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1、精品文檔 將虛擬現(xiàn)實技術引入教育事業(yè) Subject : VR is Engaged to Education 申 蔚 首都經(jīng)濟貿(mào)易大學 E-mail ：shen_well@ 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

2、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 人與計算機之間枯燥、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

3、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

4、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

5、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）。 。 1歡迎下載 精品文檔 虛擬世界 VR 軟件 計算機 輸入設備 輸出設備 圖 1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組 成 圖 2 典型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的結構框圖 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

6、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教育領域對虛擬現(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

7、 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

8、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，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。 。 2歡迎下載 精品文檔 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

9、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?，F(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

10、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―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學生展示，但這些方法難于使學生對這種機械裝置的運行過

11、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：它不僅可以向學生直觀地展現(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 , 向學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。 5.2 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

12、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

13、 實人體和器官的仿真模型。醫(yī)生或學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

14、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 。 3歡迎下載 精品文檔 設計院的學生可以看到甚至“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┄ ┄與此同時，更多、更優(yōu)秀的應用還

15、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

16、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、多變的教學環(huán)境和教學手段，而且為學習者提供了一種可以進行交互、直觀、自主 探索的學

17、習環(huán)境和學習方法，從而激發(fā)學生的學習積極性，在多方面提高教與學的質(zhì)量和效果。同時 , 在教育領域的 Web 站點上，虛擬教師、虛擬圖書館、虛擬校園、虛擬考場等新興的教育形式也將不可避免 地出現(xiàn)在網(wǎng)絡中，并以它們接近真實并高于真實的優(yōu)勢，在未來教育領域中占有一席之地。因此，我們應該盡快認識到虛擬現(xiàn)實技術的應用價值，嘗試在各個教育和培訓領域開發(fā)它、使用它。 參考文獻 [1] [ 美 ] John N.Latta and David J.Oberg . A Conceptual Virtual Reality Model.Computer Gr

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19、ve information system of computer, whose purpose is to found a virtual environment, bring about a natural interactivity and make a live-Sensation from multimodality. The new concept of the technical support is provided for the modern education. Based on introduction of VR theory, the possibility in education field, the current research status and the development are stated. Key words: Virtual Reality （ VR ） Natural Interactivity Multimodality Live-Sensation 。 4歡迎下載