虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對教學(xué)設(shè)施的基本要求

張 疆

(內(nèi)蒙古開放大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介

在目前技術(shù)條件下，“虛擬現(xiàn)實(shí)”是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過特定感知設(shè)備的輸入輸出功能(功效)，在用戶視覺映像中構(gòu)建一個(gè)虛擬的、非物理存在的環(huán)境，卻能使人“感到”像實(shí)際存在效果的技術(shù)。

通行的另外一個(gè)關(guān)于它的概念：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，并且有機(jī)結(jié)合了諸如傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫模擬與仿真、媒體顯示/表現(xiàn)等多種技術(shù)，得到迅速發(fā)展和應(yīng)用的一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用形式。

二、教學(xué)過程中虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用構(gòu)想

由于虛擬現(xiàn)實(shí)能帶給用戶“浸入式”感知效果，所以把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在某些學(xué)科的教學(xué)過程中，通常會帶來更加有效的教學(xué)效果。就目前大多數(shù)的教育過程來看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是能夠廣泛應(yīng)用在課堂教學(xué)中或(和)實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)教學(xué)等過程中的。

(一)課堂教學(xué)

無論是面授(線下)，還是遠(yuǎn)程(線上)，集中性的“課堂”教學(xué)過程，都存在利用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而進(jìn)行的多種教學(xué)手段。考慮到學(xué)科之間的差異，我們可以想象到在不同學(xué)科運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行教學(xué)所發(fā)揮作用的不同。因此需要根據(jù)不同學(xué)科來分別分析一下，該學(xué)科進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)時(shí)，所需配套教學(xué)設(shè)施的基本要求。

從虛擬現(xiàn)實(shí)的主要應(yīng)用形式看，目前比較廣泛的應(yīng)用點(diǎn)還是展示性輸出為主。鑒于這個(gè)應(yīng)用特性，很自然的就能想到以媒體展示/演示為主的學(xué)科，或者具有上述特性的教學(xué)內(nèi)容，比如：三維空間、場景及物體等的展示，在理論上都有運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)手段的可能性。在虛擬現(xiàn)實(shí)之前，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的展示，無論二維技術(shù)，還是準(zhǔn)三維技術(shù)，都是一種讓觀察者感覺到“第三方”的用戶體驗(yàn)感知效果。如果運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則能夠把觀察者更加深層次的“拉”進(jìn)視覺場景中，從而使用戶享受到“虛擬式現(xiàn)實(shí)”沉浸級的感知及體驗(yàn)效果。

空間、場景、物體等資源，當(dāng)采用“虛擬現(xiàn)實(shí)”級的應(yīng)用時(shí)，有一定的前置條件需要滿足：就是虛擬環(huán)境中展示的空間、場景及物體，需要通過一定的方式，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行構(gòu)建，也就是通常說的“建?！眴栴}。

就目前能得到應(yīng)用的建模方式來說，主要有下面幾種。因此，進(jìn)行教學(xué)時(shí)所需要的配套設(shè)施，也自然而然的需要考慮合理融入這些必要的設(shè)備。

1.三維建模設(shè)施

市場上可以尋到的三維掃描儀設(shè)備，主要為接觸與非接觸兩種類型。其中，非接觸式掃描儀進(jìn)一步可分為主動(dòng)與被動(dòng)兩種掃描方式。

接觸式三維掃描儀：通常需要通過某種光學(xué)等手段穿透實(shí)物表面，通過某種算法獲得物體在不同維度的深度值。如座標(biāo)測量機(jī)是一種十分典型的接觸式三維掃描儀。接觸式三維掃描由于獲得實(shí)物數(shù)據(jù)精確、逼近，所以常常用于工程制造類行業(yè)及學(xué)科。然而因其在掃描過程中必須接觸物體，待測物有遭到探針破壞甚至損毀的可能性，因此不適用于珍貴實(shí)物對象的構(gòu)建。

主動(dòng)式非接觸掃描：一般需要將外部能量投射至待識別物體上，憑借能量反射來計(jì)算三維物體的空間數(shù)據(jù)。投射能量通常使用可見光、高能光束、超音波與X射線等。

