3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用策略探析

王琳

摘 要 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過虛實(shí)融合營造智慧教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)。在教育教學(xué)中應(yīng)用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要全新的理念和方法，需要深層次挖掘教學(xué)資源、推進(jìn)教學(xué)模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、課程資源、教學(xué)模式的深度融合，構(gòu)建虛擬教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；教學(xué)資源；虛擬情境

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-489X（2016）06-0003-03

1 引言

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是集仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，包括模擬環(huán)境、感知和傳感等方面。借助3D技術(shù)、多傳感交互技術(shù)及3D顯示技術(shù)等，生成生動(dòng)逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上相應(yīng)設(shè)備，就可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境中的角色，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，操作各種虛擬對象，從而如身臨其境一般，獲得真實(shí)的感受。具有交互性、沉浸性、構(gòu)想性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教育缺乏親身體驗(yàn)的缺陷，還可以幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)的專業(yè)知識，讓學(xué)生進(jìn)行一些現(xiàn)實(shí)中難以展開的實(shí)驗(yàn)[1]。

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以給學(xué)習(xí)者提供視覺、聽覺等綜合體驗(yàn)，讓其身臨其境地感受到數(shù)字化教學(xué)的魅力；可以突破時(shí)間和空間限制，創(chuàng)建真實(shí)感的學(xué)習(xí)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程，提供創(chuàng)新的集成解決方案，已引起國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。

本世紀(jì)初，國外開始研究3D技術(shù)在教育中的應(yīng)用，處于領(lǐng)先地位。國內(nèi)的研究相對起步較晚，正處于探索階段[2]。3D相關(guān)項(xiàng)目在世界范圍內(nèi)正在推進(jìn)中，并在諸多高等院校、中小學(xué)中得到推廣，如美國許多州、學(xué)區(qū)、學(xué)校推廣的TI公司的“3D投影機(jī)領(lǐng)航項(xiàng)目”，建設(shè)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境已經(jīng)成為越來越多教學(xué)機(jī)構(gòu)的工作重點(diǎn)。美國德克薩斯大學(xué)建設(shè)了交互和計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像分析，印第安納大學(xué)建設(shè)了可視化實(shí)驗(yàn)室來推動(dòng)視覺技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用；沙特阿卜杜拉國王大學(xué)成立了3D立體顯示數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室；新加坡國際大學(xué)在智慧校園新領(lǐng)域推出3D校園全監(jiān)控。一些科技公司也開發(fā)了3D相關(guān)系統(tǒng)和產(chǎn)品，如美國加州InfiniteZ公司擬將ZSpace產(chǎn)品推向高校，可以利用形象生動(dòng)的3D全息投影技術(shù)增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，更好地進(jìn)行教學(xué)科研[2]。國內(nèi)的3D技術(shù)也發(fā)展迅速，全息投影、3D仿真等技術(shù)漸漸走入課堂，如：廣西臨桂遠(yuǎn)程教育建立了可以雙向互動(dòng)的智能化3D影院，為黨員、群眾提供了遠(yuǎn)程教育學(xué)習(xí)途徑；蘭州四中推出3D教室，集數(shù)字投影系統(tǒng)、聲光電等立體模型于一體，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果；湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院成立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，探索全新交互式實(shí)踐教學(xué)模式[3]。

2 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在教育上的優(yōu)勢

構(gòu)建智慧校園，營造智慧教育環(huán)境 3D技術(shù)為教育領(lǐng)域創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐，為教學(xué)、科研等提供了新平臺、新工具，高校及基礎(chǔ)教育可以廣泛應(yīng)用，構(gòu)建智慧校園、智慧教室，為科研、教學(xué)提供嶄新的平臺。隨著高校等教育機(jī)構(gòu)中3D相關(guān)課程的啟動(dòng)，Blaxunn3D、Shout3D、Quest3D等3D建模繪圖等工具不斷涌現(xiàn)，在教學(xué)活動(dòng)中廣泛運(yùn)用[2]。3D技術(shù)通過虛實(shí)融合營造智慧教學(xué)環(huán)境，通過虛擬校園、虛擬圖書館、虛擬實(shí)驗(yàn)室及虛擬仿真系統(tǒng)等，使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)，為智慧教育時(shí)代構(gòu)建新環(huán)境。3D技術(shù)可以提供生動(dòng)、交互的學(xué)習(xí)材料，提高學(xué)習(xí)者沉浸感和想象力，使學(xué)習(xí)的深度、廣度有所增加，引導(dǎo)課程學(xué)習(xí)進(jìn)入新境界[4]。

