虛擬現實技術及其在中學教育教學中的應用

武若暉

（石家莊一中 河北 石家莊 050019）

虛擬現實技術及其在中學教育教學中的應用

武若暉

（石家莊一中 河北 石家莊 050019）

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。它利用計算機生成一種模擬環境，采用交互式的三維動態視景和系統仿真，給人以愈發逼真的場景，使人產生身臨其境的感覺。由于虛擬現實技術具有交互性、沉浸感和想象力的特點，它能夠直觀的呈現抽象問題，符合中學生的認知過程，因此在中學教育教學過程中被越來越多地應用，成為現代教學的一大亮點。但是，由于各方面的原因，虛擬現實技術在教育教學過程中的應用并不成熟，基于虛擬現實技術的虛擬學習環境還有待完善。

虛擬現實技術；現代教學；應用

1 引言

作為一名中學生，在學習過程中深切感受到，對有些知識的學習和掌握僅僅通過傳統的教學方式，依靠課本、黑板和老師的講述是遠遠不夠的，比如說原子核裂變、基因突變、分子的立體結構，等等。虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)提供了方便學生觀察新事物或新現象的有效途徑，采用基于虛擬現實技術的多媒體教學，能使很多抽象的概念、原理等難理解的內容以及看不到的物質形象生動地表現出來，使原本枯燥無味而又難以理解的知識變成形象直觀的內容。虛擬現實技術在教學中的應用，將使學生由知識的被動接受者變成虛擬環境中的一名積極參與者，這對調動學生學習的主動性，培養學生的技能將起到無可替代的作用。本課題旨在通過虛擬現實技術特有的優勢和重要性的分析，說明該技術在現代教育教學中具有普遍推廣和使用的必要性，以引起相關部門和教育工作者的關注，從而改進教學手段，提高教學實效。

2 虛擬現實技術概述

2.1 虛擬現實技術的基本概念

虛擬現實亦作虛擬實境（Virtual Reality），簡稱VR，VR也稱靈境技術或人工環境，此技術是利用電腦模擬，進而產生三度空間的虛擬世界，它能夠提供用戶有關聽覺、視覺、觸覺等方面的模擬。該技術集成了計算機仿真、計算機圖形、人工智能、傳感、網絡及顯示并進行處理等。使此技術取得最新發展成果，此高科技模擬系統是由計算機技術輔助而生成。

虛擬現實技術(VR)主要包括自然技能、模擬環境、傳感設備、和感知等方面。模擬環境它是由計算機生成的實時動態的三維立體逼真圖像。自然技能是指人的頭部轉動包括手勢、眼睛、或著其他方面人體的行為動作，由計算機進行處理，并與參與者的動作做出相適應的數據，對用戶的輸入作出實時響應，分別反饋到用戶的五官。感知是指理想的VR具有一切人所具有的感知。

2.2 虛擬現實技術的基本構成

虛擬現實技術它是由多種技術綜合集成，其研究內容和關鍵技術主要包括以下幾個方面：

2.2.1 環境建模技術，即虛擬環境的建立。其目的是獲取實際三維環境中的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據，搭建相應的虛擬環境模型，如用于天文教學的虛擬星系模型等。

2.2.2 立體聲合成和立體顯示技術，是指在虛擬現實系統中，消除聲音的方向與用戶頭部運動的相關性，同時在復雜的場景中實時生成立體圖形，如物理實驗教學中的實驗用器具及實驗產生的聲、光、電等，而聲源、光源應與虛擬環境緊密融合為一體。

2.2.3 觸覺反饋技術，在虛擬現實系統中讓用戶能夠直接操作虛擬物體并感覺到虛擬物體的反作用力，從而產生身臨其境的感覺，如飛行實驗中操縱把柄的握覺、失重感，以及潛水實驗中的壓力、浮力等。

2.2.4 交互技術，是指虛擬現實中的人機交互，超出了鼠標和鍵盤的傳統模式，利用數字頭盔、數字手套等傳感器設備，使三維交互技術與、語音識別技術與語音輸入成為重要的人機交互手段。

2.2.5 系統集成技術，在虛擬現實系統中，包括大量的模型和感知信息，因此系統的集成技術為重中之重，此技術主要包括數據轉換技術、合成技術、模型標定技術、信息同步技術和識別等等。

虛擬現實系統的核心設備不外乎還是計算機，其主要功能是生成虛擬境界的圖形，又稱之為圖形工作站。此系統綜合利用了多媒體技術、仿真技術、人工智能技術、計算機圖形學、計算機網絡技術、多傳感器技術和并行處理技術，通過模擬人的聽覺、視覺、觸覺等感覺器官的功能，使人沉浸在計算機生成的虛擬境界中。

