虚拟现实技术在教育中的应用研究

2015-04-10腊国庆

宿州教育学院学报 2015年3期

腊国庆

（郧阳师范高等专科学校湖北·十堰 442000）

随着科学技术的日益发展，尤其是信息技术在教育领域的不断渗透，使得人们在不断改变传统教学观念的同时，不断地尝试着新的教学手段；而新媒体在教育教学中的应用，也确实达到了许多传统教学方式所无法完成的教学效果。3D技术、互联网技术、数字视频、数据库等技术的不断综合应用过程中，虚拟现实技术逐步走入了教育领域，并利用其自身的特点使得教育的效果达到了传统教育所无法企及的程度。

一、虚拟现实技术

（一）虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality）技术最初的提出，旨在应用计算机技术、三维立体图像技术、仿真技术的合成效果使得参与者有一种身临其境的感觉，以便在某些危险操作领域工作的情景模拟。最早的应用领域是飞行员的飞行训练及宇航员模拟太空舱系列操作演练，随着这项技术的不断应用，外科医生的模拟手术、汽车驾驶员的情景模拟驾驶训练、军用器械的使用等领域也逐渐采用相关设备或系统用以训练相关人员的操作技能。如今，计算机技术、人机交互技术、立体感知技术、3D技术、增强现实等技术的不断发展，使得虚拟现实技术不断进入到教育领域，从而出现了虚拟大学、虚拟教学、虚拟实验等。

（二）虚拟现实技术的基本特征

虚拟现实技术根据其应用特点，具有如下几个特征：

1、沉浸性（Immersion）

虚拟现实技术的沉浸性特征主要是利用各种技术模拟场景，让参与者有一种身临其境的感觉，在这个过程中要充分利用人体的视觉、听觉、触觉及嗅觉等神经系统对相关事物的反应来体验现实情境中的真实事件。一般情况必须具备3D立体视觉感触场景，由操作者佩戴视觉感知头盔或眼镜来体验模拟场景；触觉手套或衣服来体验对模拟情景中的外界物体的操作反应；耳机或头盔自带听觉系统来感知场景中的任何声音。通过全方位的刺激，操作人员可以随心所欲在模拟场景中体验任何情景，犹如真实事件的发生一样逼真。[1]

2、交互性（Interaction）

虚拟现实技术的交互性主要是指操作人员通过与计算机等交互性媒体所创设的虚拟环境中的各个对象发生作用，虚拟现实系统都会在第一时间内采集相关信息并予以相应的真实反馈。诸如：身体的任何部位发生位移，虚拟现实系统根据位置产生的偏差而造成的数据变化来提供最新场景变化，以适应操作者通过头盔显示器所观察到的虚拟场景及角度的变化。总之，虚拟现实技术的交互性特征尽最大可能性来给操作人员带来与现实情景相同的感受。

3、想象性（Imagination）

虚拟现实技术是建立在丰富的想象空间的基础之上。虽然虚拟场景中的人、物等都是建立在现实情境中的模拟再现，但在虚拟的情景中又可以充分发挥想象力创造出现实情景中较难出现的状况。操作者在应用虚拟显示系统的过程中，可以完全发挥自身想象力来体验虚拟场景中的任何物件，通过全面感知系统中的各种信息已达到灵活掌握相关知识与技能。

二、虚拟现实技术应用于教育中的优势分析

1、形象性

相对于传统教学，由于虚拟现实技术所创设的学习环境是建立在现实基础之上，虚拟教学环境的所有教学仪器、设备及场景体验等都非常形象逼真，学者在此种虚拟空间中将会积极主动地探索学习内容，极大地提高了因非智力因素所带来的学习效果。

2、互动性

较之于传统学习环境，虚拟现实技术所创设的学习环境能够根据学习者的兴趣爱好，随意选择学习内容，并且在学习过程中始终会根据学习者的真是操作给出相应的反馈，其实时互动特性远比传统教学过程中教师讲授和演示等方法要强，由此更加激发了学习者的参与性。

3、节约成本

在传统教学中一些实验课程需要大量的实验设备，尤其是很多需要个人独立完成的实验。所有人的学习者同时开展实验活动，所需要的设备、仪器有时很难满足每一位学习者，所耗费的资金成本很高。然而，通过虚拟现实技术所开发的基于计算机的虚拟实验室则可满足这些要求，虚拟实验室中的一切仪器、设备、实验过程所产生效果均与现实操作相似，而且这种虚拟实验室系统已经开发好可以无限量复制安装在其他计算机设备中，学习者还可反复操作相关实验，由此可以节约大量的资金成本。[2]

