虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)涵界定及其應(yīng)用

穆萍　羅永霞　馬國香　馬梅　馬偉棟

摘 要 隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，信息技術(shù)的創(chuàng)新研究也越來越受到重視，現(xiàn)在的微格教室、遠(yuǎn)程教學(xué)、多媒體教室和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相繼進(jìn)入教育領(lǐng)域。作為信息技術(shù)發(fā)展重要驅(qū)動(dòng)力的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其已被看作是僅次于互聯(lián)網(wǎng)的、改變未來世界的、基于計(jì)算機(jī)的一種全面仿真技術(shù)，也成為當(dāng)今人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。同時(shí)作為人與計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互作用的一種手段，它的迅速崛起對(duì)教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)觀念，突破了以往教學(xué)模式的狹隘性。

在教育教學(xué)中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為一個(gè)深受關(guān)注的研究方向，它也是當(dāng)今時(shí)代一個(gè)最熱的話題。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí) 信息技術(shù) 內(nèi)涵

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

筆者通過拜讀近年來對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)研究的相關(guān)文獻(xiàn)，本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)涵、應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用做出歸納和總結(jié)，以期為我國虛擬現(xiàn)實(shí)的后續(xù)研究提供借鑒與參考。

1虛擬現(xiàn)實(shí)概述

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)內(nèi)涵

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality），簡稱VR，被認(rèn)為是人機(jī)交接口技術(shù)的一場(chǎng)革命，是通過多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的具有逼真的視覺、聽覺、觸覺一體的虛擬環(huán)境，即形成虛擬世界，它設(shè)計(jì)的領(lǐng)域也很多，具體包括人工智能，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，人機(jī)接口技術(shù)，多媒體技術(shù)，傳感技術(shù)以及高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)等。使用者以自然的方式對(duì)其中的虛擬對(duì)象進(jìn)行體驗(yàn)。它利用三維圖形生成技術(shù)、多種傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，體驗(yàn)者通過使用不同的傳感設(shè)備，如：頭盔、數(shù)據(jù)手套等。利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，使人獲得一種身臨其境的感覺。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1國外現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究發(fā)源地最早是美國，它可以追溯到上世紀(jì)40年代。最初研究應(yīng)用主要是美國軍方對(duì)飛行駕駛員與宇航員的模擬訓(xùn)練，在模擬訓(xùn)練領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究中主要集中在感知、用戶界面、后臺(tái)軟件和硬件四個(gè)方面。

在歐洲，英國在 VR 開發(fā)的某些方面，尤其是在分布并行處理、輔助設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究方面，歐洲是遙遙領(lǐng)先的。英國 Bristol 公司發(fā)現(xiàn)，VR 應(yīng)用的交點(diǎn)應(yīng)集中在整體綜合技術(shù)上，他們?cè)谲浖陀布哪承╊I(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。英國 ARRL 公司的研究實(shí)驗(yàn)主要包括VR重構(gòu)問題。

日本的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展在世界相關(guān)領(lǐng)域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，在建立大規(guī)模VR知識(shí)庫和虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面取得了很大的成就。

1.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀

和發(fā)達(dá)國家相比，我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究還有很大的一段距離。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等技術(shù)的不斷成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)得到了重視，引起我國各界人士的興趣和關(guān)注。國家科委國防科工委部已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究視為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)和高校也隨之進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)研究和應(yīng)用推廣，并取得了一些不錯(cuò)的研究成果。

北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國內(nèi)最早進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究、也是最有權(quán)威的單位之一，在虛擬實(shí)現(xiàn)與可視化新技術(shù)研究室集成了分布式虛擬環(huán)境，它可以提供實(shí)時(shí)的、三維動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實(shí)的演示環(huán)境、以及一些用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)等，并取得了多方面的進(jìn)展，具體包括：a.重點(diǎn)研究如何表示與處理虛擬環(huán)境中物體的某些物理特性；b.在虛擬現(xiàn)實(shí)中的視覺接口上，開發(fā)了部分硬件，提出了相關(guān)的算法，同時(shí)提供了實(shí)現(xiàn)方法。

