虛擬現(xiàn)實技術(shù)在成人高校教學中的應(yīng)用

王謙

摘要：成人高等教育是當前教育事業(yè)的一個重要組成部分，但是隨著社會的發(fā)展，當前傳統(tǒng)的成人教學模式已經(jīng)不能很好的滿足社會發(fā)展的要求，成人教育改革勢在必行。該文根據(jù)成人教育的特點將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于成人教學模式，能夠有效的提高成人學員的教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：成人高校；虛擬現(xiàn)實；QuickTime VR；VRML

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology），又稱靈境技術(shù)，以下簡稱VR技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，它利用計算機技術(shù)生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數(shù)字化人機接口技術(shù)。它涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，借助它人們可以完全置身于由計算機創(chuàng)造的虛擬世界中。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于計算機系統(tǒng)形成人們常說的VR 系統(tǒng)，即虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[1]。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征

1993年Burdea G在Electro 93國際會議上發(fā)表的“Virtual Reality System and Application（虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與應(yīng)用）”一文中，提出了VR技術(shù)三個特征，即：沉浸感、交互性、想象性。

沉浸感（immersion）：參與者全身心的沉浸與計算機所生成的三維虛擬環(huán)境，并產(chǎn)生身臨其境的感覺。用戶在虛擬場景中有“身歷其境”之感。它所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，完全與真實環(huán)境中感受的一樣。它是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心。

交互性（interaction）：參與者可以利用各種感官功能及人類自然技能虛擬環(huán)境進行交互考察與操作。它是人機和諧的關(guān)鍵性因素。如拿起虛擬環(huán)境中的一個籃球，你可以感受到球的重量，將球扔在地上它還可以彈跳等。交互性還包含對象的可操作程度及用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據(jù)物理學定律運動的程度等，例如，當物體受到力的作用時，物體會沿著力的方向移動、翻到或者從桌面落到地面等。

構(gòu)想性（imagination）：參與者借助VR系統(tǒng)給出逼真視聽觸覺信號而產(chǎn)生的對虛擬空間的想象。因此，虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可以使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理后的狀態(tài)實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復，這是一個學習→創(chuàng)造→再學習→再創(chuàng)造的過程，因而可以說，VR技術(shù)是一種啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維的技術(shù)。

1.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型如圖1 所示。用戶通過傳感裝置直接對虛擬環(huán)境進行操作，得到實時三維顯示和其他反饋信息（如觸覺、視覺、力反饋等）。當系統(tǒng)與真實世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時，在用戶的控制下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對真實世界產(chǎn)生作用。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)模型

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由3個部分構(gòu)成：（1）用戶接口：用戶與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)信息交流的通道，并通過傳感器模塊作用與虛擬環(huán)境。（2）虛擬環(huán)境系統(tǒng)：真實世界的計算機表示，它是真實世界的虛擬表示。（3）虛實感應(yīng)模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用與虛擬環(huán)境。另一方面將操作后產(chǎn)生的結(jié)果以各種反饋的形式提供給用戶。

1.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景

VR技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，Helsel與Doherty在1993年對全世界范圍內(nèi)已經(jīng)進行的805項VR研究項目作了統(tǒng)計，結(jié)果表明：目前在娛樂、教育及藝術(shù)方面的應(yīng)用占據(jù)主流，達21.4%，其次是軍事與航空達12.7%，醫(yī)學方面達6.13%，機器人方面占6.21%，商業(yè)方面占4.96%，另外在可視化計算、制造業(yè)等方面也有相當?shù)谋戎亍?/p>

醫(yī)學

VR在醫(yī)學方面的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義。在虛擬環(huán)境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、頭戴式可視設(shè)備、感覺手套，學生可以很容易了解人體內(nèi)部各器官結(jié)構(gòu)，這比現(xiàn)有的采用教科書的方式要有效得多。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術(shù)訓練器，用于腿部及腹部外科手術(shù)模擬。這個虛擬的環(huán)境包括虛擬的手術(shù)臺與手術(shù)燈，虛擬的外科工具（如手術(shù)刀、注射器、手術(shù)鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于頭戴式可視設(shè)備及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術(shù)。但該系統(tǒng)有待進一步改進，如需提高環(huán)境的真實感，增加網(wǎng)絡(luò)功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。

另外，在遠距離遙控外科手術(shù)，復雜手術(shù)的計劃安排，手術(shù)過程的信息指導，手術(shù)后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術(shù)都有十分重要的意義。

