虚拟现实技术及其教学应用

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虚拟现实技术及其教学应用

2011-04-07 10:17:55 作者：李志刚张超

摘要本文对虚拟现实技术的定义及特征进行了描述，对虚拟现实技术应用于教学的作用意义进行了分析探讨。

关键词虚拟现实；教育技术；教学应用

2010年的上海世博会，参观人数超过7200万，创历届世博会参观人数之最，而同时推出的上海世博会的网上展馆，则创出了2.8亿次的点击访问量。网上世博会和电影《阿凡达》让虚拟现实技术展示了巨大的吸引力，正如澳大利亚新南威尔士大学教授罗伯特·路易斯(Robert Louise)所说:“它的作用远不只展示和娱乐”，虚拟现实技术的触角已经渗入到了人类生活的方方面面。

一、虚拟现实技术简述

虚拟现实(VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

虚拟现实技术具有多感知性（Multi-Sensory）、交互性（Interactivity）、浸没感（Immersion）和构想性（Imagination）四个重要特征。

所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。构想性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

如今，虚拟现实技术的应用已大步走进军事航天、工业仿真、游戏动漫、教育培训、城市规划、医疗救治等领域。虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。

二、虚拟现实技术的教学应用

在以往的教育中，学习者始终生活在两个世界的时空环境中，一个是经验世界（实践中学习），另一个是语言文字的世界（书本中学习），两者往往相互脱节，即理论脱离实际。而由多媒体与仿真技术相结合产生的虚拟现实技术，创造出了第三个世界-----虚拟现实世界，它将成为沟通前两个世界的重要桥梁。我国学者桑新民教授在探索信息化环境下高校学习新模式的过程中，率先提出：必须把“三个世界”的学习经验综合起来，促成三者的有机结合。指出要充分利用虚拟现实情境之独特优势，去引导和促进学习者在经验世界和语言文字世界中实现学习活动与学习经验的整合，不断激励和提高学习者在“三个世界”中学习的自主性、协作性和创造性。

⒈拓宽视野，激发学习热情

通过虚拟现实技术，一方面可以再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学习者提供生动、逼真的感性学习材料，使抽象的概念理论直观化、形象化，方便学习者对抽象概念的理解；另一方面虚拟现实技术使学习者能够按自己的需要来进行实时的交互式学习，主动地获取所需要的知识，由被动式的接受转化为主动式的发现。虚拟现实技术还可让学习者学习到和体验到现实生活中具有微观性、瞬变性、危险性、长期性且用别的方法很难观察和验证的各种事物，从而提高这类特殊知识的可接受性。在课堂上，教员可以陪同学习者一起经历虚拟境界，一边观察一边讲解；也可以让学习者自己利用虚拟景物、虚拟环境等进行仔细观察自主学习进而理解有关的概念及知识。通过这种对虚拟景物和虚拟环境的交互式学习，能有效发挥学习者的主观能动性，使学习者真正参与到教学活动中去，成为学习过程中的主体，变被动为主动，并激发出较高的学习热情和空间想象力。

⒉便于探究，培养创新能力

虚拟现实技术允许学习者对模拟的环境可交互、可操纵、可建构，可直观地观察到学习过程中所提出的各种假设所产生的结果或效果，适合开展探究性的学习。例如，有一个名叫“电子工作台”(Electronic Workbench; EWB)的软件系统，允许学习者利用它提供的元件构造各种模拟电路和数字电路，并能动态测试电路的性能；还有一个名叫“交互性物理”(Interactive Physics; IP)的软件系统，允许学习者构造属于经典力学系统的大部分实验；在虚拟的化学系统中，学习者可以按照自己的假设，将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来。利用虚拟现实技术进行探究性学习，更有利于激发学习者的创造性思维，培养学习者的创新能力。 ⒊突破瓶颈，提高实验效益

利用虚拟现实技术进行虚拟实验教学，可以有效地突破时间、空间、经费和危险性等现实条件的制约，大到宇宙天体，小至原子粒子，学习者都可以进入其内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以很快地呈现出来。例如生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟现实技术在一堂实验课内就可实现。在虚拟实验室里，学习者通过各种感觉（视觉、听觉、动觉和触觉等）与虚拟的学习情境相互联系并交互作用，进一步加深了对事物现象和规律的认识，有效地促进了学习者在经验世界和语言文字世界中实现学习活动与学习经验的整合，大大提高了学习者的学习兴趣和学习效果。

⒋模拟训练，轻松掌握技能

虚拟现实的沉浸性和交互性，使学习者能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，并全身心地投入到该学习环境中去，这非常有利于学习者达到动作技能类教学目标要求。例如空军某学院研制的Su27驾驶模拟器，采用多通道图形生成技术，建立了大视野视景环境，配合接近实物的驾驶舱，使学习者可以完成基本驾驶技术、编队飞行以及部分空战战术的训练；澳大利亚新南威尔士大学模拟出矿坑内的常见问题，让矿工们针对瓦斯管理、煤层自燃、危险预警、隔离程序、自主逃生等各种环节进行训练等等。在这些既与现实条件相符又无任何危险的虚拟训练系统中，学习者可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。 ⒌携手网络，改革教学结构

随着网络技术和虚拟现实技术的日趋成熟，教学活动不再局限于有形的教室中，而向虚拟课堂、虚拟大学、虚拟学习社区发展，基于网络的虚拟化学习，将会成为未来教育的一种全新的教学方式。虚拟现实技术不仅能向学习者提供一种可在实际生活中找到的情境和经验，还可以再现特定的环境。利用虚拟现实技术与网络结合，可以打破时间和空间的限制，进行交互式的、图文并茂的、智能型的、分布式的教学，并通过网络传输逼真的教学和学习环境，从而使学习方式由传统的“独学”变为“群学”，使学习结构从“封闭”变为“开放”，最终可以使教学从“知识传授”转变为“知识建构”。例如，在基于共享型虚拟现实系统设置的网上协同实验室中，身处不同位置的学习者组成一个个学习小组，所有学习小组构成一个学习型社区。他们一起设计实验，并通过模拟软件观看实验结果，直到认为方案成熟，才转移到真实实验环境中去完成实验。教师在整个实验过程中监控每一个成员的表现并及时进行个别化的辅导。

虚拟现实技术应用于教学的最成功案例，莫过于哈佛大学克里斯·德迪博士率领开展的一项为期十年的基于多用户虚拟环境（Multi—User Virtuai Environment, MUVE）的中学科学教育项目：River City。正如德迪博士在2009年《科学》杂志上对River City总结的那样，与传统教学相比，大部分学生在这种沉浸式的模拟环境中都获得了更多的关于科学探究的知识和技能；学生能够形成一种深度参与，非常有利于发现复杂问题的技能与发展；有利于那些成绩差的学生建立起学业上的自信。River City在北美地区产生了广泛影响，被作为新型数字化学习及评价方式的典型选入美国《2010年教育技术规划》，也受到了具有“数字未来学家”之称的唐·泰普斯科特的推崇。

由于虚拟现实所依托的软硬件技术科技含量和开发费用高、技术复杂、实现难度大等原因，目前在教育领域还只是运用于少数的教学、培训、实验、参观等方面，且尚没有形成完善的运用模式。然而虚拟现实技术作为一种新涌现的教育技术，具有令人鼓舞的美好前景。有远见的教育工作者把虚拟现实看做是基于计算机的教学系统的下一个合乎逻辑的发展步骤。人们必将应用虚拟现实技术来进一步改进学习过程和创造新的学习系统。

参考文献：

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