虛擬實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀以及在教學(xué)中的意義

杜一寧

（浙江海洋學(xué)院計(jì)算機(jī)中心，浙江舟山 316004）

1 虛擬實(shí)驗(yàn)的概念及發(fā)展?fàn)顩r

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)的概念

虛擬實(shí)驗(yàn)是借助多媒體，仿真，以及虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，英文縮寫VR）技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑鹪从?0世紀(jì)末，是以計(jì)算機(jī)為控制中心，利用軟件技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)模型，協(xié)調(diào)相關(guān)硬件設(shè)備技術(shù)形成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)形成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，這樣就可以讓學(xué)生通過計(jì)算機(jī)操作，像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，也是教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新。虛擬實(shí)驗(yàn)一般是通過虛擬實(shí)驗(yàn)室而進(jìn)行的。虛擬實(shí)驗(yàn)室是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及實(shí)驗(yàn)信息資源等，可以是某一現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)實(shí)現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想成的實(shí)驗(yàn)室。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)在教育重要應(yīng)用領(lǐng)域，并逐步成為科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究中強(qiáng)有力的工具。虛擬實(shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中較為年輕的分支，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：

（1）思維模型與邏輯分析階段。

該階段以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以邏輯推理為根據(jù)，在思想中塑造實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)方式。

（2）計(jì)算機(jī)仿真階段。

20世紀(jì)60年代到80年代，其是以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在一定假設(shè)條件下利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的信息處理過程。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)階段。

20世紀(jì)80年至今，其是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過模擬人與周圍真實(shí)環(huán)境交互方式而建立的觀察界面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程。虛擬實(shí)驗(yàn)從形象化思維到數(shù)字化分析再到直觀的虛擬現(xiàn)實(shí)階段的發(fā)過程中，計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與應(yīng)用為虛擬實(shí)驗(yàn)注入了新的活力，改革了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，擴(kuò)大了認(rèn)識(shí)領(lǐng)域，使虛擬實(shí)驗(yàn)變得普遍，應(yīng)用得更加廣泛。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)的類型與特征

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的類型

虛擬實(shí)驗(yàn)通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常分為桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、沉浸型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及分布式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。但沉浸型、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型等虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，需要有頭盔顯示器、數(shù)據(jù)傳感器手套等高昂的設(shè)備，很難在教學(xué)中應(yīng)用，只有桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最為廉價(jià)，適用于教育領(lǐng)域。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)的特征

虛擬實(shí)驗(yàn)與虛擬技術(shù)一樣，具有以下三個(gè)基本特征：

（1）交互性。

交互性是指用戶對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)對(duì)象的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度 (包括實(shí)時(shí)性)。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較強(qiáng)調(diào)人與虛擬世界間的自然交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過特殊頭盔和數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互。

（2）沉浸性。

沉浸性是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能使用戶感到自己處于虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，成為其中的一員，由觀察者變?yōu)閰⑴c者，沉浸于其中并參與虛擬實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)，即身臨其境。使用者在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)用計(jì)算機(jī)、多媒體與仿真技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，營(yíng)造與客觀世界高度類似的虛擬環(huán)境，使人具有一種身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)模式在現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)建模的基礎(chǔ)上，采用三維圖形來表現(xiàn)虛擬世界，通過頭盔式顯示器或立體眼鏡等專用輔助設(shè)備觀察建模的三維物體，以獲得在平面顯示器上無法得到的物體深度、距離信息，并通過觀察不同的圖像，產(chǎn)生觀察視差，達(dá)到身臨其境的效果。

（3）想象性。

想象性指最大限度發(fā)揮人類的創(chuàng)造力和想象力。一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境是人想象出來的，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的思想；另一方面，用戶可從設(shè)計(jì)好的環(huán)境中得到感性和理性上的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而深化概念，產(chǎn)生新意和想象，與設(shè)計(jì)者產(chǎn)生共鳴。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)的作用

除了以上基本特征外，虛擬實(shí)驗(yàn)特征還有虛擬性、實(shí)踐性、靈活性、多樣性等特征，使得虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，具有以下特殊作用：

（1）彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足。

彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入不夠等原因而無法開設(shè)實(shí)驗(yàn)的不足，使學(xué)生做各種各樣的實(shí)驗(yàn)獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)，從而豐富感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

（2）避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來的各種危險(xiǎn)。

使實(shí)驗(yàn)者能夠獲得在真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下難以獲得甚至根本無法得到的關(guān)于客觀對(duì)象的信息。以往對(duì)于危險(xiǎn)的或?qū)θ梭w健康有危害的實(shí)驗(yàn)，一般采用電視錄像的方式來取代實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法直接參與實(shí)驗(yàn)，獲得感性認(rèn)識(shí)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn).則可以免除這種顧慮學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心地去做各種危險(xiǎn)的或危害人體的實(shí)驗(yàn)。例如，虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒，爆炸所帶來的危險(xiǎn)；虛擬的外科手術(shù)，可避免由于學(xué)生操作失誤，而造成病人死亡的醫(yī)療事故；虛擬的飛機(jī)駕駛教學(xué)系統(tǒng)，可免除學(xué)員操作失誤而造成飛機(jī)墜毀的嚴(yán)重事故。

