虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)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(lǐng)域之一，它在教育領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。通過對傳統(tǒng)教學(xué)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(yīng)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(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

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(xué)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(jìn)行體驗和交互的特性成為教育領(lǐng)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(shè)備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進(jìn)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(yīng)該達(dá)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(rèn)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(shè)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(shè)計、游戲等領(lǐng)域。

（2）沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：使用頭戴設(shè)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(luò)環(huán)境下，協(xié)同開發(fā)虛擬現(xiàn)實的應(yīng)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(fù)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(yīng)用

虛擬現(xiàn)實應(yīng)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(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)方式。

2.1 知識學(xué)習(xí)

指學(xué)生利用VR系統(tǒng)依靠自己的感知和認(rèn)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(xué)習(xí)相關(guān)的知識。VR能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)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(lǐng)域提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)、生物實驗室等，擁有傳統(tǒng)實驗室難以比擬的優(yōu)勢。學(xué)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(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、自學(xué)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(xùn)

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的虛擬實訓(xùn)基地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)需要隨時生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實踐訓(xùn)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(xué)生以自然的方式在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)鏡中進(jìn)行交互全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。

2.4 虛擬校園

目前虛擬校園的設(shè)計總體上有兩種思路：一種是在導(dǎo)航人的幫助下，瀏覽者可以通過鼠標(biāo)等交互設(shè)備瀏覽校園內(nèi)的建筑及風(fēng)景。另一種則是在虛擬校園中設(shè)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(yīng)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(luò)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(kuò)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(yīng)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)和鍵盤點擊設(shè)置的交互區(qū)域進(jìn)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(shè)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(xué)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。