虛擬技術在學科教育領域中的應用

摘要:虛擬技術在教育教學上的應用，開創了“虛擬技術學科教育”的嶄新領域，它是教育高科技的展示和體現，也是教育手段現代化、信息化的標志之一，有著極其廣闊的應用前景。實踐證明教學模擬是一種大有前途的教學手段。教學模擬利用計算機建模和仿真技術來表現某些系統(自然、物理、社會)的結構和動態，以便為學生提供一種可供體驗和觀測的環境，顯現知識的意義和結構，達到掌握知識的目的。通過建立和描述模擬對象邏輯的、教學的或過程的模型，在一定程度上反映出真實世界知識體系，演示出理想的知識圖景。利用虛擬技術創設的虛擬學習情景，可以提高教學效果，豐富教學手段和教學表達力。

關鍵詞:虛擬技術;學科教育

中圖分類號:G43文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)32-9108-02

Virtual Technology in the Field of Education of Subjects

WANG Xing-can

(Xiamen Airlines Co.， Ltd.， Xiamen 361000， China)

Abstract: Virtual technology in education and teaching on the application， creating a \"virtual technical disciplines of education\" of the new area， it is education， high-tech display and reflect， but also educational means modernization， one of the hallmarks of information technology， has an extremely wide application prospects. Practice has proved that teaching is a promising simulation means of teaching. Teaching simulation using computer modeling and simulation technology to the performance of some systems (natural， physical， social) structure and dynamics in order to provide students with a kind of experience and observation for the environment， show the meaning and structure of knowledge， to acquire knowledge purpose. Through the establishment and description of the logic of simulation objects， teaching， or the process model， to a certain extent， reflects the real-world knowledge system to demonstrate knowledge of the ideal picture. Created by using virtual technology， virtual learning scenarios， you can improve the teaching effectiveness， enrich teaching methods and teaching expressive.

Key words: virtual technology; disciplinary education

1 虛擬技術及其特征

虛擬現實(VirtualReality)即將本來不存在的事物和環境，通過各種技術虛擬為沉浸式交互環境，使人感覺如同處在真實世界一樣，又稱為靈境技術或臨境技術。

沉浸性、交互性、想象性是虛擬技術的三個突出特征，三者就像三個頂點，構成了虛擬技術的三角形，使參與者能夠沉浸于虛擬世界之中并直觀而自然地實時感知和交互。

1)沉浸性:是指使用戶感覺到好像完全置身于虛擬世界中一樣，被虛擬世界所包圍。虛擬技術的主要技術特征就是讓用戶由被動的觀察者變成主動的參與者，覺得自己是計算機系統所創建的虛擬世界的一部分，沉浸于其中并參與虛擬世界的各種活動。視覺沉浸、聽覺沉浸、觸覺沉浸、嗅覺沉浸的感知技術目前己較為成熟，身體感覺沉浸、味覺沉浸還有待進一步開發。

2)交互性:是指用戶從過去只能通過鍵盤、鼠標與計算環境中的單維數字信息發生交互作用，到能用多種傳感器，借助于虛擬現實系統中特殊的硬件設備，以自然的方式與多維化信息的虛擬世界進行交互，實時產生在真實世界中一樣的感知，甚至連用戶本人都意識不到計算機的存在。

3)想象性:是指虛擬環境是人想象出來的，同時這種想象體現出設計者相應的思想，可用來實現一定的目標，如從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，進而使人能深化概念、產生新意和構想，主動地尋求探索接收信息，而不是被動地接收等，更有創意。

2 虛擬技術在學科教育領域中的關鍵技術

VRML(Virtual Reality Modeling Language)虛擬現實建模語言是在Internet上廣泛流行的一種圖形建模語言，用它可以在Internet上創建三維的虛擬場景。許多互聯網上創建的具有可導航、超鏈接等功能的三維虛擬現實空間都是用這種技術創建的，其中網上虛擬大學用的主要技術就是虛擬現實建模語言技術，它已經成為在互聯網上創建三維虛擬場景的事實上的標準。

2.1 虛擬現實建模語言的場景描述

在虛擬場景建模的時候，一般把整個場景進行適當的分割，對分割的小場景再進行渲染。

虛擬現實建模語言定義的三維場景由一個節點樹表示，場景中的每個對象由一個或多個節點描述。從理論上來說，節點可以包括任何東西——3D幾何體、MIDI數據、JPEG圖像。虛擬現實建模語言標準節點集中定義了許多不同類型的節點，多數節點分為以下幾類:

1)外形類節點(shape node)，唯一一類能被繪制的節點。

2)屬性類節點(properties node)，這類節點的處理通過影響外形類節點進行。

3)組節點(group node)，組節點把其它節點收集在一起，允許把節點的集合當作一個節點來處理。其他的節點諸如材質節點(material)節點、紋理(Textual)節點、燈光節點(分為DirectionalLight節點和SpotLight節點)、背景(background)節點。每個小場景都可以形成虛擬現實建模語言文件，由多個小場景構成的多個虛擬現實建模語言文件用內聯節點(Inline)之間的嵌套技術合并成一個虛擬現實建模語言文件，這個虛擬現實建模語言文件完成了整個場景的建模。這種場景的建模基本有兩點好處:

