虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的影響

□安俊偉，孫 雯，亓 冬

(石家莊陸軍指揮學(xué)院，河北 石家莊 050084)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)揮得比較明顯，同時(shí)產(chǎn)生了較深遠(yuǎn)的影響。人類的所有感覺中視覺感知占據(jù)絕大部分，我們對立體視效的反應(yīng)要比平面視效的反應(yīng)更加強(qiáng)烈。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)的三維立體圖像更利于學(xué)習(xí)者理解復(fù)雜的概念理論、理清事物間的關(guān)系等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)突破了靜態(tài)空間，打破時(shí)間限制，既可以是真實(shí)場景的再現(xiàn)，也可以是完全虛擬構(gòu)想的呈現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以給予用戶身臨其境的體驗(yàn)，這比空洞的說教和簡單的課本講授要更具說服力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門高新技術(shù)，其實(shí)時(shí)的交互性、完全的沉浸性、全面的構(gòu)想性對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的發(fā)展具備一定的推動(dòng)作用，為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)開拓了新的發(fā)展空間。下面從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及其在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用情況出發(fā)，分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的作用及影響。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

1．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真科學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等基礎(chǔ)上加以綜合利用，生成接近于現(xiàn)實(shí)自然環(huán)境的虛擬環(huán)境。在理想情況下，進(jìn)入虛擬環(huán)境的用戶是難以分辨真?zhèn)蔚?，該虛擬環(huán)境提供了集視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺、身體感知、運(yùn)動(dòng)感知于一體的感官刺激。［1］用戶采用相應(yīng)的輸入/輸出設(shè)備，輸入設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)手套、運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、三維控制器、三維跟蹤系統(tǒng)等，輸出設(shè)備包括視覺感知系統(tǒng)(臺(tái)式立體顯示系統(tǒng)、頭盔顯示器、吊桿式顯示器、洞穴式立體顯示器、響應(yīng)工作臺(tái)顯示裝置、墻式立體顯示裝置)、聽覺感知系統(tǒng)、觸覺反饋設(shè)備(觸覺反饋裝置、力覺反饋裝置)，將用戶的行為信息輸入到虛擬世界中，同時(shí)實(shí)時(shí)地感受虛擬世界中的反饋，在輸入與輸出的過程中可以給用戶一種自然的交互的感受，從而營造一種身臨其境的感覺。［2］自然的交互指的是在真實(shí)世界中人們進(jìn)行一系列行為活動(dòng)的同時(shí)實(shí)時(shí)得到真實(shí)世界中的反饋，其中的自然性往往注重于人們在真實(shí)世界中長期生活形成的慣性思維即固有的感知判斷，當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能將輸入與反饋按照人們習(xí)慣的方式呈現(xiàn)或作用于系統(tǒng)或用戶時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了自然的交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性包括交互性、沉浸性、構(gòu)想性。

2．虛擬現(xiàn)實(shí)的類型。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類主要根據(jù)其對“沉浸感”程度的高低和交互程度的不同來區(qū)分。

桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)，該類型的虛擬現(xiàn)實(shí)主要利用初級(jí)圖形工作站或個(gè)人PC機(jī)等設(shè)備，將計(jì)算機(jī)屏幕也就是顯示器虛擬世界的輸出設(shè)備，為用戶呈現(xiàn)虛擬世界同時(shí)反饋用戶的輸入，主要通過三維立體圖形、自然的交互等技術(shù)，呈現(xiàn)立體的接近于現(xiàn)實(shí)的虛擬交互場景，通過鼠標(biāo)、鍵盤和力矩球等各種輸入設(shè)備輸入用戶行為數(shù)據(jù)并作用于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，虛擬世界的反饋實(shí)時(shí)地在顯示器中顯示給用戶，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬世界之間的交互。［3］

