摘要

　　在教育領域，新技術經(jīng)常被應用于改進學習的過程。通過使用合適的應用進行學習，移動技術已被應用于為教育者提供一種與學生交流的方式。虛擬現(xiàn)實及其在教育中的應用早已被討論過，它所面臨的主要挑戰(zhàn)之一，是虛擬現(xiàn)實技術無法被教育機構負擔得起。

　　不過隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷更新?lián)Q代，如今的虛擬現(xiàn)實技術要比過去更便宜，更容易獲得。

　　瑞典百年學府哥德堡大學(下文中的“我們”，均指代哥德堡大學)發(fā)布萬字報告，提出了一種定性研究，檢驗虛擬現(xiàn)實教育應用相對于同類移動應用的好處。在這份報告中，哥德堡大學以一款天文學教學應用Xolius為例，讓 20名學生和5名教育工作者在訪談中對它進行了測試和評估。通過分析結果，哥德堡大學發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術在需要互動環(huán)境的學科中特別有效。相對于移動應用，虛擬現(xiàn)實技術還提供了一個沉浸式的體驗，讓學生能夠參與和主動學習。

　　VR次元獨家編譯、整理、發(fā)布哥德堡大學VR教育報告，為教育界人士、VR教育從業(yè)者提供借鑒和思路，來看看究竟哪些教學適合采用VR設備，VR應用應該如何設計，能讓學生更快速地汲取知識。

　　第一章：介紹

　　隨著過去幾年間技術的進步，新的教學形式出現(xiàn)了。移動應用是這些新教學形式之一，因為智能手機和電腦平板電腦正在成為學生日常生活的一部分文化。對于學生而言，學習的過程是一個復雜的任務，因為它需要學生付出大量的努力，這也是他們需要學習動機的原因。教育類智能手機應用有益于教育過程，讓它變得對學生更有趣。特別是如果按照計算機游戲技術為應用渲染三維圖像，讓它能夠更吸引學生的同時提供必要的信息。

　　隨著技術的發(fā)展，新技術不斷涌現(xiàn)，一種全新的學習方式開始推介給教學領域。在這些新技術當中，過去幾年間一直吸引媒體頭條的便是虛擬現(xiàn)實技術。它的特點是就像電話或電視一樣作為一種媒介。

　　虛擬現(xiàn)實是如PC或移動設備、頭戴式顯示器(HMD)、跟蹤傳感器等硬件設備，以及提供沉浸式體驗的軟件的集合。依據(jù)喬治•科茨(GeorgeCoates)的定義：虛擬現(xiàn)實是“環(huán)境體驗的電子模擬，借助頭戴式眼鏡和有線服裝，使終端用戶交互在現(xiàn)實中的三維環(huán)境里。”

　　現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術與20年前提出的虛擬現(xiàn)實概念的差異，在于此技術如今已能夠適用于任何一部手機。谷歌Cardboard的推出首次向公眾展示出，在頭戴式顯示器的協(xié)助下，任何一部智能手機都能夠變身為虛擬現(xiàn)實設備。它包含兩個光學鏡頭，為眼球帶來有深度的感知和合適的應用。

　　在這一點上，任何一位擁有智能手機和頭戴式顯示器的學生，都能夠享受虛擬現(xiàn)實應用的沉浸式體驗，通過全新的媒介分享他們的想法和想象力。通過模擬體驗，它鼓勵學生在安全環(huán)境中練習他們的技能。

　　該報告涵蓋了教育領域中虛擬現(xiàn)實的許多方面，但缺少移動教育應用與需要虛擬現(xiàn)實技術的同類應用之間的比較。此研究的目的是提出一個定性的研究策略，來鑒定與標準移動應用相比，使用虛擬現(xiàn)實技術的有益因素及適宜的領域。

　　在這個報告中，我們主要回答兩個問題：

　　1、虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的重要特征是什么?

　　2、在移動教育中使用虛擬現(xiàn)實技術的好處是什么?

