虚拟现实技术在教育领域的应用现状及未来发展趋势研究分析 计算机科学与技术专业

摘要：随着网络及科学技术的不断发展及进步,虚拟现实技术已经开始融入越来越多的行业中，被越来越多的领域所应用。尤其是在教育领域,虚拟现实技术对于日常的教育更是起着越来越重要的积极的促进作用,为教师的日常授课以及学生的学习提供了极大的便利。虚拟现实技术是在三维技术的基础之上,将高分辨率显现技术和多传感交互技术等多种当下最先进的技术进行技术整合,将二维的图形亦或者相关信息投影形成三维化立体的技术。将虚拟现实技术与课堂的日常教学相结合，不但有利于教师的教学，也可以为学生营造一个相对立体完善的良好的学习环境，可以极大的调动和促进学生的学习积极性可思维的创造性。关键词：虚拟现实技术，教育，应用，趋势Absrtact:Withthecontinuousdevelopmentandprogressofnetworkandscienceandtechnology,virtualrealitytechnologyhasbeguntointegrateintomoreandmoreindustries,andhasbeenappliedinmoreandmorefields.Especiallyinthefieldofeducation,virtualrealitytechnologyplaysamoreandmoreimportantroleinpromotingdailyeducation,providinggreatconvenienceforteachers'dailyteachingandstudents'learning.Virtualrealitytechnologyisbasedonthree-dimensionaltechnology.Itintegrateshigh-resolutiondisplaytechnologyandmulti-sensorinteractiontechnology,andformsthree-dimensionaltechnologybyprojectingtwo-dimensionalgraphicsorrelatedinformation.Combiningvirtualrealitytechnologywithdailyclassroomteachingwillnotonlybenefitteachers'teaching,butalsocreatearelativelythree-dimensionalandperfectlearningenvironmentforstudents,whichcangreatlymobilizeandpromotestudents'learningenthusiasmandcreativethinking.Keywords:virtualrealitytechnology,education,application,trend目录1.绪论 11.1论文研究背景 11.2论文研究意义 12.虚拟现实技术概述 12.1虚拟现实技术的定义 12.2虚拟现实技术的基础 21.环境建模技术 22.立体声合成和立体显示技术 23.触觉反馈技术 24.交互技术 22.3虚拟现实技术的分类及特征 32.4国内外虚拟现实技术的研究 52.4.1国内虚拟现实技术的研究 52.4.2国外虚拟现实技术的研究 63.虚拟现实技术在教育领域的应用 73.1虚拟现实技术在教育领域的应用现状 73.1.1传统教育 73.1.2采用虚拟现实技术的教育应用 73.2虚拟现实技术在教育领域的优势 93.3虚拟现实技术在教育领域中存在的问题 113.4具体的解决措施 13参考文献 15致谢 161.