虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究

臘國(guó)慶

（鄖陽(yáng)師范高等?？茖W(xué)校 湖北·十堰 442000）

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，尤其是信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的不斷滲透，使得人們?cè)诓粩喔淖儌鹘y(tǒng)教學(xué)觀念的同時(shí)，不斷地嘗試著新的教學(xué)手段；而新媒體在教育教學(xué)中的應(yīng)用，也確實(shí)達(dá)到了許多傳統(tǒng)教學(xué)方式所無(wú)法完成的教學(xué)效果。3D技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字視頻、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)的不斷綜合應(yīng)用過(guò)程中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步走入了教育領(lǐng)域，并利用其自身的特點(diǎn)使得教育的效果達(dá)到了傳統(tǒng)教育所無(wú)法企及的程度。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)最初的提出，旨在應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維立體圖像技術(shù)、仿真技術(shù)的合成效果使得參與者有一種身臨其境的感覺(jué)，以便在某些危險(xiǎn)操作領(lǐng)域工作的情景模擬。最早的應(yīng)用領(lǐng)域是飛行員的飛行訓(xùn)練及宇航員模擬太空艙系列操作演練，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷應(yīng)用，外科醫(yī)生的模擬手術(shù)、汽車駕駛員的情景模擬駕駛訓(xùn)練、軍用器械的使用等領(lǐng)域也逐漸采用相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)用以訓(xùn)練相關(guān)人員的操作技能。如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、立體感知技術(shù)、3D技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷進(jìn)入到教育領(lǐng)域，從而出現(xiàn)了虛擬大學(xué)、虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)等。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)，具有如下幾個(gè)特征：

1、沉浸性（Immersion）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性特征主要是利用各種技術(shù)模擬場(chǎng)景，讓參與者有一種身臨其境的感覺(jué)，在這個(gè)過(guò)程中要充分利用人體的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)及嗅覺(jué)等神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)事物的反應(yīng)來(lái)體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)情境中的真實(shí)事件。一般情況必須具備3D立體視覺(jué)感觸場(chǎng)景，由操作者佩戴視覺(jué)感知頭盔或眼鏡來(lái)體驗(yàn)?zāi)M場(chǎng)景；觸覺(jué)手套或衣服來(lái)體驗(yàn)對(duì)模擬情景中的外界物體的操作反應(yīng)；耳機(jī)或頭盔自帶聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)來(lái)感知場(chǎng)景中的任何聲音。通過(guò)全方位的刺激，操作人員可以隨心所欲在模擬場(chǎng)景中體驗(yàn)任何情景，猶如真實(shí)事件的發(fā)生一樣逼真。[1]

2、交互性（Interaction）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性主要是指操作人員通過(guò)與計(jì)算機(jī)等交互性媒體所創(chuàng)設(shè)的虛擬環(huán)境中的各個(gè)對(duì)象發(fā)生作用，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)采集相關(guān)信息并予以相應(yīng)的真實(shí)反饋。諸如：身體的任何部位發(fā)生位移，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)位置產(chǎn)生的偏差而造成的數(shù)據(jù)變化來(lái)提供最新場(chǎng)景變化，以適應(yīng)操作者通過(guò)頭盔顯示器所觀察到的虛擬場(chǎng)景及角度的變化?？傊摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性特征盡最大可能性來(lái)給操作人員帶來(lái)與現(xiàn)實(shí)情景相同的感受。

3、想象性（Imagination）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是建立在豐富的想象空間的基礎(chǔ)之上。雖然虛擬場(chǎng)景中的人、物等都是建立在現(xiàn)實(shí)情境中的模擬再現(xiàn)，但在虛擬的情景中又可以充分發(fā)揮想象力創(chuàng)造出現(xiàn)實(shí)情景中較難出現(xiàn)的狀況。操作者在應(yīng)用虛擬顯示系統(tǒng)的過(guò)程中，可以完全發(fā)揮自身想象力來(lái)體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景中的任何物件，通過(guò)全面感知系統(tǒng)中的各種信息已達(dá)到靈活掌握相關(guān)知識(shí)與技能。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育中的優(yōu)勢(shì)分析

1、形象性

相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)環(huán)境是建立在現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)之上，虛擬教學(xué)環(huán)境的所有教學(xué)儀器、設(shè)備及場(chǎng)景體驗(yàn)等都非常形象逼真，學(xué)者在此種虛擬空間中將會(huì)積極主動(dòng)地探索學(xué)習(xí)內(nèi)容，極大地提高了因非智力因素所帶來(lái)的學(xué)習(xí)效果。

