淺談虛擬現實技術在教學中的應用

諸葛翀

(浙江大學教育學院，浙江杭州，310028)

一、引言

虛擬現實(Virtual Reality)簡稱VR，是近年來出現的高新技術。它利用計算機模擬環境，通過多種傳感設備使用戶“融入”到該環境中，實現用戶與該環境直接的自然的交互。[1]VR是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。[2]

虛擬現實技術的主要特征在于它的人與虛擬環境的互動性，虛擬環境真實的沉浸性與對構想實現的想象性。由于使用設備的不同，虛擬現實技術主要分為兩類：一類是有專門配套硬件的高級虛擬現實技術，這類技術能全方位模擬虛擬環境的視、聽、嗅、味等感覺，在醫學、自然科學等需要動手實驗的學科有較大的利用性。還有一類是通過計算機編程的人機交互的系統，主要是通過鼠標、觸屏對在電腦上展示的虛擬現實場景進行操作。這兩類技術有其各自的特點，下面將通過案例分析，并提出相應的應用設計。

二、案例分析

教育技術學的一位碩士生參考人民教育出版社的高級中學課本《化學(必修)》第二冊第四章第五節的《苯 芳香烴》中的苯(C6H6)分子模型結構，運用VRML進行虛擬現實的模擬演示。首先，他通過建模方式根據苯分子的結構建立了虛擬結構。然后利用幾何體建立了不同的虛擬物體和場景。再通過檢測器節點的設立增加這一系統的交互性。最后通過Route語句把時間出口和時間入口聯系在一起，從而構成事件體系。

這個苯分子的模型的虛擬現實系統編寫可以說是VRML技術在校園教學中的基礎運用，也是典型運用。清晰明了的結構和簡單實用的互動是這一類適合于校園的虛擬現實技術應用系統的特點。由于這一類虛擬現實的編寫相對簡單，掌握的技術人員較多，因此開發起來比較容易，并且可以根據學生的特點增加其趣味性。

與此相比，另一類配合專門硬件的虛擬現實系統的應用就沒有那么普遍了，如虛擬現實技術在基礎醫學教學的應用。在臨床外科教學中，借助計算機，教師指導學生通過虛擬病人來實驗多種手術方案，這個虛擬病人是通過掃描患者的骨骼和軟組織而獲得的完美的復制品。學生進入手術室時穿戴的不是消毒衣，而是高技術護目鏡和全身數據服，躺在手術臺上的是計算機制成的患者復制品。學生在這個模擬的病人人體上進行手術時，會感到皮膚的堅韌、肌肉的彈力、骨骼的堅硬和血液的涌流。當學生在虛擬病人人體上切除病灶遇到困難時，會及時得到計算機的提醒和警告，完成手術后會得到計算機的全面評估。學生還可以對該虛擬病人進行全面檢查，找出其余的患病組織，以便選擇最佳手術方案。[3]

這一類型通過硬件配合和傳感，使學生能有視覺、聽覺、觸覺等效果的高級虛擬現實設備，能為學習者營造出一個真實的感官世界。它根據設備的傳感能力和內部結構等具有不同的層次，一般運用在需要親身實踐的操作化教學中，或是操作內容意義較大但在現實中實踐機會不多的教學科目上，如虛擬駕駛、虛擬解剖等。

這兩類的虛擬現實技術各有其優點。前者具有再現真實場景，營造氛圍，詳細詮釋物體概念，互動操作，在虛擬空間里建立模型等功能，并且需要設備少，只需在電腦上編寫程序并在電腦上使用，適合于上課的展示與學生在電腦上的操作，成本較低。而后者在一些科學研究中幾乎可以完全真實地再現場景，有利于節約實際操作中的金錢、道德上的成本，是一些高等研究所或是學校安排實際操作練習的必需品。可以說，后一種虛擬現實技術包括了前一種虛擬現實技術的全部優點，可觀可感。但是在基礎的教學中，只使用前者就可以幫助學生了解教學內容，達到輔助教學的目的，再使用后者反而有可能會分散學生的注意力。

三、應用設計

(一)課堂教學的應用

大部分文獻在講到虛擬現實技術應用時首先想到將其用于最普遍的課堂教學，最基本的用法就是用于概念的展示，真實或想象場景的展示與環境的創造。對于這一類應用設計，制作起來簡單實用，能夠很大程度上彌補傳統課堂平面化(文字，圖片)、單向化教學形式的不足，有助于學生理解教學內容。

