虛擬現實在教育教學中的應用淺析

姜鋒霞 孫越 李瑞光

【摘要】虛擬現實技術由于其具有的特性，已經廣泛地運用到教育領域，本文主要闡述了虛擬現實的概念、國內外在教育領域的應用現狀和應用方法、從多個角度與傳統教學方法對比分析，展示了虛擬現實教學在現代教育中的優勢，從而引起了筆者對教學方法的應用思考。進一步認識了虛擬現實技術在教育教學中的重要作用。

【關鍵詞】虛擬現實 虛擬現實教學 傳統式教學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）02-0225-02

隨著時代的進步、科技的發展，現代多媒體技術在教學中的應用也越來越廣泛，對傳統的教學方法、手段、觀念也產生了深遠的影響。同時也發現多媒體技術在各大院校教學中諸多不足。新出現的虛擬現實技術以其特有的三大特性，克服了傳統多媒體技術的一些缺陷，使現代多媒體教學成為更符合現代需求的教學模式。本文從多個維度，通過虛擬現實教學與傳統教學對比，探討如何將兩種教學模式相結合，發揮各自教學模式的優點，二者優勢互補，使教學效果達到更好。

一、虛擬現實技術

（一）虛擬現實技術（Virtual Reality， 簡稱VR）

又稱作靈境技術，虛擬現實是在1989年由美國VPL公司Jaron Lanier提出的，它主要利用計算機圖形學、人工智能技術、仿真技術、并行處理技術和多傳感器技術等多種信息技術的綜合，生成逼真的三維虛擬環境，通過多種傳感器和可視化設備，將聲音、畫面等作用于用戶的視、聽、觸覺，使用戶融入這種特殊的環境中，并能通過手勢、語言等行為方式與之進行實時交互，創建了一種適應人操作如同“身臨其境”的多維信息空間。虛擬現實由于具有的三特性沉浸感、交互性和構想性，使其在教育領域內有著巨大的應用前景。

（二）虛擬現實技術所需的軟硬件條件：

常用硬件：計算機、特殊的頭盔、三維立體傳感、數據衣、洞穴式投影、三維聲音產生器、密封倉等設備。不同的應用背景需要不同的設備配套。

常用軟件：目前大多數PC機都用Windows7/XP 操作系統，而且微軟公司已經在Visual C++內提供了OpenGL、Drec-Draw等圖形API，在PC上建立三維虛擬現實系統一般使用此圖形API。0pentGL是由SGI、Microsoft等公司共同制訂的三維圖形API，OpenGL程序代碼既可以在工作站上也可以在PC上編譯運行；另外，還有MGlPhotovita、Cool3D、FLASH、VRML、Cult3D、SceneBuilder、WorldTo Kit、Multi Gen等，它們均可在PC機或工作站上運行，使用十分方便。

二、虛擬現實技術在教育教學中具體應用

（一）科學研究

如今已有很多高校都在積極研究虛擬現實技術及其應用，并相繼建起了系統仿真與虛擬現實的實驗室及研究室，并將科研成果轉化為實用技術。比如在醫學教育方面，醫生做心臟手術，學生不可能拿真實人做實驗，學生可以通過虛擬人的心臟來學習解剖學，從而認識和掌握病理過程，對于一些現階段的疑難雜癥進行虛擬假設探究，施以各類科學研究。

（二）虛擬教學

虛擬現實技術可用于知識學習，展現抽象知識和探索未知知識。展現抽象知識就是通過VR再現現實生活中無法觀察到的自然現象或抽象事物的變化過程，為學生提供一種生動、逼真的感性認識，幫助學生解決學習中的知識難點。如神十航天員王亞平2013年6月20日在太空授課，航天員完全是在太空講解和實驗演示，進而來加深對質量等物理概念的理解。這種實驗我們可以利用虛擬現實技術虛擬一個失重情況下實驗環境。達到不需要飛躍太空而展示實驗效果的過程模擬；探索未知知識就是學生在學習過程中在現實中無法找到的原型，利用該技術對其假設構造模擬，從而直觀的觀察假設所產生的模擬結果。比如化學分子的學習，可以虛擬假設組合成新的物質，這樣學生就有可能研究出新的物質。

（三）技能訓練

由于虛擬現實的沉浸性和交互性，可以使學生在虛擬的學習環境中扮演某一個角色，以至于全身心地投入到學習環境中去，這也非常有利于學生的技能訓練。例如利用VR進行外科手術、虛擬飛行等各種職業技能的訓練。虛擬的仿真模擬訓練系統無任何危險性，學生可以不厭其煩地反復訓練，直到熟練掌握操作技能為止。

（四）虛擬仿真校園或教室

這也是利用虛擬現實技術進行虛擬環境的仿真。虛擬現實技術能夠提供生動、逼真的虛擬學習環境，學生可以作為一名參與者，充當不同角色，與其他學習者共同處在一個虛擬環境中，全身心地投入到學習中去。這營造了“自主學習”的環境。

（五）虛擬實驗室

目前許多學校存在實驗室教學設備落后、教育資金短缺的弊病，從而難以解決日益增長的學生學習需求與現代科技高速發展之間的矛盾。所用到的儀器、環境、材料等都是由計算機軟件虛擬生成的，不是真實存在的。安裝了這種虛擬系統后，在進行虛擬實驗時，學習者可以通過鼠標和鍵盤動作控制實驗發生的條件來觀看并體驗不同的實驗結果。

三、虛擬現實技術在現代教育中的優勢分析

（一）虛擬現實教學和傳統教學含義

基于虛擬現實技術的教學叫做虛擬現實教學，它主要是創造一種虛擬的環境使人有一種身臨其境感受的教學。所謂傳統教學包括傳統黑板教學和傳統多媒體教學。傳統黑板教學，教師在講解的過程中在黑板上寫字板書，對于抽象的事物只能簡單口頭描述或者簡單實物展示。傳統的多媒體是通過視、聽覺方面向學生展現實物圖像、聲音、文字的電子媒體，是一種“電灌式”的教學。