绪论1.1论文研究背景信息技术发展的迅速以及其在教育领域中的重要作用越来越明显，使得当下的教育工作者和相关技术研究人员开始在各个角度对信息技术融入教育之中进行研究分析。尤其是对”互联网+教育”领域的研究探索的深入，使得虚拟现实技术开始逐渐成为当下教学中强有力工具。随着经济的发展，教育技术的完善,当下教育环境也开始向复杂和多样化转变,学生对不同环境下的教育需求也逐渐个性化。无论是对于知识的学习、还是对问题的深入分析研究亦或者是对于相关能力的学习，所以的教学方法都是为例能够为学生创造更好的学习环境，促进学生的学习。而虚拟显示技术可以为教学营造更加逼真的立体环境，为学生创造机具真实的学习体验，使得学生能够对相关知识和场景的模拟来增加学习的乐趣和学习的体验。1.2论文研究意义对虚拟现实技术在教育领域的应用现状及未来发展趋势研究，可以了解当下虚拟现实技术在教育领域中的具体应用，分析其在当下教育领域中的积极促进作用以及其存在的一些问题，并根据问题提出相应的解决措施，以实现虚拟现实技术可以更好的促进教学工作的开展，提升学习的学习积极性，推动我国教育事业的良好发展。2.虚拟现实技术概述2.1虚拟现实技术的定义虚拟现实技术是当下发展迅猛的仿真技术下的一个重要分支，虚拟现实技术是当下仿真科学技术、计算机图形学、多媒体技术、信息传感技术以及人机接口技术和网络技术等多种先进网络信息科学技术的完全整合体，是一种极具技术挑战的前沿交叉科学技术。实现虚拟现实技术主要是靠对周围环境的模拟、信息的感知、自然技能以及信息传感设备等多种技术设备共同工作来实现的。对周围环境的模拟是通过相关设备对周围的环境组成进行全面的扫描将数据传送到计算机来实现实时的立体三维信息数据图像的转换；对数据以及信息的感知是指理想化的虚拟现实技术可以实现像人一样的对周围的信息、数据和环境能够做出视觉、听觉以及触觉等层面的反应和感知；自然技能是可以将虚拟现实技术的相关工作设备实现像人一样进行可以进行肢体的运动，如头部的上下左右扭动、眨眼、做各种手势等；传感设备就是三维交互设备。图2-1虚拟现实技术2.2虚拟现实技术的基础1.环境建模技术也就是虚拟环境的建立，以便能够获取实际三维环境的信息以及相关的数据，并根据具体的想发和需要，利用获取的信息以及数据设计并建立相应的虚拟模型。2.立体声合成和立体显示技术在虚拟现实系统中消除声音的方向与用户头部运动的相关性，同时在复杂的场景中实时生成立体图形。3.触觉反馈技术使用者在操作虚拟现实系统的过程中能够直接感受到虚拟物体的作用力以及反作用力，从而产生真实身临其境的感觉和体验。4.交互技术虚拟现实中的人机交互的联系及其重要性远远的超出了现实中键盘和鼠标的联系和作用，利用数字头盔、数字手套等复杂的传感器设备，三维交互技术与语音识别、语音输入技术成为重要的人机交互手段。2.3虚拟现实技术的分类及特征1.桌面虚拟现实桌面虚拟现实就是在依据个人计算机以及层次较低的工作站设备的基础之上，将个人计算机的液晶屏幕作为虚拟现实仿真者对虚拟环境建立观察并分析的一个媒介和窗口，实现数据和信息的模拟。通过这些虚拟现实设备实现相关信息以及数据的输入，确保现实与虚拟世界交互传感的实现，而在现实中对虚拟环境进行操作的外部设备主要有鼠标、虚拟追踪球以及力矩球等。桌面虚拟现实对使用者的要求是需要时时根据计算机屏幕，通过操作设备，来对虚拟的界面进行全面的观察，并通过操作设备来对虚拟界面内的事物进行操纵。桌面虚拟现实的成本较低，应用相对较为广泛，但是这一模式由于会受到一定的现实影响，会使得参与者缺乏真实的虚拟体验。日常常见的桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime虚拟现实、虚拟现实造型语言虚拟现实ML、桌面三维虚拟现实、MUD等。

