基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗(yàn)式教學(xué)研究

劉芳　華勇

摘 要： 虛擬現(xiàn)實(shí)是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)，綜合集成了計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能、并行處理、網(wǎng)絡(luò)、傳感和顯示等技術(shù)，是現(xiàn)代教學(xué)中應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。本文闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本內(nèi)涵、主要特征及教學(xué)實(shí)踐意義，探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體驗(yàn)式教學(xué)中的應(yīng)用形式。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 體驗(yàn)式教學(xué) 交互性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代末期，它以模擬的方式為使用者創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化并與使用者相互作用的三位世界，在視、聽(tīng)、觸、摸等感知行為的逼真體驗(yàn)中，使參與者可以獲得直接參與及探索虛擬對(duì)象在所處的環(huán)境中的作用與變化的感受。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在娛樂(lè)、醫(yī)療、工程和建筑、傳媒、軍事模擬、教育和培訓(xùn)、科學(xué)和金融等方面獲得了很好的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人們提供了一種理想的教學(xué)手段。實(shí)踐表明，將該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)工作中，能形象生動(dòng)地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境；使學(xué)生成為虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的一名參與者，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，提高學(xué)生掌握知識(shí)、技能的效率；對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行瀏覽和實(shí)時(shí)交互，使學(xué)生產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為主，融合了計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、顯示技術(shù)、模擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種高新技術(shù)的成果，通過(guò)計(jì)算機(jī)生成以視覺(jué)為主的、逼真的三維虛擬環(huán)境，向用戶提供具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感知功能。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一般由操作者、機(jī)器和人機(jī)接口三個(gè)基本要素組成。其中機(jī)器是指裝有應(yīng)用軟件系統(tǒng)以生成用戶能與之交互的三維虛擬環(huán)境的計(jì)算機(jī)；人機(jī)接口是把操作者和虛擬環(huán)境連接起來(lái)的傳感與控制設(shè)備，包括位置跟蹤器、傳感手套、數(shù)據(jù)衣、立體鼠標(biāo)、頭盔顯示器、立體顯示器等。操作者當(dāng)然是人類(lèi)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性四個(gè)基本特征。

1.多感知性。所謂多感知是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺(jué)感知之外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、力覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺(jué)感知、嗅覺(jué)感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視、聽(tīng)、觸、動(dòng)覺(jué)的傳感及反應(yīng)裝置，因此使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。

2.沉浸性。其又稱(chēng)臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的生理心理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，便可置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象的相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界中的一樣。當(dāng)使用者移動(dòng)頭部時(shí)，虛擬環(huán)境中的圖像也實(shí)時(shí)地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，而且可以聽(tīng)到三維仿真聲音。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺(jué)都是那么逼真，有身臨其境的感覺(jué)。

3.交互性。指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤(pán)、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且可以通過(guò)特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語(yǔ)言及身體的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。使用者通過(guò)自身的語(yǔ)言、身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能，就能對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行考察或操作。

4.構(gòu)想性。強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類(lèi)認(rèn)知范圍，不僅可以再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，而且可以隨意構(gòu)建客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)體驗(yàn)式教學(xué)的意義

虛擬現(xiàn)實(shí)是人的想象力和電腦相結(jié)合而產(chǎn)生的一項(xiàng)綜合技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它利用多媒體計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)成特殊環(huán)境，用戶可以通過(guò)各種傳感系統(tǒng)與這種環(huán)境進(jìn)行自然交互，從而體驗(yàn)比現(xiàn)實(shí)世界更加豐富的感受?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他專(zhuān)用虛擬現(xiàn)實(shí)硬件、軟件模擬逼真的教學(xué)環(huán)境，通過(guò)參與者與“模擬環(huán)境”的交互作用進(jìn)行教學(xué)與學(xué)習(xí)，是一種雙向交互式教與學(xué)的教學(xué)形式。它既不同于面對(duì)面?zhèn)鹘y(tǒng)面授教學(xué)，又不同于在應(yīng)用印刷、廣播電視和錄音錄像技術(shù)設(shè)計(jì)制作和發(fā)送課程材料的基礎(chǔ)上開(kāi)展的單向、非實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程教學(xué)。對(duì)于課堂教學(xué)和互動(dòng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)都具有很好的實(shí)踐意義。

1.重復(fù)再現(xiàn)日常體驗(yàn)環(huán)境?，F(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)環(huán)境的形成，取決于體驗(yàn)環(huán)境中各種構(gòu)成因素的隨機(jī)組合，例如任務(wù)、地點(diǎn)、時(shí)間的偶發(fā)等，而且這種體驗(yàn)環(huán)境與具有特定理解能力的體驗(yàn)主體——人的遭遇也有偶然性。所以，日常現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的發(fā)生具有隨機(jī)性和不可重復(fù)性，是可遇不可求的。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，體驗(yàn)環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境，它是能使人產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的交互式視景仿真。虛擬現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)環(huán)境可以盡可能反映客觀事物特點(diǎn)和自然發(fā)生過(guò)程的規(guī)律，能有效地再現(xiàn)日常體驗(yàn)環(huán)境，克服日常體驗(yàn)環(huán)境的隨機(jī)性和不可重復(fù)性。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)環(huán)境還可以創(chuàng)設(shè)虛擬情境，使虛擬現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)具有可設(shè)計(jì)性、可操作性，從而可以更好地服務(wù)于獲取特定技能和習(xí)得知識(shí)的體驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2.體驗(yàn)范圍獲得延伸和拓展。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)還不能讓人回到從前和到達(dá)未來(lái)，即使有也是科幻電影中的場(chǎng)景。由于受到時(shí)間和空間的限制，人類(lèi)無(wú)法體驗(yàn)過(guò)去和未來(lái)，可見(jiàn)，現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)受制于特定的時(shí)空約束。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是可以突破這種時(shí)空界限的，它能使人們體驗(yàn)到在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法體驗(yàn)到的東西。比如體驗(yàn)一個(gè)歷史人物的內(nèi)心活動(dòng)，體驗(yàn)一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)景。將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于飛行模擬，比駕駛一架真正的飛機(jī)還要逼真。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)拓寬人類(lèi)實(shí)踐體驗(yàn)的范圍，它容許我們“親身”體驗(yàn)各種可能發(fā)生的場(chǎng)景。

