虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用和展望

魏 偉，馬 歌

（1.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001；

2.鄭州師范學(xué)院 信息技術(shù)系，河南鄭州 450044）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用和展望

魏 偉1，馬 歌2

（1.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001；

2.鄭州師范學(xué)院 信息技術(shù)系，河南鄭州 450044）

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)學(xué)科，它通過借助計(jì)算機(jī)或其他相關(guān)設(shè)備構(gòu)建出十分逼真的交互環(huán)境，使參與者以自然的和沉浸的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象交互，從而產(chǎn)生等同于真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)并獲取知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。本文分析了虛擬現(xiàn)實(shí)的主要特征，并主要探討該技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用，指出了目前存在的問題以及對(duì)未來前景的展望。

虛擬現(xiàn)實(shí)；人機(jī)交互；VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），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，它通過計(jì)算機(jī)、圖形工作站以及其他相關(guān)設(shè)備生成逼真的三維的多感官的環(huán)境，參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。讓參與者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、無限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，而且能對(duì)參與者的運(yùn)動(dòng)和操作做出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)。概括地說，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過計(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。[1]

一、虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征包含：沉浸感、交互性、構(gòu)想性。[2]沉浸感指參與者感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度，包含視覺、聽覺以及其他感官感覺。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使參與者難以分辨真假，使參與者身臨其境地投入到三維虛擬環(huán)境中。交互性指參與者對(duì)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，這里也包括實(shí)時(shí)性（實(shí)時(shí)交互是最理想的狀態(tài)，但很多情況下受設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南拗疲瑫?huì)有一定的延時(shí)）。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。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的具體應(yīng)用

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)適應(yīng)的過程，個(gè)人在學(xué)習(xí)過程中的活動(dòng)是對(duì)環(huán)境的特定反映，不能脫離社會(huì)環(huán)境而孤立地學(xué)習(xí)，只有當(dāng)學(xué)習(xí)材料與學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)、情感和社會(huì)生活相互作用時(shí)，學(xué)習(xí)才能發(fā)生，對(duì)知識(shí)的理解和掌握才能在意義建構(gòu)過程中完成。[3]因此，通過VR技術(shù)建立教學(xué)虛擬環(huán)境可以盡可能地為學(xué)習(xí)者提供豐富的資源和大量的經(jīng)驗(yàn)背景，以便于學(xué)習(xí)者借助這一平臺(tái)來建構(gòu)起自己的知識(shí)體系，形成自己的觀點(diǎn)和見解，促進(jìn)知識(shí)和意義的建構(gòu)。使傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者通過自身與虛擬環(huán)境的交互獲取知識(shí)、技能的學(xué)習(xí)方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代教育教學(xué)中的應(yīng)用方面主要有：

1.虛擬演示教學(xué)系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生和老師創(chuàng)造逼真的虛擬演示環(huán)境以輔助教學(xué)，特別是一些教學(xué)艱澀難懂或演示成本高昂的學(xué)科，VR是非常有力的工具。如Lofin等人在1993年建立了一個(gè)“虛擬物理定律演示系統(tǒng)”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移[4]等。建筑與城市規(guī)劃學(xué)科的教學(xué)過程中同樣可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用其沉浸感和互動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)不但能夠給學(xué)生帶來強(qiáng)烈、逼真的多感官?zèng)_擊，獲得身臨其境的體驗(yàn)，還可以很方便地對(duì)模型和材質(zhì)進(jìn)行修改，如改變建筑高度，改變建筑外立面的材質(zhì)、顏色，改變綠化密度，從而進(jìn)行比較分析。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(平臺(tái)仿真)之上，而注重的是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。

如醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，進(jìn)行解剖和各種手術(shù)練習(xí)。用這項(xiàng)技術(shù)，由于不受標(biāo)本、場(chǎng)地等的限制，其優(yōu)越性和效果是不可估量和不可比擬的。例如，導(dǎo)管插入動(dòng)脈的模擬器，可以使學(xué)生反復(fù)實(shí)踐導(dǎo)管插入動(dòng)脈時(shí)的操作；眼睛手術(shù)模擬器，根據(jù)人眼的前眼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出三維立體圖像，并帶有實(shí)時(shí)的觸覺反饋，學(xué)生利用它可以觀察模擬移去晶狀體的全過程，并觀察到眼睛前部結(jié)構(gòu)的血管、虹膜和鞏膜組織及角膜的透明度等。親身的經(jīng)歷和感受會(huì)比單純的說教更加容易讓學(xué)生接受，交互會(huì)使得學(xué)生的學(xué)習(xí)得到事半功倍的效果。對(duì)學(xué)校來講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用在可以保證教學(xué)質(zhì)量的前提下，使教學(xué)成本大規(guī)模的降低。

虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅有效緩解高等教育在經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)、空的限制。在遠(yuǎn)程教學(xué)中，教學(xué)實(shí)驗(yàn)往往無法進(jìn)行，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以獲取與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室還可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來的各種危險(xiǎn)，學(xué)生在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心操作危險(xiǎn)的或危害人體的實(shí)驗(yàn)，如化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可能帶來危險(xiǎn)的燃燒、爆炸等。

3.虛擬可視化

虛擬可視化是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將科學(xué)計(jì)算過程中或者是計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像，在屏幕上顯示出來并進(jìn)行交互式處理的技術(shù)或方法。對(duì)于一些專業(yè)性強(qiáng)的學(xué)科，如生物教學(xué)中復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)、火災(zāi)中的三維體數(shù)據(jù)以及地震科學(xué)中繁雜的地震數(shù)據(jù)等，傳統(tǒng)的圖像分析技術(shù)和二維表現(xiàn)方法很難對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和度量；而使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以將計(jì)算過程以動(dòng)態(tài)、立體的形式來表現(xiàn)，結(jié)果形象生動(dòng)，用戶可以沉浸在虛擬環(huán)境之中，使用自然直觀的方式與虛擬的科學(xué)世界交互，大大提高數(shù)據(jù)解釋水平和推測(cè)準(zhǔn)確性，加深對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的理解。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中面臨的問題及前景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)一步提高了高教信息化建設(shè)的水平和深度，但目前尚處于實(shí)驗(yàn)和探索階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用還存在以下幾個(gè)方面的問題：

第一，硬件需要大量相關(guān)的虛擬設(shè)備，如頭盔、數(shù)據(jù)手套、傳感器等，并且有些價(jià)格不菲，高昂的成本投入在一定程度上制約了該技術(shù)走向平民化。

第二，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和逼真的虛擬環(huán)境需要專業(yè)的技術(shù)支持，而國(guó)內(nèi)除了少數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之外，這方面技術(shù)的普及率不高。

第三，圖形渲染硬件性能有待進(jìn)一步提高。雖然硬件的水平飛速發(fā)展，GPU可編程流水管線以及CUDA多核架構(gòu)的提出，很大程度上優(yōu)化了圖形處理的能力，但還是不能滿足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于硬件，尤其是圖像渲染這方面的要求。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、硬件技術(shù)、圖形渲染技術(shù)以及信息社會(huì)需求等的快速發(fā)展，再加上一些公司的推動(dòng)和各國(guó)政府的大力支持，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)應(yīng)用在教育、娛樂、軍事、房地產(chǎn)、工業(yè)設(shè)計(jì)和制造等行業(yè)和領(lǐng)域中。在教育中的應(yīng)用包括虛擬演示教學(xué)、虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)、虛擬可視化、虛擬設(shè)計(jì)、教育與藝術(shù)、教育與娛樂等。

[1]魏迎梅.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2005.

[2]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2009.2.

[3]肖田元,張燕云,陳加棟.系統(tǒng)仿真導(dǎo)論[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[4]申蔚,夏立文.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京:希望電子出版社,2002.3.

（編輯：金冉）

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1673-8454(2012)01-0083-02