虛擬現(xiàn)實(shí)在教育教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、基本特征，提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用和良好效果。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)；沉浸感；交互性；想象性

中圖分類號(hào) G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 1671-489X（2008）014-0065-02

1 虛擬現(xiàn)實(shí)概念

虛擬現(xiàn)實(shí)，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術(shù)。這一名詞是由美國VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾在20世紀(jì)80年代初提出的，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。作為一項(xiàng)尖端科技，虛擬現(xiàn)實(shí)集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，從而使得在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個(gè)環(huán)境的感覺。系統(tǒng)可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計(jì)算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征

2.1 沉浸感(Immersion)沉浸感是指用戶可以沉浸于計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中和使用戶投入到計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景中的能力，用戶在虛擬場景中有“身臨其境”之感。用戶所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，完全與真實(shí)環(huán)境中感受的一樣。它是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心。

2.2 交互性(Interaction)虛擬現(xiàn)實(shí)與通常CAD系統(tǒng)所產(chǎn)生的模型以及傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫是不一樣的，它不是一個(gè)靜態(tài)的世界，而是一個(gè)開放、互動(dòng)的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境可以通過控制與監(jiān)視裝置影響使用者或被使用者影響，即計(jì)算機(jī)使用者可以通過三維交互設(shè)備直接操縱計(jì)算機(jī)所給出的虛擬世界中的對象，虛擬世界中的對象也能夠?qū)崟r(shí)地作出相應(yīng)的反應(yīng)。它是用戶對虛擬環(huán)境中的物體的可操作程度，對虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度和對虛擬環(huán)境進(jìn)行重新布置的方式。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中參與者與虛擬環(huán)境之間的交互作用，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的人機(jī)關(guān)系具有新的涵義。

2.3 想象性(Imagination)想象性是指通過用戶沉浸在“真實(shí)的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進(jìn)行各種交互作用，從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而可以深化概念，萌發(fā)新意，產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的飛躍。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)用戶與終端的接口，而且可以使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會(huì)將處理后的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復(fù)，形成一個(gè)“學(xué)習(xí)——?jiǎng)?chuàng)造——再學(xué)習(xí)——再創(chuàng)造”的過程，因而可以說，虛擬現(xiàn)實(shí)是啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維的活動(dòng)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)上的應(yīng)用

3.1 技能訓(xùn)練與傳統(tǒng)的培訓(xùn)方法相比，基于VR的培訓(xùn)系統(tǒng)，在沒有安裝真正的設(shè)備情況下，學(xué)員可以接受生產(chǎn)過程和方法的培訓(xùn)，充分感覺線索和多通道的反饋方式讓學(xué)員可以獲得真實(shí)世界的操作技巧。更重要的是，VR培訓(xùn)系統(tǒng)提供了高度自由的操作性，不但可以模擬誤操作的后果，而且不會(huì)造成人員的傷害和機(jī)器設(shè)備的損壞。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)培訓(xùn)、航天訓(xùn)練和醫(yī)生的培訓(xùn)方面得到廣泛應(yīng)用。

3.2 虛擬可視化虛擬可視化是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將科學(xué)計(jì)算過程中或者是計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像，在屏幕上顯示出來并進(jìn)行交互式處理的技術(shù)或方法。對于很多復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)、三維體數(shù)據(jù)和繁雜的地震數(shù)據(jù)等，傳統(tǒng)的圖像分析技術(shù)和二維表現(xiàn)方法很難對其進(jìn)行識(shí)別和度量；而使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以將計(jì)算過程以動(dòng)態(tài)、立體的形式來表現(xiàn)，結(jié)果形象生動(dòng)，用戶可以沉浸在虛擬環(huán)境之中，使用自然直觀的方式與虛擬的科學(xué)世界交互，大大提高數(shù)據(jù)解釋水平和推測準(zhǔn)確性，加深對科學(xué)數(shù)據(jù)的理解。美國的科學(xué)家和教育家們正進(jìn)行通力合作，通過CAVE、Immersa-Desks、ImmersaWalls、HMD (head mounted displays)等把“虛擬現(xiàn)實(shí)”引薦給教師和學(xué)生。CAVE是一個(gè)長、寬、高各3.05米(10英尺)的空間，三面圍墻、一個(gè)頂、一塊地板，這是一個(gè)洞穴式立體顯示裝置。學(xué)生一般要佩戴一副眼鏡，幫助他們提高圖像識(shí)別能力。它所攜帶的CAVE操縱桿能夠用來幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中控制視點(diǎn)的移動(dòng)。桌子、墻以及頭盔顯示器比較便宜，也易于攜帶，可以作為CAVE的替代品。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的自身優(yōu)勢使得它在各個(gè)學(xué)科的教學(xué)中都可以大有作為。尤其在建筑、機(jī)械、物理、化學(xué)等學(xué)科有著質(zhì)的突破。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，在“實(shí)驗(yàn)室”里學(xué)生可以自由地做各種實(shí)驗(yàn)。一些易危害人體健康的實(shí)驗(yàn)或特別精密、昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生一般不能直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而影響提高實(shí)驗(yàn)技能。利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中可以放心地去做各種現(xiàn)實(shí)中無條件實(shí)現(xiàn)的(真空環(huán)境等)危險(xiǎn)或危害人體的實(shí)驗(yàn)，操作各種精密設(shè)備，親歷實(shí)驗(yàn)過程，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。電視電化教育研究通過虛擬演播室來創(chuàng)設(shè)猶如真實(shí)的環(huán)境，節(jié)約成本。

高校教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以改善高等教育的教學(xué)環(huán)境。在高校教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限的情況下，利用多媒體技術(shù)，實(shí)物仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，建造虛擬的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)對客觀物質(zhì)條件的依賴，可以大大緩解實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不足等問題，提高操作實(shí)踐的安全性、高效性，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)的力度。同時(shí)借助網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以突破傳統(tǒng)教學(xué)手段，構(gòu)建一種全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為開展開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供強(qiáng)有力的支持，全面提升高校教學(xué)質(zhì)量。