虛擬現實技術在教育中的應用

支建飛

【摘要】虛擬現實技術是國內外最熱門的研究領域之一，它在教育領域中已經得到了廣泛應用。通過對傳統教學軟件和虛擬現實技術的研究，分析了虛擬現實技術應用于教育的意義和主要方向，探討了虛擬現實制作流程和方法。

【關鍵詞】虛擬現實；虛擬現實技術；網絡教學

過去的一年，虛擬現實行業內新聞熱度就已經爆表，國內外廠商如谷歌、微軟、蘋果、三星、臉書等科技巨頭紛紛搶占虛擬現實市場。傳統的計算機輔助教學軟件場景模擬的仿真程度以及交互性都有很大局限，而虛擬現實技術正是由于其能夠使用戶可以通過自然的方式對虛擬環境中的對象進行體驗和交互的特性成為教育領域中的又一熱點。

1.虛擬現實

虛擬現實（VirtualReality，簡稱VR），又稱臨境技術，是指利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環境，用戶從自己的視點出發，借助特殊的輸入輸出設備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進行交互，使用戶沉浸到該環境中。

1.1 虛擬現實的基本特征

（1）沉浸性：指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難辨真假的程度。

（2）交互性：指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。

（3）想象性：指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認知能力全方位獲取知識，發揮主觀能動性，尋求解答，形成新的概念。

1.2 虛擬現實系統的基本構成

一個基本的VR系統由VR生成系統、知覺系統、軟件與開發工具三部分組成。

（1）VR生成系統：三維圖形生成器、音頻系統、跟蹤及定位。

（2）知覺系統：頭戴設備和數據手套等。

（3）軟件及數據支撐系統。

1.3 虛擬現實系統的分類

按交互和浸入程度的不同，虛擬現實系統分為如下四種類型：

（1）桌面虛擬現實系統：也稱窗口中的VR，它成本低，沉浸感不夠好，主要用于CAD/CAM/CAI、建筑設計、游戲等領域。

（2）沉浸虛擬現實系統：使用頭戴設備把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產生一種身臨其境的感覺。

（3）分布式虛擬現實系統：在網絡環境下，協同開發虛擬現實的應用，如因特網上多人游戲。

（4）增強現實（AugmentedReality，簡稱AR）：也稱混合現實，它是將真實環境和虛擬現實的景象結合起來的一種技術，既可減少生成復雜環境的開銷，又便于對實際物體的操作。

2.虛擬現實在教育中的應用

虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。

2.1 知識學習

指學生利用VR系統依靠自己的感知和認知能力全方位獲取知識，發揮主觀能動性，尋求解答，從而學習相關的知識。VR能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結構顯示等，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。親身去經歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，變被動的灌輸為主動地去交互。

2.2 虛擬實驗

虛擬實驗利用虛擬現實技術，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學、生物實驗室等，擁有傳統實驗室難以比擬的優勢。學生可以不受時空、環境、危險性等條件限制，通過操縱虛擬空間的三維場景（通常是實驗儀器）自主完成各實驗步驟，不僅為預習、復習、自學創造了條件，而且有利于創新能力的培養。

2.3 虛擬實訓

利用虛擬現實技術建立起來的虛擬實訓基地，其“設備”與“部件”多是虛擬的，可以根據需要隨時生成新的設備。教學內容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術的發展。虛擬現實的沉浸性和交互性可以使學生以自然的方式在虛擬的學習環鏡中進行交互全身心地投入到學習環境中去，這非常有利于學生的技能訓練。

2.4 虛擬校園

目前虛擬校園的設計總體上有兩種思路：一種是在導航人的幫助下，瀏覽者可以通過鼠標等交互設備瀏覽校園內的建筑及風景。另一種則是在虛擬校園中設置虛擬教室等交互場景。如在虛擬教室中師生可以實時地交流。

3.虛擬現實的開發

虛擬現實的制作可分為開發工具包和開發軟件兩類。開發工具包包括三維建模軟件、實時仿真軟件以及相應的函數庫等。開發軟件是帶有圖形用戶界面的完整軟件，通過它們只需要簡單編程即可生成虛擬現實場境。

3.1 開發工具包

VRML、X3D以及Java3D技術各有所長，互為補充，利用VRML的圖形建模功能，X3D的國際化、結構化、模塊化的特性以及Java強大的網絡編程語言，共同組成一個強大的虛擬現實開發環境。

（1）VRML：即虛擬現實建模語言（VirtualRealityModelingLanguage），是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構的三維世界的場景建模語言。X3D是下一代具擴充性的3D圖形規范。

（2）Java3D：是JavaAPI中的一種，用于開發面向對象的交互式三維圖形應用程序。

（3）3dsMAX：提供VRMLExporterPlug-in用于將MAX格式轉換成VRML格式。這樣在VRML中就可以直接對MAX生成的實體進行交互操作。

3.2 開發軟件

國內外的虛擬現實開發軟件已經非常成熟，通用的開發軟件包括Virtools、WireFusion、VRP、Quest3D、Converse3D、EONStudio等。

3.3 虛擬現實開發流程

（1）素材準備：可以使用第三方建模軟件3dsMAX制作或使用三維掃描儀制作模型并準備三維全景圖、平面地圖、百度地圖、圖像與聲音、視頻、flash等素材。

（2）導入對象模型到虛擬現實開發軟件：開發軟件可以合并多個模型，添加動畫、聲音、圖片、交互編程與其他軟件的通訊等等。

（3）導出：通過執行輸出可執行文件或瀏覽器播放插件把模型顯示在屏幕上，使用鼠標和鍵盤點擊設置的交互區域進行人機互動。

結語

隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善，以及硬件設備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現實技術以其自身強大的教學優勢和潛力，將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在教育領域廣泛應用并發揮其重要作用。