基于虛擬現實技術的體驗式教學研究

劉芳　華勇

摘 要： 虛擬現實是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統，綜合集成了計算機圖形、計算機仿真、人工智能、并行處理、網絡、傳感和顯示等技術，是現代教學中應用研究的熱點。本文闡述了虛擬現實技術的基本內涵、主要特征及教學實踐意義，探討了虛擬現實技術在體驗式教學中的應用形式。

關鍵詞： 虛擬現實技術 體驗式教學 交互性

虛擬現實技術誕生于上世紀80年代末期，它以模擬的方式為使用者創造一個實時反映實體對象變化并與使用者相互作用的三位世界，在視、聽、觸、摸等感知行為的逼真體驗中，使參與者可以獲得直接參與及探索虛擬對象在所處的環境中的作用與變化的感受。目前，虛擬現實技術已在娛樂、醫療、工程和建筑、傳媒、軍事模擬、教育和培訓、科學和金融等方面獲得了很好的應用。虛擬現實技術為人們提供了一種理想的教學手段。實踐表明，將該技術應用于教學工作中，能形象生動地表現教學內容，為學生提供生動、逼真的學習環境；使學生成為虛擬學習環境的一名參與者，有利于調動學生的學習積極性；突破教學的重點、難點，提高學生掌握知識、技能的效率；對虛擬世界中的物體進行瀏覽和實時交互，使學生產生親臨真實環境的感受和體驗。

一、虛擬現實技術概述

虛擬現實技術是以計算機為主，融合了計算機三維圖形技術、計算機仿真技術、多傳感交互技術、顯示技術、模擬技術、網絡技術等多種高新技術的成果，通過計算機生成以視覺為主的、逼真的三維虛擬環境，向用戶提供具有視覺、聽覺和觸覺等感知功能。一個虛擬現實系統一般由操作者、機器和人機接口三個基本要素組成。其中機器是指裝有應用軟件系統以生成用戶能與之交互的三維虛擬環境的計算機；人機接口是把操作者和虛擬環境連接起來的傳感與控制設備，包括位置跟蹤器、傳感手套、數據衣、立體鼠標、頭盔顯示器、立體顯示器等。操作者當然是人類。

虛擬現實技術具有多感知性、沉浸性、交互性和構想性四個基本特征。

1.多感知性。所謂多感知是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。由于虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。

2.沉浸性。其又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。虛擬現實技術是根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可置身于虛擬環境中，成為虛擬環境中的一員。使用者與虛擬環境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。當使用者移動頭部時，虛擬環境中的圖像也實時地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動而運動，而且可以聽到三維仿真聲音。使用者在虛擬環境中，一切感覺都是那么逼真，有身臨其境的感覺。

3.交互性。指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且可以通過特殊頭盔、數據手套等傳感設備進行交互。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，調整系統呈現的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環境中的對象進行考察或操作。

4.構想性。強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可以再現真實存在的環境，而且可以隨意構建客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。

二、虛擬現實技術對體驗式教學的意義

虛擬現實是人的想象力和電腦相結合而產生的一項綜合技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統。它利用多媒體計算機仿真技術構成特殊環境，用戶可以通過各種傳感系統與這種環境進行自然交互，從而體驗比現實世界更加豐富的感受。基于虛擬現實技術的教學系統，是利用計算機技術和其他專用虛擬現實硬件、軟件模擬逼真的教學環境，通過參與者與“模擬環境”的交互作用進行教學與學習，是一種雙向交互式教與學的教學形式。它既不同于面對面傳統面授教學，又不同于在應用印刷、廣播電視和錄音錄像技術設計制作和發送課程材料的基礎上開展的單向、非實時的遠程教學。對于課堂教學和互動性實驗教學都具有很好的實踐意義。

1.重復再現日常體驗環境?，F實的體驗環境的形成，取決于體驗環境中各種構成因素的隨機組合，例如任務、地點、時間的偶發等，而且這種體驗環境與具有特定理解能力的體驗主體——人的遭遇也有偶然性。所以，日?，F實體驗的發生具有隨機性和不可重復性，是可遇不可求的。在虛擬現實技術中，體驗環境是由計算機生成的虛擬環境，它是能使人產生身臨其境感覺的交互式視景仿真。虛擬現實中的體驗環境可以盡可能反映客觀事物特點和自然發生過程的規律，能有效地再現日常體驗環境，克服日常體驗環境的隨機性和不可重復性。同時，虛擬現實中的體驗環境還可以創設虛擬情境，使虛擬現實中的體驗具有可設計性、可操作性，從而可以更好地服務于獲取特定技能和習得知識的體驗目的。

