VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究

劉繼清

摘要：隨著計算機圖形學(xué)的發(fā)展與計算機性能的提高，帶動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新穎性、科學(xué)性和藝術(shù)性的特點，在各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，在教育領(lǐng)域， 虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有更廣泛的作用和影響。 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中， 能夠很好地滿足教學(xué)中情景化及自然交互性的要求。 主要探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征以及它在教學(xué)過程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);教育領(lǐng)域;應(yīng)用研究

0、 引言

虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域的具體應(yīng)用，主要體現(xiàn)在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、虛擬實驗室、虛擬實訓(xùn)基地、虛擬仿真校園、虛擬遠(yuǎn)程教育等方面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供了可視化的模型或模擬器，這些作為教育教學(xué)的輔助工具促進(jìn)了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解。同時，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以構(gòu)建沉浸式虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)，為學(xué)習(xí)者提供視覺、聽覺、觸覺等多感官體驗的互動方式，既可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情，又能使教育教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

1、虛擬現(xiàn)實的特點

VR具有三個最突出的特征 ， 也就是VR的三“I”特性 ， 因而可以用此來區(qū)別相鄰技術(shù)，如多媒體技術(shù) 、科學(xué)計算可視化技術(shù)等。三個特征包括交互 、沉浸感和構(gòu)想性。

（1）交互性。這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR的最大特征，在虛擬的世界里，參與者并不是獨立的，而是與世界緊密聯(lián)系的，參與者的操作也可能會引起虛擬世界的變化，參與者還可以通過與虛擬世界互動，以獲得某些反饋。

（2）沉浸感：用戶在計算機所創(chuàng)造的三維虛擬環(huán)境中處于一種“全身心投入 ”的感覺狀態(tài) ，有身臨其境的感覺。

（3）構(gòu)想性：構(gòu)建那些現(xiàn)實中不存在或不易觀察到而只出現(xiàn)在人們想象中的情景。虛擬環(huán)境技術(shù)涉及到構(gòu)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的多種技術(shù) ，涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域的研究 。在計算機人機界面技術(shù)方面，頭盔式顯示裝置、數(shù)據(jù)手套 、數(shù)據(jù)衣以及其它傳感裝置等等是虛擬環(huán)境技術(shù)使用的一些典型的硬件設(shè)備 。虛擬環(huán)境技術(shù)還涉及到人的行為學(xué)的研究，如聽覺 、視覺等的行為建模、人類觀察世界 、與世界交互方式的建模等等 。此外還涉及動畫 、建模、人機交互、人工智能 、數(shù)據(jù)庫等等。

2、虛擬現(xiàn)實在教學(xué)中作用

（1） 知識學(xué)習(xí)

在教學(xué)中 ， 學(xué)生對虛擬現(xiàn)實技術(shù)所表達(dá)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行交互， 從而學(xué)習(xí)相關(guān)的知識。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表達(dá)教學(xué)內(nèi)容可以使學(xué)生在瀏覽器中觀察到在現(xiàn)實生活中不能或不易觀察到的現(xiàn)象或事物 ，并提供了極為自然的理想觀察模式 。

（2） 激發(fā)創(chuàng)造

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可將學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的假設(shè)進(jìn)行虛擬 ， 呈現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)果或效果 。這樣有力于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維 ，進(jìn)行主動的探索性學(xué)習(xí) ，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

（3）虛擬實驗

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將合適的實驗在網(wǎng)上虛擬實驗室中表達(dá)出來， 并由學(xué)生在這些虛擬實驗室中完成實驗 。這樣可以完成不易觀察的、有危險的或費用高的實驗 ，提高多媒體教學(xué)中實驗課的效率 。

（4））技能培訓(xùn)

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)可實現(xiàn)在逼真的虛擬環(huán)境中以自然的方式進(jìn)行交互 ， 所以它非常適于進(jìn)行技能培訓(xùn)，使學(xué)習(xí)者在接近真實的環(huán)境中更易于掌握相應(yīng)的技能。雖然目前在網(wǎng)絡(luò)上用普通出入輸出設(shè)備不易實現(xiàn)直接的力反饋 ， 但可實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行有關(guān)三維空間位置、變形、時間順序、顏色紋理及音視頻等方面的交互， 從而可進(jìn)行與這些內(nèi)容相關(guān)的技能培訓(xùn) 。

3、 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)場景研究

（1）利用VR技術(shù)，創(chuàng)建一個虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，進(jìn)行知識學(xué)習(xí)

