淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中的應用

諸葛翀

(浙江大學教育學院，浙江杭州，310028)

一、引言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)簡稱VR，是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)。它利用計算機模擬環(huán)境，通過多種傳感設備使用戶“融入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接的自然的交互。[1]VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。[2]

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要特征在于它的人與虛擬環(huán)境的互動性，虛擬環(huán)境真實的沉浸性與對構(gòu)想實現(xiàn)的想象性。由于使用設備的不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要分為兩類：一類是有專門配套硬件的高級虛擬現(xiàn)實技術(shù)，這類技術(shù)能全方位模擬虛擬環(huán)境的視、聽、嗅、味等感覺，在醫(yī)學、自然科學等需要動手實驗的學科有較大的利用性。還有一類是通過計算機編程的人機交互的系統(tǒng)，主要是通過鼠標、觸屏對在電腦上展示的虛擬現(xiàn)實場景進行操作。這兩類技術(shù)有其各自的特點，下面將通過案例分析，并提出相應的應用設計。

二、案例分析

教育技術(shù)學的一位碩士生參考人民教育出版社的高級中學課本《化學(必修)》第二冊第四章第五節(jié)的《苯 芳香烴》中的苯(C6H6)分子模型結(jié)構(gòu)，運用VRML進行虛擬現(xiàn)實的模擬演示。首先，他通過建模方式根據(jù)苯分子的結(jié)構(gòu)建立了虛擬結(jié)構(gòu)。然后利用幾何體建立了不同的虛擬物體和場景。再通過檢測器節(jié)點的設立增加這一系統(tǒng)的交互性。最后通過Route語句把時間出口和時間入口聯(lián)系在一起，從而構(gòu)成事件體系。

這個苯分子的模型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)編寫可以說是VRML技術(shù)在校園教學中的基礎運用，也是典型運用。清晰明了的結(jié)構(gòu)和簡單實用的互動是這一類適合于校園的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用系統(tǒng)的特點。由于這一類虛擬現(xiàn)實的編寫相對簡單，掌握的技術(shù)人員較多，因此開發(fā)起來比較容易，并且可以根據(jù)學生的特點增加其趣味性。

與此相比，另一類配合專門硬件的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用就沒有那么普遍了，如虛擬現(xiàn)實技術(shù)在基礎醫(yī)學教學的應用。在臨床外科教學中，借助計算機，教師指導學生通過虛擬病人來實驗多種手術(shù)方案，這個虛擬病人是通過掃描患者的骨骼和軟組織而獲得的完美的復制品。學生進入手術(shù)室時穿戴的不是消毒衣，而是高技術(shù)護目鏡和全身數(shù)據(jù)服，躺在手術(shù)臺上的是計算機制成的患者復制品。學生在這個模擬的病人人體上進行手術(shù)時，會感到皮膚的堅韌、肌肉的彈力、骨骼的堅硬和血液的涌流。當學生在虛擬病人人體上切除病灶遇到困難時，會及時得到計算機的提醒和警告，完成手術(shù)后會得到計算機的全面評估。學生還可以對該虛擬病人進行全面檢查，找出其余的患病組織，以便選擇最佳手術(shù)方案。[3]

這一類型通過硬件配合和傳感，使學生能有視覺、聽覺、觸覺等效果的高級虛擬現(xiàn)實設備，能為學習者營造出一個真實的感官世界。它根據(jù)設備的傳感能力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等具有不同的層次，一般運用在需要親身實踐的操作化教學中，或是操作內(nèi)容意義較大但在現(xiàn)實中實踐機會不多的教學科目上，如虛擬駕駛、虛擬解剖等。

這兩類的虛擬現(xiàn)實技術(shù)各有其優(yōu)點。前者具有再現(xiàn)真實場景，營造氛圍，詳細詮釋物體概念，互動操作，在虛擬空間里建立模型等功能，并且需要設備少，只需在電腦上編寫程序并在電腦上使用，適合于上課的展示與學生在電腦上的操作，成本較低。而后者在一些科學研究中幾乎可以完全真實地再現(xiàn)場景，有利于節(jié)約實際操作中的金錢、道德上的成本，是一些高等研究所或是學校安排實際操作練習的必需品。可以說，后一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括了前一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)的全部優(yōu)點，可觀可感。但是在基礎的教學中，只使用前者就可以幫助學生了解教學內(nèi)容，達到輔助教學的目的，再使用后者反而有可能會分散學生的注意力。