　　第二章：背景

　　虛擬現(xiàn)實的一個常見定義是：“一種能夠讓參與者通過計算機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，替代基本的感覺輸入，讓他或她確信事實上身處另一個場所。”虛擬現(xiàn)實的關鍵元素是一個虛擬的世界，它是一個想象的空間或模擬環(huán)境。

　　伊凡•薩瑟蘭(IvanSutherland)在1965年曾經(jīng)指出，“不要把它想象成一個屏幕，而要把它看作是一個窗口，一個通過它能夠觀察虛擬世界的窗口。對計算機圖形的挑戰(zhàn)是讓虛擬世界看起來真實，聽上去真實，移動和相應能夠即時交互，甚至感覺真實。”

　　直到2012年年底，在經(jīng)過十多年的沉默之后，虛擬現(xiàn)實技術開始吸引更多的頭條新聞。Oculus VR的巨大成功，讓其在眾籌網(wǎng)站Kickstarter募集到超過240萬美元資金。這導致開發(fā)出可穿戴的和負擔得起的頭盔Oculus Rift，它被認為是舒適、輕量的。Rift的主要特征之一是超寬視野(100度)，創(chuàng)建出體驗虛擬現(xiàn)實所需的沉浸。

　　然而，一個關注的問題是普通民眾將如何接受虛擬現(xiàn)實頭盔。企業(yè)正在開發(fā)整合的頭戴式顯示器，它要求消費者購買新的硬件設備。這一問題的解決方案，始于2014年年初虛擬現(xiàn)實出現(xiàn)的另一個趨勢。不像是一種不熟悉的技術，公眾使用的智能手機可以與虛擬現(xiàn)實技術配套進行使用。谷歌在開發(fā)者大會中展示了Cardboard，它使用配有光學鏡片的紙板和Android手機，能夠無線展示谷歌Cardboard應用。這為負擔得起的、可用于移動平臺的無線頭戴式顯示器開辟了道路。當然該解決方案并非沒有缺陷，當前的主要顧慮之一便是：頭部追蹤使用了手機的加速器，這讓許多用戶在使用過程中感到眩暈。

　　繼谷歌Cardboard構想之后，目前市場中有許多的其它移動頭戴式顯示器。構造簡單、廉價的無線頭戴式顯示器，能夠與Android或iOS設備聯(lián)用，并使用了立體顯示屏和頭部追蹤設備。三星電子對改進無線頭戴式顯示器體驗擁有自己的構想。該公司在Cardboard理念的基礎上推出了自己的升級版設備。三星Gear VR是一款由Oculus VR專門為三星電子和其旗艦手機Galaxy Note 4和Galaxy S6等設備推出的無線頭戴式顯示器。

　　三星Gear VR的關鍵特征

　　三星Gear VR擁有Oculus Rift內(nèi)置的頭部跟蹤模塊，這大大提高了運動延遲，降低了為用戶使用谷歌Cardboard所產(chǎn)生的眩暈感。

　　與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實設備相比，因為上述原因和移動性，我們在研究中使用了三星Gear VR，來向參與者提供更好的虛擬現(xiàn)實體驗。

　　一、應用

　　天文學是我們應用的主題，應用的目標則是通過可視化太陽系的行星，把它們置入透視圖，向用戶傳授有關行星的知識。它的理念是通過視覺體驗和沉浸來教育用戶。

　　由于時間的限制，我們決定傳授4顆離太陽最近的行星。所有這4顆行星都可選擇、且擁有自己的場景。它展示了一個行星模型，一個描述和一個總結。通過盡可能使它真實，我們確保能夠計算距離和行星的旋轉(zhuǎn)速度。當用戶在一個行星的場景時，他們?nèi)阅芸吹狡渌鼑@太陽運行的行星軌道，從而獲得觀察太陽系的不同的視角。虛擬現(xiàn)實和非虛擬現(xiàn)實版應用都擁有切的版面、文本、模型和場景。