VR教育，并改變方式講授抽象的理論課程和實踐訓(xùn)練，VR 技術(shù)給學(xué)生提供一個虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，在教學(xué)中 ， 學(xué)生對虛擬現(xiàn)實技術(shù)所表達(dá)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行交互， 從而學(xué)習(xí)相關(guān)的知識。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)表達(dá)教學(xué)內(nèi)容可以使學(xué)生在瀏覽器中觀察到在現(xiàn)實生活中不能或不易觀察到的現(xiàn)象或事物 ，并提供了極為自然的理想觀察模式。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)生可以接近并加深對理論知識的理解。一個特殊的經(jīng)驗以改善學(xué)習(xí)環(huán)境，并增加互動作用，使學(xué)習(xí)更有趣，增加感官刺激，你可以模擬相關(guān)的自然和社會環(huán)境，讓學(xué)生通過時間和空間，模擬環(huán)境之間的互動，快速獲取相關(guān)專業(yè)知識。

例如：將VR技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)教育中，使醫(yī)生可以虛擬手術(shù)中感受視覺和觸覺的雙重體驗，從而提高了經(jīng)驗。

（2） 利用VR技術(shù)，建立虛擬實驗室

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將合適的實驗在網(wǎng)上虛擬實驗室中表達(dá)出來， 并由學(xué)生在這些虛擬實驗室中完成實驗 。這樣可以完成不易觀察的、有危險的 或費用高的實驗 ，提高多媒體教學(xué)中實驗課的效率 。

例如：外科手術(shù)方面。可以利用VR技術(shù)，模擬一個虛擬的手術(shù)室實驗環(huán)境，外科醫(yī)生可在其中熟悉各種手術(shù)工具或進(jìn)行一些精密手術(shù)的訓(xùn)練，降低因失誤而造成手術(shù)失敗概率。

（3）利用VR技術(shù)，進(jìn)行技能培訓(xùn)

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)可實現(xiàn)在逼真的虛擬環(huán)境中以自然的方式進(jìn)行交互 ， 所以它非常適于進(jìn)行技能培訓(xùn)，使學(xué)習(xí)者在接近真實的環(huán)境中更易于掌握相應(yīng)的技能。利用VR技術(shù)，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行有關(guān)三維空間位置、變形、時間順序、顏色紋理及音視頻等方面的交互， 從而可進(jìn)行與這些內(nèi)容相關(guān)的技能培訓(xùn) 。

例如：將VR應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中，其最核心的價值體現(xiàn)在臨床操作。傳統(tǒng)的醫(yī)療培訓(xùn)給與學(xué)員的實踐機會很少，較高的成本和稀缺的資源是長期以來限制臨床培訓(xùn)的主要原因。而VR技術(shù)通過計算機仿真，讓學(xué)員可以在沉浸式的虛擬環(huán)境中進(jìn)行實踐學(xué)習(xí)，積累復(fù)雜的臨床經(jīng)驗。如：解剖學(xué)方面。復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)很難用課本或3D的教學(xué)資源來闡述清晰。實踐階段，學(xué)生常常通過解剖被福爾馬林長期浸泡過的尸體來學(xué)習(xí)這門課程。一方面，許多學(xué)生反映難以忍受刺鼻的味道;另一方面，尸體資源相當(dāng)珍貴，不能滿足每個學(xué)員的需要?？梢岳肰R技術(shù)，模擬解剖全過程，讓學(xué)員地成本的反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo)。

（4）利用VR技術(shù)，建立虛擬仿真校園

目前，許多高校都使用這種技術(shù)來模擬校園環(huán)境，通過3D全景虛擬校園建立完整的現(xiàn)實生活校環(huán)境，校園網(wǎng)絡(luò)等，達(dá)到宣傳學(xué)校的目的，促進(jìn)學(xué)校的發(fā)展。虛擬校園的成功建設(shè)對于大學(xué)展示校園，擴(kuò)大招生，改善就業(yè)具有重要意義。虛擬仿真校園有很多好處，如學(xué)生可以在短時間內(nèi)熟悉校園環(huán)境;將學(xué)校的環(huán)境更好的展示給更多的人，向全國各地的學(xué)生宣傳學(xué)校;促進(jìn)學(xué)校信息化建設(shè)快速發(fā)展，促使校園文化和校園外觀完善。

（5） 利用VR技術(shù)，建立虛擬遠(yuǎn)程教育

把教育資源，包括教師資源和學(xué)習(xí)資源，整合到云端里。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)借助3D技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境一員，進(jìn)行實時交互，感知和操作虛擬現(xiàn)實世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。這對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，專注性將起到積極的作用，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效率也將有很大的改善。

4、結(jié)論

盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域倍受期待， 但作為一個新興產(chǎn)業(yè)，仍面臨著許多挑戰(zhàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域目前還處于一個初級階段，成本較高、技術(shù)受限、虛擬現(xiàn)實行業(yè)人才緊缺等，都是限制虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域推廣的重要原因。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實的硬件與軟件成本逐漸降低，我們相信未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景是值得期待的。

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