三維掃描設(shè)備的主要應(yīng)用場合：

(1)文化資產(chǎn)展示

透過3D掃描可將各種對象進(jìn)行記錄，小至各種文物、藝術(shù)品，大至歷史建筑、街區(qū)建筑甚至整體都市環(huán)境都可以透過掃描數(shù)字化，作為文化資產(chǎn)之應(yīng)用。因此，人文類學(xué)科特別是歷史、考古等專業(yè)，利用三維掃描技術(shù)，對某些歷史遺跡、文物等對象進(jìn)行計(jì)算機(jī)“成模”，然后再施以必要的虛擬環(huán)境中的交互，會讓教學(xué)過程變得更加生動(dòng)。

實(shí)物經(jīng)過三維掃描后所得模型，其還原度通常能達(dá)到99%左右。尤其是在物體表面的紋飾和細(xì)節(jié)特征方面，三維掃描能提供更精確地“重現(xiàn)”。另外還能獲取實(shí)物的表面積和體積等參數(shù)。這些都可以更好地應(yīng)用在歷史學(xué)科中，比如對殘缺不全文物的修復(fù)，三維掃描可以把文物的物體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)中的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，然后通過計(jì)算、模型重建等過程，為物體修復(fù)提供十分精確的數(shù)據(jù)依據(jù)。這一特性同樣可以應(yīng)用到實(shí)物修復(fù)建模等課程環(huán)節(jié)中。

(2)逆向工程

“逆向工程”是通過對某目標(biāo)對象進(jìn)行逆向分析、研究，直至得出該產(chǎn)品的處理流程、組織結(jié)構(gòu)、功能性能規(guī)格等設(shè)計(jì)要素，以制作出功能“類似”產(chǎn)品。逆向工程的主要目的是直接從成品分析推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理。

通過虛擬現(xiàn)實(shí)，可以為教學(xué)目標(biāo)對象構(gòu)建一個(gè)與實(shí)物同樣的三維物體，然后在虛擬環(huán)境中使用，完成相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)。如數(shù)學(xué)專業(yè)中的幾何類問題，可以考慮利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VRML語言)，在虛擬場景中構(gòu)建相應(yīng)的幾何空間，然后讓學(xué)生從各種視角去觀察，增強(qiáng)直觀理解。

2.立體空間的展示

“立體空間”是在現(xiàn)實(shí)存在或在歷史中曾經(jīng)真實(shí)存在的空間。在部分學(xué)科的教學(xué)中，其相關(guān)知識內(nèi)容需要某種形式展示處理。使用虛擬現(xiàn)實(shí)，通常能夠在虛擬環(huán)境中建立相應(yīng)的空間，從而讓學(xué)習(xí)者看得見、摸得著。這類虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用已經(jīng)有應(yīng)用實(shí)例，如：美國加利福尼亞大學(xué)(洛杉磯分校)就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)主義手法，在計(jì)算機(jī)環(huán)境中非常準(zhǔn)確地重造了數(shù)字化的古羅馬奧古斯都時(shí)代，用于歷史教學(xué)中，獲得了巨大成功。

目前，宇宙太空對人類來說，還是一個(gè)非常神秘的世界，外太空旅游、地外星球居住等，還是人類夢寐以求的美好愿望。就教學(xué)而言，如果通過虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)營造出逼真的虛擬空間，人們通過在虛擬空間中去感受宇宙中多種場景，如：觀察太空中行星、恒星甚至黑洞的面貌與運(yùn)動(dòng)；人在太空中失重狀態(tài)下的活動(dòng)特點(diǎn)；在月球上做不同質(zhì)量物體下落實(shí)驗(yàn)等等。一定能讓學(xué)習(xí)者“設(shè)身處地”的調(diào)動(dòng)更多的感覺器官，從更多方位獲得學(xué)習(xí)內(nèi)容、知識和技能。

3.虛擬場景的構(gòu)造

虛擬場景是指在現(xiàn)實(shí)生活中可能出現(xiàn)的一些場景，通過虛擬現(xiàn)實(shí)在不同的時(shí)間或地點(diǎn)表示出來。

