虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在中學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用

武若暉

（石家莊一中 河北 石家莊 050019）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在中學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用

武若暉

（石家莊一中 河北 石家莊 050019）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)仿真系統(tǒng)。它利用計算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，采用交互式的三維動態(tài)視景和系統(tǒng)仿真，給人以愈發(fā)逼真的場景，使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有交互性、沉浸感和想象力的特點，它能夠直觀的呈現(xiàn)抽象問題，符合中學(xué)生的認(rèn)知過程，因此在中學(xué)教育教學(xué)過程中被越來越多地應(yīng)用，成為現(xiàn)代教學(xué)的一大亮點。但是，由于各方面的原因，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)過程中的應(yīng)用并不成熟，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境還有待完善。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；現(xiàn)代教學(xué)；應(yīng)用

1 引言

作為一名中學(xué)生，在學(xué)習(xí)過程中深切感受到，對有些知識的學(xué)習(xí)和掌握僅僅通過傳統(tǒng)的教學(xué)方式，依靠課本、黑板和老師的講述是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，比如說原子核裂變、基因突變、分子的立體結(jié)構(gòu)，等等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR)提供了方便學(xué)生觀察新事物或新現(xiàn)象的有效途徑，采用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的多媒體教學(xué)，能使很多抽象的概念、原理等難理解的內(nèi)容以及看不到的物質(zhì)形象生動地表現(xiàn)出來，使原本枯燥無味而又難以理解的知識變成形象直觀的內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，將使學(xué)生由知識的被動接受者變成虛擬環(huán)境中的一名積極參與者，這對調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生的技能將起到無可替代的作用。本課題旨在通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)特有的優(yōu)勢和重要性的分析，說明該技術(shù)在現(xiàn)代教育教學(xué)中具有普遍推廣和使用的必要性，以引起相關(guān)部門和教育工作者的關(guān)注，從而改進(jìn)教學(xué)手段，提高教學(xué)實效。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念

虛擬現(xiàn)實亦作虛擬實境（Virtual Reality），簡稱VR，VR也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，此技術(shù)是利用電腦模擬，進(jìn)而產(chǎn)生三度空間的虛擬世界，它能夠提供用戶有關(guān)聽覺、視覺、觸覺等方面的模擬。該技術(shù)集成了計算機(jī)仿真、計算機(jī)圖形、人工智能、傳感、網(wǎng)絡(luò)及顯示并進(jìn)行處理等。使此技術(shù)取得最新發(fā)展成果，此高科技模擬系統(tǒng)是由計算機(jī)技術(shù)輔助而生成。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)主要包括自然技能、模擬環(huán)境、傳感設(shè)備、和感知等方面。模擬環(huán)境它是由計算機(jī)生成的實時動態(tài)的三維立體逼真圖像。自然技能是指人的頭部轉(zhuǎn)動包括手勢、眼睛、或著其他方面人體的行為動作，由計算機(jī)進(jìn)行處理，并與參與者的動作做出相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，對用戶的輸入作出實時響應(yīng)，分別反饋到用戶的五官。感知是指理想的VR具有一切人所具有的感知。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實技術(shù)它是由多種技術(shù)綜合集成，其研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：

2.2.1 環(huán)境建模技術(shù)，即虛擬環(huán)境的建立。其目的是獲取實際三維環(huán)境中的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)，搭建相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型，如用于天文教學(xué)的虛擬星系模型等。

2.2.2 立體聲合成和立體顯示技術(shù)，是指在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關(guān)性，同時在復(fù)雜的場景中實時生成立體圖形，如物理實驗教學(xué)中的實驗用器具及實驗產(chǎn)生的聲、光、電等，而聲源、光源應(yīng)與虛擬環(huán)境緊密融合為一體。

2.2.3 觸覺反饋技術(shù)，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺，如飛行實驗中操縱把柄的握覺、失重感，以及潛水實驗中的壓力、浮力等。

2.2.4 交互技術(shù)，是指虛擬現(xiàn)實中的人機(jī)交互，超出了鼠標(biāo)和鍵盤的傳統(tǒng)模式，利用數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等傳感器設(shè)備，使三維交互技術(shù)與、語音識別技術(shù)與語音輸入成為重要的人機(jī)交互手段。

