摘要

在教育领域，新技术经常被应用于改进学习的过程。通过使用合适的应用进行学习，移动技术已被应用于为教育者提供一种与学生交流的方式。虚拟现实及其在教育中的应用早已被讨论过，它所面临的主要挑战之一，是虚拟现实技术无法被教育机构负担得起。

不过随着虚拟现实技术的不断更新换代，如今的虚拟现实技术要比过去更便宜，更容易获得。

瑞典百年学府哥德堡大学（下文中的“我们”，均指代哥德堡大学）发布万字报告，提出了一种定性研究，检验虚拟现实教育应用相对于同类移动应用的好处。在这份报告中，哥德堡大学以一款天文学教学应用Xolius为例，让 20名学生和5名教育工作者在访谈中对它进行了测试和评估。通过分析结果，哥德堡大学发现虚拟现实技术在需要互动环境的学科中特别有效。相对于移动应用，虚拟现实技术还提供了一个沉浸式的体验，让学生能够参与和主动学习。

VR次元独家编译、整理、发布哥德堡大学VR教育报告，为教育界人士、VR教育从业者提供借鉴和思路，来看看究竟哪些教学适合采用VR设备，VR应用应该如何设计，能让学生更快速地汲取知识。

第一章：介绍

随着过去几年间技术的进步，新的教学形式出现了。移动应用是这些新教学形式之一，因为智能手机和电脑平板电脑正在成为学生日常生活的一部分文化。对于学生而言，学习的过程是一个复杂的任务，因为它需要学生付出大量的努力，这也是他们需要学习动机的原因。教育类智能手机应用有益于教育过程，让它变得对学生更有趣。特别是如果按照计算机游戏技术为应用渲染三维图像，让它能够更吸引学生的同时提供必要的信息。

随着技术的发展，新技术不断涌现，一种全新的学习方式开始推介给教学领域。在这些新技术当中，过去几年间一直吸引媒体头条的便是虚拟现实技术。它的特点是就像电话或电视一样作为一种媒介。

虚拟现实是如PC或移动设备、头戴式显示器（HMD）、跟踪传感器等硬件设备，以及提供沉浸式体验的软件的集合。依据乔治•科茨（GeorgeCoates）的定义：虚拟现实是“环境体验的电子模拟，借助头戴式眼镜和有线服装，使终端用户交互在现实中的三维环境里。”

现代虚拟现实技术与20年前提出的虚拟现实概念的差异，在于此技术如今已能够适用于任何一部手机。谷歌Cardboard的推出首次向公众展示出，在头戴式显示器的协助下，任何一部智能手机都能够变身为虚拟现实设备。它包含两个光学镜头，为眼球带来有深度的感知和合适的应用。

在这一点上，任何一位拥有智能手机和头戴式显示器的学生，都能够享受虚拟现实应用的沉浸式体验，通过全新的媒介分享他们的想法和想象力。通过模拟体验，它鼓励学生在安全环境中练习他们的技能。

该报告涵盖了教育领域中虚拟现实的许多方面，但缺少移动教育应用与需要虚拟现实技术的同类应用之间的比较。此研究的目的是提出一个定性的研究策略，来鉴定与标准移动应用相比，使用虚拟现实技术的有益因素及适宜的领域。

在这个报告中，我们主要回答两个问题：

1、虚拟现实技术在教育领域的重要特征是什么？

2、在移动教育中使用虚拟现实技术的好处是什么？

第二章：背景

虚拟现实的一个常见定义是：“一种能够让参与者通过计算机产生的数据，替代基本的感觉输入，让他或她确信事实上身处另一个场所。”虚拟现实的关键元素是一个虚拟的世界，它是一个想象的空间或模拟环境。

伊凡•萨瑟兰（IvanSutherland）在1965年曾经指出，“不要把它想象成一个屏幕，而要把它看作是一个窗口，一个通过它能够观察虚拟世界的窗口。对计算机图形的挑战是让虚拟世界看起来真实，听上去真实，移动和相应能够即时交互，甚至感觉真实。”

