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1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其教學(xué)應(yīng)用 2011-04-07 10:17:55 李志剛 張超 摘?要?本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義及特征進(jìn)行了描述，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的作用意義進(jìn)行了分析探討。 關(guān)鍵詞?虛擬現(xiàn)實(shí)；教育技術(shù)；教學(xué)應(yīng)用 2010年的上海世博會(huì)，參觀人數(shù)超過7200萬，創(chuàng)歷屆世博會(huì)參觀人數(shù)之最，而同時(shí)推出的上海世博會(huì)的網(wǎng)上展館，則創(chuàng)出了2.8億次的點(diǎn)擊訪問量。網(wǎng)上世博會(huì)和電影《阿凡達(dá)》讓虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示了巨大的吸引力，正如澳大利亞新南威爾士大學(xué)教授羅伯特·路易斯(Robert Louise)所說:“它的作用遠(yuǎn)不只展示和娛樂”，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的觸角已經(jīng)滲入到了人類生活的方方面面。

2、一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)述 虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。該技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形(CG)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。 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)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)是指用計(jì)算機(jī)生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個(gè)環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境

3、，實(shí)現(xiàn)特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性（Multi-Sensory）、交互性（Interactivity）、浸沒感（Immersion）和構(gòu)想性（Imagination）四個(gè)重要特征。 所謂多感知是指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等幾種。 交互性指用戶對(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（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用

4、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，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。 浸沒感又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(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，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動(dòng)起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺一樣。 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。 如今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用已大步走進(jìn)軍事航天

5、、工業(yè)仿真、游戲動(dòng)漫、教育培訓(xùn)、城市規(guī)劃、醫(yī)療救治等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)和理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)一起，成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段。 二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用 在以往的教育中，學(xué)習(xí)者始終生活在兩個(gè)世界的時(shí)空環(huán)境中，一個(gè)是經(jīng)驗(yàn)世界（實(shí)踐中學(xué)習(xí)），另一個(gè)是語言文字的世界（書本中學(xué)習(xí)），兩者往往相互脫節(jié)，即理論脫離實(shí)際。而由多媒體與仿真技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，創(chuàng)造出了第三個(gè)世界-----虛擬現(xiàn)實(shí)世界，它將成為溝通前兩個(gè)世界的重要橋梁。我國(guó)學(xué)者桑新民教授在探索信息化環(huán)境下高校學(xué)習(xí)新模式的過程中，率先提出：必須把“三個(gè)世界”的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)綜合起來，促成三者的有機(jī)結(jié)合。指出要充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)情

6、境之獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，去引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)習(xí)者在經(jīng)驗(yàn)世界和語言文字世界中實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)與學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的整合，不斷激勵(lì)和提高學(xué)習(xí)者在“三個(gè)世界”中學(xué)習(xí)的自主性、協(xié)作性和創(chuàng)造性。 ⒈拓寬視野，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情 通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，一方面可以再現(xiàn)實(shí)際生活中無法觀察到的自然現(xiàn)象或事物的變化過程，為學(xué)習(xí)者提供生動(dòng)、逼真的感性學(xué)習(xí)材料，使抽象的概念理論直觀化、形象化，方便學(xué)習(xí)者對(duì)抽象概念的理解；另一方面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使學(xué)習(xí)者能夠按自己的需要來進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互式學(xué)習(xí)，主動(dòng)地獲取所需要的知識(shí)，由被動(dòng)式的接受轉(zhuǎn)化為主動(dòng)式的發(fā)現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可讓學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)到和體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)生活中具有微觀性、瞬變性、危險(xiǎn)性、長(zhǎng)期性且用別的方法很難觀察和驗(yàn)證的

