虛擬現實在教育教學中的應用

摘 要 闡述虛擬現實技術的概念、基本特征，提出虛擬現實技術在教育教學中的應用和良好效果。

關鍵詞 虛擬現實；沉浸感；交互性；想象性

中圖分類號 G434 文獻標識碼 B 文章編號 1671-489X（2008）014-0065-02

1 虛擬現實概念

虛擬現實，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術。這一名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾在20世紀80年代初提出的，也稱靈境技術或人工環境。作為一項尖端科技，虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機生成的高技術模擬系統。這種技術的特點在于計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環境，從而使得在視覺上產生一種沉浸于這個環境的感覺。系統可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環境及事物的內在變化，并能與之發生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。

2 虛擬現實技術特征

2.1 沉浸感(Immersion)沉浸感是指用戶可以沉浸于計算機生成的虛擬環境中和使用戶投入到計算機生成的虛擬場景中的能力，用戶在虛擬場景中有“身臨其境”之感。用戶所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，完全與真實環境中感受的一樣。它是虛擬現實系統的核心。

2.2 交互性(Interaction)虛擬現實與通常CAD系統所產生的模型以及傳統的三維動畫是不一樣的，它不是一個靜態的世界，而是一個開放、互動的環境。虛擬現實環境可以通過控制與監視裝置影響使用者或被使用者影響，即計算機使用者可以通過三維交互設備直接操縱計算機所給出的虛擬世界中的對象，虛擬世界中的對象也能夠實時地作出相應的反應。它是用戶對虛擬環境中的物體的可操作程度，對虛擬環境中得到反饋的自然程度和對虛擬環境進行重新布置的方式。虛擬現實系統中參與者與虛擬環境之間的交互作用，使得虛擬現實技術中的人機關系具有新的涵義。

2.3 想象性(Imagination)想象性是指通過用戶沉浸在“真實的”虛擬環境中，與虛擬環境進行各種交互作用，從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，從而可以深化概念，萌發新意，產生認識上的飛躍。因此，虛擬現實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可以使用戶沉浸于此環境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。這種構思結果輸入到系統中去，系統會將處理后的狀態實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復，形成一個“學習——創造——再學習——再創造”的過程，因而可以說，虛擬現實是啟發人的創造性思維的活動。

3 虛擬現實技術在教育教學上的應用

3.1 技能訓練與傳統的培訓方法相比，基于VR的培訓系統，在沒有安裝真正的設備情況下，學員可以接受生產過程和方法的培訓，充分感覺線索和多通道的反饋方式讓學員可以獲得真實世界的操作技巧。更重要的是，VR培訓系統提供了高度自由的操作性，不但可以模擬誤操作的后果，而且不會造成人員的傷害和機器設備的損壞。虛擬現實技術在工業培訓、航天訓練和醫生的培訓方面得到廣泛應用。

3.2 虛擬可視化虛擬可視化是指運用計算機圖形學和圖像處理技術，將科學計算過程中或者是計算結果的數據轉換為圖形或圖像，在屏幕上顯示出來并進行交互式處理的技術或方法。對于很多復雜的分子結構、三維體數據和繁雜的地震數據等，傳統的圖像分析技術和二維表現方法很難對其進行識別和度量；而使用虛擬現實技術則可以將計算過程以動態、立體的形式來表現，結果形象生動，用戶可以沉浸在虛擬環境之中，使用自然直觀的方式與虛擬的科學世界交互，大大提高數據解釋水平和推測準確性，加深對科學數據的理解。美國的科學家和教育家們正進行通力合作，通過CAVE、Immersa-Desks、ImmersaWalls、HMD (head mounted displays)等把“虛擬現實”引薦給教師和學生。CAVE是一個長、寬、高各3.05米(10英尺)的空間，三面圍墻、一個頂、一塊地板，這是一個洞穴式立體顯示裝置。學生一般要佩戴一副眼鏡，幫助他們提高圖像識別能力。它所攜帶的CAVE操縱桿能夠用來幫助學生在虛擬環境中控制視點的移動。桌子、墻以及頭盔顯示器比較便宜，也易于攜帶，可以作為CAVE的替代品。

3.3 虛擬實驗室虛擬現實技術的自身優勢使得它在各個學科的教學中都可以大有作為。尤其在建筑、機械、物理、化學等學科有著質的突破。利用虛擬現實技術，可以建立各種虛擬實驗室，在“實驗室”里學生可以自由地做各種實驗。一些易危害人體健康的實驗或特別精密、昂貴的實驗設備，學生一般不能直接進行實驗，從而影響提高實驗技能。利用虛擬實驗系統，學生在虛擬實驗室中可以放心地去做各種現實中無條件實現的(真空環境等)危險或危害人體的實驗，操作各種精密設備，親歷實驗過程，獲得實驗結果。電視電化教育研究通過虛擬演播室來創設猶如真實的環境，節約成本。

高校教學中引入虛擬現實技術，可以改善高等教育的教學環境。在高校教學經費有限的情況下，利用多媒體技術，實物仿真與虛擬現實相結合，建造虛擬的現代化實驗室，降低實驗教學對客觀物質條件的依賴，可以大大緩解實驗儀器設備不足等問題，提高操作實踐的安全性、高效性，提升實驗教學對學生創新能力和實踐能力培養的力度。同時借助網上虛擬實驗系統開展實驗教學，可以突破傳統教學手段，構建一種全新的實驗教學模式，為開展開放式實驗教學提供強有力的支持，全面提升高校教學質量。