三、應用設計

(一)課堂教學的應用

大部分文獻在講到虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用時首先想到將其用于最普遍的課堂教學，最基本的用法就是用于概念的展示，真實或想象場景的展示與環(huán)境的創(chuàng)造。對于這一類應用設計，制作起來簡單實用，能夠很大程度上彌補傳統(tǒng)課堂平面化(文字，圖片)、單向化教學形式的不足，有助于學生理解教學內(nèi)容。

(二)實驗教學的應用

對于中小學的實驗教學，一些復雜的或高級的實驗需要很多昂貴的材料或器械，又或者因為某些條件限制難以實現(xiàn)，因此，在計算機上使用交互的虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作的可以互動的實驗能使學生體驗到比較真實的做這類實驗的感覺，并且這些實驗不受時間、空間、物品限制，實驗過程安全，可重復。對于某些高級的、耗時耗力的實驗研究，使用普通方法可能要很久才能得出實驗結(jié)果，也可以使用這類系統(tǒng)進行實驗的模擬操作。同時，虛擬現(xiàn)實根據(jù)現(xiàn)實規(guī)律創(chuàng)造的實驗定律也可以適用于同一類的實驗研究，如使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬建筑空間里創(chuàng)造不同的建筑模型并對其進行檢驗。

(三)互動課堂和遠程教育

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以虛擬歷史人物、教師、學生等各種人物形象，創(chuàng)設交互式學習環(huán)境。比如，在虛擬的課堂學習氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流、討論，進行協(xié)作化學習。再如，在思想品德課教學中，學生可以與虛擬的先進人物一起座談、交流，受到先進人物言行的感化，從而達到思想品德教育的目的。又如，非英語國家的人學習英語的最大障礙是沒有語言環(huán)境，可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建英語模擬環(huán)境，導入虛擬人物，情境隨用戶需要而改變。學習者可以與不同情境中的人物交談，并在這種交互情境下測試自身的表現(xiàn)。而且這一技術(shù)可以通過分布式網(wǎng)絡將不同的學習者連接起來，讓他們以各自角色在網(wǎng)絡舞臺自由發(fā)揮，從而大大提高學習者的學習興趣與學習效率。[4]同樣的利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作遠程教學的課件系統(tǒng)將能大大提高遠程教育學生的學習效率，他們可以像在教室里一樣接受教育，與教師學生進行互動。

(四)技能訓練

虛擬現(xiàn)實可以仿真現(xiàn)實場景，學生可以在虛擬環(huán)境中扮演角色，進行和真實世界一樣的操作，包括手術(shù)技能、教學技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓練。如同實驗一樣，這些操作訓練可以反復進行，而且安全可靠。

四、不足之處

盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)凝聚了現(xiàn)代技術(shù)的高端水平，但是在其趨向大眾化普遍化的使用過程中，還是有其不足之處。

從硬件上講，數(shù)據(jù)存儲設備的速度、容量還十分不足，而顯示設備的昂貴造價和它顯示的清晰度等問題也沒能很好地解決，為VR制造的大部分專用設備不但造價高、使用起來很不方便、效果有限，而且局限性很大，還不能達到人們的要求，更不能

達到VR所定義的那種環(huán)境。[5]而軟件方面受硬件的局限性的影響編寫費用仍然較高，并且難以在教師這一最需要的隊伍中普及，更簡便的利于教師運用的VR編寫程序仍待開發(fā)。

虛擬現(xiàn)實雖然具有真實性，但是有時候過于真實也會容易產(chǎn)生思維定勢，如語文課堂的教學可以引用虛擬現(xiàn)實再現(xiàn)文章的場景，但是很多時候，文字的魅力是不能夠直接通過現(xiàn)實表現(xiàn)出來的，里面還有想象和情感的成分，需要學生細細體會。因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)的普遍應用也有可能會造成學生過于依賴現(xiàn)實體驗，進而減少了獨特的情感體驗。雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用過程中可能出現(xiàn)上述問題，但是這一技術(shù)安全可靠，如果得以有效地應用到教育領域，不僅能提高學生的學習效率，減少教學的成本，還將把教育帶入新的三維立體的互動時代。

[1] 張劍平.現(xiàn)代教育技術(shù)——理論與應用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2] 汪成為，等.靈境技術(shù)的理論、實現(xiàn)及應用[M].北京：清華大學出版社．1996.

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[8] 陳桂芬．計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學教育領域中的應用[J].科教文匯：上旬刊，2009(7)．

[9] 陳兆柱，徐進.淺談虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)對高等教育的影響[J]．山東省青年管理干部學院學報，2004(4)．

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[6] 胡新根.基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在多媒體課件中的應用[J].科技廣場，2009(5).