（二）虛擬現實教學與傳統教學對比

通過中文知識數據總庫的搜索，搜集閱讀大量文獻，總結如下表：

虛擬現實教學比傳統教學有以下優勢：

1.實現性

實現起來更方便。虛擬現實教學只需要制作對應的教學虛擬現實場景軟件，如果需要輔助輸入設備，如傳感頭盔等，還需要購買必要的輸入設備以加強體驗效果。而傳統實驗室教學，需要申請場地，設備等等硬件。

2.風險性

實驗或操作所帶來的各種危險。傳統實驗教學的操作，一般通過實地實驗操作來進行，可能對人的身體健康造成危害。利用虛擬現實技術進行虛擬實驗，既可以增加學生的真實體驗，又可以放心的避免各種危險的發生。例如，虛擬的化學實驗，可以避免化學反應所帶來各種危險。

3.成本性

彌補傳統教學條件的不足。傳統的實驗教學需要根據不同學科和數量的學生采購不同的實驗設備，實驗用品和實驗儀器還存在損耗等費用 ，無形之中給傳統實驗教學會增加額外成本。而虛擬現實教學只需要根據不同學科內容做一套虛擬現實軟件，學生隨時隨地便可以做各種各樣的實驗，既能獲得真實體驗，又加深對教學內容的理解。不需要采購硬件，節約了采購硬件的成本。

4.時空性

徹底打破時間、空間的限制。傳統的實驗教學需要根據課程安排實驗室，在固定時間聚集學生進行固定實驗。而虛擬現實教學，只要電腦可以聯網，教師和學生可以在任何時間、地點在虛擬現實場景中進行各種實驗和體驗，大到宇宙天體，小至微觀粒子， 學生都可以深入內部觀察。一些需要幾年甚至幾百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現實技術，可以在最短的時間內呈現給學生。這就打破了時間和空間上的限制。

5.沉浸性

即沉浸感。虛擬現實教學區別于傳統教學最大的特性就是具有沉浸感。由于虛擬現實技術主要是利用三維技術創設逼真的教學環境，模擬再現與真實物體相似的立體空間，立體物體，使人們有一種身臨其境的真實感受。好像自己深陷其中。具有較強的沉浸感。而傳統教學只是具有傳統實驗室實際操作完成，傳統多媒體課件的“電灌”式只是被動接受，沉浸感比較弱。

四、虛擬現實在現代多媒體教學中的應用思考

（一）處理好教與學的關系

虛擬現實可以仿真逼真的學習環境，給學生以逼真的視覺感受，同時也給學生提供豐富的信息量。學生的思維容易發散，不容易把握學習的關鍵點。因此老師作為教學的督促者，應該給與學生及時的引導，在學生學習關鍵點時設置一些問題，讓學生自己歸納總結，而不會使學生的學習偏離學習目標。處理好學生的“學”與老師的“教”的關系，形成以學生為中心，老師為輔導，二者兼顧的教學模式。同時發揮學生的主動性，抽象與形象相結合，促進知識的意義建構。在這個過程中教師與學生的互動，不再是單純的“人機”交互，而是老師與學生的“人際”交互。 因此基于虛擬現實的現代教學方法與傳統教學方法相結合，二者優勢互補，發揮各方法之所長，建立新型教學模式下的混合式教學，并能較好地鍛煉學生的各種能力，激發學生的興趣。

（二）合理選擇合適的教學方式

由于虛擬現實技術需要的條件比較高，占據時間長，所以在選擇教學時，要根據實際需要，不要盲目過多的使用虛擬現實教學，對那些抽象概括特難理解的知識或者是實驗風險性大的，我們可以選擇虛擬現實教學。但不論是實驗教學還是理論教學，利用VR的現代教學方法，學習質量和效率很難同步提高，因此教學進度和效果也就難以協調統一。在傳統的多媒體教學中，媒體主要是被動地進行播放，學生被動的接受，教學是一種程式化的過程，但這種方式可以快捷地對某一個知識點進行講解，使學生快速地掌握某方面的知識。因此在利用虛擬現實技術教學中，合理選擇合適的教學方式，可以使教學質量和效率得到同步提升。

（三）虛擬現實的效果還有待加強

我們現階段的虛擬現實表示方面缺乏逼真行為模型，只是簡單抽象幾何表示。在感知方面，虛擬現實技術研究較多為聽覺，在觸覺方面關注較少 ，其虛擬的效果還存在不足，真實性與實時交互性有待進一步加強。與真實世界相比，虛擬世界在真實程度方面還存在差距，無法提供真實環境的全部感官刺激，也無法達到如真實世界的真實程度。

（四）教師人員隊伍技術水平素質有待提高

因虛擬現實系統要教師具有熟練的多媒體操作水平和現代教育理念，要適應現代化教學的需要，所以加強教師掌握新技術的能力，做好培訓，才能更好的服務教學，提高教學績效。

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[6]余衛紅，陳 超，虛擬現實技術在教育教學中的應用及思考，技術應用，2012

[7]孟慶峰，尚艷亮，馬祥旺，虛擬現實與傳統教學整合的教學方法研究，教育與職業，2010

作者簡介：

姜鋒霞（1978-），女，河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向，網絡教育，教育技術學。

孫越（1985-）女，河南開封人，碩士研究生，主要研究方向，網絡教育，教育技術學。

李瑞光（1988-），男，河南開封人，碩士研究生，主要研究方向，圖像處理 ，計算機應用技術。