虛擬現實技術在教育中的應用

摘 要：虛擬現實技術是目前在計算機領域中一項發展最快的多學科的綜合技術。它已成為在計算機相關領域中繼多媒體技術、網絡技術之后，被廣泛關注、研究與應用的熱點。虛擬現實技術在教育領域內有著巨大的應用前景。

關鍵詞：虛擬現實技術；教育；應用

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 24-0000-02

一、虛擬現實技術概述

虛擬現實是一門綜合技術，它是指以計算機技術為主，綜合利用計算機三維圖形技術、模擬技術、傳感技術、人機界面技術、顯示技術、伺服技術等，來生成一個逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環境，用戶可以從自己的視點出發，利用自身的功能和一些設備，與虛擬世界中的物體進行交互，從而使用戶產生身臨其境的感覺和體會。

首先，虛擬現實技術可以模擬出一個近乎正是的環境，并且可以產生于現實世界相同的反饋信息，使人獲得和現實世界中一樣的感受，具有感性和沖擊力。易于實現對學習者內部需要和動機的滿足。其次，虛擬現實技術可以模擬出一些現實中因實驗設備等因素而無法實現的情景，從而使以前無法進行的教學實驗得以進行。最后，虛擬現實技術可以使我們利用有限的資金，更多的依靠軟件和智慧，有針對性的設計和開展各種模擬教學及實驗，從而提高資金的利用效率，獲得更好的教學效果。總之，虛擬現實技術在教育中有很高的應用價值。

二、虛擬現實技術的特點

（一）沉浸性

沉浸是指信息接收主體完全融人一個虛擬環境之中。沉浸的本質就是一個主體與他所在的環境存在著非常強的相互作用關系，當這種相互作用關系強到一定程度之后，主體就很難和它的環境分開了，那么這個主體就沉浸到環境之中了。

（二）交互性

在傳統的技術中，人機之問的交互主要是通過鍵盤和鼠標進行交互。而虛擬現實技術中提供的人機交互是一種近乎自然的教育，在虛擬環境中，用戶不僅可以通過鍵盤和鼠標進行交互，而且可以通過特殊的頭盔、數據手套等設備進行交互。用戶頭部的轉動、手的移動、或者語言等本身自然技能，就可以與虛擬世界進行交互。

（三）想象性

想象性是指虛擬的環境使人想象出來的，同時這種想象體現出設計者相應的思想，因而可以用來實現一定的目標。虛擬現實技術為人們提供了一個形象的環境，可以讓人們在這個環境中依靠用戶的感知能力和認識能力全面的獲取定性、定量信息，并發揮主觀能動性、創造性，了解、認識事物，改變以往人們只能通過計算機最終計算出的定量結果來認識事物。可以從定性、定量兩個方面加深對事物的認識，并發揮自己的創造性。

三、虛擬現實系統及其分類

（一）虛擬現實系統

虛擬現實系統是虛擬現實技術的物理實現形式。虛擬現實系統一般包括虛擬環境產生器和人機接口兩部分。虛擬環境產生器的功能是根據任務的性質及用戶的要求在工具軟件和數據庫的支持下產生多維的適人的情景和實例。虛擬環境產生器實質上是一個包括虛擬世界數據庫的高性能計算機系統。人機接口的功能讓用戶可以與虛擬環境進行交互。人機接口一般包括語音合成與識別，頭、眼、手跟蹤裝置，觸覺、動覺系統，頭盔顯示器等。

一個基于頭盔顯示器的虛擬現實系統，是由包括虛擬世界數據庫的高性能計算機系統、頭盔顯示器、語音合成與識別（如耳機），頭、眼、手跟蹤裝置，觸覺、動覺系統等組成的。該系統首先由計算機生成一個虛擬世界，由頭盔顯示器將其顯示出來，在頭、眼、手跟蹤裝置、語音合成與識別的支持下，用戶通過頭部、手部的移動，語音等便可以與虛擬世界進行自然的交互。計算機能根據用戶輸入的各種信息實時進行計算，即對交互行為進行反饋，如由頭盔顯示器更新相應的場景顯示，由耳機輸出立體聲音，由動覺、觸覺系統產生力覺反饋。

（二）虛擬現實系統的分類

1.桌面型虛擬現實系統。桌面型虛擬現實系統又稱為窗口虛擬現實系統，是以一臺普通計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個窗口，采用立體圖像＼自然交互等技術，使用戶產生沉浸于其中的感覺。

2.沉浸型虛擬現實系統。沉浸型虛擬現實系統是一種高級的、交互效果最好的虛擬現實系統。它通常采用頭盔是顯示器等設備，將用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，與現實的客觀世界隔離，并給用戶提供一個全新的虛擬空間的感覺。

