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关于沉浸式虚拟现实教育的文献综述：最新的技术以及观点。
LauraFreina,MichelaOtt
InstituteforEducationalTechnology,CNR,Genova,Italy
freina@itd.cnr.it,ott@.itd.cnr.it
摘要：自从上世纪60年代首次使用“虚拟现实”（VR）一词以来，虚拟现实就以不同的方式发展并且与现实世界越来越相似。VR分为两种模式：非沉浸式和沉浸式。前者是一种基于计算机环境，可以模拟现实世界或虚构世界中的场景。后者通过给出在非现实世界中却有实际存在的感觉，从而获得更进一步的虚拟现实的感觉。虽然非沉浸式的VR是以标准计算机为基础，但是随着所需设备对用户愈加友好以及价格越来越低，沉浸式的VR仍在发展。在过去，使用诸如带护目镜的头盔之类的设备存在着很大的困难，而现在正在开发新的设备以使用户更容易使用。虚拟现实基于三个基本原则：沉浸，互动和用户对环境以及故事内容的参与，而其对使学习更具激励性和参与性使得虚拟现实在教育方面具有很大的潜力。目前为止，由于设备高昂的价格及其有限的可用性，沉浸式VR在教育游戏中的使用受到了限制。如今，诸如商业“OculusRift”之类的新工具使人们在许多教育环境中访问沉浸式VR成为可能。本文对过去两年（2013-14年）与在教育中使用沉浸式虚拟现实的优势以及潜力有关的科学文献进行了调查。展示了一般情况下的VR，尤其是沉浸式的VR是如何主要用于特殊情况下的成人培训或大学生的。其次，针对不同类别的用户（例如儿童和某些认知障碍者）（特别是唐氏综合症），着重于探索在教育中使用沉浸式VR的可能性以及它的优缺点。并总结了可以用来验证这些想法的策略。
关键词：虚拟现实；教育；沉浸式；教育技术。
一、引言
在在线牛津词典中，虚拟现实（VR）被定义为“hellip;计算机生成的三维图像或对环境的模拟，人们可以使用特殊的电子设备，以看似真实或实际的方式与之交互。例如带有内置屏幕的头盔或装有传感器的手套。”
该术语最早可追溯至60年代，而其起源则可以追溯到19世纪，这是因为当时利用全景壁画打造的第一幅360度艺术也开始出现。在大约一百年后，一种机械设备Sensorama1运用了多种感官来创建沉浸式VR。该系统提供了骑摩托车的多感官体验，包括三维全彩胶卷和声音、气味，运动感以及吹在观看者脸上的风。
从那时起，VR便以多种方式发展，变得与现实世界越来越相似。随着计算能力的提高，ICT和VR已实现严格的互联，人机界面也变得越来越完整和完善。
在VR中，经常提到的一个概念是“沉浸式”[1]。Jennett等人[2]很好地将沉浸式游戏的一般概念定义为参与游戏，这会导致缺乏对时间和现实世界的感知以及在任务环境中的“存在”感。当提到VR时，这时的“沉浸”通常指的是“空间沉浸”。
空间沉浸虚拟现实是对实际存在于非现实世界中的一种感知。通过在VR系统中的用户周围放置非常吸引人的环境的图像，声音或其他刺激来创建感知。当玩家感觉模拟世界在感知上令人信服，看起来“真实”和“实在”并且玩家感觉到他或她实际上在“那里”时，就会发生空间沉浸。
正如罗伯逊（Robertson）等人所说，即使沉浸可能是VR的关键要素。[3]当VR“将用户置于可以直接操作的3D环境中，却使用带有监视器，键盘和鼠标的传统图形工作站时，它也可以是非沉浸式的”。在这项研究中，我们专注于沉浸式VR，因为只有沉浸式VR才能发挥其全部潜力。
洞穴自动虚拟环境（CAVE）作为一个支持沉浸式虚拟现实的工具，用户可以在这个所有墙壁以及地板都是投影屏幕（或平面显示器）的房间里体验虚拟现实。戴着3D眼镜的用户可以感觉到自己在投影的世界中漂浮以及自由移动。然而CAVE环境仍然相当昂贵，它们需要具有专用于它们的特定空间，并且不是那么容易移动。所有的这些特征使他们难以在教育和培训中广泛使用。例如，CAVE技术特别用于文化遗产教育[4]。
而通常与耳机一起使用的VR眼镜或其他类型的头戴式显示器（HMD）则可以轻松地产生真实世界的内在感觉。为了完全沉浸在虚拟世界中，我们的所有五种感官都应参与其中。但是，当今大多数VR环境实际上并不能解决所有问题，而是通常集中在两个方面：视觉和听觉。根据卡伦（Classen）的观点，“视力被认为是最重要的感官，并且与理性最紧密地联系在一起”[5]。
