引言
虛擬現實(Virtual
Reality，簡寫VR)的概念來自于科幻小說，Laurence
Manning在1933年出版了一系列的科幻小說，提出了虛擬生活(Virtual
life)的概念。隨著電子管計算機的應用和全息照相技術的發展，為VR技術的實現提供了基本的條件。Ivan
E.Sutherland
在1965
年發表了《終極的顯示》的論文，首次提出了虛擬現實的思想，并在1968年發明了第一臺頭顯設備(Head-mounted
display，HMD)。隨著計算機和虛擬現實技術的發展，虛擬現實越來越類似于現實的世界。Jaron
Lanier在1989年推出了面向市場的第一臺VR頭盔——EyePhone
VR頭盔和數據手套，這是現代意義的沉浸式虛擬現實(immersive
VR)的VR套件。
Jaron Lanier 在研發EyePhone VR套件的過程中，發展了沉浸式虛擬現實技術，他在1989年介紹該產品時最早使用“Virtual Reality(VR)”一詞。在1990年，以麻省理工學院為中心，召開了圣巴巴拉會議，把不同稱謂的沉浸式虛擬現實統稱為“Virtual Reality(VR)”，Jaron Lanier也被稱為“虛擬現實之父”，在2010年被美國“時代”雜志評為100個最有影響的人物之一。沉浸式VR技術應用于教育領域，能模擬生成虛擬的三維學習環境，學生等有關人員在這個模擬環境中學習或得到培訓。Delucia A 等人把這個學習環境稱為“Second Life”，即“第二人生”，是模擬真實社會在線角色扮演的平臺，構建一種沉浸式、游戲般趣味性的學習環境，這個學習環境遠比坐在屏幕前觀看二維圖像和動畫要真實、方便和有趣得多?，F在，沉浸式VR已經在教育培訓領域獲得了廣泛的應用，在國外歸屬于計算機多媒體的教學，被稱為沉浸式多媒體。
2沉浸式虛擬現實和非沉浸式虛擬現實的概念
沉浸式虛擬現實是利用圖形系統和各種控制接口設備，在計算機上生成可交互和具有沉浸感覺的現實世界的模擬仿真，也就是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，給使用者在虛擬環境中提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的現實世界模擬。用戶需要戴上VR頭盔，幾乎與現實世界隔絕，才能進入洞穴狀自動虛擬環境(the
Cave
Automatic
Virtual
Environments)。非沉浸式虛擬現實也稱為桌面式虛擬現實，是借助于計算機和其鼠標、鍵盤、話筒等外圍設備，通過三維制圖軟件在屏幕生成窗口式虛擬環境，或者通過攝影技術獲得實際圖像加上計算機處理生成的虛擬環境，該虛擬環境一般由三維視頻或3D電影組成，不足之處是能感覺到腳和手不在虛擬空間里。
沉浸式VR比非沉浸式VR更有吸引力，用戶在沉浸式虛擬空間漫游體驗時，猶如身臨其境。沉浸式VR還具有與虛擬物體實時交互的優點，可以根據自己的思路探索整個虛擬環境，選擇自己想體驗的內容。另一方面，用戶在虛擬空間觀看VR作品的時間不受限制，可以隨時播放或暫停，切換到其他的VR作品，也可以從不同角度長時間瀏覽虛擬作品，而且操作簡單快捷。因此，沉浸式VR技術被稱為終極的多媒體技術。
3虛擬現實的特性
G.