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，該類型的虛擬現(xiàn)實(shí)與桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)相比較，是一種更加高級(jí)、相對較理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)完全沉浸，為用戶提供一種進(jìn)入另一個(gè)世界的感覺。其輸入/輸出設(shè)備相對更加高級(jí)，利用頭盔式顯示器、洞穴式顯示器或其他設(shè)備，將用戶的視覺、聽覺、觸覺以及其他身體感知封閉起來，并且提供一個(gè)全新的、虛擬的感覺空間，利用數(shù)據(jù)服、三維跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備、多方位聲效等使得用戶產(chǎn)生一種身在另一個(gè)極其“真實(shí)”的虛擬環(huán)境中，并且自然地實(shí)現(xiàn)全身心投入，以真實(shí)世界中的方式自然地實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互。

增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)，這種類型的虛擬現(xiàn)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)與虛擬的同時(shí)呈現(xiàn)，也就是在用戶看到真實(shí)世界的同時(shí)，還能看到區(qū)別與真實(shí)世界的另一些虛擬現(xiàn)象，而且這種虛擬的對象是疊加在真實(shí)場景之上的，是真實(shí)世界與虛擬環(huán)境的一種組合，這種系統(tǒng)的最大好處就是，不需要為構(gòu)建幾乎真實(shí)的虛擬場景而進(jìn)行復(fù)雜的模型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫運(yùn)算等，又可以借助虛擬現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對真實(shí)事物的處理操作。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢

1．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)交互性，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的實(shí)踐性教學(xué)。交互性指的是用戶與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間、用戶與系統(tǒng)生成的虛擬場景之間的輸入/輸出的過程，在輸入與接收反饋之間能夠達(dá)到實(shí)時(shí)交互，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一大特性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性區(qū)別于以往的媒體技術(shù)。在過去的多媒體技術(shù)中，交互主要發(fā)生于用戶與計(jì)算機(jī)設(shè)備等媒體呈現(xiàn)設(shè)備之間，主要通過鍵盤和鼠標(biāo)、電腦屏幕、電視熒幕等進(jìn)行，這種交互具有一定的局限性。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所提供的交互，強(qiáng)調(diào)人與虛擬世界之間以自然的方式進(jìn)行，此處的自然就是像在真實(shí)世界中一樣進(jìn)行相關(guān)行為動(dòng)作，同時(shí)虛擬世界會(huì)給用戶無限接近于真實(shí)世界的反饋。［4］利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，人是一個(gè)重要的因素，環(huán)境中的變化也是隨著人的運(yùn)動(dòng)變化而運(yùn)動(dòng)變化的，當(dāng)接到人的運(yùn)動(dòng)變化即輸入時(shí)，虛擬教學(xué)環(huán)境能夠及時(shí)地真實(shí)地作出響應(yīng)，這種響應(yīng)是可控的，而這種交互性是以無限趨近甚至超越真實(shí)感為目的的。

實(shí)時(shí)的交互性有效彌補(bǔ)了遠(yuǎn)程教學(xué)受客觀條件的種種限制，導(dǎo)致難以有效開展實(shí)踐性教學(xué)的現(xiàn)象。如果將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，將系統(tǒng)生成的虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建在網(wǎng)絡(luò)中，學(xué)生只需配置相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室便可以做各種各樣的試驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)效果像在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作一般，不僅能進(jìn)一步豐富學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。同時(shí)可以完全避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來的各種危險(xiǎn)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心大膽地去實(shí)踐自己的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，過去受安全因素制約只能停留在書本上的多種實(shí)驗(yàn)也不再那么可怕。無論從學(xué)生現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的角度還是從實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容上都突破了時(shí)間和空間的限制。

2．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的全面沉浸性，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的情感性教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最主要的特征就是給予用戶一種主動(dòng)性，感受到自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一員，自身與虛擬世界之間是相互影響的，而非旁觀者那樣，突破傳統(tǒng)的媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用戶由被動(dòng)觀看到主動(dòng)參與的轉(zhuǎn)變，完全沉浸于虛擬世界之中，參與虛擬世界的各種活動(dòng)，作用與反作用于虛擬世界。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所生成的虛擬世界是無法辨別其真?zhèn)蔚?，不僅提供傳統(tǒng)媒體中也包括的視覺、聽覺感受，還可以提供真實(shí)世界中共同發(fā)揮作用的觸覺感知、嗅覺感知、味覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、身體感知等。［5］真正純粹的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的極致是具備為用戶提供其在現(xiàn)實(shí)客觀世界中具有的所有感知功能的能力。

