3D虛擬現實技術在教育教學中的應用策略探析

王琳

摘 要 3D虛擬現實技術通過虛實融合營造智慧教學環境，使學習者獲得真實的情境體驗。在教育教學中應用3D虛擬現實技術需要全新的理念和方法，需要深層次挖掘教學資源、推進教學模式創新，實現虛擬現實技術、課程資源、教學模式的深度融合，構建虛擬教學體系。

關鍵詞 3D虛擬現實技術；教學資源；虛擬情境

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1671-489X（2016）06-0003-03

1 引言

3D虛擬現實技術概述 虛擬現實技術是虛擬仿真技術的一個重要方向，是集仿真技術、計算機圖形學、多媒體技術、網絡技術等多種技術的集合，包括模擬環境、感知和傳感等方面。借助3D技術、多傳感交互技術及3D顯示技術等，生成生動逼真的虛擬環境，使用者戴上相應設備，就可以進入虛擬空間，成為虛擬環境中的角色，在虛擬環境中進行實時交互，操作各種虛擬對象，從而如身臨其境一般，獲得真實的感受。具有交互性、沉浸性、構想性的虛擬現實技術應用于教育，可以彌補傳統網絡教育缺乏親身體驗的缺陷，還可以幫助學生更好地理解所學的專業知識，讓學生進行一些現實中難以展開的實驗[1]。

3D虛擬現實技術在教育領域的應用現狀 3D虛擬現實技術可以給學習者提供視覺、聽覺等綜合體驗，讓其身臨其境地感受到數字化教學的魅力；可以突破時間和空間限制，創建真實感的學習環境、優化教學過程，提供創新的集成解決方案，已引起國內外學者的普遍關注。

本世紀初，國外開始研究3D技術在教育中的應用，處于領先地位。國內的研究相對起步較晚，正處于探索階段[2]。3D相關項目在世界范圍內正在推進中，并在諸多高等院校、中小學中得到推廣，如美國許多州、學區、學校推廣的TI公司的“3D投影機領航項目”，建設虛擬仿真教學環境已經成為越來越多教學機構的工作重點。美國德克薩斯大學建設了交互和計算機顯示系統來進行數據處理和圖像分析，印第安納大學建設了可視化實驗室來推動視覺技術的創新應用；沙特阿卜杜拉國王大學成立了3D立體顯示數字化實驗室；新加坡國際大學在智慧校園新領域推出3D校園全監控。一些科技公司也開發了3D相關系統和產品，如美國加州InfiniteZ公司擬將ZSpace產品推向高校，可以利用形象生動的3D全息投影技術增強學生學習效果，更好地進行教學科研[2]。國內的3D技術也發展迅速，全息投影、3D仿真等技術漸漸走入課堂，如：廣西臨桂遠程教育建立了可以雙向互動的智能化3D影院，為黨員、群眾提供了遠程教育學習途徑；蘭州四中推出3D教室，集數字投影系統、聲光電等立體模型于一體，增強學習效果；湖州職業技術學院成立虛擬仿真實訓基地，探索全新交互式實踐教學模式[3]。

2 3D虛擬現實技術應用在教育上的優勢

構建智慧校園，營造智慧教育環境 3D技術為教育領域創新提供了技術支撐，為教學、科研等提供了新平臺、新工具，高校及基礎教育可以廣泛應用，構建智慧校園、智慧教室，為科研、教學提供嶄新的平臺。隨著高校等教育機構中3D相關課程的啟動，Blaxunn3D、Shout3D、Quest3D等3D建模繪圖等工具不斷涌現，在教學活動中廣泛運用[2]。3D技術通過虛實融合營造智慧教學環境，通過虛擬校園、虛擬圖書館、虛擬實驗室及虛擬仿真系統等，使學習者獲得真實的情境體驗，為智慧教育時代構建新環境。3D技術可以提供生動、交互的學習材料，提高學習者沉浸感和想象力，使學習的深度、廣度有所增加，引導課程學習進入新境界[4]。

