虚拟现实技术在成人高校教学中的应用

王谦

摘要：成人高等教育是当前教育事业的一个重要组成部分，但是随着社会的发展，当前传统的成人教学模式已经不能很好的满足社会发展的要求，成人教育改革势在必行。该文根据成人教育的特点将虚拟现实技术应用于成人教学模式，能够有效的提高成人学员的教学质量。

关键词：成人高校；虚拟现实；QuickTime VR；VRML

1 虚拟现实技术概述

1.1 虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology），又称灵境技术，以下简称VR技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。它涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，借助它人们可以完全置身于由计算机创造的虚拟世界中。将虚拟现实技术应用于计算机系统形成人们常说的VR 系统，即虚拟现实系统[1]。

1.2 虚拟现实技术特征

1993年Burdea G在Electro 93国际会议上发表的“Virtual Reality System and Application（虚拟现实系统与应用）”一文中，提出了VR技术三个特征，即：沉浸感、交互性、想象性。

沉浸感（immersion）：参与者全身心的沉浸与计算机所生成的三维虚拟环境，并产生身临其境的感觉。用户在虚拟场景中有“身历其境”之感。它所看到的、听到的、嗅到的、触摸到的，完全与真实环境中感受的一样。它是虚拟现实系统的核心。

交互性（interaction）：参与者可以利用各种感官功能及人类自然技能虚拟环境进行交互考察与操作。它是人机和谐的关键性因素。如拿起虚拟环境中的一个篮球，你可以感受到球的重量，将球扔在地上它还可以弹跳等。交互性还包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等，例如，当物体受到力的作用时，物体会沿着力的方向移动、翻到或者从桌面落到地面等。

构想性（imagination）：参与者借助VR系统给出逼真视听触觉信号而产生的对虚拟空间的想象。因此，虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可以使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习→创造→再学习→再创造的过程，因而可以说，VR技术是一种启发人的创造性思维的技术。

1.3 虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的模型如图1 所示。用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，得到实时三维显示和其他反馈信息（如触觉、视觉、力反馈等）。当系统与真实世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对真实世界产生作用。

图1 虚拟现实系统模型

虚拟现实系统主要由3个部分构成：（1）用户接口：用户与虚拟现实系统信息交流的通道，并通过传感器模块作用与虚拟环境。（2）虚拟环境系统：真实世界的计算机表示，它是真实世界的虚拟表示。（3）虚实感应模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用与虚拟环境。另一方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。

1.4 虚拟现实技术的应用前景

VR技术的应用极为广泛，Helsel与Doherty在1993年对全世界范围内已经进行的805项VR研究项目作了统计，结果表明：目前在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流，达21.4%，其次是军事与航空达12.7%，医学方面达6.13%，机器人方面占6.21%，商业方面占4.96%，另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。

医学

VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、头戴式可视设备、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具（如手术刀、注射器、手术钳等），虚拟的人体模型与器官等。借助于头戴式可视设备及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。

另外，在远距离遥控外科手术，复杂手术的计划安排，手术过程的信息指导，手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。

娱乐、艺术与教育

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏工具。由于在娱乐方面对VR的真实感要求不是太高，故近些年来VR在该方面发展最为迅猛。如Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其主题是关于3025年的一场未来战争；英国开发的称为“Virtuality”的VR游戏系统，配有头戴式可视设备，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度，使该系统获该年度VR产品奖。另外在家庭娱乐方面VR也显示出了很好的前景。

作为传输显示信息的媒体，VR在未来艺术领域方面所具有的潜在应用能力也不可低估。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，如一个虚拟的音乐家可以演奏各种各样的乐器，手足不便的人或远在外地的人可以在他生活的居室中去虚拟的音乐厅欣赏音乐会等等。

对艺术的潜在应用价值同样适用于教育，如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一个“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等。

军事与航天工业

模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器。另外利用VR技术，可模拟零重力环境，以代替现在非标准的水下训练宇航员的方法。

管理工程

VR在管理工程方面也显示出了无与伦比的优越性。如设计一栋新型建筑物时，可以在建筑物动工之前用VR技术显示一下，节省整个工程的设计或施工成本，更能够节省施工时间；当财政发生危机时，它也可以帮助分析大量的股票、债券等方面的数据以寻找对策，规避风险等等。

2 虚拟现实技术在成人高等教育中的应用

2.1 当前成人高校教学模式存在的问题

教学模式是在一定的教育思想、教学理论和学习理论指导下。为完成特定的教学目标和内容而围绕某一主题形成的，比较稳定且简明的教学结构理论框架及其具体可操作的教学活动方式[2]。