图2-2虚拟现实设备沉浸的虚拟现实

高级的虚拟现实技术及系统可以为使用者提供完全沉浸其中的舒爽体验，使参与者可以有一种真正身处于虚拟世界的感觉。沉浸的虚拟现实技术系统是利用头盔式显示器以及其它的设备将体验者的视觉、听觉触觉以及其它的所以感觉完全的封闭起来，并为体验者提供一个完全全新的、虚拟的环境及迥异的空间，并依据位置跟踪器、传感手套、其它手动信息输入设备等一系列的技术设备使体验者能够真正的产生身临其境、完全沉浸虚拟世界中的感觉和体验。当下的沉浸式虚拟现实系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程虚拟现实系统。

图2-3虚拟现实设备3.增强现实性的虚拟现实

增强现实性的虚拟现实技术不仅仅是利用虚拟现实技术来对现实世界进行详细的模拟、对现实世界进行数据的仿真，而且这一技术主要是用来强化体验者对虚拟中的现实环境的感受和体验，利用这一技术来增强参与者现实中难以感知亦或者不方便进行的感受。

4.分布式虚拟现实

如果分布式虚拟现实技术系统就是将多个用户的计算机通过网络完全的连接在一起，使得者多个体验者可以同时参加一个完全相同的虚拟空间，实现多个体验者沟通共同体验虚拟世界。在分布式虚拟现实技术系统中，多个参与者可通过网络及其计算机对同一虚拟世界进行各自的观察和操作，实现分工，以便能够达到相互协作，互相配合的目的。当下最有特色的分布式虚拟现实技术系统是SIMNET，SIMNET是由坦克的仿真器通过网络来连接而成的，这一虚拟现实技术主要应用于军队件的联合训练。虚拟世界、体验者的沉浸感、虚拟世界感觉反馈以及交互性是虚拟现实技术的主要特点。1.虚拟世界是根据当下先进的计算机技术以及程序在计算机内部实现虚拟环境及世界的构建，虚拟世界的设计和构建完善是其他一切虚拟事物可以实现的重要基础。虚拟世界可以根据当下的真实环境进行模拟构建，形成相对逼真的三维模拟模型。也能够根据用户的想发来设计构建现实世界中并不存在的事物以及场景，而后使得用户在构建的虚拟世界中进行虚拟世界与现实世界的交互操作。2.沉浸感是衡量虚拟现实技术最重要的技术指标和特征，是体验者在创建的虚拟世界中，与虚拟世界的相关事物进行交互时所体验到的真实程度的大小。当下由于软件以及硬件条件的限制，即使是当下最先进的虚拟现实技术也无法完全的使得体验者在虚拟世界中能够真实地体验到与现实世界一般无二的相同体验和感知，只能让体验者在一定程度上体验到虚拟世界的沉浸感。3.感觉反馈是虚拟现实技术的一个独有的特点：虚拟现实技术不同于传统的交互接口，它不仅仅能够为体验者提供视觉以及听觉方面的相关反馈，还提供为体验者进行触觉、力觉、嗅觉、味觉等层面全方位的时时反馈，以满足体验者对虚拟世界沉浸感的要求和体验，且期望虚拟世界对体验者的反馈与现实世界对体验者的反馈效果一样。4.交互性主要体现在人与虚拟现实技术系统的相互作用过程中，交互性是指通过各种灵敏传感器使得计算机能够对体验者与虚拟世界的自然交互行为进行及时的识别并同时做出相应的响应和反馈。交互的及时性对于体验者对虚拟现实的体验程度至关重要，如弱体验者在虚拟世界的体验者，与虚拟事物都的交互过程存在严重的延迟现象，就会使得体验者的虚拟现实体验失真，对虚拟现实的交互体验产生严重的消极影响。2.4国内外虚拟现实技术的研究2.4.1国内虚拟现实技术的研究北京航空航天大学的计算机系是目前我国最早进行虚拟现实技术的研究，而且是在虚拟现实研究领域中最具有权威的研究单位之一，相关研究工作者首先是对虚拟现实的一些观点和理论基础进行了分析探讨研究，同时也对虚拟环境中不同物体的物理特性以及其相关的表达方式及模式进行了研究；并实现了虚拟环境与现实的视觉接口这一硬件设备的升级同时编写出了更加完善完备的算法，优化了虚拟环境，同时也将虚拟环境网络的分布式设计变成了现实。而且计算机系也为广大的研究者开设了线上论坛，提供当下研究最新的数据信息和虚拟现实的演示平台，供研究者进行理论的研究和探讨。

