將虛擬現(xiàn)實技術引入教育事業(yè)

1、將虛擬現(xiàn)實技術引入教育事業(yè)虛擬現(xiàn)實技術是利用計算機生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設備使用戶“投入 ”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的一門嶄新的綜合性信息技術。其目的是能讓用戶使用人的自然技能對虛擬世 界中的物體進行考察或操作，同時提供視、聽、摸等直觀而又自然的實時感知。它為現(xiàn)代教育事業(yè)提供了 一種全新的技術支持。本文在對虛擬現(xiàn)實技術理論進行介紹的基礎之上，論述了它在教育領域應用的可能 性和研究現(xiàn)狀，并對其未來的發(fā)展前景進行了闡述。關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術 自然交互 多通道 實時感知1 引言虛擬現(xiàn)實技術（ Virtual Reality ，簡稱 VR ）是 20 世紀末才興起的一門嶄

2、新的綜合性信息技術。它實時的三 維空間表現(xiàn)能力、自然的人機交互式操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境感受，將從根本上改變?nèi)伺c計算機 之間枯燥、生硬和被動的現(xiàn)狀，為人機交互技術開創(chuàng)新的研究領域，并為我們創(chuàng)建和體驗虛擬世界提供有 力的支持，從而大大推進了計算機應用技術的發(fā)展。2 VR 系統(tǒng)的特點VR 技術的定義可歸納為： 由計算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境， 這種虛擬的環(huán)境是通過計算機構成的三維空 間，或是把其他現(xiàn)實環(huán)境編制到計算機中去產(chǎn)生逼真的 “虛擬環(huán)境 ”，并通過多種專用設備讓用戶 “投入 ”到該 環(huán)境中，從而使得用戶在視覺、聽覺、觸覺、味覺等多種感官上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。與傳統(tǒng) 的人機交互

3、技術相比，虛擬現(xiàn)實具有三個最突出的特征：交互性、沉浸感和構想性。其中，交互性是指參 與者通過使用專用設備，用人類的自然技能實現(xiàn)對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然 程度（包括實時性）；沉浸感是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度；構想性則是使 VR 技 術的應用能解決在工程、醫(yī)學、軍事等各行業(yè)的實際應用問題，使人有可能從定性和定量綜合集成的虛擬 環(huán)境中得到感性和理性的認識，進而深化概念、產(chǎn)生新意和構想，主動地尋求、探索和接受信息，而不是 被動地接收。3 VR 系統(tǒng)的組成和功能 一個典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括以下五大組成部分：虛擬世界、計算機、虛擬現(xiàn)實軟件、輸入設備和輸 出

4、設備（如圖 1所示）。與虛擬世界交互的過程大致是：參與者首先激活頭盔、手套和話筒等輸入設備為計 算機提供輸入信號，虛擬現(xiàn)實軟件收到由跟蹤器和傳感器送來的輸入信號后加以解釋，然后對虛擬環(huán)境數(shù) 據(jù)庫作必要的更新，調(diào)整當前的虛擬環(huán)境場景，并將這一新視點下的三維視覺圖像以及其他（如聲音、觸 覺、力反饋等）信息立即傳送給相應的輸出設備（頭盔顯示器、耳機、數(shù)據(jù)手套等），以便參與者及時獲 得多種感官上的虛擬效果（如圖 2 所示）。4 VR 系統(tǒng)的分類 普通意義上的虛擬現(xiàn)實，需要大型計算機、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、洞穴式投影、密封倉等昂貴設備， 這對于大多數(shù)的教育單位都是難以承受的， 而資金不足就必將嚴重制約

5、教育領域?qū)μ摂M現(xiàn)實的研究和應用。 隨著科學技術的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術已出現(xiàn)了多樣化的發(fā)展趨勢，按其交互和浸入程度的不同可以被 分為桌面式、沉浸式、疊加式和分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等四類。其中桌面式的虛擬現(xiàn)實技術非常簡單，需要 投入的成本也不高，而且在教育領域內(nèi)可應用的范圍很廣。4.1 桌面式 VR 系統(tǒng)桌面式 VR 系統(tǒng)僅使用個人計算機和低級工作站，把計算機的屏幕作為參與者觀察虛擬環(huán)境的一個窗口， 使用簡單的外部設備（如：鼠標、力矩球、立體眼鏡等）來駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬物體。桌面式 VR 系 統(tǒng)缺乏完全沉浸功能，但它的成本低，可以通過廉價的硬件產(chǎn)生較真實的效果，因此易于普及。4.2 沉浸式 VR

