教育中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：教育技術(shù)未來的發(fā)展趨勢之一將會是虛擬現(xiàn)實技術(shù)，其交互性、沉浸性和構(gòu)想性是未來計算機在各領(lǐng)域中應(yīng)用的理想因素。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育、學(xué)習(xí)環(huán)境是實現(xiàn)對現(xiàn)實教學(xué)方法、思維方式、感知行為和控制手段等的模擬。本文通過國內(nèi)外大量前沿應(yīng)用實例，介紹并總結(jié)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育應(yīng)用領(lǐng)域中的特點、應(yīng)用和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；教育技術(shù)；虛擬現(xiàn)實建模語言；三維

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)20-30301-02

Application of Based on Virtual Reality Technology for Education

YE Su1， WANG Hao-peng2

(1. Educational Technology Center， Aviation University of Air Force， Changchun 130022， China; 2. Department of Computer， Aviation University of Air Force， Changchun 130022， China)

Abstract: Virtual Reality technology is one of an important application for education technology in the future. The characters of Interaction， Immersion and Imagination are the ideal factors for computer application in all kind of fields. Educational and learning environment simulate learning methods， thoughts methods， sensorial behaviors and control methods base on Virtual Reality. The paper discussed and summarized the characters， application and development of education application both at home and abroad in the future with some typical examples.

Key words: Virtual reality technology; Educational technology; Virtual Reality Modeling Language; 3D

1 引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），也稱靈境技術(shù)，人工環(huán)境或賽博空間，最初于20世紀80年代由美國國際計算機科學(xué)院高級研究科學(xué)家Jaron Lanier提出。VR技術(shù)是利用計算機系統(tǒng)、多種虛擬現(xiàn)實專用設(shè)備和軟件構(gòu)成的一種虛擬環(huán)境，實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境直接進行自然交互和溝通的技術(shù)。人在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中可以獲得與在自然環(huán)境中相同的感受，真實體驗視覺、聽覺、觸覺及智能感知的直觀、自然的效果。21世紀初，VR技術(shù)處于多元化的迅猛發(fā)展時期。一方面，借助計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等得到高速發(fā)展；另一方面，與專業(yè)技術(shù)（如數(shù)字地球、虛擬機械裝配、軍事與航空航天、農(nóng)業(yè)與專家系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用、教育等）的融合，使VR技術(shù)得到更廣泛應(yīng)用。

對教育領(lǐng)域現(xiàn)今的教學(xué)方式，不再是單純的依靠書本、教師授課的形式。計算機輔助教學(xué)的引入，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)所不能達到的許多方面。通過VR技術(shù)，在表現(xiàn)一些空間立體化的知識，如微觀世界的運動、分解、結(jié)合過程，機械運動模擬再現(xiàn)等，這些表現(xiàn)形式使學(xué)習(xí)過程形象化，學(xué)生更容易接受和掌握。特別是將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合，開發(fā)實時性、交互性更強的計算機遠程教育系統(tǒng)，將是VR技術(shù)在未來中的重要應(yīng)用方向。

2 虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用

教學(xué)媒體可分為文字（Text）、圖形（Graphics）、聲音（Sound）、影像（Image）、動畫（Animation）和影片（Video）等，透過VR技術(shù)能給信息化教育技術(shù)帶來全新的面貌和效能，應(yīng)用VR制作科研、教學(xué)軟件，使文字、圖形、聲音、影像、動畫、影片和交互功能聯(lián)系在一起，構(gòu)成一個完美的教學(xué)系統(tǒng)。VR在教育中的具體應(yīng)用主要在以下幾個方面：

2.1 科技研究應(yīng)用

當前許多高校都在積極研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用，并相繼建起了虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的研究室，將科研成果迅速轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)，如北京航天航空大學(xué)在分布式飛行模擬方面的應(yīng)用；浙江大學(xué)在建筑方面進行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計的應(yīng)用；哈爾濱工業(yè)大學(xué)在人機交互方面的應(yīng)用；清華大學(xué)對臨場感的研究等都頗具特色。有的研究室甚至已經(jīng)具備獨立承接大型虛擬現(xiàn)實項目的實力。

基于VR技術(shù)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示（如圖1所示）等，在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動地去交互與被動的灌輸，有本質(zhì)的差別。

2.2虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用

虛擬實驗利用VR技術(shù)，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學(xué)、生物實驗室等，擁有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢：

第一，節(jié)省成本。由于設(shè)備、場地、經(jīng)費等硬件的限制，許多實驗都無法進行。而利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，學(xué)生足不出戶便可以做各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會。在保證教學(xué)效果的前提下，極大的節(jié)省了成本。

第二，規(guī)避風(fēng)險。真實實驗或操作往往會帶來各種危險，利用VR技術(shù)進行虛擬實驗，學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種危險的實驗。例如：在進行電化學(xué)實驗科目，可免除學(xué)員操作失誤而造成意外傷害、事故（如圖2所示）。

第三，打破空間、時間的限制。利用VR技術(shù)，可以徹底打破時間與空間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進入這些物體的內(nèi)部進行觀察。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過VR技術(shù)，可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生觀察。

2.3 虛擬實訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用

虛擬實訓(xùn)基地是利用VR技術(shù)建立起來的訓(xùn)練基地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)隨時生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實踐訓(xùn)練及時跟上技術(shù)的發(fā)展。同時，虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。比如，軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、教學(xué)技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練等。由于虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險，受訓(xùn)者可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。例如：在虛擬的飛機駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中，受訓(xùn)者可以反復(fù)操作控制設(shè)備，學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機起飛、降落，通過反復(fù)訓(xùn)練，達到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。

2.4 虛擬仿真校園應(yīng)用

今年來，教育部在一系列相關(guān)的文件中，多次涉及到了虛擬校園，闡明了虛擬校園的地位和作用。虛擬校園也是VR技術(shù)在教育培訓(xùn)中最早的具體應(yīng)用，它由淺至深有三個應(yīng)用層面，分別適應(yīng)學(xué)校不同程度的需求：

（1）簡單的虛擬校園環(huán)境供游客瀏覽（如圖3所示）；

（2）基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活，功能相對完整的三維可視化虛擬校園；

（3）以學(xué)生為中心，加入一系列人性化的功能，以VR技術(shù)作為遠程教育基礎(chǔ)平臺。

2.5虛擬遠程教育應(yīng)用

基于VR技術(shù)的虛擬遠程教育可為高校擴大招生后設(shè)置的分校和遠程教育教學(xué)點提供可移動的電子教學(xué)場所。通過交互式遠程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站，由局域網(wǎng)作為校園網(wǎng)站的鏈接，可對各個終端提供開放性的、遠距離的持續(xù)教育，還可為社會提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機會，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益與社會效益。

3 總結(jié)

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及硬件設(shè)備價格的不斷降低，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科技研究、虛擬仿真校園，虛擬教學(xué)、虛擬實驗，教育娛樂等方面的應(yīng)用更為廣泛性，推動了計算機及其前沿技術(shù)在教育領(lǐng)域中的深入應(yīng)用與融合。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其自身強大的教學(xué)優(yōu)勢和潛力，將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在教育培訓(xùn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

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