Burdea和Coiffet
Philip在1993年的世界電子年會上發表了論文《Virtual
Reality
System
and
Application(虛擬現實系統和應用)》，指出虛擬現實具有沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)，即3I特性，是沉浸式VR的標志特性。虛擬現實技術融合了計算機圖形技術、傳感器技術、多媒體技術、包含人工智能的人機交互技術、立體顯像技術、網絡技術、計算機仿真模擬和心理學等眾多科學技術，現在這些科學技術逐漸走向成熟，沉浸式VR也開始變得成熟，并獲得了越來越廣泛的應用。
虛擬現實的沉浸性是指利用計算機產生的三維立體圖像，讓人置身于一種虛擬環境中，就像在真實的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺。用戶需要戴上VR頭盔(頭顯設備)，才能在虛擬空間漫游和體驗。VR頭盔里裝有目鏡和立體顯示屏，用戶觀看立體圖像時，透過目鏡的視角放大和視場放遠作用，實現視覺的沉浸性;頭盔里裝有傳感器，能追蹤用戶的位置、姿態的變化及其眼球的轉動，通過人工智能中的動作捕捉和識別，實時地調用或生成立體圖像。
虛擬現實的交互性是指用戶能在虛擬空間里與虛擬對象互動交流，實現相應的動作和功能。虛擬現實的交互手段摒棄了鍵盤和鼠標與計算機的人機交互方式，采用傳感設備如數據手套、操縱手柄或者音頻設備等新型交互方式。用戶采用這些新型設備與虛擬空間的物體交流互動，感覺就像處于現實世界中一樣。
虛擬現實的想象性是指人們在虛擬環境中對現實世界中的環境發揮想象，并進行創造性的模擬，能拓展人類的認知范圍和可想象的空間。VR專家在開發作品時可再現過去的或真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的，或不可能發生的環境，研發充滿想象力的作品;另一方面，用戶在虛擬空間漫游體驗時根據所獲取的信息，通過聯想、推理和邏輯判斷等傳統思維，展開自己的想象，以便了解更多的作品內容，獲取更多的知識。
4虛擬現實在教育培訓中的應用概況
虛擬現實在教育培訓中應用的首次嘗試在美國。1992年，虛擬現實技術與教育實驗室在美國東卡羅琳那大學正式成立。該實驗室主要是用來確認虛擬現實技術在教育上是否適用，并且對這一技術中的軟件和硬件進行評價，以便更好地觀察虛擬現實技術對教育教學活動的推廣情況。1994年，華盛頓大學和西屋科學基金會組織了一個流動教學計劃，一輛裝有虛擬設備的流動教學車在各個學校中進行教育體驗，為中小學生提供虛擬現實技術的教學服務，并觀察虛擬現實教學對提高學生興趣和領悟能力的情況。從20世紀90年代到21世紀初，這一時期的虛擬現實設備非常貴，其存在沉浸感不足、三維圖像的質量比較差，交互動作發生時圖像變換滯后引起暈眩感等缺陷，只有少數游戲發燒友迷戀虛擬現實的游戲。在教育培訓領域，一般是大學和公司在基金資助下展開一些應用研究，尙未在教育界獲得實際應用。
1.虛擬現實在國外教育培訓中的應用概況
2012年，Oculus Rift推出了VR套裝(VR頭盔和數據手套)，沉浸式虛擬裝置的價格下降了很多，沉浸式VR也獲得了很大的發展和推廣，并在2013年開始應用于美國的教育界。德克薩斯大學(The University of Texas)是把Oculus Rift VR套裝應用在教育培訓中最早的大學之一。2013年，高分辨率的大型視覺墻(a large-scale high-resolution VizWall)的數字圖像輸入到Oculus Rift VR頭盔，形成沉浸式的虛擬現實的學習環境，成為新的教育方法。例如，大型視覺墻可以顯示比較詳細的地球圖景，其圖像是由一組計算機處理器(CPU/GPU)耦合后建模產生的大型數字圖像，該數字圖像輸入VR頭盔，變為學習地理知識的虛擬環境，內容詳細豐富，這是真實的地球儀無法比擬的。
虛擬現實技術應用于教學，學生與虛擬的教師進行交流互動，形成虛擬課堂。Cai S.、 Wang X. 和Chiang F-K 設計了幾個面向初中生關于化學物質結構認識的虛擬現實的操作實驗，在實驗中，學生可以采用自然交互方式對虛擬出來的微觀世界中的分子、原子進行操作、組合和創作，該實驗表明虛擬現實的教學較大地提升了學生的學習興趣和對物質微觀結構的認知與理解，這是虛擬現實技術對日常難以呈現的微小物體之間的空間關系和內部結構細節的展示，有效地促進了學生技能的培養。
