基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬教學(xué)環(huán)境探索

張茂華

(三明學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 三明 365000)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬教學(xué)環(huán)境探索

張茂華

(三明學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 三明 365000)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬教學(xué)環(huán)境是基于現(xiàn)實(shí)，又可超越現(xiàn)實(shí)、智能現(xiàn)實(shí)、預(yù)測將來的、突破傳統(tǒng)教學(xué)定時(shí)定點(diǎn)為顯著特征的虛擬教學(xué)情境。探求虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更合理地應(yīng)用于教育教學(xué)中的理論，勢必對數(shù)字化時(shí)代的現(xiàn)代化教學(xué)環(huán)境創(chuàng)設(shè)有著拋磚引玉的作用。

網(wǎng)絡(luò);虛擬現(xiàn)實(shí);教育;教學(xué)環(huán)境

目前，在教育領(lǐng)域內(nèi)除計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為了最具有前途及應(yīng)用價(jià)值的“明星”技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅將多媒體及傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)融合在一起，而且可以產(chǎn)生具有立體性的視覺效果及環(huán)境音效。基于虛擬技術(shù)的人與計(jì)算機(jī)的交流是和諧互動(dòng)的。如何將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育活動(dòng)之中已經(jīng)被我國專家學(xué)者提上日程。

一、虛擬教學(xué)環(huán)境概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)環(huán)境中可以充當(dāng)一種新的學(xué)習(xí)工具，它可以作為一種全新的教育知識載體為教學(xué)模式提供多元化選擇、為教學(xué)的創(chuàng)新提供技術(shù)支持?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)、運(yùn)用高科技技術(shù)獎(jiǎng)聽覺、視覺、觸覺融為一體的虛擬教學(xué)環(huán)境具有空間和時(shí)間特性的數(shù)字化多維信息空間，它是從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)派生出來的一項(xiàng)新技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的具體體現(xiàn)。真正優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是理性與感性、科學(xué)與藝術(shù)的融合，從其誕生之日起，該技術(shù)就強(qiáng)調(diào)用戶以自然方式與虛擬世界中的對象進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，在虛擬的三維世界中以觸覺和視覺的方式盡情體驗(yàn)感受。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所建立的教學(xué)環(huán)境中，教師與學(xué)生之間交流活動(dòng)具有完全沉浸性。虛擬教學(xué)環(huán)境通過模擬合成使得教師和學(xué)生可以同存在于虛擬環(huán)境中的客體進(jìn)行交流，從而使其產(chǎn)生身臨其境的感受。鑒于此，虛擬教學(xué)環(huán)境應(yīng)該是系統(tǒng)性、靈活性、開放性的教學(xué)系統(tǒng)，是基于現(xiàn)實(shí)，又可超越現(xiàn)實(shí)、智能現(xiàn)實(shí)、預(yù)測將來的、突破了面對面近距離的限制、地域的空間限制的教學(xué)交流環(huán)境。

二、虛擬教學(xué)環(huán)境的特點(diǎn)

在數(shù)字化時(shí)代下，教學(xué)環(huán)境模式的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新成為了教育工作者所關(guān)注的課題。虛擬教學(xué)環(huán)境作為一種新的教學(xué)載體及模式對于現(xiàn)代課堂教學(xué)活動(dòng)意義非凡。在國內(nèi)，各類院校也充分意識到虛擬教學(xué)環(huán)境給傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來翻天覆地的變化和潛在價(jià)值。例如，由中國科技大研究室研制的“幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺”是我國第一個(gè)虛擬教學(xué)軟件。這一軟件將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬教學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集為一體，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂邁上了更高的臺階。另外，北京航天航空大學(xué)針對分布式飛行采用虛擬教學(xué)技術(shù)進(jìn)行模擬;浙江大學(xué)針對虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計(jì)采用虛擬教學(xué)技術(shù)等。之所以虛擬教學(xué)環(huán)境應(yīng)用能被越來越廣泛的重視，不僅在于延伸了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的優(yōu)勢，更重要的是突破了時(shí)間、空間限制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的缺陷。突出表現(xiàn)在以下幾方面:

第一，虛擬教學(xué)環(huán)境可以彌補(bǔ)教學(xué)手段和條件的不足?，F(xiàn)實(shí)中有些教學(xué)實(shí)踐往往由于設(shè)備、經(jīng)費(fèi)、場地等不同原因而無法開展，虛擬教學(xué)環(huán)境通過對所需教學(xué)環(huán)境的模擬，彌補(bǔ)了這一不足，而且所模擬的教學(xué)環(huán)境具有實(shí)時(shí)性、廣域性、開放性及互動(dòng)性等特點(diǎn)，使教師和學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感受。

