虛擬現(xiàn)實技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的影響

□安俊偉，孫 雯，亓 冬

(石家莊陸軍指揮學(xué)院，河北 石家莊 050084)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)揮得比較明顯，同時產(chǎn)生了較深遠(yuǎn)的影響。人類的所有感覺中視覺感知占據(jù)絕大部分，我們對立體視效的反應(yīng)要比平面視效的反應(yīng)更加強(qiáng)烈。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)設(shè)的三維立體圖像更利于學(xué)習(xí)者理解復(fù)雜的概念理論、理清事物間的關(guān)系等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)突破了靜態(tài)空間，打破時間限制，既可以是真實場景的再現(xiàn)，也可以是完全虛擬構(gòu)想的呈現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以給予用戶身臨其境的體驗，這比空洞的說教和簡單的課本講授要更具說服力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一門高新技術(shù)，其實時的交互性、完全的沉浸性、全面的構(gòu)想性對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的發(fā)展具備一定的推動作用，為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)開拓了新的發(fā)展空間。下面從虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點(diǎn)及其在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的實際應(yīng)用情況出發(fā)，分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的作用及影響。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的定義。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在計算機(jī)圖形學(xué)、仿真科學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等基礎(chǔ)上加以綜合利用，生成接近于現(xiàn)實自然環(huán)境的虛擬環(huán)境。在理想情況下，進(jìn)入虛擬環(huán)境的用戶是難以分辨真?zhèn)蔚?，該虛擬環(huán)境提供了集視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺、身體感知、運(yùn)動感知于一體的感官刺激。［1］用戶采用相應(yīng)的輸入/輸出設(shè)備，輸入設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)手套、運(yùn)動捕捉系統(tǒng)、三維控制器、三維跟蹤系統(tǒng)等，輸出設(shè)備包括視覺感知系統(tǒng)(臺式立體顯示系統(tǒng)、頭盔顯示器、吊桿式顯示器、洞穴式立體顯示器、響應(yīng)工作臺顯示裝置、墻式立體顯示裝置)、聽覺感知系統(tǒng)、觸覺反饋設(shè)備(觸覺反饋裝置、力覺反饋裝置)，將用戶的行為信息輸入到虛擬世界中，同時實時地感受虛擬世界中的反饋，在輸入與輸出的過程中可以給用戶一種自然的交互的感受，從而營造一種身臨其境的感覺。［2］自然的交互指的是在真實世界中人們進(jìn)行一系列行為活動的同時實時得到真實世界中的反饋，其中的自然性往往注重于人們在真實世界中長期生活形成的慣性思維即固有的感知判斷，當(dāng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能將輸入與反饋按照人們習(xí)慣的方式呈現(xiàn)或作用于系統(tǒng)或用戶時，便實現(xiàn)了自然的交互。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性包括交互性、沉浸性、構(gòu)想性。

2．虛擬現(xiàn)實的類型。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類主要根據(jù)其對“沉浸感”程度的高低和交互程度的不同來區(qū)分。

桌面式虛擬現(xiàn)實，該類型的虛擬現(xiàn)實主要利用初級圖形工作站或個人PC機(jī)等設(shè)備，將計算機(jī)屏幕也就是顯示器虛擬世界的輸出設(shè)備，為用戶呈現(xiàn)虛擬世界同時反饋用戶的輸入，主要通過三維立體圖形、自然的交互等技術(shù)，呈現(xiàn)立體的接近于現(xiàn)實的虛擬交互場景，通過鼠標(biāo)、鍵盤和力矩球等各種輸入設(shè)備輸入用戶行為數(shù)據(jù)并作用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，虛擬世界的反饋實時地在顯示器中顯示給用戶，實現(xiàn)用戶與虛擬世界之間的交互。［3］