1)虛擬現實建模語言的小場景文件可以有機的整合，不會因為每個小場景的文件太大而不利于調試、檢查。

2)用戶瀏覽的時候不用把整個場景文件都讀入本地客戶機中，這樣就適應了網絡帶寬的限制，提高了在虛擬空間中瀏覽的速度。

2.2 虛擬現實建模語言的文件組成

虛擬現實建模語言文件主要包括四個主要成分:虛擬現實建模語言文件頭、原型、造型節點和腳本、路由。在這四個要素中，只有文件頭部分是必須的，它用來告訴瀏覽器虛擬現實建模語言文件符合的規范、標準以及使用的字符集等信息。原型定義了創建帶有指定名稱、接口和整體的新節點類型，一旦成功地定義了原型，它就可以在虛擬現實建模語言文件的其他地方隨意使用。造型節點是虛擬現實建模語言中的基本建造模塊，它構成了虛擬現實建模語言文件的主體部分，正是由于造型節點的定義而產生了虛擬的虛擬現實建模語言空間。腳本可以看作是一個節點的外殼，它有域值、eventIn事件、eventOut事件。事件本身不能產生任何動作，但它可以通過程序腳本來賦予腳本節點值來產生各種動作。這里的程序腳本是一種簡化了的應用程序，一個典型的腳本是由JAVA或JavaScript編程語言寫成的程序。路由(Route)是一種文本描述消息，一旦在兩個節點之間創建了一個路由，第一個節點可以順著路由傳遞消息給第二個節點，這樣的消息被稱為事件。虛擬現實建模語言還可以包含下列條目:注釋、節點和域值、定義的節點名、使用的節點名等。

2.3 虛擬現實建模語言語言的編譯

設計虛擬現實建模語言虛擬場景時，最簡單的方法是直接使用文本編輯器來編輯描述文本。這種方法類似于程序設計，它簡單方便，但不是很直觀，對設計者的空間想象能力要求較高，設計的效率也不高。現在有很多可視化的虛擬現實建模語言設計工具，如CosmoWorld和HomeSpace等，這些工具將虛擬現實建模語言的標準節點都做成可視的組件，用戶設計時，只需要將這些組件組合成自己需要的虛擬場景就可以了，而且設計的效果在設計時就可以看到。設計完畢后，系統自動將這個可視的虛擬場景生成標準的虛擬現實建模語言描述文本，這樣，這些文本傳送到用戶的瀏覽器后，便會在用戶的屏幕上重現這個虛擬場景。虛擬現實建模語言在各方面都展現出強大的應用潛力，蘊藏了無限生機。

3 虛擬現實在教育領域中的應用

虛擬技術能夠為參加教育的學生提供生動、逼真的學習壞境，學生能夠成為虛擬環境的一名參與者，這對調動學生的學習積極性，突破教學的重點、難點，培養學生的技能都將起到積極的作用。虛擬技術在遠程教學中的應用主要有以下四個方面:

3.1 探索學習

虛擬技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。如在虛擬化學系統中，學生可以按照自己的假設將不同的分子組合在一起，虛擬出組合的物質來。真正對虛擬現實學習環境的研究是對分布式真實虛擬現實感的教學環境的開發與應用進行研究，通過人體模型或者化合物等分子結構演示的虛擬體驗，教育者和學習者之間，或者學習者和同伴之間可以在一個虛擬的現實空間中，進行虛擬人之間的面對面的情感交流。

3.2 技能訓練

利用虛擬技術，可以做各種各樣的技能訓練。由于這些虛擬訓練系統無任何危險，學生可以不厭其煩地反復練習，直至掌握操作技能為止。如虛擬飛機駕駛訓練中，學員可以反復操作控制設備，學習在各種天氣情況下駕駛飛機起飛、降落，通過反復訓練，熟練掌握駕駛技術。虛擬技術在教學中應用幾乎最成功的案例就是模擬訓練系統的開發與研制。由于空間探索和軍隊戰爭訓練需要高昂的費用，以及這些領域需要極高的安全性與可靠性，使得虛擬技術最早應用在了這個領域，并且發揮出了巨大的使用價值和商業價值。隨著社會的進步，虛擬技術也延伸到的一般的醫學教學、汽車駕駛以及電器維修等需要培養各種操作技能的領域。在動作技能的學習中，學習者只有從虛擬現實系統中接受到操作或動作的反饋才能起到積極的學習作用。因此在運用虛擬技術研發模擬訓練系統時應該具體考慮學習產生的條件以及教學的效果，這種模擬訓練系統應該能夠提供真實的模擬訓練的情景，校正學習者的錯誤以及跟蹤學習者的學習過程等功能。

3.3 虛擬實驗

利用虛擬技術，還可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學、生物實驗室，學生可以自由地做各種實驗。利用虛擬技術建立的各種虛擬實驗室(Virtual lab)在教育上應用前景廣闊，尤其在物理、化學、生物等需要實驗的學科中更是如此。創建這種虛擬環境的演示物體可以擺脫真正實驗室所需要的昂貴的設備，減少了教育部門的實驗開銷，教學的效果基本接近運用真正的實驗儀器設備進行實驗所能達到的教學效果。虛擬實驗室基本上分為兩類:一種是由編程者設計只能插入并操作實驗中有限的實物，這是現今大多數虛擬實驗室系統的工作環境;另外一種是基于廣泛學科領域知識的虛擬現實系統。

4 結束語

教育是借助于一定的技術手段來實現的，因此教育技術的變革，必然會帶來教育模式、規模和意識上的變革。教育技術的先進性，直接促進人類教育行為的方方面面，同時也進化著人類的教育思想。顯而易見，在嶄新的教育技術——虛擬技術支持下的虛擬教育，不僅僅是為教育技術提供了一種全新的、前所未有的模式，而且將對遠程教育乃至整個人類教育，在思想觀念上帶來重要的、也許是根本性的革命。21世紀是虛擬技術更加成熟的時代，虛擬技術在教育領域中的應用將進一步拓展其廣度和深度。

參考文獻:

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