2.體驗范圍獲得延伸和拓展?，F代科學技術還不能讓人回到從前和到達未來，即使有也是科幻電影中的場景。由于受到時間和空間的限制，人類無法體驗過去和未來，可見，現實體驗受制于特定的時空約束。虛擬現實技術是可以突破這種時空界限的，它能使人們體驗到在現實中無法體驗到的東西。比如體驗一個歷史人物的內心活動，體驗一場戰爭場景。將虛擬現實應用于飛行模擬，比駕駛一架真正的飛機還要逼真。因此，虛擬現實拓寬人類實踐體驗的范圍，它容許我們“親身”體驗各種可能發生的場景。

3.允許在體驗失誤中總結提高。“吃一塹”才能“長一智”，經驗的積累和技能的獲取乃至知識的創新，常常是實踐體驗失誤及由失誤帶來的不可挽回的損失的副產品。虛擬現實技術可以在某種程度上改變這種狀況。虛擬現實允許人們出現各種錯誤，并從錯誤中尋找正確的知識，卻不必付出現實的慘痛代價。虛擬設計和虛擬制造就是這方面的應用。為了避免汽車設計缺陷，可以利用虛擬的環境對汽車的外表、零部件、車門的開關及座椅等情況進行仿真處理，使得設計更合理，節約成本，縮短設計周期。

三、虛擬現實技術在體驗式教學中的應用形式

體驗式教學是指在教學過程中，根據學生的認知特點和規律，通過創造實際或重復經歷的情境和機會，呈現或再現、還原教學內容，使學生在親歷的過程中理解并構建知識，發展能力，產生情感，生成意義的教學觀和教學形式[2]。與傳統的課堂教學比較，體驗式教學具有自身特征。首先，體驗式教學重視體驗的獨特價值，強調體驗對學習的作用。其次，體驗式教學關注教學過程及情感、態度的體驗，教師要努力創設情境，讓學生經歷知識的產生與形成過程，進而既掌握知識，又形成知識以外的能力。再次，體驗式教學能夠充分表達意會性知識，意會性知識不能通過語言、文字或符號等進行邏輯表達，缺乏言傳知識的“易傳授性”特征，它不是通過理性進行反思，而是在感受中進行反思，因此體驗式教學是意會性知識的最有效教學方式。

虛擬現實技術應用于體驗式教學，有構建人性化交互學習環境、體驗式虛擬教學平臺、體驗式虛擬實驗等多種應用方式。

1.人性化交互學習環境?；谔摂M現實技術的交互式學習環境，能夠為學生提供生動、逼真的學習環境，學生在虛擬環境中扮演一個角色，這對激發學習興趣，調動學習積極性，提高想象力和創造力，突破教學重點，以及培養學生的綜合技能都將起到積極的作用。應用虛擬現實技術，可再現實際生活中無法觀察或體驗到的自然現象及事物的變化過程，為學生提供豐富的感性學習材料?？梢詮氐状蚱瓶臻g、時間的限制，大到宇宙天體，小至原子粒子，學生都可以進入這些物體的內部進行觀察探索，幫助學生解決學習中的難點。此外，虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠全身心地投入到學習環境中，有利于提高學生的技能訓練效率。

2.體驗式虛擬教學平臺?；谔摂M現實技術的體驗式教學平臺，給教師和學生提供了良好的教學、科研和學習環境，能夠在教學全過程中實現各種形式的輔助教學，提高教學效率和教學質量。平臺的建設應充分考慮不同對象的需求，使教師和學生能夠在一定程度上根據需求，選定具體的目標、教學及學習的資源和方法。平臺的設計要以學生為中心，有利于發揮學生的主動性和創造性。系統要簡單實用，能夠使教師在最短的時間內熟悉學生，能夠使學生在進行輔助性學習時方便地找到所需要的資料。此外，設計時還需要考慮平臺的全面性和可擴展性，能夠涵蓋教學的全部內容，采用模塊化設計，達到可擴展的目的。

3.體驗式虛擬實驗系統。借助虛擬現實技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣體驗實驗過程，所取得的實驗效果等價甚至優于在真實環境中所取得的效果。體驗式虛擬實驗系統作為一種新的改進和提高實驗教學質量的方法，被應用到教學中，既可以開設傳統實驗教學中由于實驗儀器缺乏或有危險性而不能開設的實驗項目，豐富實驗教學的形式，又可以降少實驗教學投入，節約成本，給傳統的實驗教學注入新的活力。

參考文獻：

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