探析VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

孫瑜

摘要：隨著新課標(biāo)的出臺(tái)，創(chuàng)新教學(xué)成為教育改革的重要任務(wù)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)因空間和時(shí)間局限以及費(fèi)用高等問題難以有效開展，近些年來，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)興起，并逐步應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，本文簡(jiǎn)述了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念及特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上探析了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 教學(xué)實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用

我們?cè)趯W(xué)習(xí)知識(shí)過程中離不開實(shí)驗(yàn)的指引，教學(xué)實(shí)驗(yàn)是日常教學(xué)活動(dòng)中關(guān)鍵的一環(huán)，通過實(shí)驗(yàn)，能夠讓我們理論聯(lián)系實(shí)際，鍛煉我們的動(dòng)手能力、培養(yǎng)分析問題以及解決問題的能力，在實(shí)驗(yàn)摸索過程中，提升了我們對(duì)課堂上所學(xué)知識(shí)的理解，激發(fā)了同學(xué)求知欲和學(xué)習(xí)興趣，讓課堂氛圍變得更加活躍，學(xué)生在課堂上的注意力和積極性也會(huì)得到提高。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)因?yàn)閳?chǎng)地、經(jīng)費(fèi)以及耗時(shí)等問題在實(shí)際開展過程中的效果并不理想。與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和通信技術(shù)等的不斷發(fā)展，以VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為典型的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展并突破了一定的技術(shù)瓶頸，應(yīng)用范圍逐漸拓展，利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)也成為各個(gè)學(xué)校教學(xué)創(chuàng)新的一個(gè)重要舉措。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足

（一）投資費(fèi)用比較高

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室一旦開展實(shí)驗(yàn)，不但要購買大量的試劑、耗材，設(shè)備，還要對(duì)實(shí)驗(yàn)室以及設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，因此這對(duì)于一般科研經(jīng)費(fèi)較少的學(xué)校來說，實(shí)驗(yàn)成本導(dǎo)致的投資費(fèi)用比較高。

（二）傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)間和空間的要求較高

筆者發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)樓和教學(xué)樓不在一塊，我們?cè)谏蠈?shí)驗(yàn)課之前，都要提前去實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，而教學(xué)實(shí)驗(yàn)也僅僅只有45分鐘或者60分鐘的課堂時(shí)間，有些教學(xué)實(shí)驗(yàn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是無法完成的，如果拖堂，又會(huì)影響其他文化課的時(shí)間。所以，傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)由于時(shí)間和空間的限制不易取得較好的效果。

（三）傳統(tǒng)一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)無法真正有效開展

部分實(shí)驗(yàn)存在一定危險(xiǎn)性，實(shí)際操作性較差，但如果不開展，學(xué)生又無法真正理解其中的理論知識(shí)。比如做食品的微波消解教學(xué)實(shí)驗(yàn)，就需要用到大量的高濃度強(qiáng)硝酸，而硝酸具有強(qiáng)腐蝕性，稍有不慎，就會(huì)威脅生命安全。

二、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

（一）VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人工智能研究領(lǐng)域的重要課題之一，又被成為是人工模擬環(huán)境技術(shù)，它主要基于視覺、觸覺等感官，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的交互和交互。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究離不開人工智能、圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)以及人機(jī)對(duì)接技術(shù)等，正是在這些技術(shù)高度融合與集成的基礎(chǔ)上，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠模擬出一個(gè)虛幻的“真實(shí)”環(huán)境。

（二）VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)包括：交互性、構(gòu)想性以及沉浸性。在仿真的環(huán)境中，用戶可以借助交互設(shè)備，與虛擬的對(duì)象進(jìn)行交互，比如，在仿真的實(shí)驗(yàn)室里開展微生物等教學(xué)實(shí)驗(yàn)。而在這一切互動(dòng)的過程中，所有的仿真對(duì)象都是在個(gè)人的認(rèn)知與感覺的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的，構(gòu)造的現(xiàn)象是現(xiàn)實(shí)中無法想象的，比如牛頓第一定律的理想環(huán)境是在真空狀態(tài)下研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，這在平常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是無法完成的，基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的構(gòu)想性，在模擬的真空環(huán)境下就可以研究物體的運(yùn)動(dòng)變化；在這一系列的交互過程中，能夠讓用戶無法辨別構(gòu)造的世界是否是虛擬的，讓用戶“沉浸”在構(gòu)想的世界中，一切交互都讓用戶感覺是真實(shí)的。