　　我們開發(fā)了兩個版本的移動教育應用：

　　第一個是專門設計面向Android操作系統(tǒng)的應用;第二個則面向三星Gear VR，能夠在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中運行。它們均使用為許多不同平臺開發(fā)游戲和應用的游戲引擎Unity3D進行開發(fā)。我們的目標是為兩個版本開發(fā)相同的功能，避免出現(xiàn)偏愛，或者是不利于另一方。

　　地球的介紹頁面

　　展示的行星系統(tǒng)模型

　　兩個版本應用的差別僅限于硬件的不同。在虛擬現(xiàn)實版本當中，為了游覽內(nèi)部的景象，用戶需要轉(zhuǎn)動頭;而非虛擬現(xiàn)實版本的用戶只需要用手指滑動觸摸屏。需要注意的是，虛擬版本的應用只能收在三星Galaxy Note 4和三星Gear VR中使用;非虛擬現(xiàn)實版本的應用可以在任何一款搭載Android KitKat或更高級別版本的應用中使用。

　　第三章：相關工作

　　當虛擬現(xiàn)實技術被應用于教育領域時，它能夠提供諸多的獨特優(yōu)勢。首先，在現(xiàn)代教育中采用虛擬現(xiàn)實技術，能夠為教育工作者提供全新的工具，向他們提供觸及到更多學生的新途徑。虛擬現(xiàn)實的目標是在特定活動中鼓勵、激勵學生;與此同時，讓學生能夠體驗動手學習。不過讓虛擬現(xiàn)實在教學中更具吸引力的是，它能夠在毫無風險的情況下，讓學習者實踐環(huán)節(jié)和進行模仿。這可以被用于難以進行試驗的傳統(tǒng)的教學環(huán)境中，如傳授學生關于安全程序和醫(yī)療教學當中，而不會真正涉及病人的安全。

　　不過與其它的新技術一樣，虛擬現(xiàn)實在教育中的應用也會引發(fā)關于實用性和接受性的顧慮。在這種情況下，在教育中整合虛擬現(xiàn)實技術的顧慮長期來一直在討論之中。通過把虛擬現(xiàn)實技術與教學實踐和理論進行比較，布里肯(Bricken)認定了三種挑戰(zhàn)：成本、實用性、對技術的恐懼。為理解虛擬現(xiàn)實在教育中應用的重要特征，此屬性要考慮個體對把技術融入到他們學習當中的感知與意愿。

　　在技術教育中，虛擬現(xiàn)實提供了一種特殊的感覺，能夠幫助說服學生學習更多的科目。在化學工程學中，虛擬現(xiàn)實被用于創(chuàng)建虛擬化學工廠，讓學生學習技術以及掌握技術的效用。此項目的主要目標是制造虛擬實驗室事故，向用戶展示不遵守安全規(guī)程所帶來的后果。

　　在外科教學中使用虛擬現(xiàn)實技術，能夠幫助外科醫(yī)生在實際開展手術前掌握他們的能力水平。醫(yī)學教育已展示出使用3D計算機應用的巨大興趣，特別是在人體解剖學領域。根據(jù)對使用3D模型改進人體解刨學學生學習流程的研究表明，使用此類的技術能夠?qū)W生產(chǎn)生積極影響。

　　工程教育實驗室被設計用于提高學生的實踐知識，并改進他們獨立解決問題的能力。虛擬現(xiàn)實技術可以幫助學生把他們的理論知識應用到實際工業(yè)問題當中。Autodesk Showcase軟件能夠讓學生在CAD中創(chuàng)建3D模型，并將它們應用于虛擬環(huán)境。這將降低構建實際模型的成本，鼓勵學生解放他們的創(chuàng)造力，評估他們解決方案的價值。

　　虛擬現(xiàn)實在這一領域的應用，也將減少教學過程中對危險材料的使用，減少浪費材料對氣候造成的影響，并減少學生犯下的錯誤。一些教育機構正在他們的研究和教育意圖中利用這項技術，使它能夠更負擔得起、更有效。

