沉浸式体验设计在教学中的应用

2016-03-13石家庄市第一中学19班张杏林

电子世界 2016年23期

关键词：虚拟环境虚拟现实系统

石家庄市第一中学19班张杏林

沉浸式体验设计在教学中的应用

石家庄市第一中学19班张杏林

虚拟现实技术VR随着现代科技的进步应运而生，并逐渐得到广泛应用，它能有效解决学习中情景化及自然交互性的要求，因此，在教育教学中有着极大的应用前景，未来必将更多地参与到我们的教学过程中，成为行之有效的教学辅助手段。

沉浸式体验；教学；应用

前言

人们利用虚拟现实技术VR可以创造出虚拟环境并置身其中，呈现信息是教育过程中的重要环节，虚拟现实技术可以有效呈现知识信息，能够在不同的学科领域中给人们提供无限的体验，以此使学生学习知识的过程得到巩固[1]。

一、虚拟现实技术

VR也叫沉浸式多媒体或者计算机模拟现实，是21世纪重要的发展学科，极大地影响着人们的日常生活，它依托计算机图形学、传感器技术、人工智能技术等，旨在增强人机交互性，从而实现视觉、听觉、嗅觉、触觉的真实体验。虚拟现实学习环境的核心技术是虚拟现实以及可视化技术。分析数据的可视化表达以及人机交互性，在虚拟现实学习环境中，用户的沉浸感会得到有效增强。

交互性、沉浸感、想象力是虚拟现实技术的三大特征。其中，交互性是用户在虚拟环境中操控对象的程度以及获得反馈的自然程度[2]。沉浸感就是用户在虚拟环境中感受到的真实程度，虚拟现实的漫游功能是其得以实现的基础，用户可以从自己的角度投入其中。想象力是用户在虚拟世界中以自己获取的各种信息以及自身在系统中的行为为依据，经过逻辑判断、推理等思维过程，根据系统运行状态的变化展开想象。

二、虚拟现实系统的类型

（一）沉浸式虚拟现实系统

用户只有戴上传感跟踪装置才可以实现与虚拟世界的交互，例如立体头盔显示器、数据手套、数据衣服等穿戴式设备，以及不穿在身上的传感设备。这种系统能通过隔离用户的视觉、听觉与外界的联系，使用户避免外界的干扰，全身心投入到虚拟现实中。不同用途的体验器都会使用户产生身临其境的感觉。例如在思想品德、安全教育教学中，学生对社会公德、法律知识以及安全教育中的紧急避险（火灾、地震等）不能深刻理解，往往感到枯燥、茫然。运用虚拟现实技术，可以让学生有身临其境的感觉，不但乐于学，更能在理解中学、在游戏中学，有利于养成良好的公德习惯和掌握有效的避险方法，在火灾、地震等灾害发生时，避免惊慌失措，进而及时有效的逃离，防止人身事故的发生。在一些农村边远学校，没有网球场、足球场或其他完善的场地、训练设备设施，或者因为长时间雾霾及其他极端天气，影响了他们的体育锻炼，可以有效利用虚拟现实技术，足不出户，就能让学生们掌握标准的训练动作，有效增强身体素质。

（二）桌面虚拟现实系统

桌面虚拟现实系统也叫做窗口中的VR。利用一般的微机就能实现，成本相对较低，功能也相对简单，在计算机辅助设计、计算机辅助制造、桌面游戏等应用最多。

（三）分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统是沉浸虚拟现实的进一步发展，将分布在各个地方的沉浸虚拟现实系统，依托互联网进行有效连接，从而使某种用途得以实现。例如因特网上的多人游戏MUD就是这类系统的典型应用。

（四）混合现实系统

混合现实系统将真实环境与虚拟环境相结合，不仅使构成复杂真实环境的开销降低，还可以在对实际物体进行操作的过程中，感受到亦真亦幻的境界。

三、虚拟现实技术在教学中的作用

（一）避免教学实验中的危害

在物理、化学实验教学中，有许多难于理解，不易操作的实验，比如物理教学中的核裂变、化学教学中电子运行以及存在有毒、有害、爆炸等风险的实验，这些无法直接观察、或对人体健康有危害的概念及实验，通常是以映像、图片的方式进行教学，学生不会直接参与到实验中，因而理解不深。在虚拟现实技术支持下，让学生去有效理解、熟练掌握，这种产生危害的顾虑将会消除：在虚拟实验环境中，学生能够放心地“操作”各种具有危险性的实验，进而加深了对所学知识的理解。