（3）徹底打破空間與時(shí)間的限制。

虛擬實(shí)驗(yàn)可以徹底打破空間的限制，縮短實(shí)驗(yàn)周期，大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察。虛擬實(shí)驗(yàn)還可以突破時(shí)間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生觀察。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義

（1）改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)概念，為教育改革服務(wù)

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，要求教師必須改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教師由演示者向指導(dǎo)者、創(chuàng)新者的轉(zhuǎn)換。要求學(xué)生由模仿者向探求和創(chuàng)造者轉(zhuǎn)換，達(dá)到由培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)型人才向培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的轉(zhuǎn)變。要求教師善于運(yùn)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，鼓勵(lì)學(xué)生將自主設(shè)計(jì)、自主探索與協(xié)作實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合。

（2）引進(jìn)最新的科學(xué)技術(shù)，滿足面向信息社會(huì)的需求

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一種先進(jìn)的學(xué)習(xí)工具，是多學(xué)科技術(shù)發(fā)展的綜合，代表著當(dāng)前學(xué)科技術(shù)的發(fā)展水平。隨著水平的不斷提高，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)將不再是純虛擬環(huán)境。很多軟件都能和互聯(lián)網(wǎng)連接，和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)的控制和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析。要使用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，學(xué)生只有掌握這種先進(jìn)的學(xué)習(xí)技能，才能更好地學(xué)習(xí)和工作。

（3）節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，豐富實(shí)驗(yàn)資源，保證試驗(yàn)安全

利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的不足，豐富實(shí)驗(yàn)資源，使學(xué)生可以做一些危險(xiǎn)或危害人體的實(shí)驗(yàn)。例如，虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來的危險(xiǎn)；虛擬的外科手術(shù)，可避免由于操作失誤，而造成病人死亡的醫(yī)療事故；虛擬的飛機(jī)駕駛教學(xué)系統(tǒng)，可免除學(xué)員操作失誤而造成飛機(jī)墜毀的嚴(yán)重事故。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)，豐富了學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段多樣化

虛擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了條件教師可以采取靈活的教學(xué)方法，實(shí)行個(gè)性化教學(xué)。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以靈活控制學(xué)習(xí)時(shí)間，不受實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉和開放的影響，不受書本的約束，自主地選擇自己所需的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)考核也可多樣化，通過網(wǎng)絡(luò)考核與實(shí)際考核相結(jié)合，更能真實(shí)評(píng)價(jià)學(xué)生的能力。利用虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容（包括理論教學(xué)）、教師輔導(dǎo)和學(xué)習(xí)者的思考、實(shí)驗(yàn)操作等融為一體，克服了實(shí)驗(yàn)教學(xué)長(zhǎng)期受到課堂、課時(shí)限制的因素。教師可以上網(wǎng)組織各種實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的分布式教學(xué)，回答學(xué)生問題，批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生可通過上網(wǎng)接受教師指導(dǎo)，完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（5）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可緊跟科學(xué)發(fā)展步伐

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，總是滯后于學(xué)科發(fā)展。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革注入了新的活力。它不但可以有效營(yíng)造一個(gè)跟技術(shù)發(fā)展同步的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，還可以具有適當(dāng)?shù)某靶?。?shí)驗(yàn)環(huán)境虛擬化，實(shí)驗(yàn)過程可以突破物理上時(shí)間和空間的限制。以前因時(shí)空限制而無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，現(xiàn)在就可以通過虛擬技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

（6）更利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣與能力

由于虛擬實(shí)驗(yàn)利用多媒體技術(shù)來模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程具有游戲的特點(diǎn)，將群體式學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)、競(jìng)賽式學(xué)習(xí)的模式靈活應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。其次，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以很方便地通過改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)和創(chuàng)新精神?？傊?，目前虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)還處在發(fā)展、起步階段，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中已經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用。它不僅彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏和條件的限制，而且極大提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的需求和探索的積極性，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。同時(shí)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)把抽象的、難以直接用一般自然手段表現(xiàn)的形象直觀地表現(xiàn)出來，有助于加快認(rèn)識(shí)客觀世界的規(guī)律，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性。

總之，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以節(jié)約成本，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制，提高學(xué)習(xí)者的自主性和創(chuàng)新性，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，成為對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的有力補(bǔ)充。利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等可以仿真出可視化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，引入多種多樣先進(jìn)、昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，同時(shí)降低誤操作的危害與損失，為學(xué)生和勞動(dòng)者提供實(shí)用的知識(shí)與技能。

[1]單美賢,李 藝.虛擬實(shí)驗(yàn)原理與教學(xué)應(yīng)用[M].北京：教育科學(xué)出版社,2005.

[2]黃榮懷.信息技術(shù)與教育[M].北京：北京師范大學(xué)出版社,2002.

[3]楊英慧,周振軍,張君維.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用分析[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22（9）:68-70.

[4]韓 峰.虛擬儀器及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2000,17（3）:75-78.

[5]王曉蒲,霍劍青.大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社,2001.

[6]孫燕蓮,韓 巍,文福安.構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22（7）:68-71.

[7]王鴻灝,上官右黎.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2007,34（7）.