由于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是一種基于現(xiàn)代通信手段的教學(xué)，必然存在著師生分離這一缺點(diǎn)，與基于課堂教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)相比，教學(xué)中的情感元素缺乏，難以有效地進(jìn)行情感交流，教師也很難感受到學(xué)生接受新知識(shí)后，第一時(shí)間的反饋，無法及時(shí)調(diào)整課程進(jìn)度或更換講授及展現(xiàn)方法。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬教室、虛擬實(shí)驗(yàn)室等虛擬教學(xué)設(shè)施會(huì)使學(xué)生感受到包括視、聽、觸覺甚至味覺、嗅覺等多方面的感知刺激，在實(shí)時(shí)交互功能的基礎(chǔ)上，可以使學(xué)生全身心地進(jìn)入并完全沉浸在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建生成的虛擬環(huán)境中。學(xué)生與教師均由過去的編輯者和觀察者變?yōu)橹鲃?dòng)的參與者，共同成為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的主體部分，實(shí)現(xiàn)了師生間、生生間及時(shí)交流的目的，以及學(xué)習(xí)者的心理沉浸，從而上升并影響到學(xué)習(xí)者的情感，進(jìn)而加工知識(shí)信息、重塑知識(shí)結(jié)構(gòu)，如同在真實(shí)的教學(xué)環(huán)境中開展教學(xué)一般。

3．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的構(gòu)想性，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的啟發(fā)式教學(xué)。構(gòu)想性(Imagination)指的是虛擬的環(huán)境是現(xiàn)實(shí)生活中存在投射到設(shè)計(jì)者腦海中，或完全不存在而只是設(shè)計(jì)者構(gòu)思而來的，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，同時(shí)當(dāng)設(shè)計(jì)者的思想反映到生成的虛擬場景中是又會(huì)作用于用戶的意識(shí)，從而進(jìn)一步刺激用戶的思維構(gòu)想。［6］這種構(gòu)想性既包含設(shè)計(jì)者的構(gòu)想也包括虛擬世界中作為主體的用戶的構(gòu)想。通常它以較為夸張的形式呈現(xiàn)設(shè)計(jì)者的思想，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)過程是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與設(shè)計(jì)者共同操作的過程，設(shè)計(jì)開發(fā)中發(fā)揮并展現(xiàn)著它們的創(chuàng)造性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生與快速發(fā)展，為人類認(rèn)識(shí)世界分析研究現(xiàn)實(shí)世界的問題提供了一種全新的方法和手段，既可以重溫早已發(fā)生的歷史事件、世界奇觀，也可以經(jīng)歷和體驗(yàn)未來的未知的事情，盡管只是設(shè)計(jì)者對未來的一種推斷或設(shè)想;［7］還可以使人類不受空間限制，從宏觀和微觀多個(gè)角度對世界進(jìn)行研究和探索;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)使得受某些條件限制難以實(shí)現(xiàn)的事情可以“實(shí)現(xiàn)”。

好的教育往往不是知識(shí)的灌輸和信息的堆砌，而是授予學(xué)生學(xué)習(xí)成長進(jìn)步的方法，發(fā)現(xiàn)問題、研究分析問題、繼而解決問題的思維能力、動(dòng)手能力。［8］虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的構(gòu)想性特點(diǎn)對于在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中開展啟發(fā)式教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)等具有有力的推動(dòng)作用。在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，很多教學(xué)活動(dòng)由于人身安全、經(jīng)費(fèi)開支、環(huán)境污染等等因素的困擾而難以開展，很大程度上約束了學(xué)生的想象能力，制約了學(xué)生思維的拓展。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，可以打破之前的種種顧慮，在操作過程中出現(xiàn)失誤，造成了“事故”、“傷亡”甚至是“災(zāi)難”，以上這些為學(xué)習(xí)者所感受到的各種現(xiàn)場，雖然很逼真甚至可以嗅到燃燒、爆炸等的氣味，但對于現(xiàn)實(shí)而言卻沒有造成任何損失和破壞。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中運(yùn)用的劣勢