2.2.5 系統(tǒng)集成技術(shù)，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，包括大量的模型和感知信息，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)為重中之重，此技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、合成技術(shù)、模型標(biāo)定技術(shù)、信息同步技術(shù)和識別等等。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心設(shè)備不外乎還是計算機(jī)，其主要功能是生成虛擬境界的圖形，又稱之為圖形工作站。此系統(tǒng)綜合利用了多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多傳感器技術(shù)和并行處理技術(shù)，通過模擬人的聽覺、視覺、觸覺等感覺器官的功能，使人沉浸在計算機(jī)生成的虛擬境界中。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是采用以計算機(jī)技術(shù)方面為主，以多種信息技術(shù)和其他高技術(shù)的手段，能在特定的范圍內(nèi)，生成一種能夠融合人的觸覺、嗅覺、聽覺、和視覺于一體，逼真的三維人工虛擬環(huán)境，使用戶能和虛擬環(huán)境產(chǎn)生互動，從而產(chǎn)生“聞、觸、聽、看”，這些在真實的世界當(dāng)中才會有的體會，強(qiáng)調(diào)了在虛擬系統(tǒng)中的人的主導(dǎo)作用。與傳統(tǒng)的數(shù)字仿真系統(tǒng)比較，一般具有以下特征：

2.3.1 多感知性，指用多種傳感器與多維信息的虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用，除計算機(jī)所具備的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括嗅覺、味覺、感知等。理想的虛擬現(xiàn)實，應(yīng)該具有人體所具有的一切感知功能。

2.3.2 存在感，指通過多種傳感器對人體的反觸，讓參與者在虛擬環(huán)境中有身臨其境的感覺。用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度，取決于參與者通過多種傳感器與計算機(jī)系統(tǒng)之間的交互功能。理想的模擬環(huán)境，應(yīng)該達(dá)到讓用戶都難以分辨真假的程度。

2.3.3 交互性，指參與者通過多種傳感器對虛擬環(huán)境中的事物進(jìn)行操控、感觸的同時，虛擬環(huán)境通過傳感器對參與者進(jìn)行反觸，每項每次的信息交流都是相互的。用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作和從環(huán)境得到反饋上相互的，而且這種操作和反饋是實時的。

2.3.4 自主性，指虛擬環(huán)境是由用戶根據(jù)自己的需要設(shè)計營造的，其中的物體，它是依據(jù)現(xiàn)實世界的實物以及物理運動定律動作設(shè)計制作，在虛擬現(xiàn)實中，各種事物的運行要符合現(xiàn)實的客觀規(guī)律，用戶在虛擬現(xiàn)實運行中處于主導(dǎo)地位。

3 中學(xué)教育教學(xué)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢分析

教師在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方面承擔(dān)著主要的教學(xué)責(zé)任，但是進(jìn)入中學(xué)階段以后，學(xué)生學(xué)習(xí)知識，不再是單純的由教師向?qū)W習(xí)者傳遞灌輸，而是需要學(xué)生自己去不斷地建構(gòu)知識體系，體驗這個過程。教師只是起著幫助學(xué)生建構(gòu)知識的作用而已。中學(xué)生學(xué)習(xí)不再是信息的簡單積累，已經(jīng)開始受到學(xué)生自判斷和選擇的影響，同時包含因新舊經(jīng)驗的沖突，導(dǎo)致思想轉(zhuǎn)變和知識結(jié)構(gòu)重組。在整個學(xué)習(xí)的過程當(dāng)中，其實并不是信息簡單的輸入、存儲和提取，而是新舊經(jīng)驗之間相互交替作用的過程，需要經(jīng)歷創(chuàng)設(shè)情境、建立假設(shè)、搜集信息、努力探索、驗證假設(shè)、認(rèn)真思考等一系列環(huán)節(jié)。每個人能夠親身去經(jīng)歷、親自去感受，比空洞抽象的說教其實更具說服力。主動地去交互與被動的灌輸，在本質(zhì)上是有差別的。虛擬現(xiàn)實利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學(xué)、生物實驗室等等，擁有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢：

