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虚拟现实与工程教育的现实
摘要
虚拟现实近年来已经变得非常流行。它在教育，培训和研究中也被广泛使用和更频繁地实施。本文讨论了虚拟现实的潜力和现状，以及它在工程教育中的工具。 重点放在作者面临的一些机遇，挑战和执行死胡同上。从这个角度来看，虚拟现实是创造性学习的未来，但它在实际实验，边做边学，其中作为虚拟实验更有效方面有其局限性。
Ⅰ.导言
Merriam webster词典将虚拟现实（VR）定义为人工环境，通过计算机提供的感官刺激（如视觉和音频输入）来体验，其中人的行为部分地决定了环境中发生的事情[1]。 Burdea和Coiffet [2]将虚拟现实的基本特征包含为三个虚拟现实，特别是沉浸，互动和想象。这是图1中呈现的VR三角形。通过移除尽可能多的真实感觉并用虚拟环境（VE）提供的感知反馈替换它们来实现浸入。交互使最终用户能够实时更改VE的状态。设计VE需要想象力，以使其可信并适应目标用例。在1987年的一个密集研究期间，“虚拟现实”这个词首次出现在Jaron Lanier的脑海中[3]。在1984年的这一行动之前，Jaron Lanier已经建立了VPL研究（可视化编程语言）。该公司是虚拟现实和3D研究的探路者，并出售了第一批VR齿轮，例如：数据手套，VR眼镜，以及后来的完整数据套装。
1999年，邪教电影“黑客帝国”[4]引发了将虚拟现实主题纳入主流的重大文化影响。大约在这个时候，VR技术变得非常普遍，尽管这种预期很快就会因技术限制和公众期望之间的巨大差距而下降。 VR技术一直没有在主流应用或商业适应中取得重大成就和接受[5]。如今，虚拟现实技术在低成本设备和大公司（微软，Facebook，索尼，谷歌，NVidia和HTC [6]）的兴趣下动态发展，投资于娱乐，通信和可视化。轻量级技术的产生也相当可观，因此具有高密度显示器和3D图形功能的智能手机的兴起实际上使我们能够拥有个人VR设备。深度摄像头，不同接口和运动控制器等传感器已经成为日常人工计算任务的一部分。目前的个人VR技术往往属于三种趋势之一：计算机外围设备，基于智能手机和自包含的耳机。这些个人解决方案自2014年推出以来，当时Goolge发布了临时VR产品，如Google Cardboard，一款由智能手机驱动的DIY耳机。这个经济实惠，有趣而简单的系统为每个人带来了身临其境的体验。 2014年也是Facebook以20亿美元收购Oculus Rift（VR耳机公司）的一年。此次收购是该行业其他公司的一个信号，即虚拟现实有望在未来投资[7]。三星已经通过Galaxy Gear进一步扩展了这一概念，Galaxy Gear正在大规模生产并包含手势控制等功能。在2015年，YooTube推出了上传360°视频的可能性，而Facebook在一年后建立了一个22,000平方英尺的硬件实验室。接下来的几年，Facebook将为其太阳能无人机，互联网发射激光器，VR耳机，增强现实设备和下一代服务器进行原型设计。在3D声音工程方面，谷歌发布了Omnitone，一种用于基于网络的VR的开源3D音频，并推出了用于高质量移动VR技术的Daydream平台。 Daydream View由任何Daydreamready手机供电和使用，是一款易于使用且舒适的耳机，专为自适应而设计[8]。2016年是虚拟现实技术的突破。大名鼎鼎的商业生产市场，Oculus Rift，HTC Vive [9]和PlayStation VR等硬件都进入了市场，开启了大量内容，巧妙的实施，使早期采用者推广这项激动人心的新技术。在短期内，所有公司都致力于吸引更多的开发人员，吸引更多的受众并为他们的系统获取更多内容。这也是人们越来越关注虚拟现实在教育中的应用的关键原因[10]。 VR教育解决方案能够通过身临其境的互动体验主要通过主题参与来增强学生的能力。虚拟现实方法提供了阻碍学习过程记忆的机会。通过从传统方法转变，学生可以应用，分析和评估他们的知识。这种方法可以提高用户的创造力，批判性思维，解决问题，决策，沟通和团队合作。在本文中，作者讨论了虚拟现实工具的当前使用及其在工程教育中的潜力。重点放在实施的一些机会，挑战和死胡同上。
II.最佳的虚拟现实耳机