6、 系統(tǒng)沉浸式 VR 系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，使 用戶真正成為 VR 系統(tǒng)內(nèi)部的一個參與者，并能利用這些交互設備操作和駕馭虛擬環(huán)境，因而具有高度的 實時性能和沉浸感，但它的成本較高。4.3 疊加式 VR 系統(tǒng)疊加式 VR 系統(tǒng)是通過穿透型頭戴式顯示器將計算機虛擬圖像疊加在現(xiàn)實世界之上，它用于增強或補充人 眼所看到的東西，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實環(huán)境有關的、存儲在計算機中的信息。4.4 分布式 VR 系統(tǒng)分布式 VR 系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡的虛擬環(huán)境，它在沉浸式 VR 系統(tǒng)的基礎上，將位于不同物理位置的多個 用戶或多個虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡相連接，

7、并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達到一個更高的境界。這也為 我們今天提倡的網(wǎng)絡教學提供了必要的技術支撐。5 VR 系統(tǒng)在教育與培訓領域的應用 虛擬現(xiàn)實技術的應用前景是很廣闊的，它可應用于任何需要使用計算機來存儲、管理、分析和理解復雜數(shù) 據(jù)的領域。針對于教育事業(yè)來說，虛擬現(xiàn)實技術能將三維空間的意念清楚的表示出來，能使學習者直接、 自然地與虛擬環(huán)境中的各種對象進行交互作用，并通過多種形式參與到事件的發(fā)展變化過程中去，從而獲 得最大的控制和操作整個環(huán)境的自由度。這種呈現(xiàn)多維度信息的虛擬學習和培訓環(huán)境，將為參與者以最直 觀、最有效的方式掌握一門新知識、新技能提供前所未有的新途徑。因此，該項技術的發(fā)展在

8、很多教育與 培訓領域， 諸如虛擬科學實驗室、 立體觀念、 生態(tài)教育、 特殊教育、 仿真實驗、 專業(yè)領域的訓練等應用中， 具有明顯的優(yōu)勢和特點。現(xiàn)階段，國內(nèi)外的此類應用主要有以下幾個方面：5.1 仿真教學與實驗 利用虛擬現(xiàn)實技術，可以模擬顯現(xiàn)那些在現(xiàn)實中存在的，但在課堂教學環(huán)境下用別的方法很難做到或者要 花費很大代價才能顯現(xiàn)的各種事物，供學生學習和探索。例如，美國一個 “虛擬物理實驗室 ”系統(tǒng)的設計就 使得學生可以通過親身實踐 一做、看、聽來學習的方式成為可能。使用該系統(tǒng)，學生們可以很容易的演示 和控制物體的形變與非形變碰撞、調(diào)整摩擦系數(shù)等物理現(xiàn)象；可以停止時間的推移，以便仔細觀察物體的 運動軌

9、跡隨時間的變化過程；還可以通過使用交互式數(shù)據(jù)手套做萬有引力定律等各種實驗，從而較深刻地 理解物理概念和定律。又如，當學生學習某種機械裝置，如計算機的組成、結構、工作原理時，傳統(tǒng)的教 學方法都是利用圖示或放錄像的方式向?qū)W生展示，但這些方法難于使學生對這種機械裝置的運行過程、狀 態(tài)及內(nèi)部原理有一個明確的了解。這時，應用虛擬現(xiàn)實技術就可以充分顯示出其優(yōu)勢：它不僅可以向?qū)W生 直觀地展現(xiàn)出計算機的復雜構造、工作原理以及工作時各個零件的運行狀態(tài)，而且還可以模仿出計算機各 部件在出現(xiàn)故障時的表現(xiàn)和原因 ,向?qū)W習者提供對虛擬物體進行全面的考察、操縱乃至維修的模擬訓練機會，從而使教學與實驗得到事半功倍的效果。5