在过去，使用HMD或类似技术存在着重大困难。一方面，这些技术设备并未广泛传播，并且通常非常昂贵。另一方面，它们的特征使得头部的运动与场景中的相应变化之间的不匹配，因此它们常常会引起对用户的恶心感。而现在，商业产品OculusRift以可承受的价格提供了良好的虚拟仿真，而且其他可以负担得起的产品正在研究中[6]，这使得在教育和培训领域使用此类系统更加可行。此外，现在的技术可以为系统提供低延迟和精确的运动跟踪功能，从而使用户更好地使用并可以实现情感共鸣。
VR由于其具有激发互动性[7]和激励性[8][9]的潜能，在教育培训领域得到了广泛的应用。此外，它为所有喜欢视觉，听觉或动觉学习风格的人提供了一种理想的方式来获取，学习和记住新的知识[10]。
二、我们的调查
本文针对过去两年（2013-14年）在教育中使用沉浸式虚拟现实的优势和潜力进行了文献调查。调查使用了三种不同的搜索字符串：“沉浸式虚拟现实教育”，“OculusRift教育”和“头戴式显示器教育”。第一个字符串“沉浸式虚拟现实教育”使我们对沉浸式VR在教育中的普遍使用有了一个想法，包括基于CAVE的方法。然后，我们尝试着眼于VR眼镜，尤其要关注OculusRift，因为我们认为它是一款非常有趣的设备，因为它的价格有限且具有很好的可移植性。但是，专门针对Oculus设备的检索几乎没有结果，因此我们决定通过将“OculusRift”替换为“HeadMountedDisplay”来扩大检索范围。尽管该搜索还提供了一些解决方案，但其结果更有趣，这个将在稍后进行讨论，这些解决方案更多地位于增强现实（AR）而非VR领域。在检索了以下数据库：WebofKnowledge，GoogleScholar和Scopus之后，通过参考Scopus结果进行了对该领域的深入研究。
就“沉浸式虚拟现实教育”的检索而言，发表的论文数量随着年份而减少：2013年为54，2014年为37，2015年为2。这可能是因为检索是在2006年底进行的。2014年。两篇论文尚未发表，但应在2015年到期。2014年的几篇著作可能尚未上载到数据库中。
图1显示93篇论文中有大量是在美国和英国撰写的。在检索的整个时期内，其他国家的论文没有超过10篇。
图1.“沉浸式虚拟现实教育”–每个出版国的论文数量
图2显示了所选论文在不同主题领域中的分布。Scopus数据库显示了计算机科学领域的大多数论文：超过60％。许多论文涉及多个学科领域，并且由于大部分已报道的论文均涉及基于计算机的程序或环境，因此计算机科学占到其中的很大一部分比例。
但是，在实际阅读论文时，仍然有很多与医学领域有关。实际上，在下面的图形中，我们可以看到几乎有12％与医学有关，但是在神经科学中还有3.2％，在护士培训中有3.2％。此外，“其他”部分中还有另外5％涉及心理学，牙科，卫生专业等。
图2.“沉浸式虚拟现实教育”–每个学科领域的论文数量。
在“OculusRift教育”上的检索仅发现了三篇论文。一篇论文仅涉及工程学科领域，而另两篇论文均涉及计算机科学和另一学科（数学和社会科学）。由于结果数量很少，因此我们没有从任何其他角度分析此数据。我们检索的输出非常有限，可能是因为OculusRift是一种商业产品，仅在很短的时间内投放市场。“头戴式显示器教育”仅产生了18个结果，其中10个是2013年的结果，而8个是2014年的结果。如前所述，由于2014年发表的几篇论文可能尚未引入数据库，因此数字表明可能略有增加在有时间的出版物中。如图3所示，大多数论文已在美国发表，还有一些相关论文在德国发表。必须注意的是，英国根本没有论文。有趣的是，在先前的检索中，英国对沉浸式虚拟现实表现出了浓厚的兴趣，而相同的检索德国则没有任何数据。
图3.“头戴式显示器教育”–每个出版国的论文数量
从图4可以看出，最常见的主题是计算机科学，并且已经找到了大量涉及医学主题的论文：将同样出现在不同主题领域的论文相加，则以某种方式超过22％的论文被选出与医疗问题有关。
图4.“头戴式显示器教学”–每个学科领域的论文数量。
三、结果讨论
3.1.目标人口
阅读所选论文后，发现其中相当一部分是针对大学或大学预科学习的，尤其是对科学学科（物理，天文学，化学等）的教学。这种应用的几个例子将在本文中进一步报道。虚拟现实似乎被广泛使用的另一个领域是成人培训。稍后将对此进行描述，这在某些特定领域尤其如此。VR和AR提供了在危险场所安全移动的可能性，学习如何应对我们的情绪，同时尝试最佳解决方案从而远离真正的危险。但是其很少提及年轻的小学学生；我们只找到了一篇关于为10至12岁的儿童教授科学的项目的论文[11]，其中一篇关于虚拟艺术博物馆也是针对儿童的论文[12]。对年幼的孩子来说，VR的使用非常有限的原因之一可能是因为他们仍在成长，并且3D视觉以及手眼协调和平衡仍在发展中。事实上，OculusRift的“健康和安全警告”包含一项建议，建议13岁以下的儿童不要使用该设备。