正如我们上面所讨论的，我们在过去的半年中遇到了虚拟现实“爆炸”。在今年，2017年，可提供各种各样的VR耳机。哪个是最有趣的VR耳机？对于用户来说，它是最好的HTC Vive [11]，因为它使用房间尺度跟踪为游戏玩家和用户提供前所未有的自由走动和虚拟世界互动。Oculus Rift和HTC Vive耳机包具有双OLED显示器，每只眼睛的分辨率为1,080times;1,200，两者都具有90 Hz的刷新率和110度的视野，并且两者都需要非常相似的PC运行要求。除了提供流畅无缝运动的Vive耳机中的37个传感器外，还包括一个前置摄像头。所有这些都可以使VR环境产生差异。HTC的相机允许使用Chaperone安全系统。当您在近距离移动时，该技术可以在墙壁甚至物体上投射蓝色安全轮廓。它甚至可以立即设置为所有环境障碍的类似Matrix的外观[9]。 HTC Vive受欢迎的关键是灯塔房间跟踪解决方案，使用户可以在耳机开启时四处移动。同时，Vive的Tracker技术能够将任何真实世界的物体带入虚拟图像。当前一代硬件通过恼人的电缆将用户连接到功能强大的PC。Vive还可以在无线模式下运行，这要归功于它的TPCast模块，甚至眼动追踪也在进行中。VIVEPORT订阅服务也很有用，它可以为用户提供大量的VR内容，每月只需6.99美元。
VR有着光明的未来。很多初创企业都能够预测这项技术的潜力，这些初创企业能够筹集到巨额资金，超过1亿美元的资金和14.6亿美元的风险资本。根据Kota Ezawa的预测，VR市场将在2019年增长到159亿美元[5]。这将对网络产生影响，硬件市场，软件和生成的内容将在2020年之前增加到2000亿美元[5]。用户群爆炸，数字将迅速增长。 2017年将见证用户数量大幅增加。从2014年开始，大约有20万到2017年预计的9000万。这些数字代表了450％的增长，其中9000万人中约有10％可能是游戏玩家，而剩下的约有2300万早期采用者[12]。这表明接下来的几个月将提供一个理想的机会，将新的VR应用程序交给参与和积极的受众。其中一项预测预计到2025年将有5亿人拥有VR耳机[13]。在全球大规模适应的道路上面临着各种挑战。 BC分析师马克·马哈尼（Mark Mahaney）预计VR质量适应将在3至5年后发生[6]。如今，VR耳机技术需要大量的计算能力，更不用说健康和外部环境因素。此外，商业设置仍然很昂贵。今天的大多数用户仍然主要是谷歌希望的游戏玩家，大众接受将更快地按预期进行。第一代Google Daydream View于2016年10月4日宣布，并且已经或多或少地为数亿智能手机用户提供[6]。
III.教育中虚拟现实的好处
VR解决方案从用于娱乐和研究的简单图形应用开始，现在在许多专业领域中更频繁地使用[14,15]。一个重要的应用领域一直是现实生活中的培训可能性，例如：职业培训，向观众介绍新概念，获得经验和实践。模拟可以提供与现实生活实践相同或几乎相等的培训，降低成本，提高安全性，破坏性或破坏性的错误，不损害我们的环境，不会造成意外的资本损失和浪费材料[10]。这些方面表明，在教育中使用VR是成本锯切和一种新的有效学习方式。它们包括它提供动力的事实;可以比其他方法更精确地说明过程，特征和物理现象，而且它允许极端特写和距离物体检查，以整体而不是一部分显示主体，允许残疾人参与不同的环境，实验或何时否则不能这样做。这种可能性还提供了以新视角观看所呈现主题的机会，允许学习者通过新体验继续并提高他/她的能力[16]。 VR在政府和军事解决方案中也有很多好处。 2014年，英国政府宣布将把Oculus Rift技术纳入战场医疗紧急情况所使用的培训中。其他军事用途包括例如模拟处理简易爆炸装置[14]。宇航员和喷气式飞行员也使用VR齿轮模拟。这些通常在头戴式显示器中实现，这些显示器可以在实际飞行航天飞机或喷气式飞机之前导航并对意外情况做出反应[10]。 VR培训和评估更常用于5个关键领域：医疗保健，工业，商业培训，游戏，康复和远程教育，如大规模开放在线课程。可以在五种核心VR技术上实现自适应，包括触觉设备，自适应内容，立体图形，评估和自主代理。虚拟现实培训的自动化可以促进各种程序，包括远程和机器人辅助手术，这可以减少伤害并提高任何手术的准确性。自动触觉交互可实现远距离存在，来自远程或模拟环境的虚拟控制交互。这种自动化和机器学习在提供受训者特定的，适应性的和个人的培训内容中起着相当大的作用。如今，支持更复杂的VR应用的快速技术进步带来了新的挑战。这些互动与改善与非技术技能相关的学习成果相关，特别是沟通，团队合作和决策。研究结果表明，VR方法适用于各种学科，可能在准备学生实践和发展个人图式方面发挥重要作用，使非技术技能的学习能够转移到新的情境。课堂中的VR可能意味着虚拟实地考察，身临其境的游戏，甚至可以用于有特殊需要的儿童。主要关注的是以科学为中心的主题，难以记忆和理解。这些包括解剖学，地理学，天文学等。所有这些课程科目都通过与3D物体，生物和环境的相互作用而大大扩展[5]。 VR建模和架构技术用于构建和检查建筑，工程模式，模型，历史或自然场地的重建以及其他特殊渲染。
IV.工科教育中的虚拟现实