三、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

（一）VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供多種感知的類型

在VR虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，人們可以通過視覺、觸覺、聽覺等所有感官感受來感知虛擬環(huán)境的變化。在理想的狀態(tài)下，虛擬環(huán)境能夠提供人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)環(huán)境中所能感知的信息。諸如在物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，虛擬環(huán)境側(cè)重的是機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及觸覺等方面的感知，而在生命科學(xué)以及化學(xué)中，則相對(duì)側(cè)重的是味覺、嗅覺以及視覺等方面的感知，比如在虛擬的生物環(huán)境中，可以不通過顯微鏡，就可以身臨其境地將自己置身于微生物的世界中，觀察不同的微生物的形態(tài)特點(diǎn)、代謝方式等。

（二）VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)感知能力

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用之一，即是該技術(shù)具備現(xiàn)場(chǎng)感知能力。通過VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)仿真的環(huán)境，用戶所體驗(yàn)到的環(huán)境真實(shí)感極高?；谶@種現(xiàn)場(chǎng)感知的屬性，用戶能夠在這種環(huán)境中，真實(shí)地感受到與現(xiàn)實(shí)情況一樣的變化。比如，在仿真的真空太空中，用戶置身于其中，身體會(huì)因沒有地球引力而漂浮起來，用戶之間的講話也需要通過介質(zhì)來傳遞，這些所有的現(xiàn)場(chǎng)感知均與現(xiàn)實(shí)太空中的一模一樣。

（三）VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生與試驗(yàn)場(chǎng)景的交互

在虛擬技術(shù)的環(huán)境中，學(xué)生可以通過交互設(shè)備與試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行交互，在交互的過程中，用戶能夠感受到操作的真實(shí)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)研究者與課題實(shí)驗(yàn)的深度互動(dòng)，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比如，用戶在虛擬環(huán)境中觀察微生物，能夠像現(xiàn)實(shí)顯微鏡環(huán)境那樣感受到微生物的繁殖過程。由此可見，在仿真的環(huán)境中，用戶可以通過交互設(shè)備，完成傳統(tǒng)教學(xué)中不便開展的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。同樣的，在交互的過程中，我們會(huì)對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程以及相應(yīng)的理論知識(shí)掌握的更加透徹，比如，我們平常在書本上看到的微生物照片就沒有置身于VR虛擬的微生物世界中“親眼”看到的微生物印象深刻。

（四）VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)中自然物理形態(tài)

自然物理形態(tài)，就是物體在真實(shí)環(huán)境中所表現(xiàn)出的形態(tài)自然變化，比如物體受力會(huì)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。在仿真的環(huán)境中開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們可以通過傳感設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行操作，當(dāng)操作者發(fā)出相應(yīng)的指令，這些指令通過傳感器傳遞給實(shí)驗(yàn)對(duì)象，VR虛擬系統(tǒng)在接收到傳感器信息后，會(huì)提供出相應(yīng)的反饋動(dòng)作，能夠給觀察者呈現(xiàn)三維立體的感知變化，由此能使觀察者更為全面的感知和理解實(shí)驗(yàn)過程。

四、結(jié)語

綜上所述，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于其自身能夠提供多種感知類型、臨場(chǎng)感知、實(shí)現(xiàn)交互以及自然物理形態(tài)等，而廣泛地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的費(fèi)用高、空間與時(shí)間限制等方面的不足。筆者相信，隨著VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷地突破技術(shù)瓶頸，必然更加有效地推動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的提升。

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（作者單位：山東省濰坊實(shí)驗(yàn)中學(xué)）