虛擬現實技術在教學中的應用研究

魏寶臣，韓娟娟

(牡丹江大學，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

一直以來，學生在學習過程中只是借助于書本、黑板以及教師講解來獲取知識的，但這種傳統的教學方式已經越來越難以適應時代的發展，而且許多教學內容僅通過講解，仍舊很難幫助學生理解這些知識。虛擬現實技術的出現，為現代教學工作提供了一種新的思路，能夠對教學內容中的許多抽象概念及原理進行虛擬化展示，從而使其從看不見、摸不到的抽象化知識轉變為可以看、可以聽甚至可以摸的真實事物，這無疑能夠在很大程度上加深了對知識的理解，并且也能更加充分地調動學生的學習積極性與主動性?？梢哉f，將虛擬現實應用于現代教育工作中，能夠在很大程度上加快教學手段的革新，使教學成效得以進一步提高。

1 虛擬現實及其衍生技術的概念及特征分析

1.1 虛擬現實(VR)技術

所謂虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術是一種將仿真技術、計算機技術以及傳感技術進行結合應用的新興技術，利用VR技術，能夠構建一種具有沉浸式的虛擬化交互環境，在此過程中，計算機會依據人體感官，將人類的視覺、觸覺和聽覺進行一體化融合，以此生成相應的虛擬環境，在該虛擬環境中，用戶能夠借助于設備來實現和虛擬環境中各種對象的有效交互，并且這些虛擬對象還會對用戶帶來影響，從而給用戶帶來一種身臨其境的感受與體驗。對于虛擬現實而言，其具有三大主要特性，分別是沉浸性(Immersion)、構想性(Imagination)以及交互性(Interaction)，虛擬現實技術實現了多學科的綜合交叉，通過和人工智能技術及其他相關領域技術進行結合應用，還能使虛擬現實進一步具備自我演進與智能化特征。

1.2 增強現實(AR)技術

增強現實技術是虛擬現實技術的一種新興衍生技術，增強現實技術的英文簡稱為AR技術，這種技術是通過計算機進行顯示與交互，并通過網絡來實現跟蹤和定位功能。增強現實技術能夠將計算機生成的虛擬化事物或產品與現實場景進行疊加，從而起到一種補充現實的作用，進而在一定程度上增強了人體視覺、觸覺和聽覺等感官對現實世界的體驗感。對于增強現實技術而言，其同樣有3個主要特征，即虛實結合、三維配準以及實時交互。這種技術的顯示方式共包括3種，即以視距遠近為依據的手持式、頭載式以及空間展示。在許多領域中，已經開始廣泛應用增強現實技術，例如在教育工作中，通過增強現實技術的應用，能夠將全息圖像、虛擬環境以及虛擬實驗展示給學生，而在旅游行業中，則能夠為游客的游玩提供有效幫助，使游客能夠通過虛擬影像了解到不同景區中所分布的人文景觀信息、歷史人物及事跡、發展歷史等。由此可見，增強現實技術的應用前景是非常廣闊的[1]。

1.3 混合現實(MR)技術

混合現實(Mix Reality，MR)技術同樣是虛擬現實技術在不斷發展中形成的一種衍生技術，通過該技術能夠將虛擬化的場景信息在現實場景中進行呈現，從而使用戶、虛擬世界以及現實世界能夠建立緊密的聯系，實現信息在三者之間的有效交互和反饋，進而使用戶獲得更加真實的體驗感。對于混合現實技術而言，其兼顧了虛擬現實和增強現實這兩種技術的應用優勢。相比于增強現實技術而言，混合現實技術的區別是利用攝像頭使用戶能夠看到用肉眼無法看到的現實，而增強現實技術則只是負責對虛擬現境進行疊加，但卻不會對現實自身進行考慮。

1.4 擴展現實(ER)技術

在虛擬現實技術不斷發展中，其必將進入一種高級的發展階段，而在該階段中必然衍生出一種新型技術，即擴展現實(Extent Reality，ER)技術，這種技術是將物聯網與人聯網進行整合而形成的，通過這種技術，能夠使現實與虛擬之間的邊界進一步模糊，從而使虛擬現實得以進一步在現實中擴展，在那時人們將無法對現實世界與虛擬世界進行準確地分辨[2]。

2 虛擬現實在教學中的應用研究

在教學領域中，虛擬現實技術擁有巨大的應用潛力，通過虛擬現實及增強現實技術的應用，可以激發學生的學習興趣，同時學生的學習也能打破時空的局限性。虛擬現實技術的應用，使教育工作者能夠將其作為一種新型的教學工具，進而使學生能夠在虛擬現實設備中獲得學習體驗。利用虛擬現實技術，使原有的“以教促學”學習方式轉變成由學生采用現代化工具來對知識與技能進行高效獲取的新型學習方式。以下便深入研究虛擬現實相關設備在教學工作中的應用[3]。