創(chuàng)建真實(shí)感學(xué)習(xí)情境，提高學(xué)習(xí)效率 3D技術(shù)可以構(gòu)建真實(shí)感的學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生主動(dòng)參與、完整體驗(yàn)學(xué)習(xí)過程的情境。其呈現(xiàn)的立體化教學(xué)內(nèi)容可以更好地吸引學(xué)生，使抽象的知識具體化，資源的情境性、震撼性有助于認(rèn)知負(fù)荷的降低。這是一種沉浸體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生較長時(shí)間保持注意力，并體驗(yàn)到更多學(xué)習(xí)的樂趣，在一定時(shí)間學(xué)到更多的內(nèi)容，形成深刻的記憶。

3D技術(shù)展現(xiàn)的真實(shí)感和操作性相比傳統(tǒng)的教學(xué)方式有很大的優(yōu)勢，學(xué)生能夠主動(dòng)探索、發(fā)現(xiàn)，全身心投入學(xué)習(xí)過程，可以互動(dòng)學(xué)習(xí)、參與討論，可以自由地發(fā)表自己的觀點(diǎn)。學(xué)生在課堂上的參與度大大提高，有利于提高成績和效率。3D技術(shù)構(gòu)建的真實(shí)感學(xué)習(xí)情境，使學(xué)習(xí)者有身臨其境的感覺，可以提高學(xué)生身心與大腦的參與度，成為真正的教學(xué)活動(dòng)參與者，構(gòu)建屬于自己的知識體系[5]。與傳統(tǒng)的2D教學(xué)資源相比，利用3D技術(shù)制作的教學(xué)資源在信息展示方面提供了更加逼真的效果，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者建立空間感和立體感，可以體驗(yàn)到課堂沉浸感。

3 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育上應(yīng)用的途徑

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以應(yīng)用在虛擬仿真校園、虛擬教學(xué)科研、虛擬實(shí)驗(yàn)等方面，可實(shí)現(xiàn)集教學(xué)、體驗(yàn)、實(shí)踐于一體的立體化教學(xué)，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)方法，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)用型人才的目的。美國的明尼蘇達(dá)大學(xué)建立了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)驗(yàn)室，采用3D觸覺桌面、CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交互式實(shí)驗(yàn)效果；國內(nèi)的浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校已經(jīng)開始運(yùn)行虛擬校園，北京師范大學(xué)等高校也建立了虛擬圖書館，虛擬社區(qū)、虛擬教學(xué)游戲、虛擬教學(xué)科研等研究項(xiàng)目也在逐步開展[2]。

虛擬校園 虛擬校園是利用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維建模、數(shù)據(jù)庫技術(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，將校園實(shí)體建筑乃至內(nèi)部門窗、走廊、燈光等所有軟硬件通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)整合在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，場景中包括虛擬教室、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬圖書館、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)行教師、學(xué)生等任何角色的扮演。校園內(nèi)的學(xué)習(xí)資源如書籍與報(bào)刊等，可以通過高清掃描儀掃描并數(shù)字化存儲為電子書籍，學(xué)習(xí)者在進(jìn)入虛擬圖書館的時(shí)候，可以任意瀏覽虛擬圖書館內(nèi)所有資源，如現(xiàn)實(shí)中閱讀書籍一般；也可以將自己感興趣的電子書籍借閱到自己的虛擬圖書室，在借閱期限內(nèi)自由閱讀[6]。

虛擬實(shí)驗(yàn)室 在傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)中，很多需要操作的知識如果僅僅通過理論講述，學(xué)習(xí)者很難理解掌握。通過3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)虛擬教學(xué)情境，為學(xué)習(xí)者親身實(shí)踐提供了可能性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本都在學(xué)校開展，上課時(shí)間比較固定，時(shí)間和空間受到限制。部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，不能給學(xué)生全面使用和操作，在某些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中存在安全隱患，學(xué)生無法直接參與，多數(shù)以演示為主，不能形成對該實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識。

