虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用探究

☆ 薛夢婷 王 清

（安徽師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用探究

☆ 薛夢婷 王 清

（安徽師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的熱門技術(shù)之一，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，知識與技能也以驚人的速度更新?lián)Q代，虛擬現(xiàn)實的發(fā)展創(chuàng)新為學(xué)習(xí)、工作、生活提供了良好的技術(shù)支持，極大地擴展了模擬情境的可能性，推動了科學(xué)社會前進的腳步，變革了科技發(fā)展的格局。虛擬現(xiàn)實是未來信息技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)研究的重要組成部分，時代需要虛擬現(xiàn)實。本文主要研究虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括桌面虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用、沉浸式虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用、增強現(xiàn)實性虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用、分布式虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用，通過文獻調(diào)研等研究方法，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展進行了梳理，以期對今后的相關(guān)研究提供參考和借鑒。

虛擬現(xiàn)實；信息技術(shù)；教育應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)也被稱為靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是一種高級的人機交互技術(shù)，VR計算機高級人機界面以沉浸性、交互性和構(gòu)想性為基本特征。它通過計算機模擬產(chǎn)生一個讓使用者如同身臨其境一般的虛擬三維空間，使用者利用視覺、聽覺、觸覺等感官來體驗虛擬場景里的事物，能夠通過自然語言、肢體語言等與他們實時互動，創(chuàng)造一個人適化的多維信息空間[1]。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，國內(nèi)各高校在一些相關(guān)領(lǐng)域逐步開展課題研究。VR應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個高層次提升，VR技術(shù)開始作為一項新技術(shù)走進師生的視野。VR技術(shù)應(yīng)用在教育教學(xué)中為廣大教師提供了一種全新的教學(xué)手段的同時也為學(xué)生提供了更高層次的學(xué)習(xí)方式。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展，必將從本質(zhì)上變革人與計算機系統(tǒng)的交互模式[2]。

在傳統(tǒng)的教育理論中，學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)氛圍、校園文化這三者的差異給學(xué)生和教師帶來了巨大的影響。仿真校園環(huán)境以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為技術(shù)支持，成為VR最先在教育中應(yīng)用的實例[3]。目前大多數(shù)高校開設(shè)了以VR技術(shù)作為輔助教學(xué)工具的計算機、建筑學(xué)等有關(guān)課程，通過當(dāng)堂考察學(xué)生學(xué)習(xí)情況、課后提交作業(yè)中的反饋和部分學(xué)生交流討論的方式可以確定虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用是成功的。虛擬現(xiàn)實不僅可應(yīng)用于上述課程的學(xué)習(xí)中，在我國義務(wù)教育階段中的各門課程中也可以得到應(yīng)用。本文將重點探究Desktop VR、Immersive VR、Augmented Reality of VR和Distributed VR這四類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在教育中的應(yīng)用。

一、利用Desktop VR呈現(xiàn)全方位的教學(xué)信息

Desktop VR是指桌面虛擬現(xiàn)實，所謂桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是指參與者在體驗虛擬環(huán)境時，以個人計算機的屏幕作為實現(xiàn)互動的窗口[4]。它需要參與者利用電腦顯示屏幕全方位的觀察虛擬狀態(tài)，使用輸入設(shè)備來操控其中的對象，由于受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的影響，它的沉浸感較弱，但成本不高，應(yīng)用仍然比較普遍。其特點在于：投資少、易使用、適應(yīng)性強、應(yīng)用面廣。

虛擬現(xiàn)實360度的空間特性可以為學(xué)習(xí)提供一個完美的技術(shù)支持，它呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)感和立體感可以讓學(xué)生實現(xiàn)對學(xué)習(xí)對象的全方位觀察，通過電子屏幕展現(xiàn)出來的虛擬三維畫面，讓學(xué)習(xí)對象的物理屬性更加具體化，解決了學(xué)生關(guān)于學(xué)習(xí)內(nèi)容的假想與困惑問題。在化學(xué)課堂上，教師可以利用桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的全方位特性展開教學(xué)。例如：在學(xué)習(xí)水分子結(jié)構(gòu)時，學(xué)生可以通過電腦顯示屏與輸入設(shè)備實現(xiàn)對分子模型的全方位觀察，了解氫原子和氧原子的位置關(guān)系，從而學(xué)習(xí)其結(jié)構(gòu)特征。在學(xué)習(xí)地理課程時，教師也可以利用這一系統(tǒng)，實現(xiàn)學(xué)生對地球的360度觀察，使其對地球的七大洲和四大洋的地貌分布有一個直觀的認識，通過學(xué)生與虛擬場景中地球的互動較為輕松地達到了相應(yīng)的教學(xué)目標。在學(xué)習(xí)生物DNA分子結(jié)構(gòu)時，教師不用攜帶沉重的教具進入課堂，而是利用該系統(tǒng)展現(xiàn)出DNA分子模型，運用直觀教學(xué)法融入課堂，學(xué)生能夠直接明了地認識學(xué)習(xí)對象，為進一步的學(xué)習(xí)奠定良好的開端。

