虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代教育中的應(yīng)用

趙階晨,方凌霄

（黃山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽省屯溪一中，安徽 黃山 245000）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代教育中的應(yīng)用

趙階晨,方凌霄

（黃山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽省屯溪一中，安徽 黃山 245000）

簡要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的歷史過程，對虛擬現(xiàn)實(shí)涉及到的相關(guān)技術(shù)構(gòu)成和原理進(jìn)行了簡單的陳述,重點(diǎn)介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬教學(xué)、虛擬數(shù)字化校園中的應(yīng)用，說明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中具備很大的優(yōu)勢，并展望了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來教育領(lǐng)域中的影響。

虛擬現(xiàn)實(shí)；特征；V R技術(shù)構(gòu)成；教育

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Vi rtualReal i ty，簡稱VR）是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)生成模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中；在這個(gè)空間中每個(gè)事物的活動規(guī)律與現(xiàn)實(shí)中完全一樣，進(jìn)入其中的人還可以對這個(gè)空間加以控制和影響，反過來這個(gè)虛擬空間的事物也會對進(jìn)入其中的人產(chǎn)生影響。

二、VR技術(shù)的發(fā)展歷史

1965年，Sutherl and在《終極的顯示》論文中第一次提出圖形的交互顯示（Graphi c Interacti veDi spl ay）、力反饋設(shè)備（Force Feedback Devi ces）及聲音指示的VR系統(tǒng)的三個(gè)基本思想。1966年，美國麻省理工學(xué)院的Li ncol n實(shí)驗(yàn)室開始研制頭盔式顯示器(H M D)，在第一個(gè)頭盔式顯示器的完成后，研發(fā)者又在系統(tǒng)中加入力量及觸覺的力反饋模擬裝置，到1970年，第一個(gè)功能比較齊全的頭盔式顯示器系統(tǒng)出現(xiàn)了。80年代，美國的賈朗·拉尼爾（J aronLani er）在前人所取得的一系列成就的基礎(chǔ)上，正式提出“虛擬現(xiàn)實(shí)（Vi rtualReal i ty）”這一概念。同一時(shí)期，美國宇航局及美國國防部組織了一系列關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，并取得了矚目的成就。進(jìn)入90年代，由于計(jì)算機(jī)的硬件技術(shù)水平不斷提高，軟件設(shè)計(jì)理論也在不斷改進(jìn)，二者相互匹配，這使得利用大數(shù)據(jù)集合下的音像信息制作實(shí)時(shí)動畫變成了可能。進(jìn)入二十一世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)推廣普及、計(jì)算能力大幅提升、3D建模技術(shù)出現(xiàn)，這大幅提升虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向商業(yè)化和平民化的方向發(fā)展。

三、VR技術(shù)的構(gòu)成原理

虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，所包括的技術(shù)種類很多，這其中又有多個(gè)分支，對于不同類型的個(gè)體還要涉及與之相關(guān)的學(xué)科。對此在國外也未能嚴(yán)格細(xì)致地加以劃分與確定，但公認(rèn)的基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)成主要有人機(jī)接口技術(shù)、模擬仿真技術(shù)、真實(shí)存在技術(shù)3個(gè)方面。

人機(jī)接口技術(shù)就是人與計(jì)算機(jī)相互影響與控制的技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)VR的關(guān)鍵。我們常用的鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器其實(shí)就是一種人機(jī)接口設(shè)備。70年代發(fā)明的數(shù)據(jù)手套、80年代出現(xiàn)的內(nèi)置立體顯示裝置的數(shù)據(jù)頭盔和手寫輸入板、語音識別都是高一級的人機(jī)接口設(shè)備。參與者與虛擬世界的交互過程如下：參與者借助可穿戴設(shè)備（例如數(shù)字頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)字衣）為計(jì)算機(jī)提供輸入信號，這些可穿戴設(shè)備上配有傳感器及空間三維跟蹤系統(tǒng)，VR軟件接收到這些輸入信號后，通過虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫加以解釋，并對其作必要的更新。參與者轉(zhuǎn)換新視點(diǎn)后，當(dāng)前的虛擬環(huán)境將發(fā)生變化，變化后的三維場景的圖像及相關(guān)信息（如觸覺、聲音、力反饋等）將立即傳送到對應(yīng)的輸出設(shè)備（數(shù)據(jù)手套、耳機(jī)、數(shù)字頭盔等），使得參與者能夠?qū)崟r(shí)獲得各種感官上的虛擬效果（如圖1所示）。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成