3.1 節(jié)省成本。提到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，人們首先想到的是價格不菲的電子設(shè)備和居高不下的開發(fā)費用，認(rèn)為成本太高。但考慮到硬件軟件的共用共享和節(jié)約的房屋建筑等成本，以及重復(fù)使用和節(jié)約的材料成本，其試驗的單位成本是較低的。一些和高尖端的試驗，我們由于設(shè)備、場地、經(jīng)費等硬件的限制，使許多實驗都無法進(jìn)行，而利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，能夠讓學(xué)生足不出戶，便可以做各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會。尤其針對耗用昂貴材料較多的實驗，極大的節(jié)省了成本。

3.2 規(guī)避風(fēng)險。許多中學(xué)生都是第一次接觸所學(xué)的試驗，在化學(xué)、物理的真實實驗或操作中往往會存在著各種各樣的危險，例如：化學(xué)課上的有關(guān)王水的實驗，以及物理課上有關(guān)高壓電弧的實驗等，如果操作稍有不慎可能會贊成非常嚴(yán)重的后果，而這種壓力往往讓學(xué)生因為緊張或?qū)е率‰y以收到應(yīng)有的教學(xué)效果。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行虛擬實驗，既可以讓學(xué)生清晰、形象地觀察試驗的全過程，還可以體驗現(xiàn)場操作的感受，學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種危險的實驗，而且可以重復(fù)試驗，直到達(dá)到教學(xué)目的。

3.3 拓展空間。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中學(xué)生需要掌握的自然科學(xué)知識更加浩瀚、精微，大到宇宙天體，小至原子粒子，在現(xiàn)實條件下，這些試驗都是難以實現(xiàn)的。但利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以打破空間、時間的限制，不出教室在虛擬的實驗室中，學(xué)生都可以上天下海，感觸宇宙的浩瀚和海底的深邃，還能進(jìn)入這些物體的內(nèi)部觀察粒子的運行，甚至觀察化學(xué)反應(yīng)過程。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實驗往往要幾個月的時間，而虛擬技術(shù)在一堂課內(nèi)就可以實現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型的教學(xué)技術(shù)，在許多方面還不成熟，把這種技術(shù)引入中學(xué)教學(xué)，一定要弄清其基礎(chǔ)教育課堂應(yīng)用中的定位，否則將會影響學(xué)校教學(xué)的正常進(jìn)行。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以用真實的、動態(tài)的虛擬影像，以強(qiáng)烈的感官體驗達(dá)到教育目的，但在一些動手的實驗中，虛擬現(xiàn)實中對不同質(zhì)地物體的觸覺，與真實現(xiàn)實中有一定差距，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。由于學(xué)生們對真實現(xiàn)實缺乏足夠的體驗，這些虛擬環(huán)境過于“真實”，教學(xué)后還應(yīng)對學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)男睦磔o導(dǎo)，防止學(xué)生對虛擬環(huán)境產(chǎn)生幻覺和依賴。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)教育教學(xué)應(yīng)用障礙

虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然已經(jīng)在娛樂藝術(shù)、醫(yī)學(xué)軍用、城市規(guī)劃等得到廣泛應(yīng)用，但無論是技術(shù)成熟還是使用者心理接受能力，都還有一段很長的路要走。諸如：

4.1 中學(xué)教育界對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的認(rèn)知程度還有待進(jìn)一步提高。當(dāng)前中學(xué)教育界對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用還不太看好。一是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的必要性不太看好，不少學(xué)校注重的還是升學(xué)率，而對學(xué)生對尖端科技知識體驗認(rèn)知的必要性不太看重；二是對首次投入的巨額費用有一種恐懼，認(rèn)為首次投入高就會加大教學(xué)成本；三是在虛擬現(xiàn)實需要的人才技術(shù)、組織制度和心理上缺少準(zhǔn)備。