　　1993年，根據(jù)傳統(tǒng)實驗室模仿出了一座虛擬實驗室。該實驗室像是擁有一張桌子的工作區(qū)，能夠讓學生體驗虛擬現(xiàn)實技術。該實驗室被用來測量不同長度和不同重力下鐘擺的周期，測量一個球從不同高度墜落的平均能量損耗，以及比較在沒有大氣阻力的情況下，物體在2D環(huán)境中的投射軌跡。該實驗室使用了頭盔式彩色顯示屏以及專門的手套，來記錄手勢。該實驗室使用了美國國家航空和宇宙航行局的固體系統(tǒng)建模器(Solid System Modeller)和渲染軟件。

　　第四章：研究方法

　　為建立一個來自兩個環(huán)境的應用能夠公正評估的共同點，教育應用有著相同的功能和圖形非常重要。這一點很難做得到，因為虛擬現(xiàn)實應用市場還沒有對公眾開放，事實上我們也在尋找能夠滿足于這些要求的教育應用。我們開發(fā)自己的應用，確保能夠公正的評估雙方，這一點非常有意義。

　　鑒于此，我們選擇了DesignResearch作為我們的研究方法。Design Research是解決問題的范例，能夠通過人工制品評估和識別問題。在此我們會創(chuàng)建自己的產(chǎn)品(應用原型)，并對它進行評估，而不是評估現(xiàn)有的應用。通過這樣做，我們將能夠回答自己的研究問題。

　　為從訪談中收集到必要的數(shù)據(jù)，我們意識到繼續(xù)進行標準訪談的做法，并不能收集到研究所需的充足數(shù)據(jù)。原因是絕大多數(shù)人此前從沒有機會體驗虛擬現(xiàn)實技術，或者也沒有機會在兩種環(huán)境中對兩款相似的應用進行比較，評判它們的差異。因此，我們讓被采訪者在提出意見之前，首先讓他們在不同的環(huán)境中體驗類似的學習應用。

　　我們選擇了遵循定性研究而不是定量研究的做法。通過訪談收集定性數(shù)據(jù)，這樣我們將能夠了解用戶，深入探討教育虛擬現(xiàn)實應用和移動應用的不同之處。定性研究方法也影響了將在訪談中使用的問題類型。

　　在實際安排調(diào)查兩周之前，我們已完成了調(diào)查計劃。我們與受調(diào)查者進行了聯(lián)系，詢問了他們有空閑的時間，從而找到時間空檔來進行訪談。

　　我們?yōu)槊课皇苷{(diào)查者安排了20分鐘至30分鐘的時間，并預約了25位受調(diào)查者進行研究。受調(diào)查者被劃分為三個不同的組。第一組為哥德堡大學軟件工程和管理項目的學生;第二組為瓦拉拉曼斯高中的學生;第三組為哥德堡大學、查莫斯高中和拉曼斯高中的教師和研究人員。通過在研究中多元化群組，我們將能夠評估三個不同的群組對虛擬現(xiàn)實技術會有什么樣的反映。我們還將能夠考慮程序設計學生和非程序設計學生對新技術的反映，以及他們在接受新技術時是否存有差異。最后，我們將調(diào)查教育工作者是否愿意在教學方法中使用虛擬現(xiàn)實技術。

　　在問題的設計中，問題被劃分分為兩個部分。第一類問題是常規(guī)問題，包括受調(diào)查者先前對教學類移動應用和虛擬現(xiàn)實技術的體驗。

　　第二類問題是實驗。這些問題大多數(shù)都是開放思維的問題，讓我們有機會收集研究的相關數(shù)據(jù)。不過它也包含了一些封閉式的問題，如我們使用的應用用于評估移動和虛擬現(xiàn)實平臺是否存有偏見，以及在體驗之后他們是否有興趣購買虛擬現(xiàn)實頭盔等等。