2.1 教學中頭戴式虛擬現實設備的應用

在虛擬現實技術中，頭戴式設備主要包括數據手套、頭戴式顯示器、位置跟蹤裝置以及相關配套設備，對于頭戴式設備來說，可將其分為分體式頭盔與移動式頭盔。在頭戴式虛擬現實設備應用中，學生通過佩戴頭盔設備來獲得虛擬現實體驗，從而使其能夠置身于虛擬環境中進行學習，并從學習過程中獲得由虛擬環境所提供的沉浸式體驗。這無疑能夠在很大程度上提高學生的學習主動性。在頭戴式虛擬現實設備中，其硬件包括光學投影系統、全息處理單元、存儲部分、攝像頭與傳感器以及麥克風、耳機等附件，學生在應用頭戴式虛擬現實設備進行學習后，便不需要使用電腦與手機，只需利用雙手進行操作即可，這使得學生能夠按照學習要求來進行相應的操作，從而更加高效地完成學習任務。[4]

2.2 教學中桌面式虛擬現實設備的應用

在虛擬現實技術中，除了頭戴式設備以外，還有桌面式虛擬現實產品，該產品是由美國zSpace企業所研發的，早在2013年美國便已使用該產品，并對該產品進行了更新換代。在桌面式虛擬現實設備中，還對學科課件進行了開發，這使得教師能夠通過桌面式虛擬現實平臺中所具有的課件來進行教學，此外還可對新課件進行自主開發。對于桌面式虛擬現實設備來說，除了能夠作為教學工具進行使用，還有非常豐富的教學素材和學習資源，此外其平臺系統還配置了課件資源開發工具，教師能夠在平臺中導入相應格式的3D模型文件，并為其附上聲音、文字、圖片及視頻等，以此實現課件資源的自行開發與制作，在此過程中，教師還可自由地對課件資源進行修改，這些功能無疑能夠大幅提升教學針對性，使教學工作得以更加高效的開展。

2.3 教學中手持式虛擬現實設備的應用

虛擬現實技術還可通過手持式設備來進行教學，手持式虛擬現實設備將APP軟件和移動設備進行了有機結合，其中APP主要有4D書城、視視AR、幻視等，此外還配備了與增強現實圖書進行配套的多種APP，例如恐龍爭霸賽來了、實驗跑出來了等，這些APP的原理是通過手機攝像頭對現實影像進行獲取，然后借助于手機將虛擬形象疊加于現實世界中，從而增強現實顯示效果。在一些APP內還有很多教育資源，例如各種益智類游戲、安全教育、識物卡片等，這使其非常適用于對幼兒及兒童進行教育。在應用過程中，可將APP和配套圖書進行共同使用，由手機攝像頭對圖書內容進行掃描，以此對該內容進行虛擬現實演示。此外還可通過下載APP中的資源來疊加至外界實景中。借助于虛擬現實所衍生出的AR技術，可獲得逼真的現實特效，并可通過APP來學習，從而使學習活動變得更加富有沉浸感和真實感，進而激發學生的學習興趣，使教學能夠達到寓教于樂的目的[5]。

3 虛擬現實在教學中的應用優勢

在教學領域中，虛擬現實及其衍生技術在應用過程中具有以下應用優勢：(1)學生能夠隨時隨地的利用虛擬現實設備來自主學習這些教學資源，并且通過虛擬現實還可實現微課教學，而教師則不需進行繁重的重復性講解；(2)虛擬現實技術能夠使學生的學習獲得更加真實的體驗，在一些教學中，需要對教學內容進行立體化展示，學生只需佩戴虛擬現實設備，即可在虛擬化環境中對這些內容進行不同角度的觀察和學習，從而使學習變得更加真實；(3)虛擬現實及其衍生技術可激發學生的學習興趣，利用AR，VR技術，能夠將學生的視覺、觸覺和聽覺等感官進行一體化結合，以使學生獲得真實的情境體驗，并從中感受到交互的樂趣，學習內容變得可以感知、可以互動甚至可以觸摸，從而有效擺脫了以往枯燥乏味的學習氛圍。虛擬現實技術還能使我國的教育資源分布變得更加均衡，由于經濟水平的差異，使得不同地區所具有的教育資源有著明顯的差距，通過VR技術、AR技術等，則使教育資源在更大范圍內共享，進而使教育資源不受地理位置的限制，使更多優質的教育資源能夠向農村地區進行傾斜。

4 結語

隨著虛擬現實技術的發展與興起，其在教學領域中的應用范圍將進一步擴大，同時其給教學工作也將帶來更為深遠的影響。在不久的將來，虛擬現實技術在教學工作中已不再只是一種平臺或工具，而是改變教師教學與學生學習方式的推動力量。對于學校來說，必須要對虛擬現實技術的相關特性進行深入研究，并結合自身教育定位及實際需求，積極探索虛擬現實在教育教學等方面的深化應用，這樣才能使我國的教育改革工作迎來更加美好的明天。