創建真實感學習情境，提高學習效率 3D技術可以構建真實感的學習環境，創設有利于學生主動參與、完整體驗學習過程的情境。其呈現的立體化教學內容可以更好地吸引學生，使抽象的知識具體化，資源的情境性、震撼性有助于認知負荷的降低。這是一種沉浸體驗式的學習環境，使學生較長時間保持注意力，并體驗到更多學習的樂趣，在一定時間學到更多的內容，形成深刻的記憶。

3D技術展現的真實感和操作性相比傳統的教學方式有很大的優勢，學生能夠主動探索、發現，全身心投入學習過程，可以互動學習、參與討論，可以自由地發表自己的觀點。學生在課堂上的參與度大大提高，有利于提高成績和效率。3D技術構建的真實感學習情境，使學習者有身臨其境的感覺，可以提高學生身心與大腦的參與度，成為真正的教學活動參與者，構建屬于自己的知識體系[5]。與傳統的2D教學資源相比，利用3D技術制作的教學資源在信息展示方面提供了更加逼真的效果，能夠為學習者建立空間感和立體感，可以體驗到課堂沉浸感。

3 3D虛擬現實技術在教育上應用的途徑

3D虛擬現實技術可以應用在虛擬仿真校園、虛擬教學科研、虛擬實驗等方面，可實現集教學、體驗、實踐于一體的立體化教學，改革傳統教學模式，創新教學方法，達到培養創新型、實用型人才的目的。美國的明尼蘇達大學建立了計算機圖形學實驗室，采用3D觸覺桌面、CAVE虛擬現實等技術，實現交互式實驗效果；國內的浙江大學、上海交通大學等高校已經開始運行虛擬校園，北京師范大學等高校也建立了虛擬圖書館，虛擬社區、虛擬教學游戲、虛擬教學科研等研究項目也在逐步開展[2]。

虛擬校園 虛擬校園是利用3D虛擬現實技術、三維建模、數據庫技術等創設出與實際校園情景一樣的虛擬學習環境，將校園實體建筑乃至內部門窗、走廊、燈光等所有軟硬件通過虛擬現實技術整合在計算機網絡當中，場景中包括虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬圖書館、虛擬體育館、虛擬宿舍、虛擬食堂等，學生可以在系統中進行教師、學生等任何角色的扮演。校園內的學習資源如書籍與報刊等，可以通過高清掃描儀掃描并數字化存儲為電子書籍，學習者在進入虛擬圖書館的時候，可以任意瀏覽虛擬圖書館內所有資源，如現實中閱讀書籍一般；也可以將自己感興趣的電子書籍借閱到自己的虛擬圖書室，在借閱期限內自由閱讀[6]。

虛擬實驗室 在傳統教學活動中，很多需要操作的知識如果僅僅通過理論講述，學習者很難理解掌握。通過3D虛擬現實技術可以創設虛擬教學情境，為學習者親身實踐提供了可能性。傳統的實驗教學基本都在學校開展，上課時間比較固定，時間和空間受到限制。部分實驗設備價格昂貴，不能給學生全面使用和操作，在某些實驗環節中存在安全隱患，學生無法直接參與，多數以演示為主，不能形成對該實驗的感性認識。