娛樂、藝術(shù)與教育

豐富的感覺能力與3D顯示環(huán)境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發(fā)展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統(tǒng)，其主題是關(guān)于3025年的一場未來戰(zhàn)爭；英國開發(fā)的稱為“Virtuality”的VR游戲系統(tǒng)，配有頭戴式可視設(shè)備，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“Legeal Qust”的系統(tǒng)由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統(tǒng)獲該年度VR產(chǎn)品獎。另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。

作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術(shù)領(lǐng)域方面所具有的潛在應(yīng)用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態(tài)的藝術(shù)（如油畫、雕刻等）轉(zhuǎn)化為動態(tài)的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術(shù)。另外，VR提高了藝術(shù)表現(xiàn)能力，如一個虛擬的音樂家可以演奏各種各樣的樂器，手足不便的人或遠在外地的人可以在他生活的居室中去虛擬的音樂廳欣賞音樂會等等。

對藝術(shù)的潛在應(yīng)用價值同樣適用于教育，如在解釋一些復雜的系統(tǒng)抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一個“虛擬的物理實驗室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等。

軍事與航天工業(yè)

模擬訓練一直是軍事與航天工業(yè)中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰(zhàn)場系統(tǒng)，以提供坦克協(xié)同訓練，該系統(tǒng)可聯(lián)結(jié)200多臺模擬器。另外利用VR技術(shù)，可模擬零重力環(huán)境，以代替現(xiàn)在非標準的水下訓練宇航員的方法。

管理工程

VR在管理工程方面也顯示出了無與倫比的優(yōu)越性。如設(shè)計一棟新型建筑物時，可以在建筑物動工之前用VR技術(shù)顯示一下，節(jié)省整個工程的設(shè)計或施工成本，更能夠節(jié)省施工時間；當財政發(fā)生危機時，它也可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數(shù)據(jù)以尋找對策，規(guī)避風險等等。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在成人高等教育中的應(yīng)用

2.1 當前成人高校教學模式存在的問題

教學模式是在一定的教育思想、教學理論和學習理論指導下。為完成特定的教學目標和內(nèi)容而圍繞某一主題形成的，比較穩(wěn)定且簡明的教學結(jié)構(gòu)理論框架及其具體可操作的教學活動方式[2]。

當前，成人高等教育的教學模式主要以集中式面授教學為主。集中式面授學習是以教師為中心的教學模式，強調(diào)教師的主導作用。成人教育教學中的集中式面授學習類似于普通高校的學習形式。集中式面授學習在成人教育中有其優(yōu)點，如易于發(fā)揮教師的主導作用，便于教師組織、監(jiān)控整個教學活動的進程；有利于教學管理；有利于理論知識的學習；有利于學生之間以及師生之間的情感交流。但它在成人教育的教學活動中存在的弊端仍也十分明顯，大學的很多知識都比較抽象，成人學員往往很難理解。而且隨著成人學生“工學矛盾”的日益凸顯，集中式面授學習的方式很難使成人學員真正掌握知識的精髓，加之沒有實踐機會，使學到的知識不能學以致用，“上課懂，下課忘”的現(xiàn)象已不再是個案。出現(xiàn)這些問題的主要原因是集中式面授教學模式弱化或缺乏實踐環(huán)節(jié)，使理論知識無法在第一時間與實踐相結(jié)合。導致成人學員在學校學到的知識無法舒暢地應(yīng)用于工作實踐。同時這也是造成大部分成人學員普遍實踐能力較差的一個最根本原因。而要解決這一問題只能通過學校聯(lián)系校外實踐基地或自己建設(shè)實踐基地。聯(lián)系實踐基地的方式出于組織、安全以及實踐場地針對性不強等因素制約很難達成。自己建設(shè)實踐基地基于場地、初建費用和維護費用較高等方面的因素不利于實踐基地的可持續(xù)性應(yīng)用。如何能夠既解決學員實踐問題，又能夠減少建設(shè)和維護費用成為困擾各成人高校的主要問題。

近年來，隨著VR技術(shù)的發(fā)展與民用化，一些成人高校開始通過這一技術(shù)嘗試著解決成人學員在學習中的無法進行實踐的問題。虛擬現(xiàn)實的沉浸感、交互性、構(gòu)想性的特點為成人教育提供了新的思路，沉浸感可以讓學生身臨其境的聽老師講課，交互性可以讓學生在虛擬課堂中與老師交流、進行實踐性課程等，提高學生的實踐能力。構(gòu)想性可以讓學生對所學的知識進一步升華，通過自己的奇思妙想，活用自己的理論知識解決現(xiàn)實問題，更可以提高學員的創(chuàng)新能力。