2.3 虛擬現實技術的特征

虛擬現實技術是采用以計算機技術方面為主，以多種信息技術和其他高技術的手段，能在特定的范圍內，生成一種能夠融合人的觸覺、嗅覺、聽覺、和視覺于一體，逼真的三維人工虛擬環境，使用戶能和虛擬環境產生互動，從而產生“聞、觸、聽、看”，這些在真實的世界當中才會有的體會，強調了在虛擬系統中的人的主導作用。與傳統的數字仿真系統比較，一般具有以下特征：

2.3.1 多感知性，指用多種傳感器與多維信息的虛擬環境發生交互作用，除計算機所具備的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括嗅覺、味覺、感知等。理想的虛擬現實，應該具有人體所具有的一切感知功能。

2.3.2 存在感，指通過多種傳感器對人體的反觸，讓參與者在虛擬環境中有身臨其境的感覺。用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度，取決于參與者通過多種傳感器與計算機系統之間的交互功能。理想的模擬環境，應該達到讓用戶都難以分辨真假的程度。

2.3.3 交互性，指參與者通過多種傳感器對虛擬環境中的事物進行操控、感觸的同時，虛擬環境通過傳感器對參與者進行反觸，每項每次的信息交流都是相互的。用戶對模擬環境內物體的可操作和從環境得到反饋上相互的，而且這種操作和反饋是實時的。

2.3.4 自主性，指虛擬環境是由用戶根據自己的需要設計營造的，其中的物體，它是依據現實世界的實物以及物理運動定律動作設計制作，在虛擬現實中，各種事物的運行要符合現實的客觀規律，用戶在虛擬現實運行中處于主導地位。

3 中學教育教學中虛擬現實技術的優勢分析

教師在促進學生學習方面承擔著主要的教學責任，但是進入中學階段以后，學生學習知識，不再是單純的由教師向學習者傳遞灌輸，而是需要學生自己去不斷地建構知識體系，體驗這個過程。教師只是起著幫助學生建構知識的作用而已。中學生學習不再是信息的簡單積累，已經開始受到學生自判斷和選擇的影響，同時包含因新舊經驗的沖突，導致思想轉變和知識結構重組。在整個學習的過程當中，其實并不是信息簡單的輸入、存儲和提取，而是新舊經驗之間相互交替作用的過程，需要經歷創設情境、建立假設、搜集信息、努力探索、驗證假設、認真思考等一系列環節。每個人能夠親身去經歷、親自去感受，比空洞抽象的說教其實更具說服力。主動地去交互與被動的灌輸，在本質上是有差別的。虛擬現實利用現代電子信息技術，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學、生物實驗室等等，擁有傳統實驗室難以比擬的優勢：

3.1 節省成本。提到虛擬現實系統，人們首先想到的是價格不菲的電子設備和居高不下的開發費用，認為成本太高。但考慮到硬件軟件的共用共享和節約的房屋建筑等成本，以及重復使用和節約的材料成本，其試驗的單位成本是較低的。一些和高尖端的試驗，我們由于設備、場地、經費等硬件的限制，使許多實驗都無法進行，而利用虛擬現實系統，能夠讓學生足不出戶，便可以做各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會。尤其針對耗用昂貴材料較多的實驗，極大的節省了成本。

3.2 規避風險。許多中學生都是第一次接觸所學的試驗，在化學、物理的真實實驗或操作中往往會存在著各種各樣的危險，例如：化學課上的有關王水的實驗，以及物理課上有關高壓電弧的實驗等，如果操作稍有不慎可能會贊成非常嚴重的后果，而這種壓力往往讓學生因為緊張或導致失敗難以收到應有的教學效果。利用虛擬現實技術進行虛擬實驗，既可以讓學生清晰、形象地觀察試驗的全過程，還可以體驗現場操作的感受，學生在虛擬實驗環境中，可以放心地去做各種危險的實驗，而且可以重復試驗，直到達到教學目的。

3.3 拓展空間。隨著科學技術的發展，中學生需要掌握的自然科學知識更加浩瀚、精微，大到宇宙天體，小至原子粒子，在現實條件下，這些試驗都是難以實現的。但利用虛擬現實技術可以打破空間、時間的限制，不出教室在虛擬的實驗室中，學生都可以上天下海，感觸宇宙的浩瀚和海底的深邃，還能進入這些物體的內部觀察粒子的運行，甚至觀察化學反應過程。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實驗往往要幾個月的時間，而虛擬技術在一堂課內就可以實現。