虛擬實驗室是利用虛擬現實技術創設的，如虛擬物理實驗室、虛擬化學實驗室等，打破傳統教學中時間、空間等限制，學生只要在安裝有虛擬實驗室的設備上即可進行實驗操作，在很大程度上提高了學習的自由度。在仿真環境下，借助Unity3D、Cult3D等軟件來完成實驗操作，避免在進行一些有安全隱患的危險實驗時因操作不當造成的不可預料的后果，保障學習者的人身安全。美國杜克大學搭建的環境沉浸式虛擬環境，包括海嘯、地震等災害應急處理，可以進行武器部件、汽車駕駛的虛擬操作等。廣西大學推出的無機實驗虛擬仿真系統、成都理工大學建設的地質鉆探虛擬實訓系統等是通過建立三維環境圖形庫，增強學習者的臨場感，增強實踐效果[2]。具有交互功能的3D虛擬實驗室能夠表現出獨特的優勢，使學生做到足不出戶做實驗，不用考慮時間、地點及實驗過程中各種危險對人造成的傷害，獲得與現實中的實驗一樣的體驗效果，提高對學習內容的感性認識，加深對實驗教學內容的理解，培養學習興趣。

虛擬教學資源 利用3D技術制作出的學習資源可以更加生動逼真，有利于情境渲染、模擬仿真，3D動畫、視頻、模型等多樣化的學習資源具有良好的交互性，可以有效減少學習者的認知負荷。3D顯示技術給人帶來較好的真實感，計算機圖形學中一個重要組成部分就是真實感顯示技術，利用計算機、物理、數學等學科知識在相關設備上生成真實感的3D圖形，將傳統課堂中某些不利于理解的內容，通過3D顯示技術形象表現出來，形成立體空間，讓學習者更好地領悟教學內容，把握教學要點[5]。

網絡教育虛擬教室 隨著網絡技術的飛速發展，傳統的教學手段、模式發生巨大變化，網絡教育因其獨特靈活的優勢，受到越來越多人的關注。然而網絡教育也受到一些人的質疑，他們認為，面授是最好的教學手段，遠比網絡培訓好。但是面授受到時間、地點、成本等多種限制，學員的互動需求也不能完全滿足，這就體現出網絡教育的優勢。而網絡教育一直無法解決非面對面教學帶來的問題，單純的網絡教學，缺乏真實的學習氛圍，教學效果也不會很理想。3D虛擬現實技術的出現則改善了兩難境地，虛擬教室可以解決面授和網絡教育遇到的問題，可以利用3D技術將授課教師直觀形象地安排在網絡虛擬教室，學習者可以選擇教師、課程，進入指定教師的虛擬教室，實現虛擬“面對面”教學。在此情境中，學習者能夠親身體驗到面對面學習的感受，實現網絡教育所無法實現的教學效果[4]。

4 3D虛擬現實技術應用于教育的難點及策略

構建虛擬教學體系，完善相關標準 在教育領域應用3D虛擬現實技術需要全新的理念、方法和途徑，需要深層次挖掘教育資源、推進教學模式創新，構建虛擬教學體系，實現虛擬現實技術、課程資源、教學模式的深度融合。在信息化時代，3D技術作為基礎性、戰略性工具技術被廣泛應用[7]。國內外對3D顯示技術、3D打印技術等研究日益增多，但世界范圍內3D顯示技術和標準并不統一，美國、韓國和歐洲都在制定3D傳輸、壓縮和編碼方面的標準，國內3D標準也不完善，如無法向后兼容現存的視頻編碼標準，無法支持不同的3D顯示器等。建設兼容2D視頻、需要佩戴眼鏡的3D視頻、裸眼3D視頻的編碼、傳輸和顯示的標準迫在眉睫。標準需要能夠支持多個視頻數據流，可以在傳統的2D視頻數據流上增加新的輔助信息，實現高效的3D制作及編碼，可以在2D、3D兩類數據流間自由切換，在2D架構之上引入3D視頻，降低系統的重構成本，完善3D技術標準[8]。3D技術研究不僅需要關注技術，還應當注重教學設計等標準的問題，探討和開發混合教學模式，制訂資源應用、管理的可行性方案，制定資源開發規范和技術標準，使資源建設標準化、國際化。

