虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究

范昱昊

摘 要 隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)性能的提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)逐步從實(shí)驗(yàn)室中走出并進(jìn)入我們?nèi)粘５纳顚W(xué)習(xí)中來。作為一項(xiàng)新技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為廣大教師提供了一種全新的教學(xué)手段。本文簡單分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 教育領(lǐng)域 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

基于虛擬現(xiàn)實(shí)本身的技術(shù)特點(diǎn)，可以為教學(xué)提供新的方式，如在具體的課堂中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供了可視化的模型或模擬器，這些作為教育教學(xué)的輔助工具促進(jìn)了學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。同時(shí)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境系統(tǒng)，為學(xué)習(xí)者提供視覺、聽覺、觸覺等多感官體驗(yàn)的互動(dòng)方式，既可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情，又能使教育教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。因此，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備，用戶可根據(jù)自身的感覺，使用人的自然技能對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行考察和操作，參與其中的事件，同時(shí)提供視、聽、觸等直觀又自然的實(shí)時(shí)感知，并使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境。

1.2技術(shù)關(guān)鍵

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)關(guān)鍵需要構(gòu)建虛擬世界的三維模型庫，根據(jù)3D幾何特征、物理屬性等特征構(gòu)建模型大數(shù)據(jù)，模型種類包括實(shí)體模型、柔體模型和粒子模型等等。此外，模型還是具備四維特征，即隨時(shí)間變化，比如春夏秋冬、草木枯榮以及文物古跡。虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用也是VR+級(jí)別的革命，就像現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)+，可以改變世界的方方面面，可以虛擬的地方就有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用價(jià)值

2.1拓展學(xué)習(xí)空間

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拓展了學(xué)習(xí)的多維度空間，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以徹底打破時(shí)間與空間的限制，消除時(shí)間與空間造成的認(rèn)知阻斷。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可“進(jìn)入”這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察清楚的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生觀察。例如，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以身臨其境般暢游深海，與各種海洋生物為伴，認(rèn)識(shí)奇妙的海底世界。

2.2激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

虛擬現(xiàn)實(shí)的直觀體驗(yàn)更能激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。相對(duì)于傳統(tǒng)教育中知識(shí)的扁平性，虛擬現(xiàn)實(shí)教育的呈現(xiàn)更立體。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教學(xué)，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)，讓學(xué)習(xí)變得游戲化、情境化，真正做到寓教于樂，促進(jìn)交流、知識(shí)表達(dá)及應(yīng)用，有利于更好實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)。

2.3增加教學(xué)安全性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓學(xué)習(xí)變得更安全。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可模擬某些真實(shí)情境，在安全的前提下讓學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)對(duì)某些現(xiàn)實(shí)場景中不可預(yù)知的危險(xiǎn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以用虛擬實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，避免危險(xiǎn)化學(xué)品可能引發(fā)的安全問題。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的具體應(yīng)用

3.1模擬訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用幾乎最成功的案例就是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)與研制。由于空間探索和軍隊(duì)?wèi)?zhàn)爭訓(xùn)練需要高昂的費(fèi)用，以及這些領(lǐng)域需要極高的安全性與可靠性，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早應(yīng)用在了這個(gè)領(lǐng)域，并且發(fā)揮出了巨大的使用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。隨著社會(huì)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也延伸到的一般的醫(yī)學(xué)教學(xué)、汽車駕駛以及電器維修等需要培養(yǎng)各種操作技能的領(lǐng)域。在動(dòng)作技能的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者只有從虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中接受到操作或動(dòng)作的反饋才能起到積極的學(xué)習(xí)作用。因此，在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該具體考慮學(xué)習(xí)產(chǎn)生的條件以及教學(xué)的效果，這種模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供真實(shí)的模擬訓(xùn)練的情景、校正學(xué)習(xí)者的錯(cuò)誤以及跟蹤學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程等功能。

3.2虛擬實(shí)驗(yàn)室

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的各種虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育上應(yīng)用前景廣闊，尤其在物理、化學(xué)、生物等需要實(shí)驗(yàn)的學(xué)科中更是如此。創(chuàng)建這種虛擬環(huán)境的演示物體可以擺脫真正實(shí)驗(yàn)室所需要的昂貴的設(shè)備，減少了教育部門的實(shí)驗(yàn)開銷，教學(xué)的效果基本接近運(yùn)用真正的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的教學(xué)效果。學(xué)生可以在跟真實(shí)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跸嗤膶W(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)，學(xué)生之間可以相互討論學(xué)習(xí)到的概念。如果學(xué)生通過匿名的身份進(jìn)行角色扮演，那么它所能達(dá)到的教學(xué)效果有可能達(dá)到甚至超過在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)室基本上分為兩類：一種是由編程者設(shè)計(jì)只能插入并操作實(shí)驗(yàn)中有限的實(shí)物，這是現(xiàn)今大多數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的工作環(huán)境；另外一種是基于廣泛學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

3.3科學(xué)研究

國內(nèi)許多高校都建立了國家實(shí)驗(yàn)室開展虛擬現(xiàn)實(shí)方面的研究工作。其中北京航空航天大學(xué)建立了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)國家教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，曾經(jīng)為我國自行研制的殲8飛機(jī)研制了虛擬現(xiàn)實(shí)飛行模擬器；浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和圖形學(xué)（CAD/CG）國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也開發(fā)了桌面虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)；其他高校如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感和立體現(xiàn)實(shí)技術(shù)都進(jìn)行了廣泛的研究，使得我國在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)理論研究方面碩果累累。

3.4虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，簡稱VLE技術(shù)。如今國內(nèi)教育技術(shù)對(duì)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的研究多數(shù)都停留在如Blog應(yīng)用這種符號(hào)性的交流上，研究如何對(duì)學(xué)習(xí)者之間這種文字性的相互交流進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。真正對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的研究是對(duì)分布式真實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)感的教學(xué)環(huán)境的開發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行研究，通過人體模型或者化合物等分子結(jié)構(gòu)演示的虛擬體驗(yàn)，教育者和學(xué)習(xí)者之間，或者學(xué)習(xí)者和同伴之間可以在一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)空間中，進(jìn)行虛擬人之間的面對(duì)面的情感交流。

4結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用為遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模擬真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境提供更加便利的條件，對(duì)現(xiàn)階段課堂教育進(jìn)行虛擬仿真提供必要的支持，為教學(xué)活動(dòng)的具體實(shí)施提供一種全新的教學(xué)模式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在教育中發(fā)揮重要應(yīng)用價(jià)值，包括軍事院校教學(xué)、體育專項(xiàng)訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)學(xué)生模擬實(shí)習(xí)、飛機(jī)操作等教學(xué)中，有利于教育事業(yè)的改革和創(chuàng)新。

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