模擬仿真技術(shù)是影響VR效果好壞的重要因素。我們要模擬一個(gè)人的動作時(shí)，肯定會分析這個(gè)人做這個(gè)動作的特點(diǎn)，然后按這個(gè)特點(diǎn)去模仿。模擬仿真技術(shù)直接影響計(jì)算機(jī)在模擬方面的能力。在計(jì)算機(jī)模擬領(lǐng)域里，仿真數(shù)字模型是關(guān)鍵的技術(shù)，模型建得越好、越細(xì)致，將意味著對原體的模擬越真實(shí)。

們真實(shí)存在技術(shù)也稱之為沉浸技術(shù)，為了通俗一點(diǎn)，暫將其命名為真實(shí)存在。這是VR對人產(chǎn)生影響的關(guān)鍵之處。它包括聲音、圖像和對人體其它感官的刺激，因?yàn)檫@些是人類對所處環(huán)境的最真實(shí)的認(rèn)識和感受。很明顯，它包括了尖端的多媒體數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這些數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量與快慢和計(jì)算機(jī)的水平是息息相關(guān)的，因此真實(shí)存在技術(shù)的發(fā)展是與計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密相連。

四、VR系統(tǒng)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，目前在游戲、電影、直播等藝術(shù)娛樂領(lǐng)域占據(jù)主流，在教育與培訓(xùn)方面也有大量應(yīng)用，其次是軍事航天訓(xùn)練，商業(yè)VR購物，醫(yī)學(xué)人體解剖等。現(xiàn)今，VR技術(shù)正在越來越多的應(yīng)用于各行各業(yè)。教育，是人類社會前進(jìn)與發(fā)展的重要動力，將現(xiàn)代信息技術(shù)融入現(xiàn)代教育中，是教育發(fā)展的趨勢。因此，將新穎的VR技術(shù)引入現(xiàn)代教育后，要求開拓出與之相適應(yīng)教學(xué)模式，對于學(xué)生更高效、更主動地掌握各類技能至關(guān)重要。針對于教育領(lǐng)域來說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將三維空間的景物清楚的表示出來，能使學(xué)習(xí)者自然、直接地與虛擬環(huán)境中的各種對象進(jìn)行交互，并通過多種形式參與到事件的變化發(fā)展過程中去，從而獲得最大的操作和控制整個(gè)環(huán)境的自由度。這種呈現(xiàn)信息多維度的虛擬學(xué)習(xí)和培訓(xùn)環(huán)境，將為參與者以最有效、最直觀的方式掌握一門新技能、新知識提供前所未有的新途徑。因此，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展在很多培訓(xùn)與教育領(lǐng)域，諸如虛擬實(shí)驗(yàn)室、專業(yè)領(lǐng)域的訓(xùn)練、立體觀念、虛擬教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬數(shù)字化校園等應(yīng)用中，具有明顯的優(yōu)勢和特點(diǎn)。

（一）建立虛擬實(shí)驗(yàn)室

由于VR技術(shù)能夠創(chuàng)建出與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)類似的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，這解決實(shí)驗(yàn)過程中的情景化及自然交互性的要求，因此較早被歐美一些主要國家應(yīng)用于建立虛擬實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域。1985年，美國國立醫(yī)學(xué)圖書館就開始了人體解剖圖像數(shù)字化研究。隨后，德國的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動化實(shí)驗(yàn)室、意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室、新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗(yàn)和壓力容器實(shí)驗(yàn)等。2016年英國外科醫(yī)生沙菲·艾哈邁德借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向世界直播一臺由自己操刀的癌癥手術(shù)，這也是全球首次實(shí)現(xiàn)用虛擬現(xiàn)實(shí)身臨其境般“圍觀”的手術(shù)。國內(nèi)的清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校利用VR技術(shù)開發(fā)創(chuàng)建了虛擬儀器庫，在次基礎(chǔ)上構(gòu)建了一系列虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并將其虛擬實(shí)驗(yàn)室用于教研，取得了很好的效果。通過虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立首先能夠避免在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中由于操作失誤所導(dǎo)致的各種危險(xiǎn)。例如，虛擬的汽車駕駛教學(xué)，可免除學(xué)生操作失誤而產(chǎn)生的意外事故。虛擬的飛機(jī)駕駛系統(tǒng)，不會造成飛機(jī)墜毀事故。其次利用VR技術(shù)，可以創(chuàng)建多種多樣的技能訓(xùn)練場景，并且訓(xùn)練可以重復(fù)進(jìn)行，直到操作熟練為止。此外虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立大大減少教育經(jīng)費(fèi)的投入，緩解教育單位資金不足的困難，節(jié)約了各種實(shí)驗(yàn)原材料，減少資源的浪費(fèi)。

（二）虛擬教學(xué)