浙江大学的国家级重点实验室根据预消隐技术以及图层叠加绘制技术设计研发出了一套桌面虚拟的三维立体的实时建筑环境漫游系统,同时配备了更加高级的交互工具，以便使得系统三维画面实时性以及清晰度等层面都能达到较为先进的水平。而且，研究人员还编制出更为先进的快速漫游算法以及递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学在对虚拟现实技术研究的过程中，已经利用当下的虚拟技术将人类行为中的特定人脸表情进行了数据的合成，同时也解决了嘴唇动作的合成以及表情变化等一系列的技术问题，同时对于人类在言语交流过程中的头部动作以及和手势的变化等实现了研究的突破，同时也期望能够积极实现话音以及语调的同步。2.4.2国外虚拟现实技术的研究美国宇航局下的艾姆斯实验室成功的将数据手套实现了更进一步的设计升级并开始工程化，使的数据手套成为了更加具备实用性的产品。同时约翰逊空间中心通过积极运用面向座舱的飞行模拟技术实现了对空间站操控的仿真和模拟。德国在对虚拟现实技术的研究以及应用层面取得了难以想象的积极成果。德国通过对传统产业的积极改革，一是通过将虚拟技术用于传统产品的包装设计，在很大程度上降低了产品的销售成本，也减少了新产品研发过程中存在的各种风险；二是通过虚拟现实技术向潜在用户进行产品演示的过程中更能引起客户对产品的兴趣；三是将虚拟现实技术与当下的培训相结合，在新的产品生产设备投入运营前用利用虚拟现实技术来对企业的员工进行理论以及技能的培训，以提高员工对于设备的熟悉程度以及操作水平。NEC公司研究开发了一种先进的虚拟现实系统，这一系统可以让操作者通过“代用手”来实现对三维CAD形体模型的处理，该虚拟系统是将数据手套作为媒介将对模型的处理和cad操作者链接了起来。日本的富士通实验室正在对虚拟环境中的事物与虚拟现实环境的相互间作用进行研究，而且富士通实验室通过开发新的神经网络识别系统来对虚拟现实的手势识别进行研究，以识别手势和信号语言。3.虚拟现实技术在教育领域的应用3.1虚拟现实技术在教育领域的应用现状3.1.1传统教育传统模式下的教育只是教师根据当下的教学大纲的规定按照课本对学生进行讲解和知识的传授。这一传统下的教育，只是要求学生能够将老师讲解的课本知识听懂和吸收，而且传统模式下的教育也注重学生的记忆背诵，对于一些学生不理解的知识，就会要求其进行简单的背诵，使得学生的主观能动性逐渐的降低，教师也很少能够将课本的知识进行更深、更广的延伸。这样的教育仅仅要求学生能够考出好的成绩，适应当下的应试教育,导致学生逐渐养成被动接受课本知识的习惯，不会思维的发散。而且在传统的教育模式中，一些学校由于条件的限制，使得很多课本上的实验无法完全的向学生进行演示并让学升上手操作，从而使学生缺少了本应拥有的实践机会。3.1.2采用虚拟现实技术的教育应用远程教育

在虚拟现实技术系统中存在的虚拟智能角色，可以带领学生在虚拟环境中更好地进行环境的体验，同时老师也能够随时随地的在虚拟现实系统中与其学生进行知识的讲解和学术的交流。以网络信息技术和多媒体设备为基础的虚拟学习环境中，可以使得学生的主观能动性和自主学习能力得到极大的提升，学生通过计算机就可以进行知识的学习，同时也能够享受到当下丰富的学习资源。图3-1虚拟教室虚拟校园虚拟现实系统可以进行虚拟校园以及虚拟课堂的创建，可以使得学生能够随时随地的在虚拟校园以及虚拟课堂课堂之中进行知识的学习、也能够也老师、同学进行及时的讨论。

（3）虚拟漫游虚拟漫游是指学生在虚拟现实的环境中可以以第一人称的身份进行游览，对环境的观察，可以根据自己的喜好对游览的速度以及观察的视角进行时时的调整，使得学生可以在虚拟环境中有身临其境的真实感觉和极真的体验。图3-2虚拟现实课堂（4）虚拟实验环境