第二，虛擬教學(xué)環(huán)境突破教學(xué)地域、教學(xué)資源、教學(xué)時(shí)間的界限。它將教學(xué)課堂這一有限的空間地域擴(kuò)展為無限虛擬的賽伯空間，將教學(xué)環(huán)境空間進(jìn)行了極大的延伸。同時(shí)，它可以將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行形象化、對教學(xué)資源進(jìn)行無限拓展，利于學(xué)生更好的吸收理解新知識，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。另一方面，它可以使學(xué)生隨時(shí)隨地通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)成為可能，針對某些需要較長時(shí)間跟蹤觀察才能得到結(jié)果的實(shí)驗(yàn)，虛擬教學(xué)環(huán)境中可以在較少的時(shí)間內(nèi)觀察到。

第三，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作中可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)可以通過虛擬教學(xué)環(huán)境來避免。通過實(shí)物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多媒體技術(shù)結(jié)合，對生物、化學(xué)、物理等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，所建造的實(shí)驗(yàn)室因具有虛擬性，內(nèi)部設(shè)備也都是虛擬不存在的，所以在學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)有逼真的感覺，但是可以不考慮操作帶來的危險(xiǎn)。

第四，優(yōu)化教學(xué)方式，避免傳統(tǒng)的、單一的課堂教學(xué)，克服被動(dòng)接受知識。目前，教學(xué)模式僅僅依靠于教科書及教師的教學(xué)。而虛擬教學(xué)環(huán)境突破了一傳統(tǒng)，它基于虛擬環(huán)境人機(jī)交互特性，模擬出逼真而且生動(dòng)形象的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在這種聽覺、視覺、觸覺一體式的虛擬環(huán)境中，自然的與教師及其他學(xué)生進(jìn)行交流，可以更好的學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容、完成預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。

三、虛擬教學(xué)環(huán)境的構(gòu)成

1.虛擬教師模塊。虛擬教師是一種設(shè)備或技術(shù)，它是學(xué)習(xí)環(huán)境的一部分，作為學(xué)習(xí)環(huán)境的補(bǔ)充，有助于學(xué)習(xí)者操作技能的獲得。虛擬教師的概念經(jīng)過不斷演變，其內(nèi)涵越來越豐富，更人性化、具彈性，涉及的實(shí)現(xiàn)技術(shù)也變得更智能、更加復(fù)雜。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K。所謂虛擬試驗(yàn)就是基于虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、仿真等技術(shù)，利用數(shù)字化模型代替實(shí)物原型，在計(jì)算機(jī)上模擬代替?zhèn)鹘y(tǒng)試驗(yàn)過程中的硬件環(huán)境，然后進(jìn)行試驗(yàn)分析。學(xué)生可以在逼真的環(huán)境下完成實(shí)驗(yàn)操作，虛擬實(shí)驗(yàn)所得到的效果并不遜色于現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)效果。

3.虛擬圖書館模塊。隨著現(xiàn)代信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)，圖書館的管理工作及所涉及的服務(wù)范圍、服務(wù)方式已發(fā)生根本性的變革。建立一個(gè)內(nèi)容豐富、查詢快捷方便的資源庫在虛擬教學(xué)中是非常必要的的。虛擬圖書館技術(shù)領(lǐng)域不僅涉及到數(shù)字信息的組織問題、而且包括了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與應(yīng)用。虛擬圖書館作為一個(gè)方便、大眾化的信息查詢應(yīng)用系統(tǒng)，是一個(gè)集智能化、數(shù)字化為一體的信息系統(tǒng)。

4.虛擬管理模塊。在各門學(xué)科技術(shù)的不斷發(fā)展推動(dòng)下，在教育活動(dòng)中應(yīng)用虛擬教學(xué)將成為一個(gè)潮流。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)有機(jī)結(jié)合后，虛擬教學(xué)在應(yīng)用過程中更具有智能性、規(guī)范性、交互性、信息性、。因此，在虛擬教學(xué)環(huán)境中，建立統(tǒng)一的管理模塊顯得十分必要(諸如對學(xué)生的登入、注冊查詢課程、及資源庫進(jìn)行管理)，對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行分過程管理。這些模塊必須涵蓋系統(tǒng)管理模塊、用戶管理模塊、內(nèi)容管理模塊及學(xué)生對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行自主管理等不同模塊。

5.協(xié)作學(xué)習(xí)模塊。在教學(xué)活動(dòng)中，師生之間和學(xué)生之間的互相交流溝通是必不可少的。對于虛擬教學(xué)環(huán)境，這種交流具更有近乎自然性。它可以使師生和學(xué)生之間以實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行對話交流。虛擬教學(xué)環(huán)境下，用戶可以得到與現(xiàn)實(shí)類似或者完全相同的觸覺、聽覺、視覺等不同主觀感受。

