虛擬現實技術及其在教育領域的應用研究

范昱昊

摘 要 隨著計算機圖形學的發展與計算機性能的提高，虛擬現實技術在各個領域得到廣泛應用。虛擬現實技術已經逐步從實驗室中走出并進入我們日常的生活學習中來。作為一項新技術在教育教學領域的應用，虛擬現實技術為廣大教師提供了一種全新的教學手段。本文簡單分析了虛擬現實技術及其在教育領域的應用。

關鍵詞 虛擬現實技術 教育領域 應用

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

0引言

基于虛擬現實本身的技術特點，可以為教學提供新的方式，如在具體的課堂中，虛擬現實技術為學習者提供了可視化的模型或模擬器，這些作為教育教學的輔助工具促進了學生對教學內容的理解。同時，通過虛擬現實技術可以構建沉浸式虛擬現實環境系統，為學習者提供視覺、聽覺、觸覺等多感官體驗的互動方式，既可以培養學生的學習興趣與熱情，又能使教育教學達到事半功倍的效果。因此，對虛擬現實技術及其在教育領域的應用進行研究具有重要的現實意義。

1虛擬現實技術簡介

1.1虛擬現實的概念

虛擬現實是一種由計算機和電子技術創造的新世界，是一個看似真實的模擬環境，通過多種傳感設備，用戶可根據自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察和操作，參與其中的事件，同時提供視、聽、觸等直觀又自然的實時感知，并使參與者“沉浸”于模擬環境。

1.2技術關鍵

虛擬現實技術關鍵需要構建虛擬世界的三維模型庫，根據3D幾何特征、物理屬性等特征構建模型大數據，模型種類包括實體模型、柔體模型和粒子模型等等。此外，模型還是具備四維特征，即隨時間變化，比如春夏秋冬、草木枯榮以及文物古跡。虛擬現實的應用也是VR+級別的革命，就像現在的互聯網+，可以改變世界的方方面面，可以虛擬的地方就有虛擬現實技術。

2虛擬現實技術在教育中的應用價值

2.1拓展學習空間

虛擬現實技術拓展了學習的多維度空間，利用虛擬現實技術可以徹底打破時間與空間的限制，消除時間與空間造成的認知阻斷。大到宇宙天體，小至原子粒子，學生都可“進入”這些物體的內部進行觀察。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察清楚的變化過程，通過虛擬現實技術可以在很短的時間內呈現給學生觀察。例如，通過虛擬現實技術，學生可以身臨其境般暢游深海，與各種海洋生物為伴，認識奇妙的海底世界。

2.2激發學習興趣

虛擬現實的直觀體驗更能激發學習者的學習興趣。相對于傳統教育中知識的扁平性，虛擬現實教育的呈現更立體。將虛擬現實技術引入教學，在實現人與機器的交流、通過網絡進行人與人之間交流的同時，讓學習變得游戲化、情境化，真正做到寓教于樂，促進交流、知識表達及應用，有利于更好實現教育目標。

2.3增加教學安全性

虛擬現實技術讓學習變得更安全。虛擬現實技術可模擬某些真實情境，在安全的前提下讓學生學會應對某些現實場景中不可預知的危險。在虛擬實驗室，學生可以用虛擬實驗器材進行實驗，避免危險化學品可能引發的安全問題。

3虛擬現實技術在教育中的具體應用

3.1模擬訓練

虛擬現實技術在教學中應用幾乎最成功的案例就是模擬訓練系統的開發與研制。由于空間探索和軍隊戰爭訓練需要高昂的費用，以及這些領域需要極高的安全性與可靠性，使得虛擬現實技術最早應用在了這個領域，并且發揮出了巨大的使用價值和商業價值。隨著社會的進步，虛擬現實技術也延伸到的一般的醫學教學、汽車駕駛以及電器維修等需要培養各種操作技能的領域。在動作技能的學習中，學習者只有從虛擬現實系統中接受到操作或動作的反饋才能起到積極的學習作用。因此，在運用虛擬現實技術研發模擬訓練系統時應該具體考慮學習產生的條件以及教學的效果，這種模擬訓練系統應該能夠提供真實的模擬訓練的情景、校正學習者的錯誤以及跟蹤學習者的學習過程等功能。

3.2虛擬實驗室

利用虛擬現實技術建立的各種虛擬實驗室在教育上應用前景廣闊，尤其在物理、化學、生物等需要實驗的學科中更是如此。創建這種虛擬環境的演示物體可以擺脫真正實驗室所需要的昂貴的設備，減少了教育部門的實驗開銷，教學的效果基本接近運用真正的實驗儀器設備進行實驗所能達到的教學效果。學生可以在跟真實實驗室幾乎相同的學習環境中學習，學生之間可以相互討論學習到的概念。如果學生通過匿名的身份進行角色扮演，那么它所能達到的教學效果有可能達到甚至超過在真實實驗室環境中進行實驗的效果。虛擬實驗室基本上分為兩類：一種是由編程者設計只能插入并操作實驗中有限的實物，這是現今大多數虛擬實驗室系統的工作環境；另外一種是基于廣泛學科領域知識的虛擬現實系統。

3.3科學研究

國內許多高校都建立了國家實驗室開展虛擬現實方面的研究工作。其中北京航空航天大學建立了虛擬現實技術國家教育部重點實驗室，曾經為我國自行研制的殲8飛機研制了虛擬現實飛行模擬器；浙江大學計算機輔助設計和圖形學（CAD/CG）國家重點實驗室也開發了桌面虛擬建筑環境實時漫游系統；其他高校如清華大學、西安交通大學對虛擬現實的真實感和立體現實技術都進行了廣泛的研究，使得我國在虛擬現實基礎理論研究方面碩果累累。

3.4虛擬學習環境

虛擬學習環境，簡稱VLE技術。如今國內教育技術對虛擬學習環境的研究多數都停留在如Blog應用這種符號性的交流上，研究如何對學習者之間這種文字性的相互交流進行教學設計。真正對虛擬現實學習環境的研究是對分布式真實虛擬現實感的教學環境的開發與應用進行研究，通過人體模型或者化合物等分子結構演示的虛擬體驗，教育者和學習者之間，或者學習者和同伴之間可以在一個虛擬的現實空間中，進行虛擬人之間的面對面的情感交流。

4結語

虛擬現實技術的使用為遠程網絡教學模擬真實的學習環境提供更加便利的條件，對現階段課堂教育進行虛擬仿真提供必要的支持，為教學活動的具體實施提供一種全新的教學模式，虛擬現實技術將在教育中發揮重要應用價值，包括軍事院校教學、體育專項訓練、醫學學生模擬實習、飛機操作等教學中，有利于教育事業的改革和創新。

參考文獻

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