3.增強虛擬現實系統。增強虛擬現實系統又稱混合現實系統。它是把真實環境和虛擬環境結合起來的一種系統。它是將虛擬物體、環境疊加在真實的世界之上，來增強現實環境。增強虛擬現實系統中虛擬環境所提供的感覺，往往是在現實中用戶很難或無法感知的感覺。

4.交互分布式虛擬現實系統。交互分布式虛擬現實系統是虛擬現實技術與網絡技術相結合的產物。交互分布式虛擬現實系統是是在“沉浸型”虛擬現實系統的基礎上，將分布于不同地理位置的多個用戶或多個虛擬世界通過網絡連接起來，使多個用戶他們同時參加一個虛擬空問，共同體驗虛擬經歷，從而達到共同協作的目的。

四、虛擬現實技術在教育中的應用

（一）虛擬課件制作

現在，大多數課件主要是用多媒體技術將文字、圖片、聲音、視頻等多種媒體組合起來形成的。這種課件缺乏情境性、交互性。用虛擬現實技術支持課件的設計、開發，不僅能夠實現立體空間、立體物體的“真三維”展示與介紹，而且支持學習者的自由瀏覽和“浸人式”漫游，可以隨意控制教學場景的展示和場景中元素的狀態，進行個性化學習與體驗。那些對情景性、交互性要求較高的課件，就可以用虛擬現實技術進行設計。

（二）虛擬協同學習

虛擬協同學習是指多個用戶通過交互分布式虛擬現實系統，以小組或團隊的形式組織學習者，是他們在討論、協作與交流的基礎上進行學習。虛擬協同學習與傳統的網上學習相比有明顯的優勢。首先，虛擬協同學習改善了網上學習的環境。交互分布式協同虛擬現實系統可以創造出與現實想象的模擬教室環境，使人有身臨其境的感覺。從而有效地避免了傳統網上學習時學生容易產生的孤獨感。其次，虛擬協同學習的交互性更強，可以有效地提高網上學習的質量。最后，虛擬協同學習有利于學習者的非智力因素的培養。在交互分布式虛擬現實系統中，協作者以具有個性特征的智能實體形象進入系統，每個智能實體根據協作者的文化背景、知識結構和個性特征各不相同，給人以“第一人稱”的感覺。協作者還能通過各種輸入輸出設備實時的與其他小組成員進行交流，充分發揮集體的智慧，并相互學習、相互促進，共同進步。

（三）虛擬實驗室

利用虛擬現實技術，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、實驗室等等。虛擬實驗室與傳統實驗室相比，有很多優勢。首先，虛擬實驗室可以節約成本，提高資金的利用效率。因為可以通過虛擬技術根據顯示模擬出我們實驗時所需的實驗原料、實驗設備、實驗場地等，這樣就可以節約大量的資金。其次，虛擬實驗室更具有靈活性。在虛擬實驗的過程中，用戶可以方便的改變事物的條件，以觀察不同條件下所產生的結果，從而給學生更加豐富的感性認識，以便學生驗證自己的假設。在學習的過程中，可以提高學生進行科學研究的興趣，從而提高學生的科學探索能力。最后，利用虛擬實驗室，可以避免真實實驗帶來的各種危險。在現實中，因為試驗本身具有危險或是實驗材料對人體健康有傷害，很多實驗都只能通過播放視頻的方式進行。現在，虛擬實驗室可以幫我們很好的解決這個問題。在虛擬實驗室中，我們可以放心的做各種危險實驗。例如，虛擬的化學實驗，可以避免化學反應因燃燒、爆炸所帶來的危險。

（四）虛擬實訓基地

利用虛擬現實技術所建立的實訓基地，在現實中有廣闊的應用前景。虛擬現實技術具有沉浸性、交互性和想象性，可以使訓練者產生身臨其境的感覺，從而有利于訓練者全身心地投入到訓練中。它可以應用到外科手術技能、汽車駕駛技能、電器維修技能等各種職業技能的訓練中。虛擬實訓基地與現實實訓基地相比，有以下優點：首先，可以有效節約成本。在虛擬實訓基地中，多數的各種器械、場地都是根據現實模擬的，而且可以多次利用。因此可以剩下大量的設備購買、場地設置費。其次，正因為虛擬實訓基地的設備、場地是虛擬的，所以可以方便的根據學科、技術的發展，隨時更新設備、場地，是訓練跟上時代的潮流。最后，虛擬實訓基地可以避免在訓練過程中的危險，如在外科手術的訓練中，可避免學生的操作失誤造成病人的死亡。

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[作者簡介]徐羨文（1982.12-）女，福建福州人，研究生，助教，研究方向：計算機教學。