虛擬實(shí)驗(yàn)室是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)的，如虛擬物理實(shí)驗(yàn)室、虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等，打破傳統(tǒng)教學(xué)中時(shí)間、空間等限制，學(xué)生只要在安裝有虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備上即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在很大程度上提高了學(xué)習(xí)的自由度。在仿真環(huán)境下，借助Unity3D、Cult3D等軟件來完成實(shí)驗(yàn)操作，避免在進(jìn)行一些有安全隱患的危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)因操作不當(dāng)造成的不可預(yù)料的后果，保障學(xué)習(xí)者的人身安全。美國杜克大學(xué)搭建的環(huán)境沉浸式虛擬環(huán)境，包括海嘯、地震等災(zāi)害應(yīng)急處理，可以進(jìn)行武器部件、汽車駕駛的虛擬操作等。廣西大學(xué)推出的無機(jī)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)、成都理工大學(xué)建設(shè)的地質(zhì)鉆探虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)等是通過建立三維環(huán)境圖形庫，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的臨場感，增強(qiáng)實(shí)踐效果[2]。具有交互功能的3D虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，使學(xué)生做到足不出戶做實(shí)驗(yàn)，不用考慮時(shí)間、地點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)過程中各種危險(xiǎn)對人造成的傷害，獲得與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)一樣的體驗(yàn)效果，提高對學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認(rèn)識，加深對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

虛擬教學(xué)資源 利用3D技術(shù)制作出的學(xué)習(xí)資源可以更加生動(dòng)逼真，有利于情境渲染、模擬仿真，3D動(dòng)畫、視頻、模型等多樣化的學(xué)習(xí)資源具有良好的交互性，可以有效減少學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷。3D顯示技術(shù)給人帶來較好的真實(shí)感，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中一個(gè)重要組成部分就是真實(shí)感顯示技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識在相關(guān)設(shè)備上生成真實(shí)感的3D圖形，將傳統(tǒng)課堂中某些不利于理解的內(nèi)容，通過3D顯示技術(shù)形象表現(xiàn)出來，形成立體空間，讓學(xué)習(xí)者更好地領(lǐng)悟教學(xué)內(nèi)容，把握教學(xué)要點(diǎn)[5]。

網(wǎng)絡(luò)教育虛擬教室 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)手段、模式發(fā)生巨大變化，網(wǎng)絡(luò)教育因其獨(dú)特靈活的優(yōu)勢，受到越來越多人的關(guān)注。然而網(wǎng)絡(luò)教育也受到一些人的質(zhì)疑，他們認(rèn)為，面授是最好的教學(xué)手段，遠(yuǎn)比網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)好。但是面授受到時(shí)間、地點(diǎn)、成本等多種限制，學(xué)員的互動(dòng)需求也不能完全滿足，這就體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)教育的優(yōu)勢。而網(wǎng)絡(luò)教育一直無法解決非面對面教學(xué)帶來的問題，單純的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，缺乏真實(shí)的學(xué)習(xí)氛圍，教學(xué)效果也不會(huì)很理想。3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)則改善了兩難境地，虛擬教室可以解決面授和網(wǎng)絡(luò)教育遇到的問題，可以利用3D技術(shù)將授課教師直觀形象地安排在網(wǎng)絡(luò)虛擬教室，學(xué)習(xí)者可以選擇教師、課程，進(jìn)入指定教師的虛擬教室，實(shí)現(xiàn)虛擬“面對面”教學(xué)。在此情境中，學(xué)習(xí)者能夠親身體驗(yàn)到面對面學(xué)習(xí)的感受，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教育所無法實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果[4]。

4 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育的難點(diǎn)及策略

構(gòu)建虛擬教學(xué)體系，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 在教育領(lǐng)域應(yīng)用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要全新的理念、方法和途徑，需要深層次挖掘教育資源、推進(jìn)教學(xué)模式創(chuàng)新，構(gòu)建虛擬教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、課程資源、教學(xué)模式的深度融合。在信息化時(shí)代，3D技術(shù)作為基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性工具技術(shù)被廣泛應(yīng)用[7]。國內(nèi)外對3D顯示技術(shù)、3D打印技術(shù)等研究日益增多，但世界范圍內(nèi)3D顯示技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，美國、韓國和歐洲都在制定3D傳輸、壓縮和編碼方面的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)3D標(biāo)準(zhǔn)也不完善，如無法向后兼容現(xiàn)存的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，無法支持不同的3D顯示器等。建設(shè)兼容2D視頻、需要佩戴眼鏡的3D視頻、裸眼3D視頻的編碼、傳輸和顯示的標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。標(biāo)準(zhǔn)需要能夠支持多個(gè)視頻數(shù)據(jù)流，可以在傳統(tǒng)的2D視頻數(shù)據(jù)流上增加新的輔助信息，實(shí)現(xiàn)高效的3D制作及編碼，可以在2D、3D兩類數(shù)據(jù)流間自由切換，在2D架構(gòu)之上引入3D視頻，降低系統(tǒng)的重構(gòu)成本，完善3D技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[8]。3D技術(shù)研究不僅需要關(guān)注技術(shù)，還應(yīng)當(dāng)注重教學(xué)設(shè)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)的問題，探討和開發(fā)混合教學(xué)模式，制訂資源應(yīng)用、管理的可行性方案，制定資源開發(fā)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使資源建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、國際化。