7、各種事物，從而提高這類特殊知識(shí)的可接受性。在課堂上，教員可以陪同學(xué)習(xí)者一起經(jīng)歷虛擬境界，一邊觀察一邊講解；也可以讓學(xué)習(xí)者自己利用虛擬景物、虛擬環(huán)境等進(jìn)行仔細(xì)觀察自主學(xué)習(xí)進(jìn)而理解有關(guān)的概念及知識(shí)。通過這種對(duì)虛擬景物和虛擬環(huán)境的交互式學(xué)習(xí)，能有效發(fā)揮學(xué)習(xí)者的主觀能動(dòng)性，使學(xué)習(xí)者真正參與到教學(xué)活動(dòng)中去，成為學(xué)習(xí)過程中的主體，變被動(dòng)為主動(dòng)，并激發(fā)出較高的學(xué)習(xí)熱情和空間想象力。 ⒉便于探究，培養(yǎng)創(chuàng)新能力 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)允許學(xué)習(xí)者對(duì)模擬的環(huán)境可交互、可操縱、可建構(gòu)，可直觀地觀察到學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果，適合開展探究性的學(xué)習(xí)。例如，有一個(gè)名叫“電子工作臺(tái)”(Electronic Wo

8、rkbench; EWB)的軟件系統(tǒng)，允許學(xué)習(xí)者利用它提供的元件構(gòu)造各種模擬電路和數(shù)字電路，并能動(dòng)態(tài)測(cè)試電路的性能；還有一個(gè)名叫“交互性物理”(Interactive Physics; IP)的軟件系統(tǒng)，允許學(xué)習(xí)者構(gòu)造屬于經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)的大部分實(shí)驗(yàn)；在虛擬的化學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者可以按照自己的假設(shè)，將不同的分子組合在一起，電腦便虛擬出組合的物質(zhì)來。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，更有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力。 ⒊突破瓶頸，提高實(shí)驗(yàn)效益 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以有效地突破時(shí)間、空間、經(jīng)費(fèi)和危險(xiǎn)性等現(xiàn)實(shí)條件的制約，大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)習(xí)者都可以進(jìn)入其內(nèi)

9、部進(jìn)行觀察。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以很快地呈現(xiàn)出來。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)技術(shù)在一堂實(shí)驗(yàn)課內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)習(xí)者通過各種感覺（視覺、聽覺、動(dòng)覺和觸覺等）與虛擬的學(xué)習(xí)情境相互聯(lián)系并交互作用，進(jìn)一步加深了對(duì)事物現(xiàn)象和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，有效地促進(jìn)了學(xué)習(xí)者在經(jīng)驗(yàn)世界和語言文字世界中實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)活動(dòng)與學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的整合，大大提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。 ⒋模擬訓(xùn)練，輕松掌握技能 虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)習(xí)者能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，并全身心地投入到該學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)習(xí)者達(dá)到動(dòng)作技

10、能類教學(xué)目標(biāo)要求。例如空軍某學(xué)院研制的Su27駕駛模擬器，采用多通道圖形生成技術(shù)，建立了大視野視景環(huán)境，配合接近實(shí)物的駕駛艙，使學(xué)習(xí)者可以完成基本駕駛技術(shù)、編隊(duì)飛行以及部分空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)的訓(xùn)練；澳大利亞新南威爾士大學(xué)模擬出礦坑內(nèi)的常見問題，讓礦工們針對(duì)瓦斯管理、煤層自燃、危險(xiǎn)預(yù)警、隔離程序、自主逃生等各種環(huán)節(jié)進(jìn)行訓(xùn)練等等。在這些既與現(xiàn)實(shí)條件相符又無任何危險(xiǎn)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。 ⒌攜手網(wǎng)絡(luò)，改革教學(xué)結(jié)構(gòu) ?隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨成熟，教學(xué)活動(dòng)不再局限于有形的教室中，而向虛擬課堂、虛擬大學(xué)、虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬化學(xué)習(xí)，將會(huì)成為未