虚拟现实实验是指在虚拟现实环境的基础之上将现实中真实的实验进行模拟呈现。当下学校根据虚拟现实技术设立的各种虚拟实验室在对学生进行化学、物理等实验的操作和体验上具有积极的效果，同时虚拟实验室的设立，在很大程度上可以降低学生做实验过程中存在的风险，也能够降低一些实验昂贵的成本，减少学校的开支，使得学生们能够足不出户的、不限次数的进行各种实验的操作，同时也能获得与现实中进行真实实验时一样的体验。3.2虚拟现实技术在教育领域的优势（1）生动、逼真的学习环境，有利于学生理解抽象概念传统过程中，知识或信息一般的传授通常依靠文字、图片等简单形式来进行的，这些形式用于解释当前的中观世界是容易的。但是对于一些复杂的问题，比如宏观、微观现象，亦或是历史事件和未来，就显得苍白无力。相对于传统教育中知识的扁平性，虚拟现实技术可以呈现更为立体的世界，消除时间与空间对人造成的认知阻断，为学生提供生动、逼真的学习环境。如建造人体模型、太空旅行、化合物分子结构显示等，虚拟现实可以在广泛的科目领域中为学生提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固他们学习知识的过程，有效帮助学生加深知识印象，深刻理解抽象概念。

图3-3虚拟课堂教学（2）实现情景学习、促进知识迁移

虚拟现实技术能够提供丰富的感知线索以及多通道（如听觉、视觉、触觉等）的反馈，帮助学习者将虚拟情境的所学迁移到真实生活中，满足情境学习的需要。

图3-4虚拟实验教学（3）节省成本并规避真实操作的潜在危险

传统过程中，受到设备、场地、经费等条件制约，许多大型或有一定危险性的实验难以开展。虚拟现实技术可模拟实验场景，能让学生足不出户完成各种实验，并获得与真实实验一样的体会。可以说，在保证教学效果的前提下，虚拟现实技术减少了实验操作可能带来的困难和危险，并大幅度降低了实验成本。

（4）激发学生学习兴趣和参与度

虚拟现实技术通过呈现个性化特征、丰富多彩的媒体形式和刺激性的对话促进学习者的学习动机。大量案例证明，虚拟现实可以给学习者带来放松、愉悦、感兴趣等积极情绪，激发学生的内部学习动机。另外，虚拟现实技术可创设逼真的场景，提供动态的高交互设置，可以让学习者在其中显示出较高的学习参与度。

图3-5虚拟课堂（5）有利于开展创新教学、办出特色教育

虚拟现实为学生创设接近真实的学习环境，将抽象概念具象化，为学习者打造高度开放、可交互、沉浸式的三维学习环境，能够激发学生学习的兴趣和热情，突破传统教学的一些难点和瓶颈，从而让学校教学变得更有效率。另外，教师可组织学生开展基于虚拟现实的课堂互动、自主学习、探究式学习等创新教学活动，创办特色教育课程内容，从而从整体上提升学校教育教学质量。3.3虚拟现实技术在教育领域中存在的问题虚拟现实技术尚未完全成熟尽管目前随着网络信息技术的进步，虚拟现实技术在不断取得突破性的进展，但现实中虚拟现实技术的应用在实现舒适、安全、高效的理想目标上仍存在着很大的差距。以当下市场上广受欢迎的Oculus虚拟现实、三星Gear虚拟现实、HTC-Vive等头显产品为例，这些产品在具体使用的过程中仍存一些不足，便利性以及性能都有待提高。而且当下市场上很多虚拟头盔的分辨率都相对较低，影响使用者的视觉体验，难以真正达到虚拟现实所追求的沉浸式体验的理想目标。而且更加重要的是，当下市场上主流的虚拟头盔不能积极实现虚拟世界与现实的完美对接，部分产品使得用户带上头盔之后就不能对现实世界的环境和事物进行时时的观察，需要有人在一旁进行时时的陪护。此外，长期佩戴使用虚拟现实的相关产品会引发使用者的身体疲劳、眩晕以及恶心等症状的产生，影响使用者的身体健康。而且由于技术的限制，当下的教育方案无法能够实现与虚拟现实技术的积极，教师也难以像设计日常普通课程课件一样进行虚拟现实课程的设计,虚拟现实技术在教师群体中的使用存在极大的困难，教师若想实现虚拟课程的教学就需要专门技术团队的支持和陪伴,这也在一定程度上影响了“虚拟现实+教育"的发展。