直到2012年年底，在经过十多年的沉默之后，虚拟现实技术开始吸引更多的头条新闻。Oculus VR的巨大成功，让其在众筹网站Kickstarter募集到超过240万美元资金。这导致开发出可穿戴的和负担得起的头盔Oculus Rift，它被认为是舒适、轻量的。Rift的主要特征之一是超宽视野（100度），创建出体验虚拟现实所需的沉浸。

然而，一个关注的问题是普通民众将如何接受虚拟现实头盔。企业正在开发整合的头戴式显示器，它要求消费者购买新的硬件设备。这一问题的解决方案，始于2014年年初虚拟现实出现的另一个趋势。不像是一种不熟悉的技术，公众使用的智能手机可以与虚拟现实技术配套进行使用。谷歌在开发者大会中展示了Cardboard，它使用配有光学镜片的纸板和Android手机，能够无线展示谷歌Cardboard应用。这为负担得起的、可用于移动平台的无线头戴式显示器开辟了道路。当然该解决方案并非没有缺陷，当前的主要顾虑之一便是：头部追踪使用了手机的加速器，这让许多用户在使用过程中感到眩晕。

继谷歌Cardboard构想之后，目前市场中有许多的其它移动头戴式显示器。构造简单、廉价的无线头戴式显示器，能够与Android或iOS设备联用，并使用了立体显示屏和头部追踪设备。三星电子对改进无线头戴式显示器体验拥有自己的构想。该公司在Cardboard理念的基础上推出了自己的升级版设备。三星Gear VR是一款由Oculus VR专门为三星电子和其旗舰手机Galaxy Note 4和Galaxy S6等设备推出的无线头戴式显示器。

三星Gear VR的关键特征

三星Gear VR拥有Oculus Rift内置的头部跟踪模块，这大大提高了运动延迟，降低了为用户使用谷歌Cardboard所产生的眩晕感。

与传统虚拟现实设备相比，因为上述原因和移动性，我们在研究中使用了三星Gear VR，来向参与者提供更好的虚拟现实体验。

一、应用

天文学是我们应用的主题，应用的目标则是通过可视化太阳系的行星，把它们置入透视图，向用户传授有关行星的知识。它的理念是通过视觉体验和沉浸来教育用户。

由于时间的限制，我们决定传授4颗离太阳最近的行星。所有这4颗行星都可选择、且拥有自己的场景。它展示了一个行星模型，一个描述和一个总结。通过尽可能使它真实，我们确保能够计算距离和行星的旋转速度。当用户在一个行星的场景时，他们仍能看到其它围绕太阳运行的行星轨道，从而获得观察太阳系的不同的视角。虚拟现实和非虚拟现实版应用都拥有切的版面、文本、模型和场景。

我们开发了两个版本的移动教育应用：

第一个是专门设计面向Android操作系统的应用；第二个则面向三星Gear VR，能够在虚拟现实环境中运行。它们均使用为许多不同平台开发游戏和应用的游戏引擎Unity3D进行开发。我们的目标是为两个版本开发相同的功能，避免出现偏爱，或者是不利于另一方。

地球的介绍页面

展示的行星系统模型

两个版本应用的差别仅限于硬件的不同。在虚拟现实版本当中，为了游览内部的景象，用户需要转动头；而非虚拟现实版本的用户只需要用手指滑动触摸屏。需要注意的是，虚拟版本的应用只能收在三星Galaxy Note 4和三星Gear VR中使用；非虚拟现实版本的应用可以在任何一款搭载Android KitKat或更高级别版本的应用中使用。

第三章：相关工作

当虚拟现实技术被应用于教育领域时，它能够提供诸多的独特优势。首先，在现代教育中采用虚拟现实技术，能够为教育工作者提供全新的工具，向他们提供触及到更多学生的新途径。虚拟现实的目标是在特定活动中鼓励、激励学生；与此同时，让学生能够体验动手学习。不过让虚拟现实在教学中更具吸引力的是，它能够在毫无风险的情况下，让学习者实践环节和进行模仿。这可以被用于难以进行试验的传统的教学环境中，如传授学生关于安全程序和医疗教学当中，而不会真正涉及病人的安全。