虛擬現實技術應用于實驗或實訓，學生操作虛擬實驗(實訓)設備或器材，形成虛擬仿真實驗(實訓)室，完成實驗(實訓)的任務。例如，Michael J. Amirian等研究了一組學生參加虛擬仿真的外科縫合技術的培訓，并與真實實驗培訓的另一組相比較，結果發現虛擬仿真培訓的一組和參加真實實驗培訓的一組掌握的技術沒有多少不同，證實了虛擬現實的仿真培訓的有效性。虛擬仿真實驗(實訓)室能利用計算機建立反映現實世界規律的實驗儀器，進行的虛擬仿真實驗(實訓)，能夠替代許多難以完成的真實實驗，或者費時費力費資金的實驗。
沉浸式VR與網絡技術相結合，形成分布式虛擬現實系統(DVR：Distributed Virtual Reality)，在遠程教育中得到了應用，使身處異地的教師和學習者處在同一個虛擬的教學場景中，可以不受時空限制，實現異地交互學習，或者通過實時語音、動作捕捉和識別進行無障礙交流，為學習者帶來了極大的便利。
虛擬現實已經成功地應用于土木工程和建筑學、化學、醫學與生物學、物理學與天文學、電信，涉及科學視頻、工商管理、時裝、體育運動和軍事訓練等教育培訓領域，學生能在線下或線上進行學習培訓。
2.虛擬現實在我國教育培訓中的應用概況
沉浸虛擬現實技術在我國發展得比較晚，在教育培訓中的應用目前正處于應用研究和嘗試評估階段。到2016年的VR元年，沉浸式VR在我國也得到了普遍重視，我國一些高校對沉浸式VR進行了相關課題的研究。比如，北京航天航空大學對分布式飛行模擬方面的應用進行了研究，浙江大學在建筑上進行了虛擬規劃和虛擬設計的研究，清華大學研究了臨場感等。一些國內公司和院校合作，在2017年初也推出了VR教育培訓產品，比如，杭州萬霆科技公司是推出VR教育產品的公司之一，比較有名的產品就是VR建筑實訓平臺，也叫VR建筑實訓中心。
我國VR 技術在教育方面的運用主要包括以下三個方面：①虛擬仿真校園。虛擬仿真校園在我國應用得比較廣泛，校園文化和學習氛圍對教育教學活動的開展有著重大影響，參觀虛擬校園的沉浸式體驗能起到良好的對外宣傳作用，或者吸引學生報考該院校。②虛擬教學。虛擬現實技術在理工科和醫學的教育教學中獲得了一些應用。例如，同濟大學建筑學院擁有一個虛擬現實實驗室，可對建筑景觀及其內部的結構進行仿真，學生戴上VR頭顯，在建筑教學中進行了嘗試，學生能夠通過新的方式學習到更加系統全面的知識。③仿真實驗(實訓)。 學生在虛擬環境中學習使用實驗儀器設備，完成實驗或實訓的任務，在我國也獲得了一些應用成果。例如，杭州萬霆科技公司和廣州番禺職業學院進行了校企合作，在2017年4月構建了基于BIM的VR實訓室(中心)。
我國關于虛擬現實在教育培訓中的研究和應用仍停留在較為初始的階段，還是以虛擬現實理論探討為主，應用層面的研究和實踐較少，教育教學效果還在進一步評估和確定階段;研究和應用重心還集中在虛擬仿真校園的實現等方面，較西方國家仍有一段距離。
5虛擬現實在教育培訓中的優缺點
沉浸式VR模擬的虛擬空間身臨其境，逼真的視覺和聽覺感受讓使用者不自覺地認為自己進入到真實世界;另一方面，沉浸式VR利用計算機圖像建模技術、全景照相技術和相關軟件等能整合豐富的VR資源，或創建豐富的VR作品，具有諸多優點。沉浸式VR目前處于走向成熟的階段，還在發展一些關鍵技術，而且使用者需要戴上頭盔，透過目鏡才能在虛擬空間漫游、瀏覽虛擬物體和作品，幾乎與真實的外界隔絕，無疑存在一些缺點。
1.虛擬現實在教育培訓中的優點
Plamena Zlateva和 Dimiter Velev指出，虛擬現實的教學能使學習者在內容豐富的虛擬學習環境中磨合(hone)自己的知識，提高創造力和分析問題、講解問題的技能，學生在虛擬的學習情境中，能充分發揮自己的特長，自主進行學習訓練，而且還能自由、一遍又一遍地進行重復學習訓練。真實的課堂教學是不能自由重復學習訓練的，因此，虛擬現實的學習培訓提供了彌補現實世界問題的比較好的解決方案。