4、安全性

虚拟现实技术最早应用于飞机驾驶模拟训练、宇航员太空舱操作、汽车驾驶培训等，其非常大的一个优势就是无论在虚拟情景中任何不当的操作失误，虽然在虚拟场景中能够感受到由此所带来的事故后果，但在现实结果中不会对操作人员带来人身伤害。同样，虚拟现实技术在教学过程中也能保证对学习者的人身安全，例如：在化学试验中，很多化学药品可能会应为操作不当发生爆炸等现象，由此很有可能对学习者产生不良后果。但是在虚拟化学实验室中，学习者可以随意配制任何虚拟药品，在虚拟情境中也会出现由于操作不当而带来的爆炸等场景，但这不会实际影响到学习者的身体，反而会加深学习者对操作不当所导致效果的映象，由此增加了学习者在现实操作过程的安全保障。

三、虚拟现实技术应用于教育中应用

在人类学习过程中，掌握知识内容最持久有效的方式是探究式学习，在这个过程中人们通过各种实践活动发现和积累的学习经验是人们最值得信赖的。然而在传统教学过程中很多操作性的知识通过理论的讲述，人们很难理解和掌握，通过虚拟现实技术所创设的虚拟教学情境为此提供了诸多可能性。

1、虚拟实验室

利用虚拟现实技术而创设的虚拟实验室是当前教育中应用较为广泛的领域，诸如：物理实验室、化学实验室、摄影实验室、虚拟演播厅等，由于它们打破了传统教学中受时间、空间等限制因素，随时随地学生只要在安装有虚拟实验室的设备上即可操作训练，因此很大程度上提高了学习的自由度；此外，对于一些有安全隐患的危险操作事项，也可以避免因操作不当而造成的严重后果。

2、虚拟图书馆

虚拟图书馆是利用全息摄影技术、web3D技术、三维建模、数据库技术等将图书馆从实体建筑至内部门窗、书桌、走廊、灯光、书架、检索机、各类书籍、报刊、光盘、磁带等所有软硬件通过虚拟现实技术将其整合在计算机网络当中，其中的书籍与报刊中的内容都是通过高清扫描仪扫描并数字化存储的电子书籍，学习者在利用虚拟图书馆的时候，通过鼠标的移动可以任意浏览虚拟图书馆内所有资源，如同现实中阅读书籍一般，每本书籍也可以实现翻页的同时并伴有翻书所产生的声音，给学习者一种身临其境的感觉；学习者也可以将自己感兴趣的电子书籍借阅到自己的个人虚拟图书室，在一定借阅期限内自由阅读。

3、虚拟体育馆

当前利用材料科学、建筑学、虚拟现实等综合技术的应用已开发出虚拟体育馆，通过可视性头盔或眼镜的佩戴，参与者可以实现自己所喜爱的体育项目的学习或运动。例如：乒乓球基本功训练、虚拟单打比赛、虚拟双打比赛也可以通过挥动传感球拍和佩戴头盔或眼镜后亲自体验打球的过程，练习结束后还可以通过观看个人训练过程中的视频录像来总结和分析技术动作，以便后期训练加以规范和训练相关技能。其他诸如击剑、篮球、排球、羽毛球、体操等运动项目都已陆续出现在虚拟体育馆中，今后将会有更多的体育项目投入到虚拟的体育世界。

4、虚拟校园

虚拟校园是利用3D摄影技术、仿真技术等创设出与实际校园情景一样的虚拟学习环境，真个场景中包括虚拟教室、虚拟图书馆、虚拟实验室、虚拟体育馆、虚拟宿舍、虚拟食堂等，学生可以在系统中进行角色扮演，包括学生、教师、校长等任何角色，也可以同其他同学一起共同完成某个领域的探索。

5、虚拟教学

虚拟教学主要是指将课堂中某些不利于理解学生又充满好奇的知识，通过虚拟现实技术形象地创设立体空间，让学生通过“真实体验”来真正领悟其中的科学规律，以便更好地把握知识要点。[4]例如：在中学生物课程中讲述大自然中食物链的相关知识时，可以通过虚拟现实技术将学生“带入到大自然的动物世界”，亲自感受大自然中的优胜劣汰的规律。

6、科学研究

应用虚拟现实技术科学研究领域的应用主要是把现实生活中的事物通过虚拟现实技术创设到虚拟的场景中，然后研究者通过观察、分析现象产生的原因，总结相应的规律，从而得出实际的研究结论。例如在外科医生的实践教学环节，应用虚拟现实技术创设出的虚拟手术室，学生通过虚拟手术过程中的各项环节的操作，达到对相关手术技能的真正掌握。

7、远程教育

随着计算机、网络技术的不断发展，远程教育的教学模式及手段也发生了巨大的变化，然而远程教育过程中始终无法解决师生非面对面教学所带来的一系列问题，虚拟现实技术的出现则在很大程度上对此有所改善。例如：当前网络远程教育学院，可以应用三维建模的虚拟现实技术将授课教师形象地创设在远程虚拟教室，学生可以通过网络选择并进入到该教师的虚拟授课课堂，用以实现“面对面”的教学过程，学生在此情境中能够最大程度地体验到师生面对面授课的感受，以此改善传统远程教育所无法实现的教学效果。[3]