工智能方面的效果还远不能令人满意[8]。③缺乏统一的行业标准。目前，VR产品众多，各厂商各行其是——无论是头戴设备厂商还是内容厂商等，由于行业标准不统一，故各类VR产品的相关核心技术、设备之间无法实现互联互通，致使VR产品的大规模推广与产业化受阻。VR在技术与标准上存在的挑战，在一定程度上影响了实践教学的设计与实施。 2 案例研究与教学挑战 目前，VR技术在虚拟实践教学中的应用还处于初级阶段，相关的案例研究成果不够丰富，且大多属于经验型研究，缺乏配套的理论指导和模式建构。此外，虚拟实践教学还面临着两方面的教学挑战：①教学开发技术门槛高。在虚拟实践教学中，需要大量进行技术与教学资源相结合的研究工作，尤其需要解决交互技术、仿真技术等一系列关键的技术问题，这就需要加大研发投入，同时对教学内容和教学方法进行准确理解和把握。就目前而言，由于教学开发技术门槛过高，学科教师很难像开发课件那样去熟练地设计、开发相关的虚拟教学资源。②新环境下的教学设计面临挑战。VR技术为教学过程体验、教学结果呈现、教学评价及师生交互等提供了新的可能，而新环境下的教学活动如何设计、学习过程如何交互、学习效果如何评价等，都成为了虚拟实践教学亟待解决的问题。 3 虚拟成瘾与道德挑战 利用VR技术展现的虚拟世界，是一个比真实生活更引人入胜、且更易于掌控的世界。青少年学生一旦沉浸于虚拟世界，若自制力不强，就会深陷其中且难以自拔，最终导致虚拟成瘾。而虚拟教学与现实教学之间的强烈反差，也容易引起青少年学生对现实教学的厌倦心理，这就需要教育为之付出一定的代价。此外，虚拟世界将人们带入了一个图像声效时代，所有的突发事件、各种灾难与极致体验等，经过VR技术传递，均成为一次安全的、不在场的奇遇式刺激。由于在虚拟世界中的各种操作行为都没有实际危险，不会造成现实伤害，因此可能会出现各种各样胆大妄为的虚拟体验，使学习者形成不负责任的态度和习惯[9]——这对实验类操作性实践教学尤为不利。值得注意的是，虚拟世界中没有次数限制的操作体验，还会降低学习者对事物的新奇感和规则感，从而养成无视现实世界中各种是非现象的习惯，进而形成麻木冷淡的性格。 四 、VR时代开展实践教学的对策 1 政府与行业共同推进技术发展 从VR行业本身来说，应将重点放在：①不断升级设备——在改进现有VR设备的同时，加快新VR设备的研制工作，并及时推进相关硬件设备的更新换代；②加大技术研发力度——进一步突破VR领域的核心技术，提升视觉传感、体感识别、眼球追踪、触觉反馈等关键技术水平，打破现实世界和虚拟世界之间的隔阂，提升用户体验；③尽快建立并完善行业标准——由于行业标准不统一，各类VR产品的相关核心技术、设备之间无法实现互联互通，不足以支撑VR产品的大规模推广与产业化，因此硬件设备、软件工具、内容生产等层面的标准化迫在眉睫。 与此同时，政府应通过政策和经费支持，明确产业政策支持的方向，推动VR产品关键技术的研发，顶层设计VR行业与各领域融合发展的路线图，并提供具体的发展思路和政策引导。只有技术发展了，相关的应用才能随之推进，虚拟实践教学才能“落地”。 2 教学应用上继续拓展深入 针对虚拟实践教学中存在的案例研究与教学挑战，未来的VR研究需在教学应用上继续拓展深入，具体包括：①开展典型案例研究。大规模的教学变革需要典型案例的引领和支撑，因此，应结合我国虚拟实践教学的具体需求，通过经验型的研究形成抽象的理论体系，并设计开发VR学习系统，以支持虚拟实践教学的理论和模式探索。②降低教学开发的难度。具体来说，可以引入专业的VR技术开发人员来攻破教学开发技术的难关，搭建虚拟教学平台，然后有针对性地对相关教师进行培训，让教师能熟练地通过虚拟教学平台开展虚拟实践教学，并按照自己的需求设计、开发相关的虚拟教学资源。③深入研究虚拟实践教学。虚拟实践教学是一个复杂的活动过程，将VR的教育潜力变为现实，需要教育者的智慧。而教育者作为教学的主导，需立足于学生的发展，立足于实践教学的教与学的需求[10]。具体来说，需要教师重新概念化一些重要的教学观念（如语境、真实性等），设计交互和可视化的学习体验，建立具体可行的学习体验模型，并针对虚拟环境下学生的学习行为和过程开发有效的监控和评估工具，动态诊断学生的学习情况，从而及时为学生提供干预和引导。 3 教师积极引导学生正确认识虚拟与现实的关系 虚拟实践教学离不开教育工作者（主要指教师）的积极引导。由于青少年学生的思想尚未完全成熟、辨别是非的能力有限、容易受到误导，因此应充分发挥教师对青少年学生的引导作用，帮助他们学会正确认识虚拟与现实的关系，防止他们虚拟成瘾、厌倦现实世界，尽量避免各种胆大妄为的不负责任的虚拟体验。随着VR技术的不断发展，虚拟世界已然到来，对此我们应清醒地认识到：虚拟只是手段、工具，生活终归是现实的；只有合理认识虚拟与现实的关系，把科技力量控制在道德范围内，从虚拟的世界中走出，走回现实，才能让虚拟丰富教学活动，并发挥虚拟本身的积极作用。 参考文献 [1]晓月.2016中国VR行业预测研究报告[J].互联网周刊,2016,(7):36-40. [2]胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2009:3-6. [3]张建武,孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究,2010,(4):109-112. [4]杨文辉.基于Unity3d的初中历史教学案例设计与应用研究[D].银川:宁夏大学,2015:19. [5]黄新平,杨雪.虚拟现实技术在医学职业教育实验教学中的应用研究[J].中国职业技术教育,2013,(5):83-87. [6]黄剑玲,邹辉.基于虚拟现实技术的实验教学系统及其特点[J].中国电化教育,2009,(4):108-111. [7]马亚军,蒋晓雁,王瑞斌.化工实习虚拟现实技术在实践教学中的应用[J].化学试剂,2010,(8):765-766. [8]中国电子技术标准化研究院.虚拟现实产业发展白皮书[R].北京:工信部,2016:18-19. [9]李勋祥.虚拟现实技术与艺术[M].武汉:武汉理工大学出版社,2007:153-154. [10]张志祯.虚拟现实教育应用:追求身心一体的教育——从北京师范大学“智慧学习与VR教育应用学术周”说起[J].中国远程教育,2016,(6): 5-15、79.
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