虛擬現實技術能整合豐富的VR資源，創建內容豐富的VR作品，能打破時間和空間的局限性，解決資源緊缺的問題，提高學習培訓的規模和效能。例如，虛擬現實技術應用于醫學領域，動物實驗和尸體解剖等進行虛擬現實的教學培訓時，在虛擬環境中通過比較自然的交互方式，其逼真的教學情境與真實世界動物實驗和尸體解剖的體驗是一樣的，使學習者在系統中獲得近似于真實實驗的操作體會，一次投入使用，重復利用率高，可以節約大量的試驗設備，樣本如試驗動物、組織等，學生和教師都可以進行操作、測試、分析和研究，而且同樣能提高其動手能力。
在虛擬現實體驗中，學生幾乎可以全身心地漫游在虛擬空間。虛擬現實的沉浸性能調動受教育者全部感覺器官，逼真的視覺和聽覺感受使體驗者不自覺地認為自己進入到了真實世界。這種教學模式是一種體驗式的教學，由體驗得來的知識并非教師的經驗傳授，而是由學習者自身感知得來的，這種體驗式的學習更容易形成長時記憶。
虛擬現實技術可以在避免傷害、減小成本的情況下，完成教育培訓的任務，而在真實世界中是幾乎不能完成的，特別適用于某些學科在現實生活中災害性和危險性較強的，或者在現實生活中沒有的、成本較高難以構建的現實場景——災害危險場景、歷史場景、跨國場景、特殊教育、軍事演習、宇宙與海洋場景等。比如，虛擬現實應用于氣象學中的氣候溫室效應、大片森林干旱和暴雨災害等虛擬學習情境，獲得相應的技能培訓，這些教學情境在真實世界中的教學不能隨時出現，而在虛擬學習情境中很容易隨時呈現。
虛擬現實技術和網絡遠程教學相結合，產生虛擬現實的遠程教學系統，比非虛擬現實的更加真實、更加有趣。教師在教學活動中，利用這一系統，對不同地點、不同上網時間，組織進行實時的或者是非實時的分布式教學。而對于學生而言，他們可以根據自身的實際情況，在不同的時間安排、不同上網地點中接受教師的指導，比較好地完成各項教學、實驗或實訓任務，同時在線提交作業、實驗報告等。
2.虛擬現實在教育培訓中的缺點
目前沉浸式VR還處于不成熟的階段，一些關鍵技術處于研究完善的階段，比如高清晰的全景三維顯示技術和比較自然的交互方式等，相關的硬件設備存在使用不方便、效果不理想的情況，難以達到虛擬現實系統所需的要求，影響了學習者體驗的興趣;虛擬現實設備(運行速度快的計算機和VR套件)的價格依然比較貴，需要大量資金支持。
虛擬現實技術系統開發的相關軟件語言專業性比較強，通用性和易用性比較差，相關模型工作比較復雜，普遍建模工作量大，系統平臺應用軟件的開發需要大量的精力和花費，開發成本昂貴;VR專業人員還比較少，合適的VR仿真應用軟件和VR作品還比較少，教育培訓的VR資源比較少;VR應用軟件和作品所能實現的范圍受到限制，不同廠商生產的VR產品標準還不一樣，開發出來的VR應用軟件和VR作品不能通用。
在教學應用層面，教師特別是年齡比較大的教師教學方式難以改變，樂于采用傳統的課堂教學等教學方式，如果應用虛擬現實這種新型教育工具，感覺不舒適，這種虛擬新型教育工具難以起到積極的作用。實踐表明，任何對虛擬現實具有負面看法的人，戴上了高質量的VR頭顯設備(目前指Oculus Rift、PlayStaion VR(PS VR)、HTC Vive)進行體驗后，每個人都發生了改變，成為VR的積極支持者，這些教師通過體驗，或者需要通過一定時間的培訓，無疑會適應這種新型的虛擬現實教學工具。
當使用者進行虛擬現實的學習培訓時，需要戴上頭盔，幾乎與真實的外界隔絕，透過目鏡才能在虛擬空間漫游體驗，使用者在這種環境中漫游體驗，眼睛容易疲勞，時間久了可能產生暈眩和頭痛等負面影響。在虛擬環境漫游體驗久了，還可能分不清真實世界和虛擬世界的物體;如果是兒童戴上VR頭盔，有可能傷害他們的視覺系統，故美國Oculus Rift和韓國三星Gear VR建議13歲以上的少年使用，而PlayStation VR和HTC Vive 等廠家禁止12歲以下的兒童使用，但這些VR缺陷可以通過立法限制或縮短在虛擬空間漫游體驗的時間來克服。
6虛擬現實在教育培訓中的應用展望
虛擬現實技術經過近幾年的快速發展，各方面性能逐步完善，在教育培訓領域的應用前景十分廣闊。近期內，虛擬現實技術的設備及服務需要進一步完善，能營造智能化和實用型的虛擬現實教學環境，減少技術使用層面的困難。在一段比較長的時間內，隨著計算機硬件的發展，VR公司需要研發和提供高質量的VR頭顯設備，令人欣慰的是，一些液晶板廠家正在研發高清晰度的液晶板，以便顯示高質量的三維圖像;VR公司還需要研發包含傳感技術和人工智能的感知設備，該感知設備能在虛擬環境以非常自然的方式和虛擬對象進行交互作用，同樣令人欣慰的是，一些VR公司在開發這種高技術的感知設備，例如，日本的SONY