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一門科技含量高、應(yīng)用范圍廣的新興技術(shù)，具備技術(shù)上得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，為很多難以解決的問題提供了新的思路和方法，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中也已經(jīng)發(fā)揮了越來越大的作用，在很多方面取得了良好的教學(xué)效果，但若在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)全面推廣仍存在兩點(diǎn)不足。

1．科學(xué)技術(shù)水平有限。目前的軟件水平，構(gòu)建完善的、逼真的虛擬教學(xué)環(huán)境需要大量的場景建模，在建模中模型越逼真，材質(zhì)和紋理就越細(xì)膩，工作量非常大，包括虛擬場景的驅(qū)動(dòng)與載入、虛擬場景的漫游和控制都面臨同樣的問題;從硬件角度來講，復(fù)雜的高質(zhì)量的場景對硬件的要求很高，場景中的每一次運(yùn)動(dòng)，后臺(tái)都需要進(jìn)行快速的復(fù)雜運(yùn)算，控制系統(tǒng)作出趨近實(shí)際的回應(yīng)，眾多用戶在同一場景中，就意味著更龐大的運(yùn)算量，所以對設(shè)備的硬件水平提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)。

2．經(jīng)費(fèi)開支過大。就目前的消費(fèi)水平來講，一套完整的輸入/輸出設(shè)備(包括數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)衣、力矩球、數(shù)據(jù)手套、計(jì)算機(jī)等)是比較昂貴的，如果是單位集體建設(shè)，這樣的經(jīng)費(fèi)開支還是相對可行的，但對于學(xué)習(xí)者個(gè)人而言是難以承擔(dān)的，這也是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)難以大面積推廣運(yùn)用的重要因素之一。［9］

3．人才隊(duì)伍建設(shè)有待加強(qiáng)。一項(xiàng)高端科技的出現(xiàn)，短期內(nèi)面臨的一個(gè)重大問題是，相關(guān)專業(yè)人才隊(duì)伍的建設(shè)問題，這是促進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展同時(shí)廣為推廣應(yīng)用所必備的基礎(chǔ)，同樣虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也面臨著對大批專業(yè)人才的需求問題，盡管一些高校已經(jīng)開設(shè)了虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)的有關(guān)課程，但仍存在課程規(guī)劃不合理、不全面，由于在國內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)廣泛推廣比較晚，也導(dǎo)致了很多學(xué)生對技術(shù)的不了解，很大程度上制約了生源。對于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)或教學(xué)缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中涉及涵蓋的其他技術(shù)較多，包括多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)等，又有軟件、硬件研究之分，沒有清晰的分類，學(xué)習(xí)起來不系統(tǒng)，不規(guī)范，泛而不精、精而不廣。［10］

相信不久的將來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，硬件設(shè)備制造成本的減低、設(shè)備價(jià)格不斷趨于合理和軟件技術(shù)水平的不斷提高，人才隊(duì)伍的不斷壯大，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借自身的優(yōu)勢和潛力，將會(huì)進(jìn)一步深入到教育領(lǐng)域的各個(gè)方面并發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)教育注入更加強(qiáng)大的生命力。

［1］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，2011．

［2］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］許秀麗．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，(3)．

［4］張濤．多媒體技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2008．

［5］趙輝，葉莉．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教育中的應(yīng)用——虛擬醫(yī)學(xué)陳列館的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．中國現(xiàn)代教育裝備，2009，(7)．

［6］陳集炎．淺析網(wǎng)絡(luò)教育中情感缺失的原因及解決策略［J］．民營科技，2009，(11) ．

［7］張艮山，李建昌，任莎莎．網(wǎng)絡(luò)教育環(huán)境下的情感教學(xué)策略［J］．中國成人教育，2009，(15) ．

［8］薛為民．基于認(rèn)知機(jī)制的情感虛擬人交互技術(shù)研究［J］．北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，(12)．

［9］劉永花．利用虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)對遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者進(jìn)行情感支持［J］．安徽廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，(3)．

［10］崔向平．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)習(xí)者情感教育中的應(yīng)用探究［J］．甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，(7)．