浅谈虚拟现实技术在教学中的应用

诸葛翀

(浙江大学教育学院，浙江杭州，310028)

一、引言

虚拟现实(Virtual Reality)简称VR，是近年来出现的高新技术。它利用计算机模拟环境，通过多种传感设备使用户“融入”到该环境中，实现用户与该环境直接的自然的交互。[1]VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。[2]

虚拟现实技术的主要特征在于它的人与虚拟环境的互动性，虚拟环境真实的沉浸性与对构想实现的想象性。由于使用设备的不同，虚拟现实技术主要分为两类：一类是有专门配套硬件的高级虚拟现实技术，这类技术能全方位模拟虚拟环境的视、听、嗅、味等感觉，在医学、自然科学等需要动手实验的学科有较大的利用性。还有一类是通过计算机编程的人机交互的系统，主要是通过鼠标、触屏对在电脑上展示的虚拟现实场景进行操作。这两类技术有其各自的特点，下面将通过案例分析，并提出相应的应用设计。

二、案例分析

教育技术学的一位硕士生参考人民教育出版社的高级中学课本《化学(必修)》第二册第四章第五节的《苯 芳香烃》中的苯(C6H6)分子模型结构，运用VRML进行虚拟现实的模拟演示。首先，他通过建模方式根据苯分子的结构建立了虚拟结构。然后利用几何体建立了不同的虚拟物体和场景。再通过检测器节点的设立增加这一系统的交互性。最后通过Route语句把时间出口和时间入口联系在一起，从而构成事件体系。

这个苯分子的模型的虚拟现实系统编写可以说是VRML技术在校园教学中的基础运用，也是典型运用。清晰明了的结构和简单实用的互动是这一类适合于校园的虚拟现实技术应用系统的特点。由于这一类虚拟现实的编写相对简单，掌握的技术人员较多，因此开发起来比较容易，并且可以根据学生的特点增加其趣味性。

与此相比，另一类配合专门硬件的虚拟现实系统的应用就没有那么普遍了，如虚拟现实技术在基础医学教学的应用。在临床外科教学中，借助计算机，教师指导学生通过虚拟病人来实验多种手术方案，这个虚拟病人是通过扫描患者的骨骼和软组织而获得的完美的复制品。学生进入手术室时穿戴的不是消毒衣，而是高技术护目镜和全身数据服，躺在手术台上的是计算机制成的患者复制品。学生在这个模拟的病人人体上进行手术时，会感到皮肤的坚韧、肌肉的弹力、骨骼的坚硬和血液的涌流。当学生在虚拟病人人体上切除病灶遇到困难时，会及时得到计算机的提醒和警告，完成手术后会得到计算机的全面评估。学生还可以对该虚拟病人进行全面检查，找出其余的患病组织，以便选择最佳手术方案。[3]

这一类型通过硬件配合和传感，使学生能有视觉、听觉、触觉等效果的高级虚拟现实设备，能为学习者营造出一个真实的感官世界。它根据设备的传感能力和内部结构等具有不同的层次，一般运用在需要亲身实践的操作化教学中，或是操作内容意义较大但在现实中实践机会不多的教学科目上，如虚拟驾驶、虚拟解剖等。

这两类的虚拟现实技术各有其优点。前者具有再现真实场景，营造氛围，详细诠释物体概念，互动操作，在虚拟空间里建立模型等功能，并且需要设备少，只需在电脑上编写程序并在电脑上使用，适合于上课的展示与学生在电脑上的操作，成本较低。而后者在一些科学研究中几乎可以完全真实地再现场景，有利于节约实际操作中的金钱、道德上的成本，是一些高等研究所或是学校安排实际操作练习的必需品。可以说，后一种虚拟现实技术包括了前一种虚拟现实技术的全部优点，可观可感。但是在基础的教学中，只使用前者就可以帮助学生了解教学内容，达到辅助教学的目的，再使用后者反而有可能会分散学生的注意力。

三、应用设计

(一)课堂教学的应用

大部分文献在讲到虚拟现实技术应用时首先想到将其用于最普遍的课堂教学，最基本的用法就是用于概念的展示，真实或想象场景的展示与环境的创造。对于这一类应用设计，制作起来简单实用，能够很大程度上弥补传统课堂平面化(文字，图片)、单向化教学形式的不足，有助于学生理解教学内容。