正在研發這種設備。
各廠家生產虛擬現實的設備標準不同，VR虛擬仿真軟件和VR作品不能通用，VR技術需要標準化，才會獲得普遍的推廣和應用。沉浸式VR技術正在走向成熟，融合了計算機圖形技術、傳感器技術、多媒體技術、包含人工智能的人機交互技術、立體顯像技術、網絡技術、計算機仿真模擬和心理學等眾多科學技術，標準化具有一定的困難?，F在，一些國際組織如IEEE等開始從3D顯示技術、VR頭盔、立體聲系統、動作姿勢追蹤控制等方面進行標準化的討論。隨著VR技術的成熟，在不久的將來，國際標準化組織將會對VR技術進行標準化，高質量的通用虛擬現實設備就會生產出來，其價格會下降很多，在教育培訓界會得到普遍的推廣使用。
一些開發VR作品的系統軟件的界面逐漸變得友好，功能變得更強大，這些系統軟件能充分利用各種VR資源，比較容易地開發出滿意的VR仿真軟件或VR作品。例如，Unity 3D和Unreal Engine等起初是用來開發游戲的，隨著版本的不斷升級，界面越來越友好，功能不斷增多，現在與其他開發3D的系統軟件相結合，使開發VR仿真應用軟件或VR作品更加容易，開發的內容更加豐富。隨著VR技術的標準化，VR應用軟件或VR作品能在不同廠家的VR設備上應用。因此，在教育培訓方面的VR資源會越來越豐富，能逐漸滿足在教育培訓方面的需求。
人工智能(AI)已經在虛擬現實的交互方式中得到應用，例如，根據識別的動作或語音，調用相應的三維圖景，或者在虛擬空間做出相應的反應，AI今后在VR 自然交互方式中將會獲得更多的應用。另一方面，人工智能還會在虛擬仿真軟件或VR作品中應用得更為普遍，例如，日本開發的“夏日課堂”，用戶在學習時與作品中女孩人性化的互動，就應用了人工智能。
分布式虛擬現實系統在教育培訓領域的應用將會更為廣泛和普遍。分布式虛擬現實系統通常通過兩種網絡平臺來進行搭建，一種是在Internet 上，而另一個則是在高速專用網上。例如，美國在Internet上進行了VR教育培訓，學生能在線上的虛擬環境中學習，取得了比較好的教學效果。又例如，美國在高速專用網上開展了對綜合訓練場的研究，創建了一個覆蓋了500x750 公里的大范圍，能夠讓海陸空三大兵種的 3700 個仿真實體共同參與到虛擬的演練環境之中，三大兵種在一起進行了非常逼真的協同作戰演練。分布式虛擬現實系統隨著在教育培訓領域應用水平的提升，并利用網絡的社交特性，共享信息和資源，提高教育培訓的效果和經濟效益會越來越明顯。隨著虛擬現實和網絡技術的發展，虛擬實現的教學能與傳統教學模式進行良好的兼容，發揮出自身的優勢，并逐漸普及和大眾化。
虛擬現實技術現在和未來主要應用于真實世界中幾乎不能完成的、具有較強災害性和危險性的事件，或者在現實生活中沒有的、成本較高的、難以構建的現實場景，可以解決資源緊缺的問題。虛擬現實的教育培訓與傳統教學模式相融合，實現虛實結合，虛擬現實的教學起到了非常重要的輔助作用，但真實世界的教學依然處于主導地位。在虛擬現實的教育培訓過程中，需要戴上頭盔和操縱交互的感知設備，具有不可避免的缺陷;由于小學生年齡小，虛擬現實的教學有可能不利于他們的身心發展。另一方面，源于中學階段學生的身心發展，也不適合處在長時間虛擬現實的教育培訓中。
虛擬現實技術已經成為教育培訓領域非常吸引人的、前景廣闊的技術之一，它與教育教學的深度融合將會進一步推進教育教學的改革和發展，對提高教育技術水平、改善教學環境、豐富教學資源具有重要作用。廣州番禺職業學院在VR實訓室教學模式和方法的教學改革和實踐中提出，VR教育培訓平臺適合于個性化教學模式，學生在個性化的學習過程中激發了強烈的學習積極性和主動性，對學業精益求精，提高了分析問題和解決問題的能力，有效地發展了工匠精神。虛擬現實技術應用于教育培訓領域，能優化教學過程，培養學生的個性化特征，使學生成為具有職業精神的創新型人才。(參考文獻：略)
(作者：劉崇進，賀佐成，葉雯，張云霏，廣州番禺職業技術學院;吳應良，華南理工大學;文章來源：《中國教育信息化》2018年15期)