清華大學(xué)國家光盤工程研究所采用了 QuickTime 技術(shù)，制作出了“布達(dá)拉宮”全景圖，并實(shí)現(xiàn)了大全景VR制；而在浙江大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)；在哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系已成功地合成了關(guān)于人的某些高級(jí)行為中的特定人臉圖像，基本上解決了表情的合成和唇動(dòng)合成技術(shù)問題，并開始著手研究人在說話時(shí)，手勢(shì)和頭勢(shì)的動(dòng)作以及語音和語調(diào)的同步等。

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種高度集成的技術(shù)，它包含計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、傳感器技術(shù)、立體顯示技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究內(nèi)容整體上有兩大類，有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的研究和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的研究。又根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)所傾向的特征的差異，當(dāng)今虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃樽烂媸?、增?qiáng)式、沉浸式和網(wǎng)絡(luò)分布式四個(gè)層次。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)是構(gòu)建一種人能夠與之進(jìn)行自由交互的“虛擬世界”，在這個(gè)“虛擬世界”中，參與者可以實(shí)時(shí)地探索或移動(dòng)其中的對(duì)象。其中，沉浸式VR是研究界最高的、最理想的追求目標(biāo) ，實(shí)現(xiàn)的主要方式是戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套以及身體部位跟蹤器等傳感設(shè)備，體驗(yàn)者通過視覺、聽覺和觸覺在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行體驗(yàn)；桌面式VR系統(tǒng)被稱為“窗口仿真”，盡管它實(shí)現(xiàn)起來有一定的局限性，但由于該層次的成本低廉而仍然得到了廣泛應(yīng)用；而增強(qiáng)式VR系統(tǒng)主要用以為那些戴上立體的、特制眼鏡的體驗(yàn)者觀察虛擬環(huán)境 ，性能介于以上沉浸式VR和桌面式VR之間 。在現(xiàn)代教學(xué)情況下只有桌面虛擬現(xiàn)實(shí)符合現(xiàn)在的教學(xué)點(diǎn)狀況。它僅僅通過一些簡單的外部設(shè)備鼠標(biāo)、追蹤球等與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)交互。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被各界人士的重視的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，技術(shù)不斷成熟，它會(huì)不斷的推廣和大規(guī)模的使用，VR技術(shù)會(huì)不斷滲透到各個(gè)領(lǐng)域，將會(huì)普及到各家各戶，會(huì)替代人類做一些過于繁重的事情。凡事各有千秋，VR技術(shù)給我們帶來便利的同時(shí)，也會(huì)有很多危害。VR技術(shù)的出現(xiàn)，使得所有人感覺到一種不言而喻的幸福，比如：一些復(fù)雜的現(xiàn)象，月球中的情形、火山爆發(fā)的情形等，可以使的用戶體驗(yàn)一些復(fù)雜的，危險(xiǎn)的不能直接正面接觸的現(xiàn)象，帶給我們一種身臨其境的感覺，同時(shí)無形中也會(huì)存在一些潛在的威脅，在思想和智力上會(huì)提出極大的挑戰(zhàn)。它可能會(huì)使人類做的事情會(huì)沒有太大的價(jià)值，重復(fù)度比較大；它的大規(guī)模推廣與大幅度的使用，是人類就業(yè)壓力會(huì)不斷增大，實(shí)用價(jià)值等存在問題。endprint

2虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是現(xiàn)代發(fā)展的一種高科技的電腦計(jì)算機(jī)媒體設(shè)備，它具有很高的技術(shù)含量?，F(xiàn)在國家的很多企業(yè)在研究發(fā)展虛擬技術(shù)，但是比較關(guān)注在建筑行業(yè)、醫(yī)學(xué)和藥材行業(yè)的開發(fā)研究，在教育中應(yīng)用很少。由于它在教學(xué)中所需要的資金，一般的學(xué)校難以接受的。如今科技的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用要在經(jīng)濟(jì)允許的狀況下才能夠在教學(xué)壞境中使用。其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下：（1）科研方面。目前，一些科學(xué)研究由于受到人力、物力等客觀條件限制，不能很好地、按計(jì)劃開展實(shí)施下去，使用VR技術(shù)可以幫助科研人員順利地進(jìn)行科研。另外，我國高校在許多領(lǐng)域都利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行課題研究，如：北京航天航空大學(xué)在分布式飛行模擬方面的應(yīng)用；浙江大學(xué)在建筑方面進(jìn)行的虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

