中国工程院院士、教育部科技委主任赵沁平:虚拟现实在教育和培训领域的应用

由于“虚拟现实+教育”的发展,“人工智能+教育”的发展,会出现大量的虚拟现实(VR)教育应用系统,使得教育技术得到升级换代式发展。

“虚拟现实”+和“互联网+”一样,各种行业都在应用。虚拟现实(Virtual Reality,VR)的目标是以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成一定范围的真实环境,在视、听、触觉等方面高度近似的数字化环境,用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用,相互影响,产生亲临相应真实环境的感受和体验。虚拟现实系统具有3I特性,即:沉浸感、交互性、构想性。

大家会认为这不就是模拟仿真吗?其实就是模拟仿真,而且模拟仿真是人类自古以来就有的一件事情。早期的实物仿真,比如草船借箭,到机电类仿真,随着技术发展,模拟仿真的对象、材料、技术都在发展。随之,产生计算机仿真,从模拟机仿真到数字机数值仿真,再到虚拟现实等。

人类模拟现实世界之梦

虚拟现实是随着计算机技术发展,特别是高性能计算、计算机图形学和人机交互技术的发展,人类在模拟真实世界方向上达到的最新的境界。虚拟现实技术有哪些特征呢?

第一,从2D到3D,不论是用图形技术产生三维,还是用光学等其他技术产生的三维,三维是基本的显示特征。第二,目前无论多大的屏幕,总有物理尺度的限制,但虚拟现实可以突破屏幕的界限,突破物理尺寸的显示,带上头盔之后,能全景式的观赏。第三,它使计算机系统完全对用户透明,是人和虚拟环境的自然交互。第四,它可以构造任意时空的物理世界和现实世界,构造它的虚拟空间,有一个物理对象就有一个数字化的虚拟对象。第五,它可能是互联网未来的新入口和新的智能环境。

 虚拟现实对未来的影响

首先,有人认为虚拟现实是新的计算平台,个人电脑、手机都是计算平台,其实很难说是属于新的计算平台,可能是对新的计算平台有其作用,可以叠加在上面;其次,有人认为它是行业发展的新信息技术支撑平台,个人比较赞成这个看法;第三,它将是互联网未来的入口;第四,它给我们带来一种新的发展思维和新的技术途径;第五,不论各行业做的什么事,虚拟化设计、体验、培训、演练,最终人所感知的世界将会成为真实和虚拟两个世界,或者是虚拟与现实混合的新世界。

虚拟现实的应用

经过30多年的发展,虚拟现实在军事、航空航天、装备制造、智慧城市、医疗、教育等许多行业取得了令人瞩目的应用成果,成为各行业发展的技术支撑平台。

随着虚拟现实技术及设备的发展,“虚拟现实+”成为发展趋势,教育也成为一个非常重要的应用领域。随着科学技术的发展,“虚拟现实+人工智能”可能是终极性的教育技术。

虚拟现实应用于教育,第一,可以使学习者进入任何逼真的学习场合,如分子、人体、太空、历史事件等,实现沉浸式的现场学习,提高学生的学习兴趣和学习成效。

第二,可以进行各种交互实验,特别是危险性高的,比如某些化学实验,或者是真实环境下不可能做的实验,比如人体解剖,或者体验黑洞,从而提高学习的成效。

第三,虚拟现实和人工智能、大数据结合,可以构造虚拟教室、虚拟教学、虚拟老师,随时随地地在教室指导学习。

现在各个大学都建有虚拟校园,可以用于校园管理、校园交通、校园的地下管线、校园的各种建筑等,并和数据结合起来。虚拟课堂可以进行真实感的教学研究,比如构造虚拟心脏,使身体的某一部分展示出来,并讲解构造。比如用于体育教学、体育训练,能把它和数据采集结合起来,分析动作。

要实现虚拟现实系统,大体需要有四方面的技术:一是数据采集、数据获取;二是对数据进行分析和建模;三是建模以后的绘制与表现。绘制,不仅是视觉上的绘制,还包括听觉、味觉等方面的研究;四是传感和交互,传感和定位等等的交互。这四个方面的技术涉及到:硬件平台和装置、核心芯片与器件、软件平台与工具、软硬标准与规范,以及虚拟现实+各行业领域的内容和研究系统。所以虚拟现实是一个学科高度交叉的、综合性的科学技术领域。

虚拟现实在教育的应用中,有以下几方面的问题:一是虚拟现实教育应用的需求分析问题,例如哪些方面需要虚拟现实,哪些方面有二维图片或者文本就足够了;二是基于虚拟现实技术的教学方案与过程创意设计,比如物理课、生理课,哪些内容与虚拟现实结合,需要怎样的工序进行创意和设计;三是新概念数据获取机制、设备及各类教育数据的获取,比如教师的数据、学生的数据等;四是整体的数据获取;五是生理模型与进化演化;六是教育应用中人的行为模型;七是自然化人机交互机制与交互设备;八是虚拟现实课堂、虚拟现实教室技术;九是虚拟现实教育应用效果的评价;十是虚拟现实心理学与虚拟现实社会学等。

“虚拟现实+教育”的发展趋势

第一,由于“虚拟现实+教育”的发展,“人工智能+教育”的发展,会出现大量的虚拟现实(VR)教育应用系统,使得教育技术得到升级换代式发展。

第二,出现基于VR教育环境的教育方法与学习方法。

第三,在VR关键技术研究和VR+教育应用研发过程中,会形成一批有知识产权的硬件设备、平台软件与研发工具软件、VR教育设备标准等,从而带动形成新的VR教育仪器设备产业和VR教育服务产业。

VR技术应用于教育,只是一种教育技术,是教育教学的辅助手段,代替不了教师教学。今后要加强VR的教育教学方法研究,同时要研究VR环境给学生带来的影响,以及对社会的影响。因此需要教育领域开启VR心理学、VR社会学和VR法学等方向研究,开展相关的人工智能研究,这是对人文社科的一些希望。

(本文根据中国工程院院士、教育部科技委主任赵沁平在“人工智能与未来教育”科技前沿与战略圆桌会议上的部分报告内容整理,未经本人确认。整理:杨燕婷)

本文刊载于《中国教育网络》杂志2018年6月刊



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责任编辑:桂楷东
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