虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望

虚拟和增强现实（VRAR）技术在教学中的应用与前景展望

摘要2016 年被称为“虚拟现实元年”，虚拟现实作为近年来极为火热的科技话题，给人们带来焕然一新的感官享受，激发了许多关于“虚拟现实”行业的发展想象与前景构想。同时，增强现实的出现，也让人们获得了极佳的体验感。本研究梳理了虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域，分析了虚拟现实和增强现实技术在教育中的应用、优势和存在的问题，阐述了虚拟现实和增强现实技术在创客教育和STEAM 教育中的作用，并对未来的发展前景进行了展望。

关键词：虚拟现实；增强现实；VR；AR；创客教育；STEAM 教育；人工智能；大数据

一、虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域（一）虚拟现实和增强现实技术的起源

2016 年被业界称为“虚拟现实元年”，可能有人会误认为这项技术是近年来才发展起来的新技术。其实不然，虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术最早起源于美国，1965 年虚拟现实之父伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）在国际信息处理联合会（IFIP）会议上发表的一篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，描述的就

是我们现在熟悉的“虚拟现实”，早在虚拟现实技术研究的初期，苏泽兰就在其“达摩克利斯之剑”系统中实现了三维立体显示。增强现实（Augmented Reality，简称AR）是指在真实环境之上提供信息性和娱乐性的覆盖，它是苏泽兰在进行有关头戴式显示器的研究中引入的[1]。1966 年美国麻省理工学院（MIT）的林肯实验室正式开始了头戴式显示器（HMD）的研制工作。在这第一个头戴式显示器的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970 年，出现了第一个功能较齐全的头戴式显示器系统。1989 年，VPL 公司的Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality” 来表示虚拟现实一词，并且把虚拟现实技术开发为商品，推动了虚拟现实技术的发展和应用[2]。虚拟现实技术兴起于20 世纪90 年代。2000 年以后，虚拟现实技术在整合发展中引入了XML、JAVA 等先进技术，应用强大的3D计算能力和交互式技术，提高渲染质量和传输速度，进入了崭新的发展时代。虚拟现实技术是经济和社会生产力发展的产物，有着广阔的应用前景。2008 年2 月，美国国家工程院(NAE)公布了一份题为“21 世纪工程学面临的14 项重大挑战”的报告。虚拟现实技术是其中之一，与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。为了获得虚拟现实技术优势，美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发。

我国虚拟现实技术的研究起步于20 世纪90 年代初。随着计算机图形学、计算机系统工程等的高速发展，虚拟现实技术得到相当的重视。2016 年3 月17 日全国两会授权发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中指出：“大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。”[3] “虚拟现实”位列其中，同时，投身于虚拟现实的创业团队呈爆发式增长。有人在展望2020 年重要新兴核心科技的发展时也把虚拟现实和增强现实技术列入当前重要的八项新兴核心科技（八项新兴核心科技如图1 所示）。国家广告研究院等多家机构联合发布的《2016 上半年中国VR 用户行为研究报告》显示，2016 年上半年国内虚拟现实潜在用户达4.5 亿，浅度用户约为2700 万，重度用户约237 万，预计国内虚拟现实市场将迎来爆发式增长。虚拟现实用户群体以80 后、90 后为主，集中在26 ～30 岁之间的85 后，占比达到28.4%，这与年青一族乐于接触新鲜事物的特点有关。另外，用户群体有从北上广等经济发达城市逐渐向全国扩散的趋势[4]。（二）虚拟现实和增强现实的概念、特征和应用领域

1. 虚拟现实技术

虚拟现实，是一种基于多媒体计算机技术、传感技术、仿

真技术的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用计算机技

术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟

环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的

对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环

境的感受和体验[5]。

虚拟现实具有3I 特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、构想性(Imagination)，是一个学科高度综合交叉的科学技术领域。虚拟现实与人工智能(AI) 技术及其他相关领域技术结合，将会使其还具有智能(Intelligent) 和自我演进演化(Evolution) 特征[6]。头戴式虚拟现实设备如图2 所示，用手机扫描图3 二维码即可观看虚拟现实视频介绍。虚拟现实涉及门类众多的学科，整合了很多相关技

术。虚拟现实是未来科技发展的方向之一，它可以从人的

感觉系统上改变现有的空间感。虚拟现实现有的产业链大

致可分为硬件设计开发、软件设计开发、资源设计开发和

资源运营平台等几种类别。通过虚拟现实关键技术的突破

以及“虚拟现实”的带动，会产生大量行业和领域的虚拟现实应用系统，为网络与移动终端应用带来全新发展，将会

推动许多行业实现升级换代式的发展。虚拟现实可以应用

于国防军事、航空航天、智慧城市、装备制造、教育培

训、医疗健康、商务消费、文化娱乐、公共安全、社交生活、休闲旅游、电视直播等领域中。如2016 年10 月17 日中央电视台运用虚拟现实全息技术直播了“天宫二号”和“神舟十一号”交会对接及其共同建立组合体的过程，采用虚拟追踪技术，让“天宫二号”从大屏幕中“钻”了出来，通过机位的景别变换，观众可以直观地看到”“天宫二号”的数据和设计细节，使观众身临其境地全面了解“神舟十一号”“天宫二号”及其组合体内部构造和控制面板，同时主播文静还“走进”“天宫二号” 实验室内，逐一向观众介绍“天宫二号”的内部结构信息，与传统的新闻播报相比，电视直播应用虚拟现实技术显得更加生动活泼，视觉冲击力更强，观众感受更直观。

2. 增强现实技术

增强现实是在虚拟现实的基础上发展起来的一种新兴技术。增强现实技术基于计算机的显示与交互、网络的跟踪与定位等技术，将计算机形成的虚拟信息叠加到现实中的真实场景，以对现实世界进行补充，使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验[7]。

增强现实具有三大特点，即虚实结合、实时交互和三维配准[8]。

增强现实具有三种呈现显示方式，按距离眼睛由近到远划分分别为头戴式（head-attached）、手持式（hand-held）、