虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中的應(yīng)用研究

魏寶臣，韓娟娟

(牡丹江大學，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

一直以來，學生在學習過程中只是借助于書本、黑板以及教師講解來獲取知識的，但這種傳統(tǒng)的教學方式已經(jīng)越來越難以適應(yīng)時代的發(fā)展，而且許多教學內(nèi)容僅通過講解，仍舊很難幫助學生理解這些知識。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，為現(xiàn)代教學工作提供了一種新的思路，能夠?qū)虒W內(nèi)容中的許多抽象概念及原理進行虛擬化展示，從而使其從看不見、摸不到的抽象化知識轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢钥?、可以聽甚至可以摸的真實事物，這無疑能夠在很大程度上加深了對知識的理解，并且也能更加充分地調(diào)動學生的學習積極性與主動性。可以說，將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于現(xiàn)代教育工作中，能夠在很大程度上加快教學手段的革新，使教學成效得以進一步提高。

1 虛擬現(xiàn)實及其衍生技術(shù)的概念及特征分析

1.1 虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)

所謂虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)技術(shù)是一種將仿真技術(shù)、計算機技術(shù)以及傳感技術(shù)進行結(jié)合應(yīng)用的新興技術(shù)，利用VR技術(shù)，能夠構(gòu)建一種具有沉浸式的虛擬化交互環(huán)境，在此過程中，計算機會依據(jù)人體感官，將人類的視覺、觸覺和聽覺進行一體化融合，以此生成相應(yīng)的虛擬環(huán)境，在該虛擬環(huán)境中，用戶能夠借助于設(shè)備來實現(xiàn)和虛擬環(huán)境中各種對象的有效交互，并且這些虛擬對象還會對用戶帶來影響，從而給用戶帶來一種身臨其境的感受與體驗。對于虛擬現(xiàn)實而言，其具有三大主要特性，分別是沉浸性(Immersion)、構(gòu)想性(Imagination)以及交互性(Interaction)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了多學科的綜合交叉，通過和人工智能技術(shù)及其他相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)進行結(jié)合應(yīng)用，還能使虛擬現(xiàn)實進一步具備自我演進與智能化特征。

1.2 增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一種新興衍生技術(shù)，增強現(xiàn)實技術(shù)的英文簡稱為AR技術(shù)，這種技術(shù)是通過計算機進行顯示與交互，并通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)跟蹤和定位功能。增強現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)⒂嬎銠C生成的虛擬化事物或產(chǎn)品與現(xiàn)實場景進行疊加，從而起到一種補充現(xiàn)實的作用，進而在一定程度上增強了人體視覺、觸覺和聽覺等感官對現(xiàn)實世界的體驗感。對于增強現(xiàn)實技術(shù)而言，其同樣有3個主要特征，即虛實結(jié)合、三維配準以及實時交互。這種技術(shù)的顯示方式共包括3種，即以視距遠近為依據(jù)的手持式、頭載式以及空間展示。在許多領(lǐng)域中，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)，例如在教育工作中，通過增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)⑷D像、虛擬環(huán)境以及虛擬實驗展示給學生，而在旅游行業(yè)中，則能夠為游客的游玩提供有效幫助，使游客能夠通過虛擬影像了解到不同景區(qū)中所分布的人文景觀信息、歷史人物及事跡、發(fā)展歷史等。由此可見，增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用前景是非常廣闊的[1]。

1.3 混合現(xiàn)實(MR)技術(shù)

混合現(xiàn)實(Mix Reality，MR)技術(shù)同樣是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在不斷發(fā)展中形成的一種衍生技術(shù)，通過該技術(shù)能夠?qū)⑻摂M化的場景信息在現(xiàn)實場景中進行呈現(xiàn)，從而使用戶、虛擬世界以及現(xiàn)實世界能夠建立緊密的聯(lián)系，實現(xiàn)信息在三者之間的有效交互和反饋，進而使用戶獲得更加真實的體驗感。對于混合現(xiàn)實技術(shù)而言，其兼顧了虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實這兩種技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。相比于增強現(xiàn)實技術(shù)而言，混合現(xiàn)實技術(shù)的區(qū)別是利用攝像頭使用戶能夠看到用肉眼無法看到的現(xiàn)實，而增強現(xiàn)實技術(shù)則只是負責對虛擬現(xiàn)境進行疊加，但卻不會對現(xiàn)實自身進行考慮。

1.4 擴展現(xiàn)實(ER)技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)不斷發(fā)展中，其必將進入一種高級的發(fā)展階段，而在該階段中必然衍生出一種新型技術(shù)，即擴展現(xiàn)實(Extent Reality，ER)技術(shù)，這種技術(shù)是將物聯(lián)網(wǎng)與人聯(lián)網(wǎng)進行整合而形成的，通過這種技術(shù)，能夠使現(xiàn)實與虛擬之間的邊界進一步模糊，從而使虛擬現(xiàn)實得以進一步在現(xiàn)實中擴展，在那時人們將無法對現(xiàn)實世界與虛擬世界進行準確地分辨[2]。

2 虛擬現(xiàn)實在教學中的應(yīng)用研究

在教學領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)擁有巨大的應(yīng)用潛力，通過虛擬現(xiàn)實及增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，可以激發(fā)學生的學習興趣，同時學生的學習也能打破時空的局限性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，使教育工作者能夠?qū)⑵渥鳛橐环N新型的教學工具，進而使學生能夠在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中獲得學習體驗。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使原有的“以教促學”學習方式轉(zhuǎn)變成由學生采用現(xiàn)代化工具來對知識與技能進行高效獲取的新型學習方式。以下便深入研究虛擬現(xiàn)實相關(guān)設(shè)備在教學工作中的應(yīng)用[3]。