推廣3D技術，降低應用成本 3D相關產品的價格較為昂貴，其硬件一般包括3D影像投影儀、影像墻、3D眼鏡和相應的3D資源，后續的管理及維修費用也比較高，普通的學校出于成本的考慮難以承受。進一步降低硬件成本，將是影響3D技術在教育領域普遍應用的重要因素。國內目前僅少數高校和部分發達地區的一些中小學配備了3D設備，在欠發達地區和邊遠地區，3D技術的推廣和普及仍面臨很大困難[2]。一種先進技術的普及不是一蹴而就的事情，需要一個過程。隨著3D技術的大力推廣和應用，成本一定會逐漸下降，越來越多的教育機構也將認識到3D技術的優勢。

培養專業人才，開發教學資源 3D教學不僅需要硬件設備，教學資源也非常重要。目前，國外的一些數字內容生產商如Promethean、Discovery Education等開發的3D教學資源已經為使用西語的校園提供服務；臺灣地區采用引進國外資源翻譯漢化的方式，在一定程度上滿足課堂教學對3D教學資源的需求。國內的3D教學資源還十分缺乏，3D教學資源的建設將成為未來教學資源建設的熱點，自主研發技術還不成熟，還需要一批懂技術、懂教育的復合型人才。目前3D技術人才短缺，體現在專業和層次結構不夠合理、知識和技能不夠匹配、職業素養有待提高、總體數量不足等幾個方面[9]。培養既有專業知識又有實踐經驗的人才，以較低的成本開發出符合教學需求、滿足正常審美需求的資源是當務之急。為了在質量、數量上保障教學資源能夠滿足教育發展日益增長的需要，相關部門應盡快發現和培養人才，打造精良的技術及教師梯隊。

規范教學流程，保護學生健康 長期使用3D教學資源是否對學習效果具有長期正面影響，以及如何防范學生沉浸于虛擬世界帶來的負效，也將是需要研究的重要課題。部分3D教學資源需要佩戴3D眼鏡，而長期佩戴會引起視覺疲勞，如果消毒不徹底又會傳染眼部疾病。多久是最佳時長，如何快速對眼鏡進行無菌處理，怎樣確保學生用眼健康等，都是要進一步研究的問題[5]。建立規范的教學流程，在確保學生身心健康的前提下，采用先進的3D教學手段增強學習效果勢在必行。

5 結語

3D虛擬現實技術為教學、科研等提供了新工具，為教育領域創新提供了技術支撐，在高校及基礎教育都可以廣泛應用，將為教育的改革與發展帶來生機與活力。通過虛擬校園、虛擬實驗室等，使學習者獲得真實的情境體驗。在教育領域應用3D虛擬現實技術需要全新的理念和方法，建立完善相關標準，構建虛擬教學體系，培養專業人才開發教學資源，保障教學資源滿足教育行業日益增長的需要。

參考文獻

[1]楊麗芳.云計算背景下的虛擬現實技術在遠程教育中的應用研究[J].才智，2015（20）.

[2]王娟，吳永和，段曄，等.3D技術教育應用創新透視[J].現代遠程教育研究，2015（1）：62-71.

[3]羅雨.3D視影仿真數字平臺在旅游英語教學中的應用[J].寧波大學學報，2013（1）：99-102.

[4]鄭燕林，李盧一.技術支持的基于創造的學習：美國中小學創客教育的內涵、特征與實施途徑[J].開放教育研究，2014（6）：42-49.

[5]李蕾，王健，曹俊.3D影像資源在教育中的應用探析[J].中國電化教育，2011（2）：77-80.

[6]臘國慶.虛擬現實技術在教育中的應用研究[J].宿州教育學院學報，2015（3）：93-94.

[7]魯君尚.3D技術：中國經濟騰飛的難得機遇[N].光明日報，2010-01-11.

[8]周毅.裸眼3D視頻技術與節目制作[J].電視技術，2014，38（22）：5-6.

[9]王曉飛.讓3D 技術成為教育信息化的助推器[N].中國教育報，2010-01-12.