二、利用Immersive VR帶來沉浸式學(xué)習(xí)體驗

Immersive VR是指沉浸式虛擬現(xiàn)實，它能為用戶帶來一種置身于虛擬世界之中的完全沉浸式體驗。VR技術(shù)利用計算機這一核心設(shè)備，生成了具有超越現(xiàn)實感的虛擬境界三維空間，同時計算機也要處理和參與者的動作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)以滿足用戶的輸入和反饋需求。Immersive VR不僅可以使用戶感受到客觀世界，體驗“VR”系統(tǒng)，還可以打破時空等客觀要素限制，置身全新的虛擬空間，其顯著特點是：使參與者有置身其中的感覺，這種“真實”的感覺是通過頭盔顯示器封鎖參與者的眼睛和耳朵，從而呈現(xiàn)一個全新的虛擬感覺空間。其次，通過位置跟蹤器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備使參與者獲得置身其中的感覺。

虛擬現(xiàn)實逼真的沉浸感可以為學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)良好的情境，它的實時交互性可以實現(xiàn)多方面的交互，通過人想象出來的虛擬環(huán)境，開闊人們的視野，拓寬想象空間。利用沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以虛擬各種人物形象，創(chuàng)設(shè)交互式學(xué)習(xí)環(huán)境。比如：在英語教學(xué)中，教師想要了解學(xué)生的英語口語表達能力，這時就可以運用這一系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)外國教師的形象，通過這種“真實”的學(xué)習(xí)情境來培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生的口語語感能力。在思想品德課堂的教學(xué)中，學(xué)生可以與系統(tǒng)中虛擬的先進道德模范交流，通過學(xué)習(xí)先進人物的模范事跡，感染和帶動學(xué)生向他們學(xué)習(xí)，實現(xiàn)思想品德教育的目標。在語文的古詩文教學(xué)中也可以通過虛擬現(xiàn)實“穿越”到古代，身處和詩人同樣的環(huán)境中感受時代背景，領(lǐng)略詩歌中的景色，體會詩人想要表達的情感。以上三種教學(xué)情境是通過沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)的。

三、利用Augmented Reality of VR增強現(xiàn)實感

Augmented Reality of VR是指增強現(xiàn)實感的虛擬現(xiàn)實，參與者在虛擬技術(shù)原有的基礎(chǔ)之上獲得了更強烈的虛擬空間的感受，這種感受是現(xiàn)實中不能或不容易體會到的[5]。典型的案例有：戰(zhàn)斗機飛行駕駛員的平視顯示器，它可以將飛機各儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射于安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，便于飛行員快速了解戰(zhàn)斗準備情況，更準確的鎖定敵軍目標進行戰(zhàn)斗[5]。它的特點是：能夠打破時間、空間以及其他客觀因素的限制，強調(diào)虛實結(jié)合。

虛擬現(xiàn)實的增強現(xiàn)實特性十分符合情景教學(xué)與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)。教師在教學(xué)中將學(xué)生作為主體，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)他們感興趣的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的樂趣和真理，通過增強現(xiàn)實的虛擬系統(tǒng)開展學(xué)習(xí)。例如：在之前的地理教學(xué)中，教師利用桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)使學(xué)生全方位地了解了地球，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理中重力這一概念時，可以在虛擬的太空世界里體驗失重，通過親身體驗的方式學(xué)習(xí)一個新的概念，使用這種方式進行學(xué)習(xí)會取得事半功倍的學(xué)習(xí)效果。在化學(xué)、物理類實驗中，學(xué)生利用增強現(xiàn)實進入一個虛擬的視覺場景中，即使實驗過程中出現(xiàn)了錯誤，也完全不用擔(dān)心會產(chǎn)生什么不良后果。在生物的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可通過虛擬現(xiàn)實的高度仿真性完成青蛙解剖實驗，了解進化現(xiàn)象，在體驗生命進化演變過程的同時又保護了自然生態(tài)環(huán)境。