2、互動(dòng)性

較之于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的學(xué)習(xí)環(huán)境能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的興趣愛(ài)好，隨意選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，并且在學(xué)習(xí)過(guò)程中始終會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)者的真是操作給出相應(yīng)的反饋，其實(shí)時(shí)互動(dòng)特性遠(yuǎn)比傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中教師講授和演示等方法要強(qiáng)，由此更加激發(fā)了學(xué)習(xí)者的參與性。

3、節(jié)約成本

在傳統(tǒng)教學(xué)中一些實(shí)驗(yàn)課程需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，尤其是很多需要個(gè)人獨(dú)立完成的實(shí)驗(yàn)。所有人的學(xué)習(xí)者同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，所需要的設(shè)備、儀器有時(shí)很難滿足每一位學(xué)習(xí)者，所耗費(fèi)的資金成本很高。然而，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所開(kāi)發(fā)的基于計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室則可滿足這些要求，虛擬實(shí)驗(yàn)室中的一切儀器、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程所產(chǎn)生效果均與現(xiàn)實(shí)操作相似，而且這種虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)好可以無(wú)限量復(fù)制安裝在其他計(jì)算機(jī)設(shè)備中，學(xué)習(xí)者還可反復(fù)操作相關(guān)實(shí)驗(yàn)，由此可以節(jié)約大量的資金成本。[2]

4、安全性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早應(yīng)用于飛機(jī)駕駛模擬訓(xùn)練、宇航員太空艙操作、汽車駕駛培訓(xùn)等，其非常大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是無(wú)論在虛擬情景中任何不當(dāng)?shù)牟僮魇д`，雖然在虛擬場(chǎng)景中能夠感受到由此所帶來(lái)的事故后果，但在現(xiàn)實(shí)結(jié)果中不會(huì)對(duì)操作人員帶來(lái)人身傷害。同樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中也能保證對(duì)學(xué)習(xí)者的人身安全，例如：在化學(xué)試驗(yàn)中，很多化學(xué)藥品可能會(huì)應(yīng)為操作不當(dāng)發(fā)生爆炸等現(xiàn)象，由此很有可能對(duì)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生不良后果。但是在虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)習(xí)者可以隨意配制任何虛擬藥品，在虛擬情境中也會(huì)出現(xiàn)由于操作不當(dāng)而帶來(lái)的爆炸等場(chǎng)景，但這不會(huì)實(shí)際影響到學(xué)習(xí)者的身體，反而會(huì)加深學(xué)習(xí)者對(duì)操作不當(dāng)所導(dǎo)致效果的映象，由此增加了學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)操作過(guò)程的安全保障。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育中應(yīng)用

在人類學(xué)習(xí)過(guò)程中，掌握知識(shí)內(nèi)容最持久有效的方式是探究式學(xué)習(xí)，在這個(gè)過(guò)程中人們通過(guò)各種實(shí)踐活動(dòng)發(fā)現(xiàn)和積累的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)是人們最值得信賴的。然而在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中很多操作性的知識(shí)通過(guò)理論的講述，人們很難理解和掌握，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的虛擬教學(xué)情境為此提供了諸多可能性。

1、虛擬實(shí)驗(yàn)室

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而創(chuàng)設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室是當(dāng)前教育中應(yīng)用較為廣泛的領(lǐng)域，諸如：物理實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、攝影實(shí)驗(yàn)室、虛擬演播廳等，由于它們打破了傳統(tǒng)教學(xué)中受時(shí)間、空間等限制因素，隨時(shí)隨地學(xué)生只要在安裝有虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備上即可操作訓(xùn)練，因此很大程度上提高了學(xué)習(xí)的自由度；此外，對(duì)于一些有安全隱患的危險(xiǎn)操作事項(xiàng)，也可以避免因操作不當(dāng)而造成的嚴(yán)重后果。

2、虛擬圖書館

虛擬圖書館是利用全息攝影技術(shù)、web3D技術(shù)、三維建模、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等將圖書館從實(shí)體建筑至內(nèi)部門窗、書桌、走廊、燈光、書架、檢索機(jī)、各類書籍、報(bào)刊、光盤、磁帶等所有軟硬件通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將其整合在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，其中的書籍與報(bào)刊中的內(nèi)容都是通過(guò)高清掃描儀掃描并數(shù)字化存儲(chǔ)的電子書籍，學(xué)習(xí)者在利用虛擬圖書館的時(shí)候，通過(guò)鼠標(biāo)的移動(dòng)可以任意瀏覽虛擬圖書館內(nèi)所有資源，如同現(xiàn)實(shí)中閱讀書籍一般，每本書籍也可以實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)的同時(shí)并伴有翻書所產(chǎn)生的聲音，給學(xué)習(xí)者一種身臨其境的感覺(jué)；學(xué)習(xí)者也可以將自己感興趣的電子書籍借閱到自己的個(gè)人虛擬圖書室，在一定借閱期限內(nèi)自由閱讀。