2.1 教學中頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備的應(yīng)用

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，頭戴式設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)手套、頭戴式顯示器、位置跟蹤裝置以及相關(guān)配套設(shè)備，對于頭戴式設(shè)備來說，可將其分為分體式頭盔與移動式頭盔。在頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備應(yīng)用中，學生通過佩戴頭盔設(shè)備來獲得虛擬現(xiàn)實體驗，從而使其能夠置身于虛擬環(huán)境中進行學習，并從學習過程中獲得由虛擬環(huán)境所提供的沉浸式體驗。這無疑能夠在很大程度上提高學生的學習主動性。在頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備中，其硬件包括光學投影系統(tǒng)、全息處理單元、存儲部分、攝像頭與傳感器以及麥克風、耳機等附件，學生在應(yīng)用頭戴式虛擬現(xiàn)實設(shè)備進行學習后，便不需要使用電腦與手機，只需利用雙手進行操作即可，這使得學生能夠按照學習要求來進行相應(yīng)的操作，從而更加高效地完成學習任務(wù)。[4]

2.2 教學中桌面式虛擬現(xiàn)實設(shè)備的應(yīng)用

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，除了頭戴式設(shè)備以外，還有桌面式虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品，該產(chǎn)品是由美國zSpace企業(yè)所研發(fā)的，早在2013年美國便已使用該產(chǎn)品，并對該產(chǎn)品進行了更新?lián)Q代。在桌面式虛擬現(xiàn)實設(shè)備中，還對學科課件進行了開發(fā)，這使得教師能夠通過桌面式虛擬現(xiàn)實平臺中所具有的課件來進行教學，此外還可對新課件進行自主開發(fā)。對于桌面式虛擬現(xiàn)實設(shè)備來說，除了能夠作為教學工具進行使用，還有非常豐富的教學素材和學習資源，此外其平臺系統(tǒng)還配置了課件資源開發(fā)工具，教師能夠在平臺中導(dǎo)入相應(yīng)格式的3D模型文件，并為其附上聲音、文字、圖片及視頻等，以此實現(xiàn)課件資源的自行開發(fā)與制作，在此過程中，教師還可自由地對課件資源進行修改，這些功能無疑能夠大幅提升教學針對性，使教學工作得以更加高效的開展。

2.3 教學中手持式虛擬現(xiàn)實設(shè)備的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可通過手持式設(shè)備來進行教學，手持式虛擬現(xiàn)實設(shè)備將APP軟件和移動設(shè)備進行了有機結(jié)合，其中APP主要有4D書城、視視AR、幻視等，此外還配備了與增強現(xiàn)實圖書進行配套的多種APP，例如恐龍爭霸賽來了、實驗跑出來了等，這些APP的原理是通過手機攝像頭對現(xiàn)實影像進行獲取，然后借助于手機將虛擬形象疊加于現(xiàn)實世界中，從而增強現(xiàn)實顯示效果。在一些APP內(nèi)還有很多教育資源，例如各種益智類游戲、安全教育、識物卡片等，這使其非常適用于對幼兒及兒童進行教育。在應(yīng)用過程中，可將APP和配套圖書進行共同使用，由手機攝像頭對圖書內(nèi)容進行掃描，以此對該內(nèi)容進行虛擬現(xiàn)實演示。此外還可通過下載APP中的資源來疊加至外界實景中。借助于虛擬現(xiàn)實所衍生出的AR技術(shù)，可獲得逼真的現(xiàn)實特效，并可通過APP來學習，從而使學習活動變得更加富有沉浸感和真實感，進而激發(fā)學生的學習興趣，使教學能夠達到寓教于樂的目的[5]。

3 虛擬現(xiàn)實在教學中的應(yīng)用優(yōu)勢

在教學領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實及其衍生技術(shù)在應(yīng)用過程中具有以下應(yīng)用優(yōu)勢：(1)學生能夠隨時隨地的利用虛擬現(xiàn)實設(shè)備來自主學習這些教學資源，并且通過虛擬現(xiàn)實還可實現(xiàn)微課教學，而教師則不需進行繁重的重復(fù)性講解；(2)虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠使學生的學習獲得更加真實的體驗，在一些教學中，需要對教學內(nèi)容進行立體化展示，學生只需佩戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備，即可在虛擬化環(huán)境中對這些內(nèi)容進行不同角度的觀察和學習，從而使學習變得更加真實；(3)虛擬現(xiàn)實及其衍生技術(shù)可激發(fā)學生的學習興趣，利用AR，VR技術(shù)，能夠?qū)W生的視覺、觸覺和聽覺等感官進行一體化結(jié)合，以使學生獲得真實的情境體驗，并從中感受到交互的樂趣，學習內(nèi)容變得可以感知、可以互動甚至可以觸摸，從而有效擺脫了以往枯燥乏味的學習氛圍。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還能使我國的教育資源分布變得更加均衡，由于經(jīng)濟水平的差異，使得不同地區(qū)所具有的教育資源有著明顯的差距，通過VR技術(shù)、AR技術(shù)等，則使教育資源在更大范圍內(nèi)共享，進而使教育資源不受地理位置的限制，使更多優(yōu)質(zhì)的教育資源能夠向農(nóng)村地區(qū)進行傾斜。

4 結(jié)語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與興起，其在教學領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍將進一步擴大，同時其給教學工作也將帶來更為深遠的影響。在不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學工作中已不再只是一種平臺或工具，而是改變教師教學與學生學習方式的推動力量。對于學校來說，必須要對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的相關(guān)特性進行深入研究，并結(jié)合自身教育定位及實際需求，積極探索虛擬現(xiàn)實在教育教學等方面的深化應(yīng)用，這樣才能使我國的教育改革工作迎來更加美好的明天。