沉浸式虛擬現(xiàn)實，該類型的虛擬現(xiàn)實與桌面式虛擬現(xiàn)實相比較，是一種更加高級、相對較理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以實現(xiàn)完全沉浸，為用戶提供一種進(jìn)入另一個世界的感覺。其輸入/輸出設(shè)備相對更加高級，利用頭盔式顯示器、洞穴式顯示器或其他設(shè)備，將用戶的視覺、聽覺、觸覺以及其他身體感知封閉起來，并且提供一個全新的、虛擬的感覺空間，利用數(shù)據(jù)服、三維跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備、多方位聲效等使得用戶產(chǎn)生一種身在另一個極其“真實”的虛擬環(huán)境中，并且自然地實現(xiàn)全身心投入，以真實世界中的方式自然地實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互。

增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實，這種類型的虛擬現(xiàn)實可以實現(xiàn)真實與虛擬的同時呈現(xiàn)，也就是在用戶看到真實世界的同時，還能看到區(qū)別與真實世界的另一些虛擬現(xiàn)象，而且這種虛擬的對象是疊加在真實場景之上的，是真實世界與虛擬環(huán)境的一種組合，這種系統(tǒng)的最大好處就是，不需要為構(gòu)建幾乎真實的虛擬場景而進(jìn)行復(fù)雜的模型設(shè)計、數(shù)據(jù)庫運(yùn)算等，又可以借助虛擬現(xiàn)象實現(xiàn)對真實事物的處理操作。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢

1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時交互性，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的實踐性教學(xué)。交互性指的是用戶與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之間、用戶與系統(tǒng)生成的虛擬場景之間的輸入/輸出的過程，在輸入與接收反饋之間能夠達(dá)到實時交互，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一大特性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性區(qū)別于以往的媒體技術(shù)。在過去的多媒體技術(shù)中，交互主要發(fā)生于用戶與計算機(jī)設(shè)備等媒體呈現(xiàn)設(shè)備之間，主要通過鍵盤和鼠標(biāo)、電腦屏幕、電視熒幕等進(jìn)行，這種交互具有一定的局限性。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)所提供的交互，強(qiáng)調(diào)人與虛擬世界之間以自然的方式進(jìn)行，此處的自然就是像在真實世界中一樣進(jìn)行相關(guān)行為動作，同時虛擬世界會給用戶無限接近于真實世界的反饋。［4］利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，人是一個重要的因素，環(huán)境中的變化也是隨著人的運(yùn)動變化而運(yùn)動變化的，當(dāng)接到人的運(yùn)動變化即輸入時，虛擬教學(xué)環(huán)境能夠及時地真實地作出響應(yīng)，這種響應(yīng)是可控的，而這種交互性是以無限趨近甚至超越真實感為目的的。

實時的交互性有效彌補(bǔ)了遠(yuǎn)程教學(xué)受客觀條件的種種限制，導(dǎo)致難以有效開展實踐性教學(xué)的現(xiàn)象。如果將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，將系統(tǒng)生成的虛擬實驗室搭建在網(wǎng)絡(luò)中，學(xué)生只需配置相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)上實驗室便可以做各種各樣的試驗，其實驗效果像在學(xué)校實驗室進(jìn)行操作一般，不僅能進(jìn)一步豐富學(xué)生感性認(rèn)識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。同時可以完全避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心大膽地去實踐自己的實驗構(gòu)想，過去受安全因素制約只能停留在書本上的多種實驗也不再那么可怕。無論從學(xué)生現(xiàn)實中進(jìn)行實驗的角度還是從實驗的內(nèi)容上都突破了時間和空間的限制。

2．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的全面沉浸性，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的情感性教學(xué)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最主要的特征就是給予用戶一種主動性，感受到自己是計算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一員，自身與虛擬世界之間是相互影響的，而非旁觀者那樣，突破傳統(tǒng)的媒體技術(shù)，實現(xiàn)了用戶由被動觀看到主動參與的轉(zhuǎn)變，完全沉浸于虛擬世界之中，參與虛擬世界的各種活動，作用與反作用于虛擬世界。理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所生成的虛擬世界是無法辨別其真?zhèn)蔚模粌H提供傳統(tǒng)媒體中也包括的視覺、聽覺感受，還可以提供真實世界中共同發(fā)揮作用的觸覺感知、嗅覺感知、味覺感知、運(yùn)動感知、身體感知等。［5］真正純粹的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的極致是具備為用戶提供其在現(xiàn)實客觀世界中具有的所有感知功能的能力。

