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第三届中美智慧教育大会 赵沁平院士谈“虚拟现实+教育”

来源:互联网教育国家工程实验室
随着虚拟现实技术及设备的升级,“虚拟现实+”成为发展趋势,教育是虚拟现实非常重要的应用领域。教育技术随着科学技术,特别是信息技术的发展而不断发展,新颖、形式丰富的虚拟现实技术是智慧教育的基础性技术之一。虚拟现实可以充分调动学习者的兴趣,使其进入任意逼真的学习环境,进行沉浸式学习,从而大幅度提高学习成效。从分子内部的微观世界,人体的精微构造,到浩瀚的宇宙空间,神秘的引力波和黑洞;从历史事件的现场,到具有危险性的化学实验,这些现实中不可能进入的场景,都可以通过虚拟现实来模拟,还可以进行各种交互式实验。
值得注意的是,虚拟现实技术只是一种教育技术,是教育教学的辅助手段,它无法代替教师教学。因此,要加强虚拟现实教育条件下的学习方法研究,同时也要研究虚拟现实环境对学生身体、心理产生的影响以及对社会带来的影响。赵沁平院士建议教育和人文社科领域的专家在虚拟现实心理学、虚拟现实社会学和虚拟现实法学等新的研究领域展开相关研究。
赵沁平院士还谈到,教育部已批准建设了200多个虚拟仿真教学中心,支持“虚拟现实仿真+教育”的发展,这必将对教学方式产生深刻的影响。2018年,虚拟现实技术被列入教育信息化年度工作重点,教育部明确要求全国高校、中小学、职业教育机构大力推进信息技术与高等教育的深度融合,推动大数据、人工智能、虚实现实等新技术在教育教学中的广泛应用。虚拟现实教育在全国教育体系内的推广与应用势在必行。
随着人工智能与虚拟现实的结合,虚拟现实发展呈现出新的趋势,虚拟现实系统特征开始从早期的“3I”沉浸感、交互性、构造性向“4I”转变,“4I”较“3I”增加了智能化方向。
在教育领域,虚实现实将在多媒体与计算机教学之后重新改造人们的学习方式,对整个教育领域的变革将起到划时代的推动作用。同时,利用虚拟现实技术可以实现跨地域和跨国界的教育资源共享,虚拟现实将成为教育领域颇具应用前景的新技术。
赵沁平院士根据近年来VR技术的发展趋势和对VR应用和产业发展的认识,提出了当前VR科学技术中10个新的问题。这些技术的突破会导致VR 应用和产业的重大进展。
VR头戴显示的输入与交互
现有VR头戴式显示器看不到体验者自身,输入不便,也缺少与景物的交互机制,身临其境的感觉受限。因此,VR 鼠标等便捷友好的VR 输入方式,能够实时逼真地表现体验者肢体、并能与虚拟场景对象实时交互的机制是需要研究的问题。
头戴式显示的空间计算与AR虚实融合及其室外化
头戴式显示虚拟场景的空间计算,包括体验者头部和位置的实时精准跟踪定位,以及AR头戴显示中虚拟对象在现实空间中的位置计算与实时表现是需要进一步研究的问题。与此相关,虚实融合是AR的基本问题之一,包括视频式AR显示中图形对象与视频图像的融合,以及光学透视式AR显示中图形对象与现实景物的融合。前者研究的时间比较长,后者随着光学AR头戴显示的实用化,逐步成为这一方向的主流,许多问题有待解决。同时,光学透视式AR 的室外化,包括室外大场景下的虚实融合是有待探索的一个方向。
VR视频的采集、制作与交互式播放
VR全景视频(包括基于桌面、移动终端或Web的VR视频) 的采集、制作、交互式播放技术与设备,以及跨平台VR视频播放器,是一个研究发展方向。如何在VR 视频中引入几何与控制元素,增加VR视频的交互类型,提高其交互性是值得研究的问题。
基于移动终端和互联网的VR
基于移动终端和互联网的VR具有巨大发展潜力。对于前者, 低计算、低存储VR 技术,云计算VR技术, 低延迟大数据传输与新型交互等是可创新技术方向。后者需要全屏3D绘制、VR设备接入与更合适的人机交互机制, 以及新型浏览器标准。Web VR将对现有浏览器和邮件系统等带来变革和颠覆性影响, 成为互联网的新入口。
物理特征的更多表现与新型物理模型
目前,虚拟对象的物理表现及其物理模型研究主要集中在运动学和动力学方面。物理模型也只有粒子系统、弹簧模型、SPH (smoothed particle hydrodynamics) 方法等少数几个。物质的许多物理特征(如材料特征),爆炸、切割等物理现象,柔、黏、塑、流、气、场等物质对象的物理特征与交互响应的实时逼真表现,存在许多理论问题。 由于物理模型计算量巨大, 因此具体应用时实时性和逼真性之间的平衡也是需要考虑的问题。提出表现某类物理特征和物理现象的新型物理模型,构造其物理引擎及核心算法芯片PPU (physics processing unit), 可以带来原创性、平台工具性成果。
进化演化模型与虚拟孪生
基于化学、生物学和生命科学的人体器官的生理、化学、生物进化演化模型是有待深入研究的科学问题, 可能产生新的知识型、概率型等模型类型。现实世界中的每一个(类) 对象,均可以构建虚拟孪生,使其与现实孪生在几何、物理、生理, 以及进化演化等方面高度相似。人体、城市和复杂装备的虚拟孪生会成为未来发展的重点, 并对医疗健康、城市规划管理和装备设计维护领域产生颠覆性影响。构造虚拟孪生, 特别是可交互几何类虚拟孪生的理论与方法,既是VR,也是AR,MR (mixed reality,混合现实) 等的基础。
智能行为模型
随着VR应用领域的不断扩展,虚拟人(或计算机生成的人) 操纵实体(如飞机、车辆等) 成为VR系统的重要组成部分,这些智能体的行为使得VR 系统所具有的3I (immersion, interaction, imagina-tion) 特征向4I发展,即VR系统将具有更多的智能(intelligence) 特征。该类问题的解决有赖于人工智能技术和人脑科学的发展。
力交互的柔韧感与新型自然交互
人与虚拟对象之间的力/触觉逼真感知的方式、机制及其设备仍然存在大量的问题, 特别是柔韧感; 此外新的感知通道, 如温湿感、嗅/味觉等,有的刚起步,有的尚未涉足。这是一个需要多学科交叉研究解决的问题领域。
VR内容的智能化生产技术与通用软件开发工具
目前VR内容制作生产力低下,原因一是VR 建模、绘制、修补等生产环节的工具和开发平台自动化、智能化程度低, 二是VR 硬件不兼容,均采用各自的软件开发工具包(software development kit, SDK)。提高3D建模(几何、图像、扫描等) 的效率和空洞修补的自动化水平等是需要进一步研究的内容,研发标准应用程序接口和通用软件包是提高共享和研发效率的必然途径。
VR的逼真性度量与VR心理学、VR社会学
VR的逼真性,即虚拟与现实孪生的相似性测度是有待研究解决的一个理论问题。在此基础上研究各类VR应用的效果评价,特别是对人的心理影响,以及对人类社会带来的影响,并进行相关约束与法律研究也是必要的,这会形成新的人文学科研究方向。
【发布者: VRの酱】