虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用-2019年教育文檔

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality ,簡(jiǎn)稱VR)是一種可以創(chuàng)建和 體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。一、虛擬

2、現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要具有以下三個(gè)基本特征 : 沉浸感 (Immersion) 、交互性(Interaction) 和構(gòu)想性 TOC o 1-5 h z (Imagination) ，即通常所說(shuō)的“3I ”：(一)沉浸感是指用戶置身于計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中所感受到的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中。用戶在虛擬環(huán)境中所看到的、聽到的、感受到的都非常逼真，以為這一切都“真實(shí)”存在，并且相信自己正處于所感受到的環(huán)境中。（二）交互性是指用戶對(duì)虛擬環(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(shí)時(shí)性）。在模擬

3、環(huán)境中，用戶不僅能通過(guò)各類先進(jìn)的傳感器獲得逼真的感受， 還可以用自然的方式對(duì)虛擬 環(huán)境中的物體進(jìn)行操作。 例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán) 境中虛擬的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺(jué)， 并可以感覺(jué)物體的 重量。交互性主要借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的三維交互設(shè)備，如立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器以及虛擬現(xiàn)實(shí)三維空間跟蹤球等。（三）構(gòu)想性強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間， 可拓寬人類認(rèn) 知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境， 也可以隨意構(gòu)想客觀不存 在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。沉浸感和實(shí)時(shí)交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)質(zhì)性特征，對(duì)時(shí)空環(huán)境的現(xiàn)實(shí)構(gòu)想（即啟發(fā)思維，獲取信息的過(guò)程）是虛擬現(xiàn)實(shí)的最終 目的。二、虛擬現(xiàn)實(shí)

4、技術(shù)的分類虛擬現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)， 涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交 互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三 維視、聽、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人們通過(guò)適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世 界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)按功能高低大體可分為四 類：（一）沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，如各種用途的體驗(yàn)器，使人有身各種培訓(xùn)、演示以及高級(jí)游戲等均可用這種系統(tǒng)。（二）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以通過(guò)桌上型機(jī)實(shí)現(xiàn)，所以成 本較低，功能也最簡(jiǎn)單，主要用于 CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM （計(jì)算機(jī)輔助制造）、建筑設(shè)計(jì)、桌面游戲等領(lǐng)域。（三）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用分布于各地的資源，協(xié)同開發(fā)各種虛擬現(xiàn)實(shí)的利

5、用。它通常是浸沉虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展，也就是把分布于不同地方的沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過(guò)因特網(wǎng)連接起來(lái)，共同實(shí)現(xiàn)某種用途。因特網(wǎng)上多人游戲MUD?是這類系統(tǒng)。（四）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來(lái)的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜真實(shí)環(huán)境的開銷（因?yàn)椴糠终鎸?shí)環(huán)境由虛擬環(huán)境取代），又可對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行操作（因?yàn)椴糠窒到y(tǒng)即系真實(shí)環(huán)境），真正達(dá)到了亦真亦幻的境界，是今后發(fā)展的方向。三、虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用在我國(guó)的教育事業(yè)中，近年來(lái)大力提倡多媒體教學(xué)，教師借助電腦、投影儀等多種媒體來(lái)輔助教學(xué)，取得了較好的效果。如果更進(jìn)一步，把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教育領(lǐng)域，則它的效果更會(huì)不同凡響。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生

6、提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等，在各個(gè)領(lǐng)域提供無(wú)限的虛擬體驗(yàn)。學(xué)生在“虛擬教室”里上天文學(xué)課時(shí)，可以遨游宇宙，可以“親眼目睹太陽(yáng)系的形成”；上生理學(xué)課時(shí)，可以在人體內(nèi)“實(shí)地考察”每一個(gè)器官。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說(shuō)教更具說(shuō)服力，主動(dòng)地去交互與被動(dòng)的接受，有本質(zhì)的差別。它主要具體應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：科學(xué)研究：目前許多高校都在積極研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng) 用，并相繼建起了虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真的研究室，將科研成果迅速轉(zhuǎn)化實(shí)用技術(shù)，如北京航天航空大學(xué)在分布式飛行模擬方面的 應(yīng)用；浙江大學(xué)在建筑方面進(jìn)行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用；哈 爾濱工業(yè)大學(xué)在人機(jī)

7、交互方面的應(yīng)用。 有的研究室甚至已經(jīng)具備 獨(dú)立承接大型虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的實(shí)力。虛擬實(shí)驗(yàn)室：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室， 如地理、物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等等，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比 擬的優(yōu)勢(shì)：（一）節(jié)省成本通常我們由于設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等硬件的限制。許多實(shí)驗(yàn)都 無(wú)法進(jìn)行。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)生可以做各種實(shí)驗(yàn)，獲得與 真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)，既保證了教學(xué)效果，又極大的節(jié)省了成本。（二）避免風(fēng)險(xiǎn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)或操作往往會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行 虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中，可以放心地去做各種危險(xiǎn)的或危 害人體的實(shí)驗(yàn)。例如，虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，可避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生 的燃燒、爆炸所帶來(lái)的危險(xiǎn)；虛擬的外

8、科手術(shù)，可避免由于學(xué)生 操作失誤，而造成“病人”死亡的醫(yī)療事故。（三）不受時(shí)空限制利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以徹底打破時(shí)間與空間的限制。 大到 宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行 觀察。一些需要長(zhǎng)時(shí)間才能觀察的變化過(guò)程， 通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)， 可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生。 例如，生物中的孟德爾遺傳定 律，用果蠅做實(shí)驗(yàn)往往要幾個(gè)月的時(shí)間， 而虛擬現(xiàn)實(shí)在一堂課內(nèi) 就可以實(shí)現(xiàn)。虛擬實(shí)訓(xùn)基地：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來(lái)的虛擬實(shí)訓(xùn)基 地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的， 可以根據(jù)隨時(shí)生成新的 設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。 同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性， 使學(xué)

9、生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán) 境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去， 這非常有利 于學(xué)生的技能訓(xùn)練。例如：在虛擬的飛機(jī)駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員 可以反復(fù)操作控制設(shè)備，學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機(jī)起飛、 降落，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。虛擬仿真校園：虛擬校園也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中最 早的具體應(yīng)用，它由淺至深有三個(gè)應(yīng)用層面， 分別適應(yīng)學(xué)校不同 程度的需求：簡(jiǎn)單的虛擬我們的校園環(huán)境供游客瀏覽；基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活，功能相對(duì)完整的三維可視化虛 擬校園；以學(xué)員為中心，加入一系列人性化的功能，以虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺(tái) 。虛擬遠(yuǎn)程教育：虛擬現(xiàn)實(shí)可為高校擴(kuò)大招生后設(shè)置的分校和遠(yuǎn)程教育教學(xué)點(diǎn)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場(chǎng)所，通過(guò)交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站，由局域網(wǎng)工具作校園網(wǎng)站的鏈接，可對(duì)各個(gè)終端提供開放性的