4.2 資源共享方面的限制。從現(xiàn)在中學(xué)學(xué)校的規(guī)模來看，一般相對較小，確認(rèn)是經(jīng)濟(jì)資源還是人力資源，僅計算機(jī)設(shè)備等硬件投資都是很大的壓力，更沒法談龐大的軟件系統(tǒng)開發(fā)。雖然現(xiàn)在大多數(shù)的中學(xué)是政府經(jīng)辦，但在資源管理使用方面幾乎是各自獨立的，甚至在教學(xué)創(chuàng)新方面，不少學(xué)校是互相保密的。這使少數(shù)的中學(xué)不僅不能承受初始投資巨大的經(jīng)濟(jì)和人才壓力，而且還因擔(dān)心創(chuàng)新成功后知識產(chǎn)權(quán)等方面的保障影響其創(chuàng)新動力。

4.3 技術(shù)方面。雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其多數(shù)僅限于視覺、聽覺等方面，而在中學(xué)教學(xué)試驗應(yīng)用體驗還存在比較大的技術(shù)局限性，有些問題，到現(xiàn)在仍然還沒有很好的解決辦法。

（1）沒有真正進(jìn)入可操作虛擬實驗室的方法，在許多技術(shù)方面都還受到限制，如現(xiàn)有的手套不能解決操控?zé)?、滴管的觸覺，進(jìn)行化學(xué)試驗的嗅覺，以及戶外行走的活動范圍等。

（2）在虛擬實驗室中，針對不同的試驗，如何“輸入”也是一大困擾。如在虛擬的化學(xué)試驗中，通過專用手套如何對虛擬的量杯進(jìn)行操作，而量杯的形狀、大小又如何反應(yīng)給操作者，尤其是對比較精確的測量更難實現(xiàn)。

（3）缺乏虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)實驗中統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在中學(xué)教學(xué)試驗中仍處于初級階段，無論是硬件軟件配置還是試驗流程、操作規(guī)程及結(jié)果的精準(zhǔn)度似乎大家都沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，難以確保實現(xiàn)教學(xué)目的。

（4）電子設(shè)備的反應(yīng)速度還難以與人體的反應(yīng)速度充分協(xié)調(diào)，容易讓人感到疲勞，如已經(jīng)廣泛應(yīng)用的視覺、聽覺技術(shù)，鏡頭的加速移動與人的視覺神經(jīng)的反應(yīng)差距，就會帶來不同的焦點，甚至直接會暫時影響用戶的視力，而觸覺反應(yīng)速度的差距可能會更大，會嚴(yán)重影響教學(xué)試驗的效果。

（5）受當(dāng)前硬件軟件技術(shù)限制，許多精準(zhǔn)度要求較高的應(yīng)用設(shè)備佩戴起來非常笨重，除了使用過程中需要長時間適應(yīng)外，還容易讓人疲勞，這對尚未成年的中學(xué)生來說還很不適用。

以上的應(yīng)用障礙是顯而易見的，但從現(xiàn)代科技發(fā)展的速度看，這一形勢將會很快改觀。一是需求改變認(rèn)知，高科技的快速發(fā)展要求中學(xué)教學(xué)加強(qiáng)對宇宙天體、原子粒子等的實驗教學(xué)，這些教學(xué)需求將推動業(yè)界改變對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的認(rèn)知，從而推動加快對該技術(shù)在中學(xué)實驗教學(xué)中的研發(fā)推廣。二是制度創(chuàng)新為資源共享提供可能，從而降低虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)應(yīng)用成本，為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)用增加動力。三是虛擬現(xiàn)實技術(shù)自身的進(jìn)步讓使用者對虛擬對象的操控及反應(yīng)精準(zhǔn)度大大提高，同時其應(yīng)用設(shè)備將更加精巧、便捷，讓虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)用變?yōu)榭尚小?/p>

5 課題結(jié)項報告的主要階段成果

第一階段：2016-7-5到2016-8-30課題開題報告的論證，對課題進(jìn)行可行性論證；

第二階段：2016-9-1到2017-1-1材料的搜集和整理，初步形成對課題的主要觀點；

第三階段：2017-1-2到2017-6-7完成論文的寫作，達(dá)到答辯要求。

6 課題結(jié)題報告終結(jié)成果目錄

論文：虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在中學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用

[1]張菁.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]李欣.虛擬現(xiàn)實及其教育應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

TP391.9 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0123-03