四、虛擬教學(xué)環(huán)境中的學(xué)習(xí)模式

在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交互技術(shù)的基礎(chǔ)上，虛擬教學(xué)達(dá)到了教學(xué)環(huán)境和學(xué)生統(tǒng)一的效果，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生與教學(xué)環(huán)境、教師、學(xué)生之間的自然、實(shí)時(shí)交流，對教學(xué)的質(zhì)量的提高、學(xué)習(xí)內(nèi)容的拓展起到了重要的作用。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息化快速發(fā)展的時(shí)代大環(huán)境下，虛擬教學(xué)環(huán)境是在融合學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)、學(xué)習(xí)資源及標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立的一個(gè)可供多用戶共同學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)平臺。它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)條件及設(shè)備的不足、豐富了教學(xué)形式及解決了教學(xué)效果不理想等問題。

對于變革傳統(tǒng)課堂教學(xué)方法，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)同樣起著重要的作用。為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，有必要開發(fā)基于WEB的虛擬教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬學(xué)習(xí)成為可能，自主合理地選擇所需的學(xué)習(xí)內(nèi)容。它可以忽視了時(shí)空的限制，極大地?cái)U(kuò)展地域及時(shí)間，只需要可連接網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。虛擬教學(xué)環(huán)境的學(xué)習(xí)模式分為以下幾種:協(xié)作討論模式、同步模式、個(gè)別輔導(dǎo)模式、異步模式、練習(xí)模式、測試模式等。

五、虛擬教學(xué)環(huán)境的發(fā)展趨勢

虛擬教學(xué)環(huán)境不僅實(shí)現(xiàn)了為學(xué)生提供豐富、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境、資源的快速查詢獲取，而且也代表著數(shù)字化時(shí)代下學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)新發(fā)展潮流，能夠跨越空間、時(shí)間的界限及時(shí)準(zhǔn)確傳遞知識，具有更好的經(jīng)濟(jì)性?；诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，讓計(jì)算機(jī)虛擬教學(xué)環(huán)境具有更高的交互性、實(shí)時(shí)性將成為重要發(fā)展方向。鑒此，可以把它的主要發(fā)展趨勢簡單歸納為:

1.環(huán)境的人文化。學(xué)者馬斯洛認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)可以滿足人們的安全、生理、愛與隸屬、受人尊重、自我實(shí)現(xiàn)和求知等六大需求。但是隨著對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)識的不斷豐富及深化，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的負(fù)面因素對學(xué)生所帶來的不良影響也不容忽視，這一點(diǎn)我們需要給予充分重視。只有保證網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的凈化及良好的人文化，才能使學(xué)習(xí)者準(zhǔn)確地尋求到虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間的平衡點(diǎn)，不僅能夠?qū)μ摂M網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)所具有的優(yōu)點(diǎn)加以充分利用，而且能夠使學(xué)生不脫離現(xiàn)實(shí)的生活，結(jié)合實(shí)際及虛擬學(xué)習(xí)，不斷提高自身能力。

2.環(huán)境的智能化。虛擬教學(xué)環(huán)境的正常運(yùn)行及信息的準(zhǔn)確、快速及時(shí)無損的傳遞都需要人工智能的發(fā)展來進(jìn)行保證。人工智能可以對學(xué)生的知識層次、認(rèn)知水平及學(xué)習(xí)能力進(jìn)行充分的了解，并且基于學(xué)生的特色及能力選擇針對性的教學(xué)方法和內(nèi)容，輔助以適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。虛擬環(huán)境的高智能化可以實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)的直接對話，監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)過程并做出準(zhǔn)確的判斷評價(jià)，充當(dāng)教師的角色。

3.環(huán)境的沉浸化。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上，它能夠提供逼真、形象的學(xué)習(xí)環(huán)境，用戶使用之后的感受直接影響著虛擬教學(xué)環(huán)境的成功與否。虛擬教學(xué)環(huán)境的沉浸化特點(diǎn)通過調(diào)節(jié)大腦與各種主觀感官的結(jié)合促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，在沒有約束的情況下進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)，為學(xué)習(xí)者提供充分的想象空間和體驗(yàn)。另一方面，沉浸式的虛擬教學(xué)環(huán)境可以鍛煉學(xué)習(xí)者的發(fā)散思維，使學(xué)生更具有洞察力，提高觀察、解決問題的能力，充分調(diào)動(dòng)積極性，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的全面發(fā)展和進(jìn)步。

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1008—3340(2012)02—0022—02

2012-01-10

張茂華(1974-)，男，福州福清人，大學(xué)本科，三明學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心中級實(shí)驗(yàn)師，1996年畢業(yè)于福建師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)專業(yè)，長期從事教育技術(shù)、視頻技術(shù)等相關(guān)研究。