現(xiàn)今，信息技術(shù)不斷發(fā)展，也快速推動著教育方法的不斷進(jìn)步。對教育內(nèi)容的表現(xiàn)手段，教學(xué)過程的交互形式也越來越豐富有趣。由于VR技術(shù)能將教學(xué)內(nèi)容生動形象地表現(xiàn)出來，優(yōu)化了整個(gè)教學(xué)過程，有效地營造一個(gè)跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識、技能的效率，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量、突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)的作用。與此同時(shí)，VR技術(shù)較真實(shí)地再現(xiàn)了協(xié)作學(xué)習(xí)、情景化學(xué)習(xí)，還結(jié)合了游戲等益智手段，有效解決了許多以前無法解決的教育問題。例如，采用VR技術(shù)進(jìn)行教育教學(xué)活動，可在實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的交流、通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人與人之間交流的同時(shí)，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠在某種程度上實(shí)現(xiàn)寓教于樂，進(jìn)而為更高效地創(chuàng)建合作學(xué)習(xí)情景，促進(jìn)真實(shí)交流構(gòu)建良好渠道。

（三）虛擬數(shù)字化校園

隨著網(wǎng)絡(luò)教育的深入，人們對現(xiàn)有的校園網(wǎng)站提出了新的要求，已不僅僅局限于對校園環(huán)境的圖片式瀏覽，采用VR技術(shù)創(chuàng)建網(wǎng)上虛擬可視化校園呼之欲出，實(shí)現(xiàn)教務(wù)、教學(xué)、校園生活的三維虛擬化空間。利用網(wǎng)絡(luò)，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育平臺，建立一個(gè)完整的、真實(shí)的、互動的、情節(jié)化的虛擬校園體系，實(shí)現(xiàn)分布式虛擬校園系統(tǒng)，可為高校擴(kuò)招后設(shè)置的分校區(qū)和遠(yuǎn)程教育教學(xué)點(diǎn)提供可移動的虛擬教學(xué)場所，對各個(gè)終端提供公開的、遠(yuǎn)程的虛擬教學(xué)，還可為眾多的社會人員提供高等職業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。建設(shè)數(shù)字化虛擬校園，需要的多媒體數(shù)據(jù)超高速傳輸，采用分布式與并行技術(shù)對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與處理。通過這些技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了學(xué)校信息化建設(shè)的步伐?？傊摂M數(shù)字化校園能為教育技術(shù)專業(yè)化隊(duì)伍提供一個(gè)高起點(diǎn)的科研環(huán)境，促進(jìn)教育技術(shù)的建設(shè)更上一個(gè)新的層次，讓我們感受到全方位的教育。

五、對未來的展望

《“十三五”國家信息化規(guī)劃》將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為國家重點(diǎn)工程放在超前發(fā)展的戰(zhàn)略位置，鼓勵各行業(yè)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展。在教育領(lǐng)域中更應(yīng)抓住機(jī)遇，大力促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用。當(dāng)前以信息技術(shù)為背景的現(xiàn)代教育，具有一定的局限性，例如教師利用信息技術(shù)設(shè)計(jì)好教學(xué)過程后，學(xué)生根據(jù)電腦中設(shè)計(jì)好的程序流向進(jìn)行學(xué)習(xí)，所有的交互都固定下來，沒有變化，這就降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與性與主動性。而VR技術(shù)通過模擬現(xiàn)實(shí)社會的環(huán)境，解決了學(xué)習(xí)過程中的情景化、高自由度交互性的要求，使人可以從特定的集成虛擬綜合環(huán)境中，獲得對客觀世界和事物的感性與理性認(rèn)識，進(jìn)而學(xué)習(xí)者對某些知識進(jìn)行深化，并構(gòu)建出新的創(chuàng)新意識。從而完美彌補(bǔ)了多媒體技術(shù)的不足。因此，如果將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)地融合到現(xiàn)代教育中，這會極大的縮小現(xiàn)代教育與當(dāng)前社會學(xué)習(xí)需求之間的差距，必將對未來的教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

[1]什么是VR虛擬現(xiàn)實(shí)[DB/OL].http：//blog.sina.com.

[2]方東菊.淺談虛擬現(xiàn)實(shí)[J].科技展望,2016,（18）：303

[3]國務(wù)院.“十三五”國家信息化規(guī)劃[DB/OL].http：//news. sohu.com/20161227/n477114271.shtml.

[4]肖桂華,周燁.實(shí)施科技創(chuàng)新平臺戰(zhàn)略共迎2016虛擬現(xiàn)實(shí)元年-中國虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事會側(cè)記[J].中國科技產(chǎn)業(yè),2016,（02）：115-117.

[5]楊雪萍.基于unity3D的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].上海：上海師范大學(xué),2015.

[6]田茵.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù),2013,（27）：123-124.

TP391

A

1671-5993（2017）01-0064-03

2016-12-30

趙階晨（1974-），男，江蘇徐州人，黃山職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士；方凌霄（1998-），男，安徽歙縣人，安徽省屯溪一中高三（11）班學(xué)生。