虛擬現實的教學應用及簡易虛擬學習環境設計

摘 要：本文對虛擬現實技術與虛擬現實教學進行初步闡述，并對虛擬現實在教學中的作用與應用進行了重點研究，在此基礎上以虛擬立體成像系統為例對簡易虛擬學習環境的設計進行了介紹，以期為虛擬現實教學的實踐與推廣提供參考。

關鍵詞：教學應用；虛擬現實；虛擬學習環境；簡易；設計

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

虛擬現實教學是基于虛擬現實技術的新型交互式教學，對傳統教學模式具有補充、改良和優化的作用，將從理念、方法、形式、深度等多方面對教學造成深遠影響。

一、虛擬現實教學概述

（一）虛擬現實技術

虛擬現實是通過模擬視覺、聽覺、觸覺感受為主要方法創建虛擬環境的技術，已在眾多領域中應用。虛擬現實技術具有交互性強、集多重感官體驗于一體、契合人體生理及心理特征等特點，在實際應用中按照功能和應用范圍的不同可分為簡易型虛擬現實系統、共享型虛擬現實系統和沉浸型虛擬現實系統。

（二）虛擬現實教學

虛擬現實教學也稱為計算機模擬教學，其彌補傳統教學模式的不足，以虛擬現實技術為基礎，形成以雙向交互為模式的教學形式。虛擬現實教學是傳統動畫教學的衍生，在真實性與互動性方面具有突出優勢，尤其適用于實踐性較強的專業。虛擬現實教學具有生動、形象、交互性強、趣味性強的特點，在促進學生學習積極性、提供仿真實踐平臺、提高教學安全性等方面發揮重要作用，在課堂教學與實驗教學中均有較好的應用。

二、虛擬現實在教學中的應用

（一）虛擬現實在教學中的作用

虛擬現實教學形式可在較大程度上對當前教學進行補充和優化，在心理感受、學習體驗、教學限制等方面均發揮重要作用，具體體現在以下幾個方面：（1）對教學條件進行補充。在現實教學中由于經費及硬件條件限制，部分實驗、實踐、體驗等教學內容效果較差或不能實現，虛擬現實教學可對此方面問題進行彌補。（2）激發學習興趣。與傳統教學形式相比，虛擬教學能夠通過虛擬情景的方式調動學生各種感官，加大學生的參與性，化被動為主動，在促進學習主動性方面效果顯著；（3）提高教學安全性。在傳統教學中，尤其是實驗教學中，部分場景由于費用或危險性的限制僅能停留在講授層面，虛擬現實教學可為學習者提供更多的選擇機會，嘗試和體驗各種方案的過程與效果，同時避免實踐操作中可能形成的危險；（4）重視心理體驗。虛擬現實可對教學所需的環境、人物、場景進行全面模擬，使學習者完全沉浸于學習環境中，感受更加直觀、直接，學習者對教學內容的記憶與理解更深。五、突破時間與空間的限制。通過虛擬現實教學可實現對物體內部、宇宙空間等模擬，可實現短時間內模擬實際需要上百年完成的演變過程，可實現特定時間與背景下的事件還原，通過生動的形式使學生體驗和掌握高級知識。

（二）虛擬現實在課堂教學中的應用

課堂教學是教學的主要組成部分，因此虛擬現實教學的核心應用范圍也體現在課堂教學領域之中。虛擬現實在課堂教學中的應用主要體現在以下方面：（1）物體三維模擬。此方面的應用主要集中于物理、化學、生物等科學類學科中，替代傳統教學中使用的實物模型展示、幻燈片展示、動畫展示等方法，利用3DMax、虛擬現實軟件等工具模擬三維立體事物，學生可對三維物體進行多角度觀察、移動、旋轉等操作；（2）構建虛擬場景。此方面的應用多傾向于語言類學科中，彌補傳統教學中通過圖片、錄音、影像等情景模擬存在的不足和問題，基于虛擬現實技術對教學所需的特定情景進行構建，例如特定的國家或特定的對話情境，使學生對學習內容有更深入的感受；（3）技能訓練。此方面的應用主要集中于實操類的教學內容，突破條件限制，可提供集安全性、沉浸性、反復性、交互性于一體的技能訓練，在體育技能、軍事作戰技能、駕駛技能、外科手術技能、電器維修技能等相關訓練中發揮重要作用；（4）突破時空限制。空間方面可對宏觀或微觀世界進行模擬，例如對太空旅行、星系運動、紅細胞內部結構等內容的模擬，時間方面可模擬時間的延長或縮短，例如在幾分鐘內展示需要幾個月時間完成的果蠅實驗，也可還原不同時代的場景，例如再現冰河時代、重現歷史事件等。

（三）虛擬現實在實驗教學中的應用

實驗是實現教學與實踐相結合的主要途徑，而虛擬現實教學通過構建虛擬實驗室，使傳統實驗中難以操作或實踐的實驗變為可能，在提高實驗操作性和還原度的基礎上，在實驗講解、一對一輔導等方面實現突破。虛擬實驗室可構建適用于不同學科的實驗環境，通過提供基礎知識、實驗資料、過程展示、實時指導等功能實現對實驗教學的輔助能力。此外，傳統實驗教學中受設備與與資源限制的反復實驗、對比實驗、理想狀態的實驗內容和方式也可通過虛擬現實技術順利完成。例如在虛擬實驗室中可進行真空或不同重力加速度環境的實驗，可體驗地震波傳播或火山爆發實驗等。

三、簡易虛擬學習環境設計

虛擬現實的關鍵技術之一即立體顯示，本文介紹一種簡易的基于現有的微機平臺的虛擬立體成像系統的設計方法。

首先，空間立體感研究。人類左右雙眼視覺中的圖像存在重疊，即形成立體視覺，這是空間立體感的主要成因。通過對同一場景分別繪制出兩幅對應于左右眼的不同圖像即是立體圖產生的基礎過程，而立體圖繪制是對同一場景用左右兩個視點分別計算其透視圖的，因此恢復三維深度信息。第二，立體驅動。立體驅動是顯示驅動部分，可將Direct3D相容的應用軟件由平面顯示即時轉化為立體顯示，通過立體驅動的換頁掃描模式將左右圖像重復、快速的交替掃描輸出，即可實現屏幕上同時顯示左右眼圖像的效果。第三，立體圖像的輸出與觀察。通過VGA數據線將計算機、主動轉被動轉換儀、兩臺液晶投影儀相連接，并在投影儀前放置兩片偏振方向呈90度角的偏振片，最終在無偏振屏幕上投影。四、立體圖像調整。初始立體成像效果需進行調整以獲得更具有層次感的虛擬立體圖像，即通過調整立體視察、調整屏幕前景深度、更改立體模式、將場景中的物體推進或拉出屏幕等操作，最終可觀察到成像如實物般跳出屏幕的效果。

四、結束語

虛擬現實在教育教學中的意義與作用不可忽視，在實際應用過程中，由于技術的局限性、設備昂貴等原因使得虛擬現實教學未能得到較為廣泛的推廣。進一步試驗與研發具有應用性強、造價低、操作便捷、通用性好的虛擬現實教學設備是接下來的研究重點與難點。

參考文獻：

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