（二）破除时空的局限性

在虚拟现实技术的支持下，空间的局限性将被破除，无论是宇宙天体还是原子、粒子，学生都能深入它们的内部实际观察。例如在虚拟发电厂内部，学生通过对各个发电机组部件及其相互联系的考察，能够切实了解整个发电过程。这一点电视录像媒体以及实物媒体都达不到良好的效果。虚拟现实技术也能将时间的局限性打破，那些必须经过几十年甚至上百年才能观察到的变化过程，在虚拟现实技术下，只需要较短的时间就能使学生观察得到。例如对于孟德尔遗传这一生物学定律，当使用果蝇进行实验时，常常需要长达几个月，可是运用虚拟技术只要一堂课就能得到有效解决。又如学生在政治、历史的学习中，他们对传统的政治、历史枯燥的填鸭式教学腻烦，并不能去理解和系统的记忆，运用沉浸式教学模式，可以让学生与历史、政治人物、事件亲密接触，加强理解和记忆。

四、虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术作为一种新媒体形态，因为其具有一定的技术门槛、经济成本、学习成本，所以当前传统虚拟现实设备还没有得到大规模的普及，在课堂教学中运用虚拟现实技术仍然处于尝试阶段，那些经济实力较强的组织、高等院校等才具备购买完整的教学虚拟现实解决方案，同此对相应地配套教学资源进行有效开发，这些都制约了虚拟现实技术在教学中的应用[3]。

随着移动互联网的普及以及头戴式虚拟现实眼镜价格的降低，以智能手机和VR显示器为基础的沉浸式教学方案以其低成本、便携式以及部分或完全沉浸式体验使其得到有效推广，其中沉浸式虚拟现实以及混合现实前景更为广阔。根据沉浸式虚拟VR技术，国外有Ocular Rift等只要与电脑有效结合即可使用，在我国则有暴风魔镜，只要与智能手机相联系就能体验。利用混合现实技术运用的设备有微软的Hololens全息头盔、谷歌的Magic Leap设备。以智能手机为硬件设备，结合优质3D音视频资源或者学习型应用软件，通过虚拟现实眼镜的方案，极大促进了虚拟现实教学的实现。但是厂家出于对商业利益的考量，这种方案的应用范围还不广泛。

（一）具体应用

1、虚拟教学

在虚拟现实技术的支持下，教师教学将更加方便，学生也能拥有更加丰富的学习资料和学习方式。例如在数理化教学中，因为存在很多抽象概念，使得教师口头讲授和学生学习时都存在一定困难，直接影响教学效果。而学生在虚拟环境下观察，会增强自身理解掌握问题的能力。在英语教学中，如果脱离实际情境，将会出现学生死记硬背的现象，这会导致学生的学习兴趣和热情下降。因为这种情况下，学生没有办法体验具体场景，语言是孤立的，学习的效果也就大大降低，在沉浸式虚拟技术的支持下，会形成一种逼真的国外生活交际场景，学生在其中可以进行有效学习，教师只要提供辅助语音解释、文化讲解等就可以达到良好的效果。

2、虚拟实验

在虚拟现实技术的支持下，可以成立各种虚拟实验室，随着教学内容的变化，对虚拟设备进行适当更换，这种方法不但能有效节约成本，还可以促进实践训练与技术发展相适应，对学生来说，在生动逼真的学习环境下，学习的兴趣和效果也会大大提高。

3、虚拟校园

与传统的远程教育相比，虚拟现实技术可以使学生身处一种生动逼真的学习环境中，并在其中扮演重要角色，真正成为学习的主人；充分调动学生的学习积极性，对重点、难点等进行有效突破。

（二）应用进展

虚拟现实技术支持学习环境的创设，支持技能实训，促进语言学习，支持特殊儿童教育。其中虚拟环境的创设有虚拟仿真环境设计、构建主义活动设计、学习体验设计。例如洛伦佐专门针对七至十二岁的自闭症儿童，有效设计了沉浸式虚拟现实系统，运用这一系统，他们能够在公共场合进行社交训练；同时利用计算机系统自动确定他们的情绪状态，相应进行训练方案调整。

虚拟现实技术在技术、教学方面仍然面临着一定的挑战，但随着对这一技术的日益发展和完善，使其在教学中的应用更加深入和有效。