封面报道|赵沁平院士：虚拟现实在教育和培训领域的应用
“虚拟现实”+和“互联网+”一样，各种行业都在应用。虚拟现实（Virtual Reality，VR）的目标是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成一定范围的真实环境，在视、听、触觉等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用，相互影响，产生亲临相应真实环境的感受和体验。虚拟现实系统具有3I特性，即：沉浸感、交互性、构想性。
大家会认为这不就是模拟仿真吗？其实就是模拟仿真，而且模拟仿真是人类自古以来就有的一件事情。早期的实物仿真，比如草船借箭，到机电类仿真，随着技术发展，模拟仿真的对象、材料、技术都在发展。随之，产生计算机仿真，从模拟机仿真到数字机数值仿真，再到虚拟现实等。
人类模拟现实世界之梦
第一，从2D到3D，不论是用图形技术产生三维，还是用光学等其他技术产生的三维，三维是基本的显示特征。第二，目前无论多大的屏幕，总有物理尺度的限制，但虚拟现实可以突破屏幕的界限，突破物理尺寸的显示，带上头盔之后，能全景式的观赏。第三，它使计算机系统完全对用户透明，是人和虚拟环境的自然交互。第四，它可以构造任意时空的物理世界和现实世界，构造它的虚拟空间，有一个物理对象就有一个数字化的虚拟对象。第五，它可能是互联网未来的新入口和新的智能环境。
虚拟现实对未来的影响
首先，有人认为虚拟现实是新的计算平台，个人电脑、手机都是计算平台，其实很难说是属于新的计算平台，可能是对新的计算平台有其作用，可以叠加在上面；其次，有人认为它是行业发展的新信息技术支撑平台，个人比较赞成这个看法；第三，它将是互联网未来的入口；第四，它给我们带来一种新的发展思维和新的技术途径；第五，不论各行业做的什么事，虚拟化设计、体验、培训、演练，最终人所感知的世界将会成为真实和虚拟两个世界，或者是虚拟与现实混合的新世界。
虚拟现实的应用
经过30多年的发展，虚拟现实在军事、航空航天、装备制造、智慧城市、医疗、教育等许多行业取得了令人瞩目的应用成果，成为各行业发展的技术支撑平台。
随着虚拟现实技术及设备的发展，“虚拟现实+”成为发展趋势，教育也成为一个非常重要的应用领域。随着科学技术的发展，“虚拟现实+人工智能”可能是终极性的教育技术。
虚拟现实应用于教育，第一，可以使学习者进入任何逼真的学习场合，如分子、人体、太空、历史事件等，实现沉浸式的现场学习，提高学生的学习兴趣和学习成效。
第二，可以进行各种交互实验，特别是危险性高的，比如某些化学实验，或者是真实环境下不可能做的实验，比如人体解剖，或者体验黑洞，从而提高学习的成效。
第三，虚拟现实和人工智能、大数据结合，可以构造虚拟教室、虚拟教学、虚拟老师，随时随地地在教室指导学习。
现在各个大学都建有虚拟校园，可以用于校园管理、校园交通、校园的地下管线、校园的各种建筑等，并和数据结合起来。虚拟课堂可以进行真实感的教学研究，比如构造虚拟心脏，使身体的某一部分展示出来，并讲解构造。比如用于体育教学、体育训练，能把它和数据采集结合起来，分析动作。
要实现虚拟现实系统，大体需要有四方面的技术：一是数据采集、数据获取；二是对数据进行分析和建模；三是建模以后的绘制与表现。绘制，不仅是视觉上的绘制，还包括听觉、味觉等方面的研究；四是传感和交互，传感和定位等等的交互。这四个方面的技术涉及到：硬件平台和装置、核心芯片与器件、软件平台与工具、软硬标准与规范，以及虚拟现实+各行业领域的内容和研究系统。所以虚拟现实是一个学科高度交叉的、综合性的科学技术领域。
虚拟现实在教育的应用中，有以下几方面的问题：一是虚拟现实教育应用的需求分析问题，例如哪些方面需要虚拟现实，哪些方面有二维图片或者文本就足够了；二是基于虚拟现实技术的教学方案与过程创意设计，比如物理课、生理课，哪些内容与虚拟现实结合，需要怎样的工序进行创意和设计；三是新概念数据获取机制、设备及各类教育数据的获取，比如教师的数据、学生的数据等；四是整体的数据获取；五是生理模型与进化演化；六是教育应用中人的行为模型；七是自然化人机交互机制与交互设备；八是虚拟现实课堂、虚拟现实教室技术；九是虚拟现实教育应用效果的评价；十是虚拟现实心理学与虚拟现实社会学等。
“虚拟现实+教育”的发展趋势
第一，由于“虚拟现实+教育”的发展，“人工智能+教育”的发展，会出现大量的虚拟现实（VR）教育应用系统，使得教育技术得到升级换代式发展。
第二，出现基于VR教育环境的教育方法与学习方法。
第三，在VR关键技术研究和VR+教育应用研发过程中，会形成一批有知识产权的硬件设备、平台软件与研发工具软件、VR教育设备标准等，从而带动形成新的VR教育仪器设备产业和VR教育服务产业。
VR技术应用于教育，只是一种教育技术，是教育教学的辅助手段，代替不了教师教学。今后要加强VR的教育教学方法研究，同时要研究VR环境给学生带来的影响，以及对社会的影响。因此需要教育领域开启VR心理学、VR社会学和VR法学等方向研究，开展相关的人工智能研究，这是对人文社科的一些希望。
（本文根据中国工程院院士、教育部科技委主任赵沁平在“人工智能与未来教育”科技前沿与战略圆桌会议上的部分报告内容整理，未经本人确认。整理：杨燕婷）
本文刊载于《中国教育网络》杂志2018年6月刊