2.2 虛擬現(xiàn)實教學環(huán)境

若要將VR技術(shù)應(yīng)用于成人教學就要打造虛擬現(xiàn)實教學環(huán)境。虛擬現(xiàn)實教學環(huán)境是指利用計算機設(shè)備，創(chuàng)造出一個可以感知的、和現(xiàn)實教學環(huán)境相似的、具備現(xiàn)實教學環(huán)境基本功能和大多數(shù)延伸功能的、運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)的一種教學環(huán)境。換言之，基于VR技術(shù)的成人教學環(huán)境，就是將實踐基地這個真實的地理空間設(shè)計成一個虛擬的場所，在這個場所中，教學思想、教學策略、教學內(nèi)容都固化在虛擬環(huán)境中，學習者置身于這樣的環(huán)境當中，能夠自然地與環(huán)境（包括通過網(wǎng)絡(luò)相連的其他學員、教師）進行實時的交互，全身心地投入到學習與實踐中?；赩R技術(shù)的教學環(huán)境應(yīng)實現(xiàn)如下功能：能為學員提供具有情境感的實踐環(huán)境；實踐或?qū)W習環(huán)境是學習資源的承載者；學員能感受到自身在環(huán)境中的存在；學員對環(huán)境的刺激和環(huán)境對學員的反應(yīng)應(yīng)該具有實時性且使學員如在真實環(huán)境中一樣。

2.3 虛擬現(xiàn)實教學環(huán)境的創(chuàng)建與應(yīng)用

創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實教學環(huán)境的方法很多在此只介紹應(yīng)用最多的幾種方法。

2.3.1 Quick Time VR

QuickTime VR是QuickTime Virtual Reality的簡稱。它是美國蘋果公司在QuickTime技術(shù)基礎(chǔ)之上開發(fā)的新一代VR技術(shù)。概括的說它是一種基于靜態(tài)圖象處理的，在計算機平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級的桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)，具有圖片級的細節(jié)分辨率，真實性很強。它不需要數(shù)據(jù)手套、頭盔式顯示器等特殊的硬件設(shè)備，它的出現(xiàn)使得以往專業(yè)實驗室中成本昂貴的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的普及和應(yīng)用有了廣闊的前景[3]。

要理解QuickTime VR技術(shù)，我們可以假設(shè)在一個室內(nèi)空間進行觀察，室內(nèi)空間一般有六個表面，如果我們獲取了這六個表面的許多不同距離，不同方位的實景照片并將他們按照相互的關(guān)系有機連接起來就可以在視覺上形成這個房間。在觀察時，我們可以任意的轉(zhuǎn)動觀看角度，也可以改變觀察位置，或是走近仔細觀看，或360度觀察，由于這些照片是相互連接的，所以只要照片足夠精細、連接得緊密正確，我們就可以獲得出于室內(nèi)的感覺。同樣無論我們是在野外，還是在復雜如迷宮的博物館、辦公室或其他大型建筑物內(nèi)，通過這種方法就可以實現(xiàn)虛擬參觀，如果再輔以聲音、隨意觀察或交互訪問等效果，就會獲得更逼真的身臨其境的享受。這就是QuickTime VR的基本原理[4]。

利用QuickTime VR技術(shù)我們可以為學員在計算機中創(chuàng)建一間逼真的虛擬現(xiàn)實實驗室，如圖 2所示。當學員通過鼠標或鍵盤控制自己的虛擬替身在實驗室中移動時（例如向左或向右，朝上看或朝下看，遠看或近看等），被觀察的場景仍能正確保持并能使學員產(chǎn)生“身臨其境”的真實幻覺。與此同時，實驗室中的各種虛擬出的物理實體（如計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、各類實驗用工具等等）都可以用鼠標任意拾取并進行操縱（例如打開計算機主機機箱，以便從不同角度進行觀察機箱內(nèi)部的各類板卡，并且還可以使用各類工具對機箱中的板卡進行拆裝等）。更令人難以置信的是，由于使用先進的高壓縮比數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，在QuickTime VR系統(tǒng)中，用來表征實驗室全景的360度高質(zhì)量照片集的存儲容量僅有不到10MB左右，很容易將這種技術(shù)應(yīng)用于低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.3.2 VRML2.0語言

