教育中的虛擬現實技術

　　譯／劉 聃 湖南師范大學教育科學學院教育技術系
　　
　　從美國的密西西比河開始，飛越墨西哥海灣，直到南美洲，體驗天鵝的遷移習性；橫過繁忙的十字路口；變成一個氫原子和另一個氫原子以及和一個氧原子結合成一個水分子。這些是今天虛擬現實技術能夠提供的一些體驗。隨著計算機技術的不斷發展，攀登艾菲爾鐵塔、在切薩皮克海灣釣魚、在一個遙遠的地方作調查等活動將在虛擬現實中成為可能。
　　美國的科學家和教育家們正進行通力合作，通過CAVE、Immersa-Desks、ImmersaWalls、HMD (head-mounted displays)等把“虛擬現實”引薦給教師和學生。CAVE是一個長、寬、高各3.05米（10英尺）的空間，三面圍墻、一個頂、一塊地板，這是一個洞穴式立體顯示裝置。學生一般要佩戴一副眼鏡，它能幫助學生提高圖像識別能力，它所攜帶的CAVE操縱桿能夠用來幫助學生在虛擬環境中控制視點的移動。桌子、墻以及頭盔顯示器（現在已經比較容易獲得）比較便宜，也易于攜帶，可以作為CAVE的替代品。
　　虛擬現實作為輔助課堂教學的應用還處于起步階段，盡管當前在美國有很多應用實例，但虛擬現實的發展還沒有達到在課程內外隨處可用的水平。這里只列出了幾個實例，探討一下科學家和教育家們是怎樣合作來開發一種新的學習方式，這種方式考慮了學生完全沉浸于虛擬現實學習環境的學習能力。
　　例如，在George Mason大學，Chris Dede和他的同事開發了個“科學空間世界”，這個世界包括了三個方面的應用，即“牛頓世界”、“麥克斯韋世界”、“鮑林世界”。在“牛頓世界”，學生們了解的是多個參考點運動定律，包括盤旋在空中的球與另一個球相撞，以及既不考慮重力也不考慮摩擦力的運動情形；而在“麥克斯韋世界”，學生們試驗受力和能量影響的多個參考點的靜電場；“鮑林世界”則介紹了化學上的結合以及分子結構，例如很多氫分子和氧分子結合成為一滴水，或者利用氨基酸合成復雜的蛋白質。這些在Dede所寫的《學習21世紀的科學：研究、設計、實現高技術學習環境》一書中都有描繪。
　　在芝加哥的伊利諾斯大學，最近在研究為K-12內所有年齡段的學生學習重要安全技能提供機會，包括了那些身體有缺陷的學生。Frank Rusch和他的同事們根據已有的虛擬現實技術和自我學習策略來促進交通安全的學習。CAVE可為學生提供很多機會學習怎樣過馬路的技能，而不需要到真實的街道上去，這就減少了教學所需要的時間和在實際中的危險性。
　　在這一展示過程中，Rusch、Umesh Thakkar和Laird Heal想弄清當穿越三個不同的十字路口時，學生是否能通過參看使用說明順利使用功能準則棒。每個十字路口事實上顯示了三層困難（簡單、典型和復雜），這些困難直接與穿過十字路口的車流量和車速有關。通過利用其本身生成的提示，81位學生學會了穿過這三個十字路口，這在殘疾和正常學生之間幾乎沒有什么差別。
　　作為一種應用于中小學校和裝有CAVE顯示系統的大學實驗室里的學習工具，虛擬現實顯得越來越重要。近來的研究分析了ImmersaDesk桌面式虛擬現實系統的使用情況。通過讓學生以固有的知識直接對比預選方案的一系列練習來引導學生，ImmersaDesk桌面式虛擬現實系統試圖教會學生更好地理解一些概念，而這些概念和學生們已有的概念有差異。例如，當老師告訴學生地球是圓的的時候，年輕的學生們很容易產生懷疑。對大多數學生而言，地球顯然是平的，他們沒有認知能力，也沒有抽象思維能力，不能由他們所看見、體會到的平平的地表抽象地上升到他們沒有直接看到的感覺里球體的地球。
　　伊利諾斯大學開展了“圓地球項目”。正如《圓地球項目：共享的虛擬世界中深層次學習》所說，已經進行了一系列的研究來更好地理解是怎樣產生復雜思維的。研究是當學生們有機會接觸一個虛擬的球形狀地球的情況下（如同從宇宙飛船上看到的那樣）進行的。用ImmersaDesk桌面式虛擬現實系統，A.Johnson和他的同事們發現，他們能使人學會一些比如圓的地球對應平的地球這類新概念。他們讓學生扮演宇航員的角色，還讓這些宇航員探討圓的地球還是平的地球之類問題。ImmersaDesk桌面式虛擬現實系統是一個長15.4厘米、寬10.3厘米（6英寸×4英寸）帶有顯示器的標準臺面。在ImmersaDesk桌面式虛擬現實系統中，學生使用立體眼鏡和操縱桿，就像他們在CAVE系統那樣操作。
　　虛擬現實將繼續在教育方面作出重要的貢獻。在不久的將來，高中將利用墻面式和桌面式虛擬環境去學習新的概念，使用HMD幫助那些易分神的學生來學習，教給學生們教材以外日益復雜的概念。
　　
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　　什么是虛擬現實
　　
　　虛擬現實，英文名為Virtual Reality，簡稱VR技術。這一名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾（Jaron Lanier）在20世紀80年代初提出的，也稱靈境技術或人工環境。作為一項尖端科技，虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機生成的高技術模擬系統。它最早源于美國軍方的作戰模擬系統，90年代初逐漸為各界所關注并且在商業領域得到了進一步的發展。這種技術的特點在于計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環境，從而使得在視覺上產生一種沉浸于這個環境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環境及事物的內在變化，并能與之發生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。