虛擬現實技術作為一種新型的教學技術，在許多方面還不成熟，把這種技術引入中學教學，一定要弄清其基礎教育課堂應用中的定位，否則將會影響學校教學的正常進行。虛擬現實技術可以用真實的、動態的虛擬影像，以強烈的感官體驗達到教育目的，但在一些動手的實驗中，虛擬現實中對不同質地物體的觸覺，與真實現實中有一定差距，容易產生誤導。由于學生們對真實現實缺乏足夠的體驗，這些虛擬環境過于“真實”，教學后還應對學生進行適當的心理輔導，防止學生對虛擬環境產生幻覺和依賴。

4 虛擬現實技術在中學教育教學應用障礙

虛擬現實技術雖然已經在娛樂藝術、醫學軍用、城市規劃等得到廣泛應用，但無論是技術成熟還是使用者心理接受能力，都還有一段很長的路要走。諸如：

4.1 中學教育界對虛擬現實技術的認知程度還有待進一步提高。當前中學教育界對虛擬現實技術在教學中的應用還不太看好。一是對虛擬現實技術教學應用的必要性不太看好，不少學校注重的還是升學率，而對學生對尖端科技知識體驗認知的必要性不太看重；二是對首次投入的巨額費用有一種恐懼，認為首次投入高就會加大教學成本；三是在虛擬現實需要的人才技術、組織制度和心理上缺少準備。

4.2 資源共享方面的限制。從現在中學學校的規模來看，一般相對較小，確認是經濟資源還是人力資源，僅計算機設備等硬件投資都是很大的壓力，更沒法談龐大的軟件系統開發。雖然現在大多數的中學是政府經辦，但在資源管理使用方面幾乎是各自獨立的，甚至在教學創新方面，不少學校是互相保密的。這使少數的中學不僅不能承受初始投資巨大的經濟和人才壓力，而且還因擔心創新成功后知識產權等方面的保障影響其創新動力。

4.3 技術方面。雖然虛擬現實技術已經在許多領域得到廣泛應用，但其多數僅限于視覺、聽覺等方面，而在中學教學試驗應用體驗還存在比較大的技術局限性，有些問題，到現在仍然還沒有很好的解決辦法。

（1）沒有真正進入可操作虛擬實驗室的方法，在許多技術方面都還受到限制，如現有的手套不能解決操控燒杯、滴管的觸覺，進行化學試驗的嗅覺，以及戶外行走的活動范圍等。

（2）在虛擬實驗室中，針對不同的試驗，如何“輸入”也是一大困擾。如在虛擬的化學試驗中，通過專用手套如何對虛擬的量杯進行操作，而量杯的形狀、大小又如何反應給操作者，尤其是對比較精確的測量更難實現。

（3）缺乏虛擬現實技術在教學實驗中統一的標準。虛擬現實技術目前在中學教學試驗中仍處于初級階段，無論是硬件軟件配置還是試驗流程、操作規程及結果的精準度似乎大家都沒有一個統一的標準，難以確保實現教學目的。

（4）電子設備的反應速度還難以與人體的反應速度充分協調，容易讓人感到疲勞，如已經廣泛應用的視覺、聽覺技術，鏡頭的加速移動與人的視覺神經的反應差距，就會帶來不同的焦點，甚至直接會暫時影響用戶的視力，而觸覺反應速度的差距可能會更大，會嚴重影響教學試驗的效果。

（5）受當前硬件軟件技術限制，許多精準度要求較高的應用設備佩戴起來非常笨重，除了使用過程中需要長時間適應外，還容易讓人疲勞，這對尚未成年的中學生來說還很不適用。

以上的應用障礙是顯而易見的，但從現代科技發展的速度看，這一形勢將會很快改觀。一是需求改變認知，高科技的快速發展要求中學教學加強對宇宙天體、原子粒子等的實驗教學，這些教學需求將推動業界改變對虛擬現實技術的認知，從而推動加快對該技術在中學實驗教學中的研發推廣。二是制度創新為資源共享提供可能，從而降低虛擬現實技術研發應用成本，為虛擬現實技術在中學實驗教學應用增加動力。三是虛擬現實技術自身的進步讓使用者對虛擬對象的操控及反應精準度大大提高，同時其應用設備將更加精巧、便捷，讓虛擬現實技術在中學實驗教學應用變為可行。

5 課題結項報告的主要階段成果

第一階段：2016-7-5到2016-8-30課題開題報告的論證，對課題進行可行性論證；

第二階段：2016-9-1到2017-1-1材料的搜集和整理，初步形成對課題的主要觀點；

第三階段：2017-1-2到2017-6-7完成論文的寫作，達到答辯要求。

6 課題結題報告終結成果目錄

論文：虛擬現實技術及其在中學教育教學中的應用

[1]張菁.虛擬現實技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2011.

[2]李欣.虛擬現實及其教育應用[M].北京：科學出版社，2008.

TP391.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0123-03