当前，成人高等教育的教学模式主要以集中式面授教学为主。集中式面授学习是以教师为中心的教学模式，强调教师的主导作用。成人教育教学中的集中式面授学习类似于普通高校的学习形式。集中式面授学习在成人教育中有其优点，如易于发挥教师的主导作用，便于教师组织、监控整个教学活动的进程；有利于教学管理；有利于理论知识的学习；有利于学生之间以及师生之间的情感交流。但它在成人教育的教学活动中存在的弊端仍也十分明显，大学的很多知识都比较抽象，成人学员往往很难理解。而且随着成人学生“工学矛盾”的日益凸显，集中式面授学习的方式很难使成人学员真正掌握知识的精髓，加之没有实践机会，使学到的知识不能学以致用，“上课懂，下课忘”的现象已不再是个案。出现这些问题的主要原因是集中式面授教学模式弱化或缺乏实践环节，使理论知识无法在第一时间与实践相结合。导致成人学员在学校学到的知识无法舒畅地应用于工作实践。同时这也是造成大部分成人学员普遍实践能力较差的一个最根本原因。而要解决这一问题只能通过学校联系校外实践基地或自己建设实践基地。联系实践基地的方式出于组织、安全以及实践场地针对性不强等因素制约很难达成。自己建设实践基地基于场地、初建费用和维护费用较高等方面的因素不利于实践基地的可持续性应用。如何能够既解决学员实践问题，又能够减少建设和维护费用成为困扰各成人高校的主要问题。

近年来，随着VR技术的发展与民用化，一些成人高校开始通过这一技术尝试着解决成人学员在学习中的无法进行实践的问题。虚拟现实的沉浸感、交互性、构想性的特点为成人教育提供了新的思路，沉浸感可以让学生身临其境的听老师讲课，交互性可以让学生在虚拟课堂中与老师交流、进行实践性课程等，提高学生的实践能力。构想性可以让学生对所学的知识进一步升华，通过自己的奇思妙想，活用自己的理论知识解决现实问题，更可以提高学员的创新能力。

2.2 虚拟现实教学环境

若要将VR技术应用于成人教学就要打造虚拟现实教学环境。虚拟现实教学环境是指利用计算机设备，创造出一个可以感知的、和现实教学环境相似的、具备现实教学环境基本功能和大多数延伸功能的、运用虚拟现实技术表现的一种教学环境。换言之，基于VR技术的成人教学环境，就是将实践基地这个真实的地理空间设计成一个虚拟的场所，在这个场所中，教学思想、教学策略、教学内容都固化在虚拟环境中，学习者置身于这样的环境当中，能够自然地与环境（包括通过网络相连的其他学员、教师）进行实时的交互，全身心地投入到学习与实践中。基于VR技术的教学环境应实现如下功能：能为学员提供具有情境感的实践环境；实践或学习环境是学习资源的承载者；学员能感受到自身在环境中的存在；学员对环境的刺激和环境对学员的反应应该具有实时性且使学员如在真实环境中一样。

2.3 虚拟现实教学环境的创建与应用

创建虚拟现实教学环境的方法很多在此只介绍应用最多的几种方法。

2.3.1 Quick Time VR

QuickTime VR是QuickTime Virtual Reality的简称。它是美国苹果公司在QuickTime技术基础之上开发的新一代VR技术。概括的说它是一种基于静态图象处理的，在计算机平台上能够实现的初级的桌面虚拟现实技术，具有图片级的细节分辨率，真实性很强。它不需要数据手套、头盔式显示器等特殊的硬件设备，它的出现使得以往专业实验室中成本昂贵的虚拟现实技术在教育领域的普及和应用有了广阔的前景[3]。

要理解QuickTime VR技术，我们可以假设在一个室内空间进行观察，室内空间一般有六个表面，如果我们获取了这六个表面的许多不同距离，不同方位的实景照片并将他们按照相互的关系有机连接起来就可以在视觉上形成这个房间。在观察时，我们可以任意的转动观看角度，也可以改变观察位置，或是走近仔细观看，或360度观察，由于这些照片是相互连接的，所以只要照片足够精细、连接得紧密正确，我们就可以获得出于室内的感觉。同样无论我们是在野外，还是在复杂如迷宫的博物馆、办公室或其他大型建筑物内，通过这种方法就可以实现虚拟参观，如果再辅以声音、随意观察或交互访问等效果，就会获得更逼真的身临其境的享受。这就是QuickTime VR的基本原理[4]。

