虚拟现实技术在教育中的应用

支建飞

【摘要】虚拟现实技术是国内外最热门的研究领域之一，它在教育领域中已经得到了广泛应用。通过对传统教学软件和虚拟现实技术的研究，分析了虚拟现实技术应用于教育的意义和主要方向，探讨了虚拟现实制作流程和方法。

【关键词】虚拟现实；虚拟现实技术；网络教学

过去的一年，虚拟现实行业内新闻热度就已经爆表，国内外厂商如谷歌、微软、苹果、三星、脸书等科技巨头纷纷抢占虚拟现实市场。传统的计算机辅助教学软件场景模拟的仿真程度以及交互性都有很大局限，而虚拟现实技术正是由于其能够使用户可以通过自然的方式对虚拟环境中的对象进行体验和交互的特性成为教育领域中的又一热点。

1.虚拟现实

虚拟现实（VirtualReality，简称VR），又称临境技术，是指利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境，用户从自己的视点出发，借助特殊的输入输出设备，采用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互，使用户沉浸到该环境中。

1.1 虚拟现实的基本特征

（1）沉浸性：指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。

（2）交互性：指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。

（3）想象性：指用户沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知和認知能力全方位获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，形成新的概念。

1.2 虚拟现实系统的基本构成

一个基本的VR系统由VR生成系统、知觉系统、软件与开发工具三部分组成。

（1）VR生成系统：三维图形生成器、音频系统、跟踪及定位。

（2）知觉系统：头戴设备和数据手套等。

（3）软件及数据支撑系统。

1.3 虚拟现实系统的分类

按交互和浸入程度的不同，虚拟现实系统分为如下四种类型：

（1）桌面虚拟现实系统：也称窗口中的VR，它成本低，沉浸感不够好，主要用于CAD/CAM/CAI、建筑设计、游戏等领域。

（2）沉浸虚拟现实系统：使用头戴设备把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的感觉。

（3）分布式虚拟现实系统：在网络环境下，协同开发虚拟现实的应用，如因特网上多人游戏。

（4）增强现实（AugmentedReality，简称AR）：也称混合现实，它是将真实环境和虚拟现实的景象结合起来的一种技术，既可减少生成复杂环境的开销，又便于对实际物体的操作。

2.虚拟现实在教育中的应用

虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。

2.1 知识学习

指学生利用VR系统依靠自己的感知和认知能力全方位获取知识，发挥主观能动性，寻求解答，从而学习相关的知识。VR能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，变被动的灌输为主动地去交互。

2.2 虚拟实验

虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等，拥有传统实验室难以比拟的优势。学生可以不受时空、环境、危险性等条件限制，通过操纵虚拟空间的三维场景（通常是实验仪器）自主完成各实验步骤，不仅为预习、复习、自学创造了条件，而且有利于创新能力的培养。

2.3 虚拟实训

利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据需要随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。虚拟现实的沉浸性和交互性可以使学生以自然的方式在虚拟的学习环镜中进行交互全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。

2.4 虚拟校园

目前虚拟校园的设计总体上有两种思路：一种是在导航人的帮助下，浏览者可以通过鼠标等交互设备浏览校园内的建筑及风景。另一种则是在虚拟校园中设置虚拟教室等交互场景。如在虚拟教室中师生可以实时地交流。

3.虚拟现实的开发

虚拟现实的制作可分为开发工具包和开发软件两类。开发工具包包括三维建模软件、实时仿真软件以及相应的函数库等。开发软件是带有图形用户界面的完整软件，通过它们只需要简单编程即可生成虚拟现实场境。

3.1 开发工具包

VRML、X3D以及Java3D技术各有所长，互为补充，利用VRML的图形建模功能，X3D的国际化、结构化、模块化的特性以及Java强大的网络编程语言，共同组成一个强大的虚拟现实开发环境。

（1）VRML：即虚拟现实建模语言（VirtualRealityModelingLanguage），是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言。X3D是下一代具扩充性的3D图形规范。

（2）Java3D：是JavaAPI中的一种，用于开发面向对象的交互式三维图形应用程序。

（3）3dsMAX：提供VRMLExporterPlug-in用于将MAX格式转换成VRML格式。这样在VRML中就可以直接对MAX生成的实体进行交互操作。

3.2 开发软件

国内外的虚拟现实开发软件已经非常成熟，通用的开发软件包括Virtools、WireFusion、VRP、Quest3D、Converse3D、EONStudio等。

3.3 虚拟现实开发流程

（1）素材准备：可以使用第三方建模软件3dsMAX制作或使用三维扫描仪制作模型并准备三维全景图、平面地图、百度地图、图像与声音、视频、flash等素材。

（2）导入对象模型到虚拟现实开发软件：开发软件可以合并多个模型，添加动画、声音、图片、交互编程与其他软件的通讯等等。

（3）导出：通过执行输出可执行文件或浏览器播放插件把模型显示在屏幕上，使用鼠标和键盘点击设置的交互区域进行人机互动。

结语

随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育领域广泛应用并发挥其重要作用。