就残疾人而言，这方面鲜有研究。在2005年，Standen等[13]对VR在智障人士的康复中的使用进行了有趣的评价。根据我们的检索，自那时以来，似乎就没有得到任何进展。Matsentidou和Poullis[14]研究了基于CAVE的系统在轻度自闭症儿童教育中的应用，而Dimitropoulou的论文则对技术应用在自闭症儿童教育中的应用进行了回顾，并提供了一系列示例[15]。增强现实系统使用HMD训练发育障碍的人在餐馆里提供食物[16]。就其他残疾而言，我们仅在科学实验室中发现了一篇有关针对听力障碍学生的应用的论文，该论文中使用智能眼镜进行增强现实使他们能够看到手语的解释，而不必从正在进行的实验中移开头绪[17]。
3.2.涉及领域
入选的论文大多数涉及教育领域。他们发表了针对特定教育或培训目标实施的特定应用程序。这些可以分为两个主要类别：针对成人职业培训和针对高中和大学教育。
VR通常在针对成年工人的职业培训中使用，在这些领域中，由于缺乏虚拟现实或具有高度危险性，因此可能无法将实际情况用于实践。其中一个例子，有一个沉浸式学习环境，用于教授美军士兵基本的腐蚀预防和控制的知识[18]和基于CAVE的普通话教学系统[19]。其他论文分析了沉浸在真实环境中对培训学习者的影响，例如Bastiaens等人[20]发表了在使用不同设备的供应链工人的培训情况下进行的几个基于VR的实验。拉希米亚人[21]发表了将VR用于建筑工程施工专家的专业培训。
在高中阶段，则没有太多的经验报道。而我们发现了一些使用HMD的解决方案，例如一个帮助教师进行课堂管理的系统[22]或物理上的触觉增强模拟[23]。以及一个3D交互式虚拟化学实验室[24]。
许多论文提到大学层次的教育。在这里，我们将研究其中的一些内容，以便对正在进行的活动有所了解。在大学的中文课中，传统的投影仪已被HMD取代，从而增加了上课时学生的动力和控制力[25]。而且已经开发了智能学习环境，并在计算机科学学位的多个学科中进行了实验[26]。据报道，VR沉浸式环境可支持建筑空间体验的设计[27]。带有虚拟形象的VR系统为学生提供了一个口译训练场所[28]。一个虚拟现实应用可视化地代表了中微子数据，同时针对学生和研究人员[29]，而另一个基于CAVE系统的虚拟现实系统提供了进行相对论效应实验的可能性[30]。
参照大学教育和成人培训，结果表明医学领域发表论文所占百分比很高。在这里，VR已在非常不同的级别广泛使用。从协作式沉浸式系统中的护士教育[31]，虚拟医院中的医学培训[32]，医学专业培训[33]，模拟龋齿去除运动的牙科学生[34]开始，使用HMD和手指跟踪的外科教育系统向从业者展示了手术过程中专家手指的准确运动[35]。关于在医疗培训和教育中使用虚拟现实的调查报告说，虚拟现实在支持医务人员之间的交流，手术模拟，疼痛管理，多种疗法和康复干预措施中得到了使用[36]。此外，VR还直接用于患者，既用于教育目的（例如成人的口腔卫生教育[37]或用于成人保健培训的一般健康知识[38]），也用于康复目的（例如用于前庭问题的基于VR的疗法）[39]或慢性阻塞性肺疾病患者的呼吸运动[40]）。此外，VR还可以在支持远程监控的同时促进医患沟通[41]。
某些选定的论文与计算机科学相关的研究活动有关，尤其是VR设备，工具和解决方案。当您在VR中时，真实的感觉被研究人员所熟知，被称为“存在”[42]，它最能将VR与屏幕上的3D区别开来[43]。Abrash分析了VR设备产生沉浸效果所需的技术要求[44]。一项关于在使用带有AR的HMD的同时对环境的感知的研究表明，由于佩戴在人体上的技术所存在的问题，用户对真实环境的感知不佳，并且存在社会问题，但是该系统似乎增强了更好的定向能力和空间意识[45]。其他与基于CAVE的环境有关的论文：Kenyon提出了一种新的高分辨率CAVE[46]，而Leigh等人则提出了基于圆柱的CAVE[47]。Nan等人研究了一
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