虛擬現實內涵界定及其應用

穆萍　羅永霞　馬國香　馬梅　馬偉棟

摘 要 隨著信息產業的快速發展，信息技術的創新研究也越來越受到重視，現在的微格教室、遠程教學、多媒體教室和虛擬現實技術相繼進入教育領域。作為信息技術發展重要驅動力的虛擬現實技術，其已被看作是僅次于互聯網的、改變未來世界的、基于計算機的一種全面仿真技術，也成為當今人們關注的熱點之一。同時作為人與計算機生成的虛擬環境進行交互作用的一種手段，它的迅速崛起對教育產生了深遠的影響，改變了傳統的教學觀念，突破了以往教學模式的狹隘性。

在教育教學中使用虛擬現實技術已成為一個深受關注的研究方向，它也是當今時代一個最熱的話題。

關鍵詞 虛擬現實 信息技術 內涵

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

筆者通過拜讀近年來對虛擬現實研究的相關文獻，本文對虛擬現實的內涵、應用現狀、發展趨勢以及其在不同領域的應用做出歸納和總結，以期為我國虛擬現實的后續研究提供借鑒與參考。

1虛擬現實概述

1.1虛擬現實技術內涵

虛擬現實技術（Virtual Reality），簡稱VR，被認為是人機交接口技術的一場革命，是通過多媒體技術與仿真技術相結合產生的具有逼真的視覺、聽覺、觸覺一體的虛擬環境，即形成虛擬世界，它設計的領域也很多，具體包括人工智能，計算機圖形學，人機接口技術，多媒體技術，傳感技術以及高度并行的實時計算技術等。使用者以自然的方式對其中的虛擬對象進行體驗。它利用三維圖形生成技術、多種傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的虛擬環境，體驗者通過使用不同的傳感設備，如：頭盔、數據手套等。利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，使人獲得一種身臨其境的感覺。

1.2虛擬現實技術應用現狀

1.2.1國外現狀

虛擬現實技術研究發源地最早是美國，它可以追溯到上世紀40年代。最初研究應用主要是美國軍方對飛行駕駛員與宇航員的模擬訓練，在模擬訓練領域的基礎研究中主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。

在歐洲，英國在 VR 開發的某些方面，尤其是在分布并行處理、輔助設備設計和應用研究方面，歐洲是遙遙領先的。英國 Bristol 公司發現，VR 應用的交點應集中在整體綜合技術上，他們在軟件和硬件的某些領域處于領先地位。英國 ARRL 公司的研究實驗主要包括VR重構問題。

日本的虛擬現實技術的發展在世界相關領域的研究中同樣具有舉足輕重的地位，在建立大規模VR知識庫和虛擬現實的游戲方面取得了很大的成就。

1.2.2國內現狀

和發達國家相比，我國虛擬現實技術的研究還有很大的一段距離。隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的不斷成熟，虛擬現實技術已經得到了重視，引起我國各界人士的興趣和關注。國家科委國防科工委部已經將虛擬現實技術的研究視為重點攻關項目，國內許多研究機構和高校也隨之進行虛擬現實的相關研究和應用推廣，并取得了一些不錯的研究成果。

北京航空航天大學計算機系是國內最早進行虛擬現實技術的研究、也是最有權威的單位之一，在虛擬實現與可視化新技術研究室集成了分布式虛擬環境，它可以提供實時的、三維動態的數據庫、虛擬現實的演示環境、以及一些用于飛行員訓練的虛擬現實系統、虛擬現實應用系統的開發平臺等，并取得了多方面的進展，具體包括：a.重點研究如何表示與處理虛擬環境中物體的某些物理特性；b.在虛擬現實中的視覺接口上，開發了部分硬件，提出了相關的算法，同時提供了實現方法。

清華大學國家光盤工程研究所采用了 QuickTime 技術，制作出了“布達拉宮”全景圖，并實現了大全景VR制；而在浙江大學國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統；在哈爾濱工業大學計算機系已成功地合成了關于人的某些高級行為中的特定人臉圖像，基本上解決了表情的合成和唇動合成技術問題，并開始著手研究人在說話時，手勢和頭勢的動作以及語音和語調的同步等。

1.3虛擬現實技術的發展趨勢

虛擬現實技術是一種高度集成的技術，它包含計算機軟硬件技術、傳感器技術、立體顯示技術等。虛擬現實技術的研究內容整體上有兩大類，有虛擬現實技術本身的研究和虛擬現實技術應用的研究。又根據虛擬現實所傾向的特征的差異，當今虛擬現實系統主要劃分為桌面式、增強式、沉浸式和網絡分布式四個層次。虛擬現實技術的本質是構建一種人能夠與之進行自由交互的“虛擬世界”，在這個“虛擬世界”中，參與者可以實時地探索或移動其中的對象。其中，沉浸式VR是研究界最高的、最理想的追求目標 ，實現的主要方式是戴上特殊的頭盔、數據手套以及身體部位跟蹤器等傳感設備，體驗者通過視覺、聽覺和觸覺在虛擬場景中進行體驗；桌面式VR系統被稱為“窗口仿真”，盡管它實現起來有一定的局限性，但由于該層次的成本低廉而仍然得到了廣泛應用；而增強式VR系統主要用以為那些戴上立體的、特制眼鏡的體驗者觀察虛擬環境 ，性能介于以上沉浸式VR和桌面式VR之間 。在現代教學情況下只有桌面虛擬現實符合現在的教學點狀況。它僅僅通過一些簡單的外部設備鼠標、追蹤球等與虛擬現實實現交互。隨著虛擬現實技術被各界人士的重視的不斷發展，它的應用范圍不斷擴大，技術不斷成熟，它會不斷的推廣和大規模的使用，VR技術會不斷滲透到各個領域，將會普及到各家各戶，會替代人類做一些過于繁重的事情。凡事各有千秋，VR技術給我們帶來便利的同時，也會有很多危害。VR技術的出現，使得所有人感覺到一種不言而喻的幸福，比如：一些復雜的現象，月球中的情形、火山爆發的情形等，可以使的用戶體驗一些復雜的，危險的不能直接正面接觸的現象，帶給我們一種身臨其境的感覺，同時無形中也會存在一些潛在的威脅，在思想和智力上會提出極大的挑戰。它可能會使人類做的事情會沒有太大的價值，重復度比較大；它的大規模推廣與大幅度的使用，是人類就業壓力會不斷增大，實用價值等存在問題。endprint