由于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是一種基于現(xiàn)代通信手段的教學(xué)，必然存在著師生分離這一缺點(diǎn)，與基于課堂教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)相比，教學(xué)中的情感元素缺乏，難以有效地進(jìn)行情感交流，教師也很難感受到學(xué)生接受新知識后，第一時間的反饋，無法及時調(diào)整課程進(jìn)度或更換講授及展現(xiàn)方法。而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的虛擬教室、虛擬實驗室等虛擬教學(xué)設(shè)施會使學(xué)生感受到包括視、聽、觸覺甚至味覺、嗅覺等多方面的感知刺激，在實時交互功能的基礎(chǔ)上，可以使學(xué)生全身心地進(jìn)入并完全沉浸在計算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建生成的虛擬環(huán)境中。學(xué)生與教師均由過去的編輯者和觀察者變?yōu)橹鲃拥膮⑴c者，共同成為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的主體部分，實現(xiàn)了師生間、生生間及時交流的目的，以及學(xué)習(xí)者的心理沉浸，從而上升并影響到學(xué)習(xí)者的情感，進(jìn)而加工知識信息、重塑知識結(jié)構(gòu)，如同在真實的教學(xué)環(huán)境中開展教學(xué)一般。

3．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的構(gòu)想性，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的啟發(fā)式教學(xué)。構(gòu)想性(Imagination)指的是虛擬的環(huán)境是現(xiàn)實生活中存在投射到設(shè)計者腦海中，或完全不存在而只是設(shè)計者構(gòu)思而來的，體現(xiàn)了設(shè)計者相應(yīng)的思想，同時當(dāng)設(shè)計者的思想反映到生成的虛擬場景中是又會作用于用戶的意識，從而進(jìn)一步刺激用戶的思維構(gòu)想。［6］這種構(gòu)想性既包含設(shè)計者的構(gòu)想也包括虛擬世界中作為主體的用戶的構(gòu)想。通常它以較為夸張的形式呈現(xiàn)設(shè)計者的思想，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)過程是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與設(shè)計者共同操作的過程，設(shè)計開發(fā)中發(fā)揮并展現(xiàn)著它們的創(chuàng)造性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生與快速發(fā)展，為人類認(rèn)識世界分析研究現(xiàn)實世界的問題提供了一種全新的方法和手段，既可以重溫早已發(fā)生的歷史事件、世界奇觀，也可以經(jīng)歷和體驗未來的未知的事情，盡管只是設(shè)計者對未來的一種推斷或設(shè)想;［7］還可以使人類不受空間限制，從宏觀和微觀多個角度對世界進(jìn)行研究和探索;虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)使得受某些條件限制難以實現(xiàn)的事情可以“實現(xiàn)”。

好的教育往往不是知識的灌輸和信息的堆砌，而是授予學(xué)生學(xué)習(xí)成長進(jìn)步的方法，發(fā)現(xiàn)問題、研究分析問題、繼而解決問題的思維能力、動手能力。［8］虛擬現(xiàn)實技術(shù)的構(gòu)想性特點(diǎn)對于在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中開展啟發(fā)式教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)等具有有力的推動作用。在現(xiàn)實教學(xué)中，很多教學(xué)活動由于人身安全、經(jīng)費(fèi)開支、環(huán)境污染等等因素的困擾而難以開展，很大程度上約束了學(xué)生的想象能力，制約了學(xué)生思維的拓展。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，可以打破之前的種種顧慮，在操作過程中出現(xiàn)失誤，造成了“事故”、“傷亡”甚至是“災(zāi)難”，以上這些為學(xué)習(xí)者所感受到的各種現(xiàn)場，雖然很逼真甚至可以嗅到燃燒、爆炸等的氣味，但對于現(xiàn)實而言卻沒有造成任何損失和破壞。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中運(yùn)用的劣勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一門科技含量高、應(yīng)用范圍廣的新興技術(shù)，具備技術(shù)上得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，為很多難以解決的問題提供了新的思路和方法，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中也已經(jīng)發(fā)揮了越來越大的作用，在很多方面取得了良好的教學(xué)效果，但若在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中將虛擬現(xiàn)實技術(shù)全面推廣仍存在兩點(diǎn)不足。