10、.2 特殊教育 在虛擬現(xiàn)實技術的幫助下，殘疾人能夠通過自己的形體動作與他人進行交流，甚至可以用腳的動作與他人 進行交談。在高性能計算機和傳感器的支持下，殘疾人帶上數(shù)據(jù)手套后，就能將自己的手勢翻譯成講話的 聲音；配上目光跟蹤裝置后，就能將眼睛的動作翻譯成手勢、命令或講話的聲音。而專門教弱智兒童掌握 手勢語言的三維虛擬圖像的理解和訓練系統(tǒng)，還可以幫助弱智兒童進行練習和訓練，從而使他們能很快地 熟悉符號、字和手勢語言的意義。5.3 多種專業(yè)培訓借助于 VR 技術的各項成果，人們將能對危險的、不能失誤的、缺少或難以提供真實演練的操作反復地進 行十分逼真的練習。例如在醫(yī)學教育與培訓領域，醫(yī)生見習和實習復

11、雜手術的機會是有限的，而在VR 系統(tǒng)中卻可以反復實踐不同的操作。目前，國外很多醫(yī)院和醫(yī)學院校已開始用數(shù)字模型訓練外科醫(yī)生。其做 法是將 X 光掃描、超聲波探測、核磁共振等手段獲得的人體信息綜合起來，建立起反應非常接近真實人體 和器官的仿真模型。醫(yī)生或?qū)W員動手術前先在虛擬人體上試驗，就可以優(yōu)化手術方案，提高技術水平，降 低失誤率。5.4 對未來的展望 在我國的教育事業(yè)中，傳統(tǒng)的教學方法延續(xù)多年，人們已逐漸意識到了它的弊病和不足之處。近幾年引入 多媒體教學方法后，教師不再被局限于黑板，而可以借助于電腦、投影設備、音像設備等為學生展示圖、 文、聲、像等多種媒體來輔助教學，從而取得了很好的效果。從這一

12、例子中，我們不難推想：如果在不久 的將來能更進一步，把 VR 技術引入教學領域，則它的效果一定會非同凡響。虛擬現(xiàn)實使參與者處于一個具有身臨其境的、具有完善交互作用能力的、能幫助和啟發(fā)構思的信息環(huán)境， 使人不僅僅靠聽讀文字或數(shù)字材料獲取信息，而是通過與所處環(huán)境的交互作用，利用人本身對接觸事物的 感知和認知能力，以全方位的方式學習和獲取各式各樣表現(xiàn)形式的信息。因此，虛擬現(xiàn)實技術的應用前景 是很廣闊的。我們可以想象：在不久的將來，學生在 “虛擬教室 ”里上天文學課時，可以遨游宇宙，可以 “親 眼目睹太陽系的形成 ”；上生理學課時，可以在人體內(nèi) “實地考察 ”每一個器官；建筑設計院的學生可以看到 甚至

13、 摸”到自己的設計成果，史學、哲學、經(jīng)濟學等課程則可以重現(xiàn)或演繹書中的歷史和理論一一與此同時，更多、更優(yōu)秀的應用還會擴展至駕駛學校、醫(yī)務學校、體育學校等各行各業(yè)的教育與培訓當中，以便 為運動員、救火人員和醫(yī)務人員設置超難度及寬領域的訓練課程。這些新型的VR 系統(tǒng)不僅將減少訓練的費用，還能為受訓者設定各種復雜的情況， 從而使得每個人都可以在這種虛擬環(huán)境中反復重演練高危險性、 低概率的事件，并可以試驗各種不同的方案，即使闖下 “大禍”，也不會引起任何 “惡果”，從而最終在安全的 虛擬環(huán)境中取得實際經(jīng)驗。7 結論 隨著與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相關科技的日趨成熟，來自各種領域的研究與應用勢必不斷的推陳出新，范圍也將不 斷地擴大，這已是必然的趨勢。當然，任何一種新技術的推廣與應用，一方面要靠專業(yè)人員的不斷努力、 不斷發(fā)展和完善該項技術，另一方面則就需要廣大的使用者能更新他們的思想，積極接受、引入新技術。 虛擬現(xiàn)實作為一門新興的科學，目前也尚有諸多因素限制它在教育領域的廣泛應用（例如：自身技術還不 夠成熟，用于教育和培訓的應用系統(tǒng)依然較少，硬件設備比較昂貴等），但我們可以肯定地說，VR 技術將會是繼多媒體、計算機網(wǎng)絡之后，在教育領域內(nèi)最具有應用前景的 “明星 ”技術，它將使 21 世紀的教育與培 訓事業(yè)發(fā)生質(zhì)的變化。它的 “沉浸性 ”、 “交互性”與“構想性”，不但非常有利于教學人員構建一種全新、多變