11、來教育的一種全新的教學(xué)方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅能向?qū)W習(xí)者提供一種可在實(shí)際生活中找到的情境和經(jīng)驗(yàn)，還可以再現(xiàn)特定的環(huán)境。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可以打破時(shí)間和空間的限制，進(jìn)行交互式的、圖文并茂的、智能型的、分布式的教學(xué)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸逼真的教學(xué)和學(xué)習(xí)環(huán)境，從而使學(xué)習(xí)方式由傳統(tǒng)的“獨(dú)學(xué)”變?yōu)椤叭簩W(xué)”，使學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)從“封閉”變?yōu)椤伴_放”，最終可以使教學(xué)從“知識(shí)傳授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸R(shí)建構(gòu)”。例如，在基于共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)置的網(wǎng)上協(xié)同實(shí)驗(yàn)室中，身處不同位置的學(xué)習(xí)者組成一個(gè)個(gè)學(xué)習(xí)小組，所有學(xué)習(xí)小組構(gòu)成一個(gè)學(xué)習(xí)型社區(qū)。他們一起設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并通過模擬軟件觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直到認(rèn)為方案成熟，才轉(zhuǎn)移到真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中去完成

12、實(shí)驗(yàn)。教師在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)控每一個(gè)成員的表現(xiàn)并及時(shí)進(jìn)行個(gè)別化的輔導(dǎo)。 ??? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的最成功案例，莫過于哈佛大學(xué)克里斯·德迪博士率領(lǐng)開展的一項(xiàng)為期十年的基于多用戶虛擬環(huán)境（Multi—User?Virtuai Environment, MUVE）的中學(xué)科學(xué)教育項(xiàng)目：River City。正如德迪博士在2009年《科學(xué)》雜志上對(duì)River City總結(jié)的那樣，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，大部分學(xué)生在這種沉浸式的模擬環(huán)境中都獲得了更多的關(guān)于科學(xué)探究的知識(shí)和技能；學(xué)生能夠形成一種深度參與，非常有利于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜問題的技能與發(fā)展；有利于那些成績(jī)差的學(xué)生建立起學(xué)業(yè)上的自信。River City在北美

13、地區(qū)產(chǎn)生了廣泛影響，被作為新型數(shù)字化學(xué)習(xí)及評(píng)價(jià)方式的典型選入美國(guó)《2010年教育技術(shù)規(guī)劃》，也受到了具有“數(shù)字未來學(xué)家”之稱的唐·泰普斯科特的推崇。 由于虛擬現(xiàn)實(shí)所依托的軟硬件技術(shù)科技含量和開發(fā)費(fèi)用高、技術(shù)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度大等原因，目前在教育領(lǐng)域還只是運(yùn)用于少數(shù)的教學(xué)、培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)、參觀等方面，且尚沒有形成完善的運(yùn)用模式。然而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新涌現(xiàn)的教育技術(shù)，具有令人鼓舞的美好前景。有遠(yuǎn)見的教育工作者把虛擬現(xiàn)實(shí)看做是基于計(jì)算機(jī)的教學(xué)系統(tǒng)的下一個(gè)合乎邏輯的發(fā)展步驟。人們必將應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)一步改進(jìn)學(xué)習(xí)過程和創(chuàng)造新的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn)： [1]南國(guó)農(nóng),李運(yùn)林,祝智庭.信息化教育概論[M].北京：高等教育出版社.2004 [2]何克抗,李文光.教育技術(shù)學(xué)[M].北京師范大學(xué)出版社.2009 [3]田?屹,王軍武．軍事教育技術(shù)與教育技術(shù)的比較分析及特點(diǎn)研究[C].第一屆中國(guó)教育技術(shù)發(fā)展論壇． [4]曾芬芳.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].上海交通大學(xué)出版社.1997 [5]梁林梅,李曉華.讓技術(shù)為學(xué)生提供更強(qiáng)大的參與經(jīng)驗(yàn)[J].中國(guó)電化教育,2010.9 關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其