1．科學(xué)技術(shù)水平有限。目前的軟件水平，構(gòu)建完善的、逼真的虛擬教學(xué)環(huán)境需要大量的場景建模，在建模中模型越逼真，材質(zhì)和紋理就越細(xì)膩，工作量非常大，包括虛擬場景的驅(qū)動與載入、虛擬場景的漫游和控制都面臨同樣的問題;從硬件角度來講，復(fù)雜的高質(zhì)量的場景對硬件的要求很高，場景中的每一次運(yùn)動，后臺都需要進(jìn)行快速的復(fù)雜運(yùn)算，控制系統(tǒng)作出趨近實際的回應(yīng)，眾多用戶在同一場景中，就意味著更龐大的運(yùn)算量，所以對設(shè)備的硬件水平提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)。

2．經(jīng)費(fèi)開支過大。就目前的消費(fèi)水平來講，一套完整的輸入/輸出設(shè)備(包括數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)衣、力矩球、數(shù)據(jù)手套、計算機(jī)等)是比較昂貴的，如果是單位集體建設(shè)，這樣的經(jīng)費(fèi)開支還是相對可行的，但對于學(xué)習(xí)者個人而言是難以承擔(dān)的，這也是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)難以大面積推廣運(yùn)用的重要因素之一。［9］

3．人才隊伍建設(shè)有待加強(qiáng)。一項高端科技的出現(xiàn)，短期內(nèi)面臨的一個重大問題是，相關(guān)專業(yè)人才隊伍的建設(shè)問題，這是促進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展同時廣為推廣應(yīng)用所必備的基礎(chǔ)，同樣虛擬現(xiàn)實技術(shù)也面臨著對大批專業(yè)人才的需求問題，盡管一些高校已經(jīng)開設(shè)了虛擬現(xiàn)實專業(yè)的有關(guān)課程，但仍存在課程規(guī)劃不合理、不全面，由于在國內(nèi)該項技術(shù)廣泛推廣比較晚，也導(dǎo)致了很多學(xué)生對技術(shù)的不了解，很大程度上制約了生源。對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的培訓(xùn)或教學(xué)缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)中涉及涵蓋的其他技術(shù)較多，包括多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)圖形技術(shù)等，又有軟件、硬件研究之分，沒有清晰的分類，學(xué)習(xí)起來不系統(tǒng)，不規(guī)范，泛而不精、精而不廣。［10］

相信不久的將來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，硬件設(shè)備制造成本的減低、設(shè)備價格不斷趨于合理和軟件技術(shù)水平的不斷提高，人才隊伍的不斷壯大，虛擬現(xiàn)實技術(shù)憑借自身的優(yōu)勢和潛力，將會進(jìn)一步深入到教育領(lǐng)域的各個方面并發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，同時為網(wǎng)絡(luò)教育注入更加強(qiáng)大的生命力。

［1］胡小強(qiáng)．虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011．

［2］申蔚，夏立文．虛擬現(xiàn)實技術(shù)［M］．北京：希望電子出版社，2002．

［3］許秀麗．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，(3)．

［4］張濤．多媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2008．

［5］趙輝，葉莉．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教育中的應(yīng)用——虛擬醫(yī)學(xué)陳列館的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．中國現(xiàn)代教育裝備，2009，(7)．

［6］陳集炎．淺析網(wǎng)絡(luò)教育中情感缺失的原因及解決策略［J］．民營科技，2009，(11) ．

［7］張艮山，李建昌，任莎莎．網(wǎng)絡(luò)教育環(huán)境下的情感教學(xué)策略［J］．中國成人教育，2009，(15) ．

［8］薛為民．基于認(rèn)知機(jī)制的情感虛擬人交互技術(shù)研究［J］．北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，(12)．

［9］劉永花．利用虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)對遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者進(jìn)行情感支持［J］．安徽廣播電視大學(xué)學(xué)報，2010，(3)．

［10］崔向平．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在學(xué)習(xí)者情感教育中的應(yīng)用探究［J］．甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，2011，(7)．