(二)實驗教學的應用

對于中小學的實驗教學，一些復雜的或高級的實驗需要很多昂貴的材料或器械，又或者因為某些條件限制難以實現，因此，在計算機上使用交互的虛擬現實技術制作的可以互動的實驗能使學生體驗到比較真實的做這類實驗的感覺，并且這些實驗不受時間、空間、物品限制，實驗過程安全，可重復。對于某些高級的、耗時耗力的實驗研究，使用普通方法可能要很久才能得出實驗結果，也可以使用這類系統進行實驗的模擬操作。同時，虛擬現實根據現實規律創造的實驗定律也可以適用于同一類的實驗研究，如使用虛擬現實技術在虛擬建筑空間里創造不同的建筑模型并對其進行檢驗。

(三)互動課堂和遠程教育

虛擬現實系統可以虛擬歷史人物、教師、學生等各種人物形象，創設交互式學習環境。比如，在虛擬的課堂學習氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流、討論，進行協作化學習。再如，在思想品德課教學中，學生可以與虛擬的先進人物一起座談、交流，受到先進人物言行的感化，從而達到思想品德教育的目的。又如，非英語國家的人學習英語的最大障礙是沒有語言環境，可以通過虛擬現實技術構建英語模擬環境，導入虛擬人物，情境隨用戶需要而改變。學習者可以與不同情境中的人物交談，并在這種交互情境下測試自身的表現。而且這一技術可以通過分布式網絡將不同的學習者連接起來，讓他們以各自角色在網絡舞臺自由發揮，從而大大提高學習者的學習興趣與學習效率。[4]同樣的利用虛擬現實技術制作遠程教學的課件系統將能大大提高遠程教育學生的學習效率，他們可以像在教室里一樣接受教育，與教師學生進行互動。

(四)技能訓練

虛擬現實可以仿真現實場景，學生可以在虛擬環境中扮演角色，進行和真實世界一樣的操作，包括手術技能、教學技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等各種職業技能的訓練。如同實驗一樣，這些操作訓練可以反復進行，而且安全可靠。

四、不足之處

盡管虛擬現實技術凝聚了現代技術的高端水平，但是在其趨向大眾化普遍化的使用過程中，還是有其不足之處。

從硬件上講，數據存儲設備的速度、容量還十分不足，而顯示設備的昂貴造價和它顯示的清晰度等問題也沒能很好地解決，為VR制造的大部分專用設備不但造價高、使用起來很不方便、效果有限，而且局限性很大，還不能達到人們的要求，更不能

達到VR所定義的那種環境。[5]而軟件方面受硬件的局限性的影響編寫費用仍然較高，并且難以在教師這一最需要的隊伍中普及，更簡便的利于教師運用的VR編寫程序仍待開發。

虛擬現實雖然具有真實性，但是有時候過于真實也會容易產生思維定勢，如語文課堂的教學可以引用虛擬現實再現文章的場景，但是很多時候，文字的魅力是不能夠直接通過現實表現出來的，里面還有想象和情感的成分，需要學生細細體會。因此虛擬現實技術的普遍應用也有可能會造成學生過于依賴現實體驗，進而減少了獨特的情感體驗。雖然虛擬現實技術應用過程中可能出現上述問題，但是這一技術安全可靠，如果得以有效地應用到教育領域，不僅能提高學生的學習效率，減少教學的成本，還將把教育帶入新的三維立體的互動時代。

[1] 張劍平.現代教育技術——理論與應用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2] 汪成為，等.靈境技術的理論、實現及應用[M].北京：清華大學出版社．1996.

[3] 馬蓓，夏金輝.計算機仿真與模擬技術在醫學教育中的應用[J].中國高等醫學教育，2008(1).

[4] 錢勇.虛擬現實技術在教育領域的應用[J].中國西部科技，2009(18).

[5] 楊富寶.虛擬現實技術——多媒體課件開發的新方向[J].電腦知識與技術，2009(15).

[6] 高志堅，楊夢婷．虛擬現實在教學中的應用[J].福建電腦，2009(7)．

[7] 趙慧勤，孫波．網絡環境下基于虛擬現實技術的情感教學環境的構建[J]．中國電化教育，2009(4)．

[8] 陳桂芬．計算機虛擬現實技術在醫學教育領域中的應用[J].科教文匯：上旬刊，2009(7)．

[9] 陳兆柱，徐進.淺談虛擬現實(VR)技術對高等教育的影響[J]．山東省青年管理干部學院學報，2004(4)．

[10] 高麗娜，汪敬賢．虛擬現實技術在教育領域內的應用研究[J]．長春師范學院學報：自然科學版，2009(2)．

[6] 胡新根.基于VRML的虛擬現實技術在多媒體課件中的應用[J].科技廣場，2009(5).