推廣3D技術(shù)，降低應(yīng)用成本 3D相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)格較為昂貴，其硬件一般包括3D影像投影儀、影像墻、3D眼鏡和相應(yīng)的3D資源，后續(xù)的管理及維修費(fèi)用也比較高，普通的學(xué)校出于成本的考慮難以承受。進(jìn)一步降低硬件成本，將是影響3D技術(shù)在教育領(lǐng)域普遍應(yīng)用的重要因素。國內(nèi)目前僅少數(shù)高校和部分發(fā)達(dá)地區(qū)的一些中小學(xué)配備了3D設(shè)備，在欠發(fā)達(dá)地區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)，3D技術(shù)的推廣和普及仍面臨很大困難[2]。一種先進(jìn)技術(shù)的普及不是一蹴而就的事情，需要一個(gè)過程。隨著3D技術(shù)的大力推廣和應(yīng)用，成本一定會(huì)逐漸下降，越來越多的教育機(jī)構(gòu)也將認(rèn)識到3D技術(shù)的優(yōu)勢。

培養(yǎng)專業(yè)人才，開發(fā)教學(xué)資源 3D教學(xué)不僅需要硬件設(shè)備，教學(xué)資源也非常重要。目前，國外的一些數(shù)字內(nèi)容生產(chǎn)商如Promethean、Discovery Education等開發(fā)的3D教學(xué)資源已經(jīng)為使用西語的校園提供服務(wù)；臺灣地區(qū)采用引進(jìn)國外資源翻譯漢化的方式，在一定程度上滿足課堂教學(xué)對3D教學(xué)資源的需求。國內(nèi)的3D教學(xué)資源還十分缺乏，3D教學(xué)資源的建設(shè)將成為未來教學(xué)資源建設(shè)的熱點(diǎn)，自主研發(fā)技術(shù)還不成熟，還需要一批懂技術(shù)、懂教育的復(fù)合型人才。目前3D技術(shù)人才短缺，體現(xiàn)在專業(yè)和層次結(jié)構(gòu)不夠合理、知識和技能不夠匹配、職業(yè)素養(yǎng)有待提高、總體數(shù)量不足等幾個(gè)方面[9]。培養(yǎng)既有專業(yè)知識又有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人才，以較低的成本開發(fā)出符合教學(xué)需求、滿足正常審美需求的資源是當(dāng)務(wù)之急。為了在質(zhì)量、數(shù)量上保障教學(xué)資源能夠滿足教育發(fā)展日益增長的需要，相關(guān)部門應(yīng)盡快發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)人才，打造精良的技術(shù)及教師梯隊(duì)。

規(guī)范教學(xué)流程，保護(hù)學(xué)生健康 長期使用3D教學(xué)資源是否對學(xué)習(xí)效果具有長期正面影響，以及如何防范學(xué)生沉浸于虛擬世界帶來的負(fù)效，也將是需要研究的重要課題。部分3D教學(xué)資源需要佩戴3D眼鏡，而長期佩戴會(huì)引起視覺疲勞，如果消毒不徹底又會(huì)傳染眼部疾病。多久是最佳時(shí)長，如何快速對眼鏡進(jìn)行無菌處理，怎樣確保學(xué)生用眼健康等，都是要進(jìn)一步研究的問題[5]。建立規(guī)范的教學(xué)流程，在確保學(xué)生身心健康的前提下，采用先進(jìn)的3D教學(xué)手段增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果勢在必行。

5 結(jié)語

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為教學(xué)、科研等提供了新工具，為教育領(lǐng)域創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐，在高校及基礎(chǔ)教育都可以廣泛應(yīng)用，將為教育的改革與發(fā)展帶來生機(jī)與活力。通過虛擬校園、虛擬實(shí)驗(yàn)室等，使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)。在教育領(lǐng)域應(yīng)用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要全新的理念和方法，建立完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建虛擬教學(xué)體系，培養(yǎng)專業(yè)人才開發(fā)教學(xué)資源，保障教學(xué)資源滿足教育行業(yè)日益增長的需要。

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