2虛擬現實的應用

虛擬現實技術是現代發展的一種高科技的電腦計算機媒體設備，它具有很高的技術含量。現在國家的很多企業在研究發展虛擬技術，但是比較關注在建筑行業、醫學和藥材行業的開發研究，在教育中應用很少。由于它在教學中所需要的資金，一般的學校難以接受的。如今科技的快速發展，虛擬現實技術的使用要在經濟允許的狀況下才能夠在教學壞境中使用。其在教育領域的應用主要包括以下：（1）科研方面。目前，一些科學研究由于受到人力、物力等客觀條件限制，不能很好地、按計劃開展實施下去，使用VR技術可以幫助科研人員順利地進行科研。另外，我國高校在許多領域都利用虛擬現實技術進行課題研究，如：北京航天航空大學在分布式飛行模擬方面的應用；浙江大學在建筑方面進行的虛擬規劃、虛擬設計的應用。

（2）創設與虛擬學習環境。虛擬現實系統可以演示和虛擬教師、學生、歷史人物等各種人物形象，創設交互式學習環境。譬如：在思想品德課堂中，學生可以與虛擬先進人物一起座談、交流，通過先進人物的言行來感化學生，從而達到思想品德教育目的。

（3）建立與模仿虛擬實驗室。虛擬實驗室是指由VR技術生成的一類且適于模擬虛擬實驗的實驗系統，包括有關實驗儀器設備、相應實驗室環境、實驗信息資源以及實驗對象等。利用VR技術，可以建立各種虛擬實驗室，如物理、化學、生物實驗室等。與傳統實驗室相比，虛擬實驗室具有功能全、成本低、避風險等優勢，打破空間、時間的限制。

（4）建設虛擬實訓基地。使用虛擬現實技術建立起來的虛擬實訓基地。虛擬現實可以使學生在虛擬學習環境中扮演角色，有利于學生各種技能訓練。如：在飛機駕駛模擬訓練系統中，學員可以反復操作控制設備，練習和操作在不同的天氣情況下駕駛飛機起飛、降落，通過反復訓練，以期達到熟練掌握駕駛技術的目的。

在虛擬現實系統中，多個用戶可以通過網絡連接進入虛擬現實環境，在虛擬現實環境中用戶能夠通過化身與場景中的物體和環境進行交流互動，同時還可以通過文本、語音甚至是面部表情的變化與其他用戶化身進行交流和協作。同時又根據虛擬現實平臺是否面向社會開放這一屬性，又將虛擬現實平臺分為開放式和非開放式兩種——開放式平臺，主要包括Second Life、Active World；非開放式平臺，常見形式有River City、Quest Atlantis和WolfDen。其中，前者隸屬于哈佛大學，Quest Atlantis是屬于印第安納大學的非開放平臺，后者是印第安納大學。而非開放式平臺主要面向對象是在校的學生、教師和相關的研究人員。

從整體看，虛擬現實技術在教學中的主要作用有：可以幫助學習者探索那些不能接觸到的地點和事物；向學生呈現那些難于觀察和測量的事物；為學生再現那些已不復存在的事物；為地域上相隔萬里的學習者提供合作學習和討論的環境；將抽象的、深奧的學習內容具體化和形象化；讓學生與虛擬的事物、環境進行交流。同時，虛擬現實技術對教學有很大的影響，例如：教師教學觀念得到了改變；課堂中的教學內容和教學方式的改變；教學方法的改變；學習方式的改變等，對現代的教育事業有很大的影響，會促進教育事業的發展。

VR技術不僅僅特指那些依賴頭盔和手套等傳感設備實現的技術，還包括一切與之有關的具有自然模擬、仿真體驗的技術與方法。虛擬現實技術是以其強大的生命力和發展潛力對傳統的教學模式產生了巨大的沖擊，其應用于教育教學中，對提高教學效率、改善實驗環境、優化教學過程和培養學生的創新思維和動手實踐能力具有很大的重要意義。通過虛擬現實使教育能夠寓教于樂，有效地激發學習興趣，同時它還能夠有效地創建學習情景、支持合作、促進交流、促進知識表達和應用，從而有效地構建一個非常優良的學習環境。我們應該對于新興的科技保持敏感，尤其應該注意到虛擬現實技術潛力是巨大的，應用前景也很廣闊。隨著虛擬現實技術備受各界人士的重視，它會對傳統教學產生更大的影響，構建虛擬現實教育系統將會成為二十一世紀教育的主流。

穆萍（1996-12），女，回族，寧夏中衛人，西北師范大學教育技術學院本科生，研究方向混合式學習。

馬國香（1994-08），女，回族，青海民和人，西北師范大學教育技術學院本科生，研究方向混合式學習。

羅永霞（1994-04），女，回族，寧夏中衛人，西北師范大學教育技術學院本科生，研究方向混合式學習。

參考文獻

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