不过与其它的新技术一样，虚拟现实在教育中的应用也会引发关于实用性和接受性的顾虑。在这种情况下，在教育中整合虚拟现实技术的顾虑长期来一直在讨论之中。通过把虚拟现实技术与教学实践和理论进行比较，布里肯（Bricken）认定了三种挑战：成本、实用性、对技术的恐惧。为理解虚拟现实在教育中应用的重要特征，此属性要考虑个体对把技术融入到他们学习当中的感知与意愿。

在技术教育中，虚拟现实提供了一种特殊的感觉，能够帮助说服学生学习更多的科目。在化学工程学中，虚拟现实被用于创建虚拟化学工厂，让学生学习技术以及掌握技术的效用。此项目的主要目标是制造虚拟实验室事故，向用户展示不遵守安全规程所带来的后果。

在外科教学中使用虚拟现实技术，能够帮助外科医生在实际开展手术前掌握他们的能力水平。医学教育已展示出使用3D计算机应用的巨大兴趣，特别是在人体解剖学领域。根据对使用3D模型改进人体解刨学学生学习流程的研究表明，使用此类的技术能够对学生产生积极影响。

工程教育实验室被设计用于提高学生的实践知识，并改进他们独立解决问题的能力。虚拟现实技术可以帮助学生把他们的理论知识应用到实际工业问题当中。Autodesk Showcase软件能够让学生在CAD中创建3D模型，并将它们应用于虚拟环境。这将降低构建实际模型的成本，鼓励学生解放他们的创造力，评估他们解决方案的价值。

虚拟现实在这一领域的应用，也将减少教学过程中对危险材料的使用，减少浪费材料对气候造成的影响，并减少学生犯下的错误。一些教育机构正在他们的研究和教育意图中利用这项技术，使它能够更负担得起、更有效。

1993年，根据传统实验室模仿出了一座虚拟实验室。该实验室像是拥有一张桌子的工作区，能够让学生体验虚拟现实技术。该实验室被用来测量不同长度和不同重力下钟摆的周期，测量一个球从不同高度坠落的平均能量损耗，以及比较在没有大气阻力的情况下，物体在2D环境中的投射轨迹。该实验室使用了头盔式彩色显示屏以及专门的手套，来记录手势。该实验室使用了美国国家航空和宇宙航行局的固体系统建模器（Solid System Modeller）和渲染软件。

第四章：研究方法

为建立一个来自两个环境的应用能够公正评估的共同点，教育应用有着相同的功能和图形非常重要。这一点很难做得到，因为虚拟现实应用市场还没有对公众开放，事实上我们也在寻找能够满足于这些要求的教育应用。我们开发自己的应用，确保能够公正的评估双方，这一点非常有意义。

鉴于此，我们选择了DesignResearch作为我们的研究方法。Design Research是解决问题的范例，能够通过人工制品评估和识别问题。在此我们会创建自己的产品（应用原型），并对它进行评估，而不是评估现有的应用。通过这样做，我们将能够回答自己的研究问题。

为从访谈中收集到必要的数据，我们意识到继续进行标准访谈的做法，并不能收集到研究所需的充足数据。原因是绝大多数人此前从没有机会体验虚拟现实技术，或者也没有机会在两种环境中对两款相似的应用进行比较，评判它们的差异。因此，我们让被收集者在提出意见之前，首先让他们在不同的环境中体验类似的学习应用。

我们选择了遵循定性研究而不是定量研究的做法。通过访谈收集定性数据，这样我们将能够了解用户，深入探讨教育虚拟现实应用和移动应用的不同之处。定性研究方法也影响了将在访谈中使用的问题类型。

在实际安排调查两周之前，我们已完成了调查计划。我们与受调查者进行了联系，询问了他们有空闲的时间，从而找到时间空档来进行访谈。

我们为每位受调查者安排了20分钟至30分钟的时间，并预约了25位受调查者进行研究。受调查者被划分为三个不同的组。第一组为哥德堡大学软件工程和管理项目的学生；第二组为瓦拉拉曼斯高中的学生；第三组为哥德堡大学、查莫斯高中和拉曼斯高中的教师和研究人员。通过在研究中多元化群组，我们将能够评估三个不同的群组对虚拟现实技术会有什么样的反映。我们还将能够考虑程序设计学生和非程序设计学生对新技术的反映，以及他们在接受新技术时是否存有差异。最后，我们将调查教育工作者是否愿意在教学方法中使用虚拟现实技术。

