美国虚拟现实实验室案例介绍及启示
单华茗 张海 杨絮 李思维
虚拟现实的定义与发展现状
经过2016、2017连续两年的考察与准备，2018年国家教育部明确将虚拟现实技术列入教育信息化的年度重点工作任务，明确要求全国高校、中小学、职教等深入推进信息技术与高等教育教学深度融合，推动大数据、虚拟现实、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用。在《2018年教育信息化和网络安全工作要点》文件的重点任务中，针对虚拟现实这一新兴技术在教育领域的应用也提出了具体要求，并落实责任明确到教育部各职能部门。因此，在全国中小学教育教学中深入应用大数据、虚拟现实、人工智能等新技术成为各级教育行政部门的年度重点工作任务。本文将介绍国外虚拟现实技术在教学中应用的两个经典案例，以期从中获取经验指导，为我国发展虚拟现实教育应用提供参考。
快速发展的AR（增强现实）、VR（虚拟现实）和MR（混合现实）为人们提供了新的体验，在一个感觉足够真实的环境中创造一种身临其境的心理存在感，这种感觉足以被观察、体验、探索和操作。尽管AR、VR和MR的定义在不断变化，其部分原因是技术正在快速发展，但增强现实可以被描述为通过叠加额外的计算机生成内容来体验真实世界。相反，虚拟现实将用户沉浸在完全模拟的环境中，混合现实则以物理和数字交互的方式将真实和虚拟世界混合在一起。
AR、VR和MR在健康科学领域尤其流行。例如，医学院的学生正在学习如何进行医患交流，他们使用ODG智能眼镜来快速获取患者数据，而不需要查阅文件夹或笔记本电脑，从而留出更多的时间与患者互动。使用微软HoloLens，护理专业的学生可以利用全息视频进行模拟，在模拟中，虚拟病人呈现出各种各样的健康问题。管理人员认为MR模拟有一天可能会取代那些使用真人演员作为病人的做法，这是一种昂贵且难以标准化的做法。
AR、VR、MR技术能够弥补教学活动的弊端，解决教育领域一直存在的问题，所以，对AR、VR、MR技术与教育相结合的尝试和探索已成为国内外研究的应用热点。
美国不少高校已经创建了自己的虚拟现实实验室，本文将介绍两个典型的美国高校虚拟现实实验室项目。两个虚拟现实实验室的开设目标有所不同，斯坦福大学开设的虚拟人类交互实验室倾向于使用虚拟现实技术进行社会人文学科的学习，了解沉浸式虚拟现实仿真（VR）和其他形式的媒体、通信系统和游戏中的人类数字表示中人与人之间交互的动态和含义。而格林内尔学院的沉浸式体验实验室，则由教师、员工和学生组成的团队在研究项目上进行合作，然后使用3D、VR和MR技术作为一个平台来综合和展示他们的发现。
斯坦福大学虚拟人类交互实验室
2003年，斯坦福大学传播学教授杰里米·拜伦森（Jeremy Bailenson）和学生肖尼·鲍曼（Shawnee Baughman）一起创办了虚拟人类交互实验室，此后开展了多个与VR相关的研究项目。最有名的一个项目是与国家自然科学基金和联邦司法中心一起开展的，他们研究了在虚拟环境中证人的指认能力。在学界，该实验室享有极高的声誉，加州大学圣巴巴拉分校虚拟环境研究中心创始人吉姆·布拉斯科维齐（Jim Blascovich）认为，斯坦福大学的研究走在了同行前列。
实验室用虚拟现实研究种族主义的项目创造了一种“虚拟鞋”体验，让人们体验到各种形式的种族主义。在布朗媒体创新研究所（Brown Institute for Media Innovation）的资助下，实验室利用虚拟现实这一媒介来研究种族主义，并与哥伦比亚大学的考特尼·考本博士合作，创造了“1000次切割之旅”，这是一种身临其境的虚拟现实体验，让你站在迈克尔·斯特林（Michael Sterling）的角度，亲身体验种族主义。了解种族主义的社会现实对促进有效和集体的社会行动至关重要。