　　至于實際訪談，每位受調(diào)查者在接受采訪前，都被要求獲準音頻記錄訪談內(nèi)容。如果允許的話，我們將同時設置一臺筆記本電腦和一臺錄音機。采取這種預防措施，是為了確保當軟件或技術可能出現(xiàn)問題時，能夠使用音頻記錄。如果受訪者拒絕使用音頻記錄，方然內(nèi)容將會用手記錄，從而確保信息不會丟失。

　　我們繼續(xù)采訪，詢問了幾個關于用戶的問題。這有助于我們對受調(diào)查者有一個基本的了解，讓我們能夠知道受調(diào)查者他/她以前是否在移動平臺上使用過教育應用，以及與虛擬現(xiàn)實設備的互動情況。在上述工作完成之后，我們便會向受調(diào)查者展示我們的應用。

　　從移動平臺開始，我們讓用戶與應用互動，引導他們了解應用的不同方面。當他們已經(jīng)體驗了所有的功能后，如果他們想我們會讓他們更長時間的體驗。在他們覺得完成體驗之后，我們會讓他們體驗虛擬現(xiàn)實應用，并重復同樣的程序。

　　在這些試驗中，我們鼓勵用戶利用“有聲思維”的方法了解當用戶與系統(tǒng)互動時的思維。通過調(diào)整“有聲思維”的方法，我們可以找到關于移動和虛擬現(xiàn)實應用的有趣信息。不過我們在調(diào)查中并未關注用戶界面或是應用設計。我們關注的是用戶在使用應用時的體驗，讓我們可以通過進一步詢問相關問題，通過調(diào)查獲得更好的理解。

　　待受調(diào)查者完成試用兩款應用之后，我們便開始進行第二階段的調(diào)查。這種半結構化調(diào)查適用于這個階段，因為這個領域還很年輕，還有很多未探索的空間。與結構化面試相比，受調(diào)查者必須遵循嚴格的問題指南，與預先提出的問題截然不同。半結構化調(diào)查遵循一個預定義的模板，但向調(diào)查者給與了自有，能夠深入探討問題，并向受調(diào)查者提出相關的問題的后續(xù)問題。這些可以是有趣的話題或調(diào)查中未提到的問題。提出后續(xù)問題避免回到“是”和“不是”的問題，這一點非常重要。通過結合半結構式調(diào)查和開放式的問題，它會讓我們在有趣的話題出現(xiàn)時，有機會與受調(diào)查者追隨他們，讓我們通過詢問后續(xù)問題深入挖掘調(diào)查領域。

　　在受調(diào)查者回答完我們的問題后，我們還嘗試使用布魯塞爾稱為“探測”的調(diào)查手段。探測是一種手段，即調(diào)查者試圖從受訪者口中得到更多的答案。有許多不同的探測手段，但在我們的調(diào)查中，我們發(fā)現(xiàn)“告訴我更多”探測手段和“嗯哼”探測手段最為實用。“告訴我更多”探測手段被用于與開放式問題進行整合，調(diào)查者在采訪中會詢問關于話題更多的問題，并讓受訪者回答這些問題。“嗯哼”是另一種探測手段，在受調(diào)查者回答了問題之后，調(diào)查者在肯定答案的同時，有事會通過自然的方式，讓受調(diào)查者提供更多的信息并做出更長的回答。

　　我們選擇利用扎根理論，它是用于定性研究的最流行數(shù)據(jù)分析技術之一。它讓我們發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)生想法和解釋我們的數(shù)據(jù)。我們收集到的數(shù)據(jù)可以分類為以下幾點：

　　•總體發(fā)現(xiàn)

　　•原型測試

　　•質(zhì)量屬性

　　•應用比較

　　•平臺比較

　　在所有的調(diào)查完成之后，數(shù)據(jù)都被轉(zhuǎn)錄并劃分到了各自的分類當中。我們期待通過每個類別中找出共同點、趨勢，分析這些趨勢的原因，并解釋什么是潛在的因素。這種分析將在結果和討論部分被介紹和解釋。