四、利用Distributed VR共享信息，促進交互

Distributed VR是指分布式虛擬現(xiàn)實，互聯(lián)網(wǎng)將屬于不同空間的多位計算機用戶聯(lián)絡(luò)在同一個虛擬空間，一起進行虛擬交互，成功地打破了空間的限制。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在分布式環(huán)境中運行,在充分利用多臺計算機提供強大的計算能力的同時,也考慮到其中某些應(yīng)用本身具有的分布性特征，例如：多人通過網(wǎng)絡(luò)計算機進行大規(guī)模協(xié)作游戲[2]。其特點是：實時交互、資源共享。

在分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，眾多用戶可以通過協(xié)同工作達到相同的目的并共享信息。通過視頻會議系統(tǒng)、聊天室等同步交互媒體，學(xué)習(xí)者可以開展實時討論，增加了在線通訊的交互層次，有效促進了學(xué)生之間以及教師與學(xué)生之間的交互。在教育中，師生之間可以通過這一系統(tǒng)實現(xiàn)教學(xué)資源的共享、教學(xué)內(nèi)容的交流以及師生之間的相互學(xué)習(xí)。學(xué)生之間也可以通過分布式虛擬現(xiàn)實進行小組合作學(xué)習(xí)，通過不同的任務(wù)分工自主展開研究，互相幫助，最終完成學(xué)習(xí)內(nèi)容的整合，同時也培養(yǎng)了協(xié)作能力。

五、結(jié)束語

從VR技術(shù)的出現(xiàn)到現(xiàn)在的穩(wěn)步成熟足以看出人們對此項技術(shù)的重視程度，VR作為新型的信息技術(shù)以其強大的模擬情境功能和人機交互使用戶感到有如身臨其境，在此技術(shù)支持下的教育研究工作得到更進一步的發(fā)展創(chuàng)新。

目前，我國在虛擬現(xiàn)實技術(shù)上的研究多是在美國研究的基礎(chǔ)上開展的，還處于初級發(fā)展階段，存在一些不可避免的問題：我國現(xiàn)階段對VR技術(shù)的某些重要領(lǐng)域和技術(shù)熱門領(lǐng)域缺少具體的發(fā)展計劃，因此，在發(fā)展和應(yīng)用VR技術(shù)方面，首先應(yīng)結(jié)合本國國情進行推進研究[6]。在迅猛發(fā)展的移動網(wǎng)絡(luò)時代，傳統(tǒng)的技術(shù)手段在日益涌出的各種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)地不斷沖擊下逐步變成“夕陽產(chǎn)品”。受新型科學(xué)技術(shù)環(huán)境的影響，教育手段與方法也在發(fā)生重大的變革，虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用也會隨之變得更加廣泛和深入。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下，各個國家都在推進虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育事業(yè)當(dāng)中的運用，我們應(yīng)當(dāng)注重多學(xué)科的交流與合作，彌補自身的不足，大力發(fā)展教育中各項新技術(shù)的應(yīng)用。筆者相信，VR技術(shù)在今后的發(fā)展道路中會給人類事業(yè)帶來更大的驚喜，在科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新中書寫新篇章。

[1]王星儒.預(yù)測未來虛擬技術(shù)在會展藝術(shù)設(shè)計中的應(yīng)用與研究[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用,2011,(18)：8.

[2]王紅兵.虛擬現(xiàn)實技術(shù)—回顧與展望[J].計算機工程與應(yīng)用,2001,(01)：48-51.

[3]梁宇濤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2006,(03)：81-85.

[4]解紅濤.基于Web的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油田井下及鉆井培訓(xùn)中的應(yīng)用研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院,2010.

[5]劉志勇.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué),2015.

[6]王健美,張旭,王勇等.美國虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、政策及對我國的啟示[J].科技管理研究,2010,(14)：37-40.

[編輯：鄭方林]

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