虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應用

支建飛

【摘要】虛擬現(xiàn)實技術(shù)是國內(nèi)外最熱門的研究領域之一，它在教育領域中已經(jīng)得到了廣泛應用。通過對傳統(tǒng)教學軟件和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于教育的意義和主要方向，探討了虛擬現(xiàn)實制作流程和方法。

【關鍵詞】虛擬現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；網(wǎng)絡教學

過去的一年，虛擬現(xiàn)實行業(yè)內(nèi)新聞熱度就已經(jīng)爆表，國內(nèi)外廠商如谷歌、微軟、蘋果、三星、臉書等科技巨頭紛紛搶占虛擬現(xiàn)實市場。傳統(tǒng)的計算機輔助教學軟件場景模擬的仿真程度以及交互性都有很大局限，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)正是由于其能夠使用戶可以通過自然的方式對虛擬環(huán)境中的對象進行體驗和交互的特性成為教育領域中的又一熱點。

1.虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR），又稱臨境技術(shù)，是指利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，用戶從自己的視點出發(fā)，借助特殊的輸入輸出設備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進行交互，使用戶沉浸到該環(huán)境中。

1.1 虛擬現(xiàn)實的基本特征

（1）沉浸性：指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶難辨真假的程度。

（2）交互性：指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。

（3）想象性：指用戶沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知和認知能力全方位獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求解答，形成新的概念。

1.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本構(gòu)成

一個基本的VR系統(tǒng)由VR生成系統(tǒng)、知覺系統(tǒng)、軟件與開發(fā)工具三部分組成。

（1）VR生成系統(tǒng)：三維圖形生成器、音頻系統(tǒng)、跟蹤及定位。

（2）知覺系統(tǒng)：頭戴設備和數(shù)據(jù)手套等。

（3）軟件及數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)。

1.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

按交互和浸入程度的不同，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分為如下四種類型：

（1）桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：也稱窗口中的VR，它成本低，沉浸感不夠好，主要用于CAD/CAM/CAI、建筑設計、游戲等領域。

（2）沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：使用頭戴設備把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。

（3）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：在網(wǎng)絡環(huán)境下，協(xié)同開發(fā)虛擬現(xiàn)實的應用，如因特網(wǎng)上多人游戲。

（4）增強現(xiàn)實（AugmentedReality，簡稱AR）：也稱混合現(xiàn)實，它是將真實環(huán)境和虛擬現(xiàn)實的景象結(jié)合起來的一種技術(shù)，既可減少生成復雜環(huán)境的開銷，又便于對實際物體的操作。

2.虛擬現(xiàn)實在教育中的應用

虛擬現(xiàn)實應用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍。它營造了“自主學習”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。

2.1 知識學習

指學生利用VR系統(tǒng)依靠自己的感知和認知能力全方位獲取知識，發(fā)揮主觀能動性，尋求解答，從而學習相關的知識。VR能夠為學生提供生動、逼真的學習環(huán)境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等，在廣泛的科目領域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，變被動的灌輸為主動地去交互。

2.2 虛擬實驗

虛擬實驗利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學、生物實驗室等，擁有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢。學生可以不受時空、環(huán)境、危險性等條件限制，通過操縱虛擬空間的三維場景（通常是實驗儀器）自主完成各實驗步驟，不僅為預習、復習、自學創(chuàng)造了條件，而且有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.3 虛擬實訓

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的虛擬實訓基地，其“設備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)需要隨時生成新的設備。教學內(nèi)容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術(shù)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性可以使學生以自然的方式在虛擬的學習環(huán)鏡中進行交互全身心地投入到學習環(huán)境中去，這非常有利于學生的技能訓練。

2.4 虛擬校園

目前虛擬校園的設計總體上有兩種思路：一種是在導航人的幫助下，瀏覽者可以通過鼠標等交互設備瀏覽校園內(nèi)的建筑及風景。另一種則是在虛擬校園中設置虛擬教室等交互場景。如在虛擬教室中師生可以實時地交流。

3.虛擬現(xiàn)實的開發(fā)

虛擬現(xiàn)實的制作可分為開發(fā)工具包和開發(fā)軟件兩類。開發(fā)工具包包括三維建模軟件、實時仿真軟件以及相應的函數(shù)庫等。開發(fā)軟件是帶有圖形用戶界面的完整軟件，通過它們只需要簡單編程即可生成虛擬現(xiàn)實場境。

3.1 開發(fā)工具包

VRML、X3D以及Java3D技術(shù)各有所長，互為補充，利用VRML的圖形建模功能，X3D的國際化、結(jié)構(gòu)化、模塊化的特性以及Java強大的網(wǎng)絡編程語言，共同組成一個強大的虛擬現(xiàn)實開發(fā)環(huán)境。

（1）VRML：即虛擬現(xiàn)實建模語言（VirtualRealityModelingLanguage），是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言。X3D是下一代具擴充性的3D圖形規(guī)范。

（2）Java3D：是JavaAPI中的一種，用于開發(fā)面向?qū)ο蟮慕换ナ饺S圖形應用程序。

（3）3dsMAX：提供VRMLExporterPlug-in用于將MAX格式轉(zhuǎn)換成VRML格式。這樣在VRML中就可以直接對MAX生成的實體進行交互操作。

3.2 開發(fā)軟件

國內(nèi)外的虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件已經(jīng)非常成熟，通用的開發(fā)軟件包括Virtools、WireFusion、VRP、Quest3D、Converse3D、EONStudio等。

3.3 虛擬現(xiàn)實開發(fā)流程

（1）素材準備：可以使用第三方建模軟件3dsMAX制作或使用三維掃描儀制作模型并準備三維全景圖、平面地圖、百度地圖、圖像與聲音、視頻、flash等素材。

（2）導入對象模型到虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件：開發(fā)軟件可以合并多個模型，添加動畫、聲音、圖片、交互編程與其他軟件的通訊等等。

（3）導出：通過執(zhí)行輸出可執(zhí)行文件或瀏覽器播放插件把模型顯示在屏幕上，使用鼠標和鍵盤點擊設置的交互區(qū)域進行人機互動。

結(jié)語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及硬件設備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其自身強大的教學優(yōu)勢和潛力，將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在教育領域廣泛應用并發(fā)揮其重要作用。