在问题的设计中，问题被划分分为两个部分。第一类问题是常规问题，包括受调查者先前对教学类移动应用和虚拟现实技术的体验。

第二类问题是实验。这些问题大多数都是开放思维的问题，让我们有机会收集研究的相关数据。不过它也包含了一些封闭式的问题，如我们使用的应用用于评估移动和虚拟现实平台是否存有偏见，以及在体验之后他们是否有兴趣购买虚拟现实头盔等等。

至于实际访谈，每位受调查者在接受收集前，都被要求获准音频记录访谈内容。如果允许的话，我们将同时设置一台笔记本电脑和一台录音机。采取这种预防措施，是为了确保当软件或技术可能出现问题时，能够使用音频记录。如果受访者拒绝使用音频记录，方然内容将会用手记录，从而确保信息不会丢失。

我们继续收集，询问了几个关于用户的问题。这有助于我们对受调查者有一个基本的了解，让我们能够知道受调查者他/她以前是否在移动平台上使用过教育应用，以及与虚拟现实设备的互动情况。在上述工作完成之后，我们便会向受调查者展示我们的应用。

从移动平台开始，我们让用户与应用互动，引导他们了解应用的不同方面。当他们已经体验了所有的功能后，如果他们想我们会让他们更长时间的体验。在他们觉得完成体验之后，我们会让他们体验虚拟现实应用，并重复同样的程序。

在这些试验中，我们鼓励用户利用“有声思维”的方法了解当用户与系统互动时的思维。通过调整“有声思维”的方法，我们可以找到关于移动和虚拟现实应用的有趣信息。不过我们在调查中并未关注用户界面或是应用设计。我们关注的是用户在使用应用时的体验，让我们可以通过进一步询问相关问题，通过调查获得更好的理解。

待受调查者完成试用两款应用之后，我们便开始进行第二阶段的调查。这种半结构化调查适用于这个阶段，因为这个领域还很年轻，还有很多未探索的空间。与结构化面试相比，受调查者必须遵循严格的问题指南，与预先提出的问题截然不同。半结构化调查遵循一个预定义的模板，但向调查者给与了自有，能够深入探讨问题，并向受调查者提出相关的问题的后续问题。这些可以是有趣的话题或调查中未提到的问题。提出后续问题避免回到“是”和“不是”的问题，这一点非常重要。通过结合半结构式调查和开放式的问题，它会让我们在有趣的话题出现时，有机会与受调查者追随他们，让我们通过询问后续问题深入挖掘调查领域。

在受调查者回答完我们的问题后，我们还尝试使用布鲁塞尔称为“探测”的调查手段。探测是一种手段，即调查者试图从受访者口中得到更多的答案。有许多不同的探测手段，但在我们的调查中，我们发现“告诉我更多”探测手段和“嗯哼”探测手段最为实用。“告诉我更多”探测手段被用于与开放式问题进行整合，调查者在收集中会询问关于话题更多的问题，并让受访者回答这些问题。“嗯哼”是另一种探测手段，在受调查者回答了问题之后，调查者在肯定答案的同时，有事会通过自然的方式，让受调查者提供更多的信息并做出更长的回答。

我们选择利用扎根理论，它是用于定性研究的最流行数据分析技术之一。它让我们发现、产生想法和解释我们的数据。我们收集到的数据可以分类为以下几点：

•总体发现

•原型测试

•质量属性

•应用比较

 •平台比较

在所有的调查完成之后，数据都被转录并划分到了各自的分类当中。我们期待通过每个类别中找出共同点、趋势，分析这些趋势的原因，并解释什么是潜在的因素。这种分析将在结果和讨论部分被介绍和解释。

本文转载自腾讯科技，作者孙实。