工程学是一门实践专业。该专业致力于利用和修改人类可用于创造所有技术的三种基本资源：能源，材料和信息[17]。工程教育的总体目标是使学生为工程实践做好准备，特别是为解决力和自然材料做好准备。因此，从工程教育的早期开始，教学实验室就已成为本科和研究生课程的重要组成部分。实际上，在强调工程科学之前，可以说大多数工程指导都发生在实验室[18]。根据执业工程师的说法，前往开发实验室有两个原因[17]。首先，他们经常需要实验数据来指导他们设计和开发产品。开发实验室用于回答有关自然的具体问题，在设计和开发过程可以继续之前必须回答这些问题。第二个原因是确定设计是否按预期执行。将性能测量结果与规范进行比较，这些比较要么证明符合要求，要么指出需要在何处进行更改。 VR在这些工程师的教育中扮演什么角色？一种有趣的可能性对于建筑师来说是有用的，例如实地考察。这些技术使学生能够虚拟地访问他们无法物理检查的位置。请参阅技术解决方案和实现。虽然我们的社区长期使用视频技术进行虚拟实地考察，但虚拟现实承诺通过增加沉浸感来提高学生的参与度和成果[19]。另一个非常有用的选择是训练。众所周知，与仅视觉输入（20％）或音频材料（10％）相比，从实践中学习（75％）对于许多学习者来说更加充分。虚拟现实为用户提供了体验他们所面临的行动和过程的机会，无论是飞行的飞机，还是进行技术测量。设计领域面临特定应用的许多挑战之一。其中一个早期用途是在建筑领域过时。能够在任何建筑之前近距离参观，检查和探索建筑物是一种非常有用的方法。如今VR技术在所有技术领域都有所应用。 VR在远程学习方面也有潜力。例如，斯坦福商学院提供VR证书课程。此外，宾夕法尼亚州立大学的学生和教师已经说明了虚拟现实的实施如何能够改善研究成果[19]。
VR技术的最重要使用方式可能是协作。它不仅涉及研究领域，而且实际上涉及任何其他领域。虚拟现实将改变我们远距离合作的方式。有趣的可能性是在未来工程师的招募中利用VR。在选择参加哪所大学时，新加入的学生喜欢参观校园，以便更好地了解和了解该机构本身。一些学校已经通过虚拟校园访问为学生提供了这种可能性[14]。大多数讨论的可能性可以实现为虚拟实验室。与Virtual Laboratories相关的益处和挑战解决方案可以评估如下[17]。教师和研究人员在方便性，灵活性和实践学习方面讨论了虚拟实验室的好处。管理者面临的挑战包括教育者的准备，技术变革，软件解决方案和教师的抵制。教育工作者面临的其他挑战包括学生的能力，未能处理设备，缺乏沟通，足够的知识和培训。管理员提供的解决方案包括：为培训和技术资源提供资金。教师的解决方案列出了与其他教育工作者和研讨会领导者的合作，培训和知识转移，安排替代计划以及学生的能力。根据管理人员和研讨会领导者的说法，虚拟实验室的开发，规划和实施考虑因素包括基础设施，受众，学生特征，资格和教学模式[20]。即使是开发虚拟实验室的最初步骤也可能是昂贵的，但在长期运行中可以节省成本。新的更便宜的设备将在商业上可用。这意味着开发人员能够在一段时间后收回费用，不应因初始成本而受到挫折。图2.物理实验室中的真实联系字段在许多其他选项中，例如在使用危险和昂贵的材料和化学溶液的情况下，使用虚拟实验室被证明是安全的，节省成本的选择。更不用说，学生不会暴露在真正危险的环境中。如果涉及的参与者太多，虚拟实验室可用于减少过度拥挤，因为学生将在方便的位置进行实验。
A.虚拟实验室与物理融合的模型实验室
与电子学习类似，虚拟实验室与真实实验室的连接模型应与增强型教育的最佳模型相关联。虚拟和物理实验室确实可以对学习者有益。帮助学生尽可能有效地学习课程的最有效方法是将这两种环境融合在一起。研究参与者鼓励在物理实验室之前使用虚拟实验室，这应该确保学生在进入真实实验室环境后能够更高层次地理解。他们还考虑了资源有限的情况，当昂贵的设备不可用且物理实验室的材料不常见时，使用虚拟实验室将减少建立物理实验室所需的资源。换句话说，随着越来越多的公共电子设备和将来推出的电子设备，将虚拟仪器与真实实验室混合可能比目前想象的更有益和更容易。为了取得成功，虚拟实验室需要具有互动性，以便每个概念都以练习和实验室任务的形式呈现，这些任务具有挑战性，可以提高学生的解决问题的能力。这满足了建构主义的各个方面，因为当学生遇到困难时，他们将不得不决定如何采取行动并找到解决方案。非常重要的是，如果学生想要在虚拟实验室教育中取得成功，他们必须提前完成现实生活中的某些先决条件。这些先决条件应包括技术背景和能力，以及安全问题和测量的学术技能。如果学生不熟悉所有这些主题，他们获得成功的机会就会很低[20]。虚拟实
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