此外，实验室目前正在进行模拟海洋酸化的项目，利用虚拟现实的启示，让人们了解气候变化对海洋环境的影响。现实中，很少有人有在珊瑚礁中潜水的第一手经验，那里充满了珊瑚鱼，因此，大多数人都没有接触过这些海洋生物，如果我们不改变对海洋环境有害的行为，这些海洋生物最终会消失。但即使是那些做了有害行为的人也无法看到实时的恶化，大多数人要么从未听说过海洋酸化，要么错误地认为这是酸雨的另一种说法。
而在实验中，学习者经历了导致海洋酸化的多个阶段。第一阶段模拟了由燃烧化石燃料而导致的海洋酸化过程，在这一过程中，研究人员跟踪二氧化碳分子释放到大气中并被海洋地表水吸收的过程。随后的阶段包括学习者融入或与不同的海洋物种相互作用，并见证这些物种的生态系统由于二氧化碳的增加而发生的变化。这些模拟由海洋科学合作者——Kristy Kroeker和Fio Michelli指导，并将被程式化以适应不同年龄组的课程。
总体来看，斯坦福大学的虚拟人类交互实验室的学习项目目标不只是让学生学习理论上的既定知识，而是侧重于学生的心理层面，通过虚拟现实的形式培养学生的同理心，让学生对整个社会人文产生更多的思考。
格林内尔学院沉浸式體验实验室
格林内尔学院沉浸式体验实验室（GCIEL）是一个跨学科的探究和实践社区，探索通过沉浸式三维（3D）、虚拟现实（VR）和混合现实（MR）体验来接近人文科学的新方法。与其他高校不同的是，GCIEL的教师和学生更多地致力于开发虚拟现实体验的学习软件等，因此实验室的设备除了常规的虚拟现实体验设备外，还有许多制作虚拟现实作品的设备。
当前，格林内尔学院的师生已经获得了一些研究成果。
在运动的意义研究（Meaning in Movement Project）项目中，Damian的实验室一直在研究视觉引导下的全身动作捕捉（如瞄准一个目标），他的实验室与GCIEL的新项目将开始整合全身动作捕捉与数字化的虚拟环境，不仅要捕捉身体如何移动，还要捕捉身体如何延伸到任务环境空间的数字轨迹。实验人员在一个数据丰富的虚拟环境中抛出一个弹丸，弹丸和耳机在3D空间中的位置数据被转储到一个平面数据文件中，供以后分析（如下页图）。
为了利用沉浸式虚拟现实体验进行语言学习和文化认知，实验室会创建三个具有辅助教学材料的开源虚拟现实游戏，通过虚拟现实发展文化及语言能力。该项目有五个目标：①建立一个跨学科和跨机构的专家社区，在人文学科中使用虚拟现实教学;②培养学生的VR游戏设计素养;③创造沉浸式VR环境，用于法语、德语、西班牙语的语言学习;④利用虚拟现实环境设计语言学习和文化习得的教学方法，以提高学生的学习兴趣、跨文化能力;⑤发布可用于创建虚拟现实体验以教授其他语言和文化的开放源代码。
总体来看，格林内尔学院沉浸式体验实验室更注重培养学生开发虚拟现实作品的能力，不再只是将虚拟现实技术当作一个具象知识的载体。
对我国虚拟现实技术在教学中应用的启示
首先，我国各中小学也应积极开设虚拟现实实验室，并且不限时对所有师生开放，而不是仅在某些特殊时段或针对某些课程才开放。同时，学校也应设置一些适合中小学生的项目，引导学生主动使用虚拟现实技术进行学习，培养学生兴趣，将“虚拟现实+教育”的构想落到实处。我们还应注意培养学校负责人及教师对虚拟现实技术的兴趣和正确认识，当前中小学教师的信息技术素养也有待提高，所以学校教师也应积极了解学习虚拟现实技术相关的知识，与学生一同学习进步，并做好学生的引导者。
其次，要转变虚拟现实技术在教学活动中的角色，改变相应的学习目标。当前中小学已有的虚拟现实设备应用仅仅是作为一个具象知识的载体，用于将原本抽象的文本知识以最具体的形式展示给学生，让学生对知识的理解更加透彻。但斯坦福大学和格林内尔学院的虚拟实验室的创设目标都已经跳出了这个范围。我们应该思考如何使用虚拟现实技术给学生跨学科的学习体验，如何进行学生道德素养等方面的培养，如何改变我国学生的思维方式，如何培养学生的创新能力等。
虚拟现实技术能够提高教学质量，有助于学生多元能力的培养，所以我们应多了解国内外优秀的教学案例，结合自己的实际情况，将新兴技术与教育深度结合，推动新兴技术在教育中的深度应用。