如果文學(xué)、語言教學(xué)也采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成有關(guān)內(nèi)容，讓學(xué)習(xí)者在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中，面對虛擬的“外語類”生活環(huán)境和語境，將能更好地使學(xué)生沉浸到教學(xué)所需要的氣氛中，這對提高學(xué)生的外語綜合能力無疑是一個(gè)很大的突破。又如在外語社交場景教學(xué)中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營造出外語語境，并根據(jù)教學(xué)需要設(shè)置好相關(guān)重點(diǎn)情境，之后學(xué)習(xí)者利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備“融入”這些場景并完成教學(xué)過程。

(二)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)

就調(diào)研結(jié)果來說，國內(nèi)許多學(xué)?，F(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)設(shè)施條件整體偏弱。如果再結(jié)合部分專業(yè)自身的特點(diǎn)，某些實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)是無法輕易做的，如有毒、有害、放射性等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

利用VR技術(shù)，對于包含有危險(xiǎn)、毒害等內(nèi)容的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的環(huán)節(jié)，就能較好地解決。利用VR技術(shù)，在多媒體計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)者能“身臨其境”式的操作虛擬場景中的儀器、物質(zhì)，發(fā)出實(shí)質(zhì)上不產(chǎn)生嚴(yán)重危害的操作動(dòng)作，而操作結(jié)果則通過合理的顯示、身體感官去獲得。這樣實(shí)施的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)過程，實(shí)物器材消耗、場地限制、安全保障措施等都弱化到可行的程度，并且實(shí)驗(yàn)“資源”可重復(fù)使用(操作)，帶來長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

鑒于此，如果要實(shí)施該級別的虛擬教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)，所需的基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)施主要有：

1.硬件部分

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)所需硬件設(shè)施，主要是指用以支撐虛擬應(yīng)用運(yùn)行的PC系統(tǒng)以及顯示、交互等所需的配套系統(tǒng)?？紤]到目前大多數(shù)教學(xué)場景，主要可以從下面幾類設(shè)備設(shè)施著手考慮和規(guī)劃具體的應(yīng)用方案。

(1)全景照相、攝像設(shè)備

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、投入等影響因素，可以選擇單反相機(jī)(如：佳能5D Mark IV單反相機(jī))、魚眼鏡頭(如：佳能EF 8-15mm f/4L USM魚眼鏡頭)以及全景云臺(如：杰圖JTS-Rotator全景云臺)等。

在條件和資金投入允許的情況下，部分專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，可以選用“航拍飛行器”級別的設(shè)備及配套組合方案。比如，大疆精靈4 Pro V2.0；專業(yè)級可選Inspire 2影像處理平臺。

(2)全景一體機(jī)設(shè)備

可嘗試選用Insta360 Pro2這款全景拍攝設(shè)備。

(3)VR眼鏡和VR一體機(jī)

普通VR眼鏡可以選用如小宅Z5標(biāo)準(zhǔn)版，一款輕量、易用、友好的類谷歌Daydream View的VR眼鏡。中高端VR一體機(jī)可考慮選擇小米VR一體機(jī)。PC VR一體機(jī)可以考慮使用HTC Vive Pro專業(yè)版。

(4)頭戴(頭顯)

本文提及的頭戴/頭顯，是“虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器”的簡稱。頭顯是計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)中的一種新技術(shù)，在VR、AR、MR及立體顯示等方面，都能發(fā)揮重要的作用。

頭戴式顯示器為虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供了“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的功效。能夠在人眼觀測到的虛擬“真實(shí)”世界中進(jìn)行信息標(biāo)注或者計(jì)算，它讓觀看者看到由增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)生成的文本及圖像等資源。

(5)手柄及其他終端傳感器

手柄及其他終端傳感器，如觸覺通道傳感器、味道等等，這些終端傳感器主要圍繞：視覺模擬(如：HTCVIVE、Oculus、google Daydream等)、觸覺模擬(如：Manus力反饋手套、Dexmo外骨骼、Skinterface觸覺緊身衣)、行進(jìn)模擬(如：Omni、Kat跑步機(jī)、多軸駕駛艙)、味覺嗅覺模擬(如：KokiriLab等氣味定向擴(kuò)散系統(tǒng))、聽覺模擬(如：時(shí)代拓靈等全景)等等。但目前，由于硬件廠商工藝及商務(wù)運(yùn)營等綜合因素影響，不同硬件開發(fā)需要的知識體系是不同的，這也為學(xué)習(xí)者帶來選擇、應(yīng)用推廣等諸多困難。