3.允許在體驗(yàn)失誤中總結(jié)提高?！俺砸粔q”才能“長(zhǎng)一智”，經(jīng)驗(yàn)的積累和技能的獲取乃至知識(shí)的創(chuàng)新，常常是實(shí)踐體驗(yàn)失誤及由失誤帶來(lái)的不可挽回的損失的副產(chǎn)品。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在某種程度上改變這種狀況。虛擬現(xiàn)實(shí)允許人們出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，并從錯(cuò)誤中尋找正確的知識(shí)，卻不必付出現(xiàn)實(shí)的慘痛代價(jià)。虛擬設(shè)計(jì)和虛擬制造就是這方面的應(yīng)用。為了避免汽車(chē)設(shè)計(jì)缺陷，可以利用虛擬的環(huán)境對(duì)汽車(chē)的外表、零部件、車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)及座椅等情況進(jìn)行仿真處理，使得設(shè)計(jì)更合理，節(jié)約成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體驗(yàn)式教學(xué)中的應(yīng)用形式

體驗(yàn)式教學(xué)是指在教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和規(guī)律，通過(guò)創(chuàng)造實(shí)際或重復(fù)經(jīng)歷的情境和機(jī)會(huì)，呈現(xiàn)或再現(xiàn)、還原教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在親歷的過(guò)程中理解并構(gòu)建知識(shí)，發(fā)展能力，產(chǎn)生情感，生成意義的教學(xué)觀和教學(xué)形式[2]。與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)比較，體驗(yàn)式教學(xué)具有自身特征。首先，體驗(yàn)式教學(xué)重視體驗(yàn)的獨(dú)特價(jià)值，強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)的作用。其次，體驗(yàn)式教學(xué)關(guān)注教學(xué)過(guò)程及情感、態(tài)度的體驗(yàn)，教師要努力創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的產(chǎn)生與形成過(guò)程，進(jìn)而既掌握知識(shí)，又形成知識(shí)以外的能力。再次，體驗(yàn)式教學(xué)能夠充分表達(dá)意會(huì)性知識(shí)，意會(huì)性知識(shí)不能通過(guò)語(yǔ)言、文字或符號(hào)等進(jìn)行邏輯表達(dá)，缺乏言傳知識(shí)的“易傳授性”特征，它不是通過(guò)理性進(jìn)行反思，而是在感受中進(jìn)行反思，因此體驗(yàn)式教學(xué)是意會(huì)性知識(shí)的最有效教學(xué)方式。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于體驗(yàn)式教學(xué)，有構(gòu)建人性化交互學(xué)習(xí)環(huán)境、體驗(yàn)式虛擬教學(xué)平臺(tái)、體驗(yàn)式虛擬實(shí)驗(yàn)等多種應(yīng)用方式。

1.人性化交互學(xué)習(xí)環(huán)境?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在虛擬環(huán)境中扮演一個(gè)角色，這對(duì)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，提高想象力和創(chuàng)造力，突破教學(xué)重點(diǎn)，以及培養(yǎng)學(xué)生的綜合技能都將起到積極的作用。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可再現(xiàn)實(shí)際生活中無(wú)法觀察或體驗(yàn)到的自然現(xiàn)象及事物的變化過(guò)程，為學(xué)生提供豐富的感性學(xué)習(xí)材料?？梢詮氐状蚱瓶臻g、時(shí)間的限制，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)行觀察探索，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中，有利于提高學(xué)生的技能訓(xùn)練效率。

2.體驗(yàn)式虛擬教學(xué)平臺(tái)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗(yàn)式教學(xué)平臺(tái)，給教師和學(xué)生提供了良好的教學(xué)、科研和學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠在教學(xué)全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)各種形式的輔助教學(xué)，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)充分考慮不同對(duì)象的需求，使教師和學(xué)生能夠在一定程度上根據(jù)需求，選定具體的目標(biāo)、教學(xué)及學(xué)習(xí)的資源和方法。平臺(tái)的設(shè)計(jì)要以學(xué)生為中心，有利于發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。系統(tǒng)要簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠使教師在最短的時(shí)間內(nèi)熟悉學(xué)生，能夠使學(xué)生在進(jìn)行輔助性學(xué)習(xí)時(shí)方便地找到所需要的資料。此外，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮平臺(tái)的全面性和可擴(kuò)展性，能夠涵蓋教學(xué)的全部?jī)?nèi)容，采用模塊化設(shè)計(jì)，達(dá)到可擴(kuò)展的目的。

3.體驗(yàn)式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。體驗(yàn)式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為一種新的改進(jìn)和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的方法，被應(yīng)用到教學(xué)中，既可以開(kāi)設(shè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于實(shí)驗(yàn)儀器缺乏或有危險(xiǎn)性而不能開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式，又可以降少實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入，節(jié)約成本，給傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入新的活力。

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