利用QuickTime VR技术我们可以为学员在计算机中创建一间逼真的虚拟现实实验室，如图 2所示。当学员通过鼠标或键盘控制自己的虚拟替身在实验室中移动时（例如向左或向右，朝上看或朝下看，远看或近看等），被观察的场景仍能正确保持并能使学员产生“身临其境”的真实幻觉。与此同时，实验室中的各种虚拟出的物理实体（如计算机、网络设备、各类实验用工具等等）都可以用鼠标任意拾取并进行操纵（例如打开计算机主机机箱，以便从不同角度进行观察机箱内部的各类板卡，并且还可以使用各类工具对机箱中的板卡进行拆装等）。更令人难以置信的是，由于使用先进的高压缩比数据压缩技术，在QuickTime VR系统中，用来表征实验室全景的360度高质量照片集的存储容量仅有不到10MB左右，很容易将这种技术应用于低带宽网络环境。

2.3.2 VRML2.0语言

VRML（Virtual Reality Modeling Language）语言即虚拟现实建模语言，可以在低带宽异构网络环境中实时进行三维信息的远程传输和远程指令的接受，是一种专门用于在互联网上实现虚拟现实的计算机语言。VRML2.0语言出现以前，WWW上的内容大都是二维的平面结构，用户与环境的动态交互非常有限。随着VRML语言的诞生，特别是到了VRML2.0之后，在互联网上看到了实现真实三维参与的美好前景。它创造了一个可以进入，可参与的生动、逼真的立体世界。可以在其中自由的遨游，可以走进虚拟的教室，与同学交流，听老师讲课，体验真实的社会生活。VRML2.0通过Script节点联系场景和外部行为，用传感器来实现虚拟世界的动态行为。在这一系统中，分布在不同位置的用户能保持场景的一致，也能感知其他用户的状态。用户在虚拟场景中的沉浸感可以通过用户标识来实现。VRML语言所创建的立体世界不需要复杂的硬件支持，产生的数据量比其他环境建模工具要小的多，因此它特别适合一般用户通过网络进行浏览。但需要较大的网络带宽，非常适合在计算机机房进行的教学活动使用。

在教学过程中使用CAI（Computer Assisted Instruction，计算机辅助教学）课件能够激发学生的学习兴趣，提高教学质量[5]。目前的CAI教学软件多为简单的二维演示，缺少具有真实感的三维教学场景，从而影响了CAI课件的实际教学效果。而VRML语言是用于描述三维场景与交互环境的虚拟现实建模语言，是在Internet上建立三维多媒体和共享虚拟世界的开放标准。因而使用VRML能有效解决CAI课件的交互性差和真实感差等问题。室内设计是一门艺术与技术相结合的学科，运用一定的物质与技术手段。对内部空间进行创造与安排布置，形成满足人们物质功能的需求与精神文化需求的舒适环境。室内设计表现是指室内设计表现过程中所有的表现手法，它的主要作用在于：设计师的设计方案在没有施工前。必须通过室内设计表现技法来呈现在客户的面前，用来表达设计的设计方案。通过VRML语言在计算机上实现的虚拟现实室内设计课件有很多优势，如图 3所示，这是传统的集中式面授教学方式所无法比拟的，主要体现在：更好地将教师所讲授的内容以可视化的形式展示给学员，让学员以最直接的视觉方式接受知识；节约教师制作实物课件的成本；学员通过亲身操作，可以更快地掌握所学的知识，并融会贯通，提高学员的实践能力。

3 结束语

本文提出了借助于虚拟现实技术在成人高等教育中的应用，能够产生很好的教学效果，可以解决当前成人教育中存在的主要问题，并且将虚拟现实技术融入到成人教学中可以增加课程的趣味性，调动学生学习的积极性，能有效的提高学生动手能力，完善学生的知识结构。但是当前VR技术还不成熟、不完善，虚拟现实设备价格较高，限制了这种教学模式的效果和推广。随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实设备将越来越成熟，实现成本也将会大大降低，最终这种教学模式必将代替当前的集中式面授的成人教学模式，成为成人教育教学的发展新方向。

参考文献：

[1] 邢雪峰，曹靖，程超，曾晓宁.虚拟现实技术及其在教学中的应用[J] .重庆科技学院学报. 2008（6）

[2] 孙蓓蓓.成人高校“面授”教学模式与“面授+网络”教学模式异同对比研究[J].新课程研究. 2010（8）

[3] 古乐声.基于QTVR和Internet的现代远程多媒体教育应用[A].第七届全球华人计算机教育应用大会论文集[C]. 2003（11）

[4] 杨跃杰，王权，辛冰等.QuickTime VR技术在客车造型设计中的应用[J].客车技术与研究，2010（12）

[5] 罗梓元.基于Web的CAI课件的设计研究[J].微机发展.2002，12（1）