3、虛擬體育館

當(dāng)前利用材料科學(xué)、建筑學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等綜合技術(shù)的應(yīng)用已開(kāi)發(fā)出虛擬體育館，通過(guò)可視性頭盔或眼鏡的佩戴，參與者可以實(shí)現(xiàn)自己所喜愛(ài)的體育項(xiàng)目的學(xué)習(xí)或運(yùn)動(dòng)。例如：乒乓球基本功訓(xùn)練、虛擬單打比賽、虛擬雙打比賽也可以通過(guò)揮動(dòng)傳感球拍和佩戴頭盔或眼鏡后親自體驗(yàn)打球的過(guò)程，練習(xí)結(jié)束后還可以通過(guò)觀看個(gè)人訓(xùn)練過(guò)程中的視頻錄像來(lái)總結(jié)和分析技術(shù)動(dòng)作，以便后期訓(xùn)練加以規(guī)范和訓(xùn)練相關(guān)技能。其他諸如擊劍、籃球、排球、羽毛球、體操等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目都已陸續(xù)出現(xiàn)在虛擬體育館中，今后將會(huì)有更多的體育項(xiàng)目投入到虛擬的體育世界。

4、虛擬校園

虛擬校園是利用3D攝影技術(shù)、仿真技術(shù)等創(chuàng)設(shè)出與實(shí)際校園情景一樣的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，真?zhèn)€場(chǎng)景中包括虛擬教室、虛擬圖書館、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬體育館、虛擬宿舍、虛擬食堂等，學(xué)生可以在系統(tǒng)中進(jìn)行角色扮演，包括學(xué)生、教師、校長(zhǎng)等任何角色，也可以同其他同學(xué)一起共同完成某個(gè)領(lǐng)域的探索。

5、虛擬教學(xué)

虛擬教學(xué)主要是指將課堂中某些不利于理解學(xué)生又充滿好奇的知識(shí)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)形象地創(chuàng)設(shè)立體空間，讓學(xué)生通過(guò)“真實(shí)體驗(yàn)”來(lái)真正領(lǐng)悟其中的科學(xué)規(guī)律，以便更好地把握知識(shí)要點(diǎn)。[4]例如：在中學(xué)生物課程中講述大自然中食物鏈的相關(guān)知識(shí)時(shí)，可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將學(xué)生“帶入到大自然的動(dòng)物世界”，親自感受大自然中的優(yōu)勝劣汰的規(guī)律。

6、科學(xué)研究

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用主要是把現(xiàn)實(shí)生活中的事物通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)到虛擬的場(chǎng)景中，然后研究者通過(guò)觀察、分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律，從而得出實(shí)際的研究結(jié)論。例如在外科醫(yī)生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)出的虛擬手術(shù)室，學(xué)生通過(guò)虛擬手術(shù)過(guò)程中的各項(xiàng)環(huán)節(jié)的操作，達(dá)到對(duì)相關(guān)手術(shù)技能的真正掌握。

7、遠(yuǎn)程教育

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程教育的教學(xué)模式及手段也發(fā)生了巨大的變化，然而遠(yuǎn)程教育過(guò)程中始終無(wú)法解決師生非面對(duì)面教學(xué)所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)則在很大程度上對(duì)此有所改善。例如：當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育學(xué)院，可以應(yīng)用三維建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將授課教師形象地創(chuàng)設(shè)在遠(yuǎn)程虛擬教室，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)選擇并進(jìn)入到該教師的虛擬授課課堂，用以實(shí)現(xiàn)“面對(duì)面”的教學(xué)過(guò)程，學(xué)生在此情境中能夠最大程度地體驗(yàn)到師生面對(duì)面授課的感受，以此改善傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。[3]

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。然而任何新的教學(xué)手段使用的前提都是真正意義上地提高教學(xué)效果，因此，作為一名教育工作者應(yīng)該沉著冷靜的面對(duì)這項(xiàng)技術(shù)，在認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上科學(xué)應(yīng)用以獲得在教育過(guò)程中的最大效益。

[1]張玉茹，楊鏡.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2013（2）：150-152.

[2]董彥佼.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在會(huì)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].課程教育研究，2014（6）：225-226.

[3]張輝.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用探索與研究[J].山東社會(huì)科學(xué)，2012（12）：361-362.

[4]姜鋒霞，孫越，李瑞光.虛擬現(xiàn)實(shí)在教育教學(xué)中的應(yīng)用淺析[J].課程教育研究，2014（2）：225-226.