2.缺乏有效的学习评估与监控工具

在传统的课堂教学中，教师与学生在一个教室之中，使得教师可以直接的观察学生在课堂上的行为和表现，从而能够直接的判断学生对知识的学习和掌握程度。但在虚拟的教学环境中，教师与学生所处空间位置的不统一，使得教师难以对教育过程的开展进行时时的监管,不能根据每一个学生的学习情况来对其教学的方案做出及时适当额调整，难以对学生的学习进行客观的评估。3.虚拟教育环境下学生认知负荷增加

为了让学生能够真正体验沉浸式学习的体验，虚拟现实的课程往往会在教学过程中创设丰富多彩的情境。同时，在教学过程中会采用多元化信息交互方式，进行课程的拓展和延伸，这种多样化以及多元化的信息传递，会极大的提高学生的认知负荷。而且根据相关的研究，虚拟世界功能的丰富性以及多种多样的情境会在一定程度上干扰学生对重点内容和知识的学习及判断，影响学生对重点内容的理解和掌握。因此虚拟教学环境需要充分考虑学生年龄和认知特点，进行客观严格的设计，防止信息拓展的过载，提升学生学习的效率。3.4具体的解决措施1.需要不断完善虚拟现实技术：积极研发分辨率高的虚拟现实头盔，创新虚拟现实技术，编写创新算法，增加虚拟现实的交互性，实现虚拟与现实的良好对接，同时也要积极解决长期使用虚拟现实技术给使用者带来的疲劳、眩晕、恶心等影响身心健康的问题，保证虚拟现实技术对使用者的舒适、安全以及高效性。2.加强对教师的培训：当下虚拟现实技术发展日新月异，加上虚拟现实技术的原理复杂，操作较为困难，使得教师难以在短时间内进行虚拟课程的设计和备案。因此，学校要定期加大对教师关于虚拟现实技术的培训，并请相关的技术团队向教师队伍进行详细的讲解，提升教师的虚拟现实操作水平以及课程备案能力。3.完善评估与监管机制：由于虚拟教学的特点，使得教师难以对学生的行为进行有效的评估，难以及时的对学生进行监管，将会影响学生的成长和学习的进步。因此学校要建立完备的评估以及监管机制，针对虚拟现实技术以及虚拟教育的特点开发专门的技术，用以观察、监督和记录学生的学习过程，帮助教师更好地了解学生的表现，并提供针对性的指引和干预。4.制定合理的课程安排虚拟现实技术与课堂的结合，在很大程度上将会打开学生的眼界和思维，但是在一定程度上也将会增加学生的认知负荷。因此，教师在制定设计虚拟课堂课程时，要根据学生的状况进行合理的设计，循序渐进，同时在课程开展的过程中，要将教育模块放在主要位置，同时也要将游戏模块与教育模块分开，促进学生对知识的学习。虚拟现实技术在教育领域中未来发展趋势研究虚拟显示技术将在教育领域的深化推动、促进教育公平、提高教学效果和管理等层面发挥越来越重要的作用。通过虚拟现实技术可以推进教育教学的改革，使之逐渐摒弃传统对学生的填鸭式教育，使得教育开始实行丰富的教学和管理模式，培养知识能力皆佳的高素质人才。当下虚拟现实技术在教育中的各种技术应用，通过简单的虚拟视频演示，实现了学生与知识的简单相互交互。随着技术的进步以及虚拟现实的不断完善，在未来