VRML（Virtual Reality Modeling Language）語言即虛擬現(xiàn)實建模語言，可以在低帶寬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實時進行三維信息的遠程傳輸和遠程指令的接受，是一種專門用于在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的計算機語言。VRML2.0語言出現(xiàn)以前，WWW上的內(nèi)容大都是二維的平面結(jié)構(gòu)，用戶與環(huán)境的動態(tài)交互非常有限。隨著VRML語言的誕生，特別是到了VRML2.0之后，在互聯(lián)網(wǎng)上看到了實現(xiàn)真實三維參與的美好前景。它創(chuàng)造了一個可以進入，可參與的生動、逼真的立體世界?？梢栽谄渲凶杂傻腻塾?，可以走進虛擬的教室，與同學交流，聽老師講課，體驗真實的社會生活。VRML2.0通過Script節(jié)點聯(lián)系場景和外部行為，用傳感器來實現(xiàn)虛擬世界的動態(tài)行為。在這一系統(tǒng)中，分布在不同位置的用戶能保持場景的一致，也能感知其他用戶的狀態(tài)。用戶在虛擬場景中的沉浸感可以通過用戶標識來實現(xiàn)。VRML語言所創(chuàng)建的立體世界不需要復雜的硬件支持，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量比其他環(huán)境建模工具要小的多，因此它特別適合一般用戶通過網(wǎng)絡(luò)進行瀏覽。但需要較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，非常適合在計算機機房進行的教學活動使用。

在教學過程中使用CAI（Computer Assisted Instruction，計算機輔助教學）課件能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量[5]。目前的CAI教學軟件多為簡單的二維演示，缺少具有真實感的三維教學場景，從而影響了CAI課件的實際教學效果。而VRML語言是用于描述三維場景與交互環(huán)境的虛擬現(xiàn)實建模語言，是在Internet上建立三維多媒體和共享虛擬世界的開放標準。因而使用VRML能有效解決CAI課件的交互性差和真實感差等問題。室內(nèi)設(shè)計是一門藝術(shù)與技術(shù)相結(jié)合的學科，運用一定的物質(zhì)與技術(shù)手段。對內(nèi)部空間進行創(chuàng)造與安排布置，形成滿足人們物質(zhì)功能的需求與精神文化需求的舒適環(huán)境。室內(nèi)設(shè)計表現(xiàn)是指室內(nèi)設(shè)計表現(xiàn)過程中所有的表現(xiàn)手法，它的主要作用在于：設(shè)計師的設(shè)計方案在沒有施工前。必須通過室內(nèi)設(shè)計表現(xiàn)技法來呈現(xiàn)在客戶的面前，用來表達設(shè)計的設(shè)計方案。通過VRML語言在計算機上實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實室內(nèi)設(shè)計課件有很多優(yōu)勢，如圖 3所示，這是傳統(tǒng)的集中式面授教學方式所無法比擬的，主要體現(xiàn)在：更好地將教師所講授的內(nèi)容以可視化的形式展示給學員，讓學員以最直接的視覺方式接受知識；節(jié)約教師制作實物課件的成本；學員通過親身操作，可以更快地掌握所學的知識，并融會貫通，提高學員的實踐能力。

3 結(jié)束語

本文提出了借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在成人高等教育中的應(yīng)用，能夠產(chǎn)生很好的教學效果，可以解決當前成人教育中存在的主要問題，并且將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入到成人教學中可以增加課程的趣味性，調(diào)動學生學習的積極性，能有效的提高學生動手能力，完善學生的知識結(jié)構(gòu)。但是當前VR技術(shù)還不成熟、不完善，虛擬現(xiàn)實設(shè)備價格較高，限制了這種教學模式的效果和推廣。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實設(shè)備將越來越成熟，實現(xiàn)成本也將會大大降低，最終這種教學模式必將代替當前的集中式面授的成人教學模式，成為成人教育教學的發(fā)展新方向。

參考文獻：

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[3] 古樂聲.基于QTVR和Internet的現(xiàn)代遠程多媒體教育應(yīng)用[A].第七屆全球華人計算機教育應(yīng)用大會論文集[C]. 2003（11）

[4] 楊躍杰，王權(quán)，辛冰等.QuickTime VR技術(shù)在客車造型設(shè)計中的應(yīng)用[J].客車技術(shù)與研究，2010（12）

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