(二)实验教学的应用

对于中小学的实验教学，一些复杂的或高级的实验需要很多昂贵的材料或器械，又或者因为某些条件限制难以实现，因此，在计算机上使用交互的虚拟现实技术制作的可以互动的实验能使学生体验到比较真实的做这类实验的感觉，并且这些实验不受时间、空间、物品限制，实验过程安全，可重复。对于某些高级的、耗时耗力的实验研究，使用普通方法可能要很久才能得出实验结果，也可以使用这类系统进行实验的模拟操作。同时，虚拟现实根据现实规律创造的实验定律也可以适用于同一类的实验研究，如使用虚拟现实技术在虚拟建筑空间里创造不同的建筑模型并对其进行检验。

(三)互动课堂和远程教育

虚拟现实系统可以虚拟历史人物、教师、学生等各种人物形象，创设交互式学习环境。比如，在虚拟的课堂学习气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流、讨论，进行协作化学习。再如，在思想品德课教学中，学生可以与虚拟的先进人物一起座谈、交流，受到先进人物言行的感化，从而达到思想品德教育的目的。又如，非英语国家的人学习英语的最大障碍是没有语言环境，可以通过虚拟现实技术构建英语模拟环境，导入虚拟人物，情境随用户需要而改变。学习者可以与不同情境中的人物交谈，并在这种交互情境下测试自身的表现。而且这一技术可以通过分布式网络将不同的学习者连接起来，让他们以各自角色在网络舞台自由发挥，从而大大提高学习者的学习兴趣与学习效率。[4]同样的利用虚拟现实技术制作远程教学的课件系统将能大大提高远程教育学生的学习效率，他们可以像在教室里一样接受教育，与教师学生进行互动。

(四)技能训练

虚拟现实可以仿真现实场景，学生可以在虚拟环境中扮演角色，进行和真实世界一样的操作，包括手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练。如同实验一样，这些操作训练可以反复进行，而且安全可靠。

四、不足之处

尽管虚拟现实技术凝聚了现代技术的高端水平，但是在其趋向大众化普遍化的使用过程中，还是有其不足之处。

从硬件上讲，数据存储设备的速度、容量还十分不足，而显示设备的昂贵造价和它显示的清晰度等问题也没能很好地解决，为VR制造的大部分专用设备不但造价高、使用起来很不方便、效果有限，而且局限性很大，还不能达到人们的要求，更不能

达到VR所定义的那种环境。[5]而软件方面受硬件的局限性的影响编写费用仍然较高，并且难以在教师这一最需要的队伍中普及，更简便的利于教师运用的VR编写程序仍待开发。

虚拟现实虽然具有真实性，但是有时候过于真实也会容易产生思维定势，如语文课堂的教学可以引用虚拟现实再现文章的场景，但是很多时候，文字的魅力是不能够直接通过现实表现出来的，里面还有想象和情感的成分，需要学生细细体会。因此虚拟现实技术的普遍应用也有可能会造成学生过于依赖现实体验，进而减少了独特的情感体验。虽然虚拟现实技术应用过程中可能出现上述问题，但是这一技术安全可靠，如果得以有效地应用到教育领域，不仅能提高学生的学习效率，减少教学的成本，还将把教育带入新的三维立体的互动时代。

[1] 张剑平.现代教育技术——理论与应用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2] 汪成为，等.灵境技术的理论、实现及应用[M].北京：清华大学出版社．1996.

[3] 马蓓，夏金辉.计算机仿真与模拟技术在医学教育中的应用[J].中国高等医学教育，2008(1).

[4] 钱勇.虚拟现实技术在教育领域的应用[J].中国西部科技，2009(18).

[5] 杨富宝.虚拟现实技术——多媒体课件开发的新方向[J].电脑知识与技术，2009(15).

[6] 高志坚，杨梦婷．虚拟现实在教学中的应用[J].福建电脑，2009(7)．

[7] 赵慧勤，孙波．网络环境下基于虚拟现实技术的情感教学环境的构建[J]．中国电化教育，2009(4)．

[8] 陈桂芬．计算机虚拟现实技术在医学教育领域中的应用[J].科教文汇：上旬刊，2009(7)．

[9] 陈兆柱，徐进.浅谈虚拟现实(VR)技术对高等教育的影响[J]．山东省青年管理干部学院学报，2004(4)．

[10] 高丽娜，汪敬贤．虚拟现实技术在教育领域内的应用研究[J]．长春师范学院学报：自然科学版，2009(2)．

[6] 胡新根.基于VRML的虚拟现实技术在多媒体课件中的应用[J].科技广场，2009(5).