（2）創(chuàng)設(shè)與虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以演示和虛擬教師、學(xué)生、歷史人物等各種人物形象，創(chuàng)設(shè)交互式學(xué)習(xí)環(huán)境。譬如：在思想品德課堂中，學(xué)生可以與虛擬先進(jìn)人物一起座談、交流，通過先進(jìn)人物的言行來感化學(xué)生，從而達(dá)到思想品德教育目的。

（3）建立與模仿虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室是指由VR技術(shù)生成的一類且適于模擬虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括有關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、實(shí)驗(yàn)信息資源以及實(shí)驗(yàn)對(duì)象等。利用VR技術(shù)，可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，如物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有功能全、成本低、避風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)，打破空間、時(shí)間的限制。

（4）建設(shè)虛擬實(shí)訓(xùn)基地。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來的虛擬實(shí)訓(xùn)基地。虛擬現(xiàn)實(shí)可以使學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演角色，有利于學(xué)生各種技能訓(xùn)練。如：在飛機(jī)駕駛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備，練習(xí)和操作在不同的天氣情況下駕駛飛機(jī)起飛、降落，通過反復(fù)訓(xùn)練，以期達(dá)到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中用戶能夠通過化身與場(chǎng)景中的物體和環(huán)境進(jìn)行交流互動(dòng)，同時(shí)還可以通過文本、語音甚至是面部表情的變化與其他用戶化身進(jìn)行交流和協(xié)作。同時(shí)又根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)是否面向社會(huì)開放這一屬性，又將虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)分為開放式和非開放式兩種——開放式平臺(tái)，主要包括Second Life、Active World；非開放式平臺(tái)，常見形式有River City、Quest Atlantis和WolfDen。其中，前者隸屬于哈佛大學(xué)，Quest Atlantis是屬于印第安納大學(xué)的非開放平臺(tái)，后者是印第安納大學(xué)。而非開放式平臺(tái)主要面向?qū)ο笫窃谛５膶W(xué)生、教師和相關(guān)的研究人員。

從整體看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的主要作用有：可以幫助學(xué)習(xí)者探索那些不能接觸到的地點(diǎn)和事物；向?qū)W生呈現(xiàn)那些難于觀察和測(cè)量的事物；為學(xué)生再現(xiàn)那些已不復(fù)存在的事物；為地域上相隔萬里的學(xué)習(xí)者提供合作學(xué)習(xí)和討論的環(huán)境；將抽象的、深?yuàn)W的學(xué)習(xí)內(nèi)容具體化和形象化；讓學(xué)生與虛擬的事物、環(huán)境進(jìn)行交流。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教學(xué)有很大的影響，例如：教師教學(xué)觀念得到了改變；課堂中的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改變；教學(xué)方法的改變；學(xué)習(xí)方式的改變等，對(duì)現(xiàn)代的教育事業(yè)有很大的影響，會(huì)促進(jìn)教育事業(yè)的發(fā)展。

VR技術(shù)不僅僅特指那些依賴頭盔和手套等傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，還包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、仿真體驗(yàn)的技術(shù)與方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以其強(qiáng)大的生命力和發(fā)展?jié)摿?duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式產(chǎn)生了巨大的沖擊，其應(yīng)用于教育教學(xué)中，對(duì)提高教學(xué)效率、改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力具有很大的重要意義。通過虛擬現(xiàn)實(shí)使教育能夠寓教于樂，有效地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)它還能夠有效地創(chuàng)建學(xué)習(xí)情景、支持合作、促進(jìn)交流、促進(jìn)知識(shí)表達(dá)和應(yīng)用，從而有效地構(gòu)建一個(gè)非常優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境。我們應(yīng)該對(duì)于新興的科技保持敏感，尤其應(yīng)該注意到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也很廣闊。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)備受各界人士的重視，它會(huì)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)產(chǎn)生更大的影響，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)教育系統(tǒng)將會(huì)成為二十一世紀(jì)教育的主流。

穆萍（1996-12），女，回族，寧夏中衛(wèi)人，西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院本科生，研究方向混合式學(xué)習(xí)。

馬國香（1994-08），女，回族，青海民和人，西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院本科生，研究方向混合式學(xué)習(xí)。

羅永霞（1994-04），女，回族，寧夏中衛(wèi)人，西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院本科生，研究方向混合式學(xué)習(xí)。

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