2.軟件部分

虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)中，三維建模工具(軟件)目前來說是一個(gè)基礎(chǔ)的、必不可少的應(yīng)用環(huán)節(jié)。正如前述所知，“虛擬現(xiàn)實(shí)”應(yīng)用主要是由場景環(huán)境、物體及不同對象間交互等三維世界中的多種“模型”構(gòu)成。

當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的，主要是Unity3D(U3D)和Unreal Engine4(UE4)這兩款虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具。通用級別的三維建模工具，可以考慮3dsMax、Maya等。對于某些如機(jī)械、建筑等，還可以考慮專業(yè)(行業(yè))建模工具，如Solidworks、BIM套件等。

三維建模的主要作用，就是采用計(jì)算機(jī)“建造”的方式，構(gòu)建虛擬場景所需環(huán)境、物體等模型。對于基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和應(yīng)用來說，目前互聯(lián)網(wǎng)一些相關(guān)站點(diǎn)上，還是有不少資源可供學(xué)習(xí)和教學(xué)使用。起步階段使用這些素材基本沒問題，不過，筆者還是建議教學(xué)人員盡早考慮和規(guī)劃相應(yīng)的資源定制計(jì)劃。因?yàn)楹芏嗾n程內(nèi)容中所涉及的場景、景物及動(dòng)態(tài)特性等等，都需要根據(jù)教學(xué)要求進(jìn)行特定設(shè)計(jì)，也因此需要“自己”動(dòng)手制作模型(也可以由專門的三維設(shè)計(jì)師來制作模型)。

這些主體是利用某種軟件工具，根據(jù)教學(xué)需要完成：場景建模、物體建模、特性呈現(xiàn)等建造模式，也是當(dāng)前得到普遍應(yīng)用的方式。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)在未來很長的時(shí)間里，將會逐步融合到教育行業(yè)中，并與教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)等教學(xué)環(huán)節(jié)緊密集成，從而逐漸增強(qiáng)許多學(xué)科(課程)的教學(xué)形式與手段。

目前，完全沉浸式(也就是“全感知”)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，其所需的硬件設(shè)施，包括關(guān)鍵軟件，還處于行業(yè)研討而不能進(jìn)行民用的階段，從某種角度來說，暫時(shí)制約著虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)在教學(xué)中的普及。不過，考慮到以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)為主體的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，由于其配套硬件設(shè)施構(gòu)建方案多樣、設(shè)備組合靈活，可以根據(jù)教學(xué)資源建設(shè)目標(biāo)層次的不同而搭配不同成本的設(shè)備使用方案，再加上相關(guān)的軟件工具、內(nèi)容建設(shè)(這里專指與課程內(nèi)容相關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)方面)等，相對易于開發(fā)、總建設(shè)成本較低等，必將在不久的將來，陸續(xù)為教學(xué)媒體“虛擬現(xiàn)實(shí)”教學(xué)、實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，開辟一條可行之路。

跳出桌面類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，擴(kuò)展到互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等范圍，如果我們前瞻未來那些基于5G等通信流量變革性趨勢，可以預(yù)想在不久的將來，基于虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)媒體及系統(tǒng)，會在教育教學(xué)的多個(gè)環(huán)節(jié)中扮演重要角色。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)內(nèi)容，因其在知識架構(gòu)和體系構(gòu)建方面獨(dú)特新穎，更容易促進(jìn)個(gè)體學(xué)習(xí)過程成為“學(xué)習(xí)者”自主控制的模式，從而使“個(gè)別化”教學(xué)成為可能。學(xué)習(xí)者在虛擬全景中，會根據(jù)自己的情況，按照知識掌握需要，在虛擬場景中“遨游”，從而每個(gè)學(xué)習(xí)者都形成自己的個(gè)體學(xué)習(xí)軌跡。這種個(gè)體學(xué)習(xí)軌跡再配合上學(xué)習(xí)行為跟蹤與分析，將會更細(xì)化地、更具針對性地改善每個(gè)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程，也將影響到教授者在教學(xué)內(nèi)容、方式等諸多方面隨之改變。諸如此類，將會讓更多的教育理念成為觸手可及的“現(xiàn)實(shí)”。