教育教学理论与现代教育技术：虚拟现实技术的应用

自从计算机诞生以来，传统的信息处理环境一直是以计算机为中心，是“人适应计算机”。要实现以人为本，让“计算机适应人”，必须解决一系列技术问题，形成和谐的人机环境。虚拟现实技术就是解决这一问题的方法之一。

（一）虚拟现实概述

1.虚拟现实系统的概念

虚拟现实（Virtual Reality，VR）系统主要利用三维图形生成技术、多传感交互技术、高分辨率显示技术及各种软件资源生成三维立体的虚拟环境。用户可以通过戴上特制的头盔、数据手套等传感设备，观看计算机产生的虚拟世界，听到逼真的声音。在虚拟环境中有真实感地进行交互操作，能够讲话，并且可以嗅到气味，从而获得身临其境的感受和体会。

2.虚拟现实的特点

虚拟现实的基本特征课归纳为3个：沉浸性、交互性和构想性。

（1）沉浸性，又称临场感或存在感，是指用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中，利用一切感觉去体会该环境，让用户如同在现实世界中的感觉一样。在此情景下用户可以更清晰地观察所研究的对象，将抽象的数据信息变换为现实的体验，从中获取知识。

（2）交互性是指用户对该环境下的物体的可操作程度和真实环境下的操作程度是相当的。用户用手去抓取虚拟环境下的物体，能感受到该物体的存在，有质感有质量，并且会随着手的移动而移动。

（3）构想性，又称为自主性，是指虚拟现实向使用者提供了发挥想象力的机制。

人可以从定性和定量综合的集成环境中得到感性和理性的认识，拓宽了人类认知范围，从而可深化概念，促进学习效果的提高。

3.虚拟现实系统的分类

根据虚拟现实的技术手段和功能的不同，可以将虚拟现实系统分为以下几类：

（1）桌面级的虚拟现实系统

桌面级的虚拟现实系统利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟环境的窗口。观察者通过鼠标、跟踪球、力矩球等各种外部设备来操纵虚拟环境中的各种物体。参与者使用位置跟踪器、鼠标或跟踪球等，坐在监视器前，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟环境并操纵其中的物体。

（2）投入的虚拟现实系统

高级虚拟现实系统提供完全投入的功能，使用户有一种置身于虚拟环境之中的感觉。它利用头盔式显示器或其他设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，为其提供一种新的虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套和其他手控输入设备等，使参与者产生一种身在虚拟环境并能全心投入和沉浸其中的感觉。

（3）增强现实性的虚拟现实系统

增强现实性的虚拟现实系统不仅利用虚拟现实技术来模拟和仿真现实世界，而且利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便感知的感受。这种虚拟现实系统典型的实例是：战斗机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而集中精力盯着敌人的飞机和导航偏差。

（4）分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境。在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相互连接，或者多个用户同时参加一个虚拟现实环境，通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息。系统中多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。简单地说就是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在虚拟现实环境中，都能通过计算机与其他用户进行交互，并共享信息。

（二）虚拟现实系统的教育应用

1.虚拟现实系统的教学优势

（1）营造虚拟情境，突破课程内容的表现形式

虚拟现实技术在教育中的应用主要体现为沉浸、交互和构想三个基本特征。通过虚拟教学，让学习者沉浸在虚拟的真实情境中，动手操作相关设备，在与设备的交互过程中，领会教育者的设计思想，进而达到学习的目的，有效改善在目前教学过程中，学习者获得的知识以间接知识经验为主的现状，促进学习者对知识的理解。

（2）提供教学示范，改进教学手段与方法

应用虚拟现实技术，不仅在于对教学手段和方法的改进，更是一种示范效应。通过虚拟现实技术创建三维“真实”情境，能够使学习者以直观的方式进行观察与学习，突破教学在时间和空间上的限制，使知识变得直观生动。在虚拟的学习环境中，学习比单纯依靠文字来进行交流的形式更加生动具体，在提高学习者学习兴趣的同时，又避免了学习者在学习过程容易出现的枯燥感和孤独感。同时在学习过程中，学习者能够亲身感受到新技术对教学的影响，体会现代教育技术手段的魅力，这要比教育者单纯的说教更有说服力，更能激起学习者学习的兴趣。

（3）优化教学环境，节约教学成本(www.xing528.com)

通过虚拟现实技术构造的虚拟教学环境，可以让学习者随时随地对各种实验设备进行旋转、平移、缩放等相关操作，熟悉设备的操作规程，反复操作各种命令按钮，掌握设备的使用方法。在虚拟的教学环境中实验设备可以重复使用，而且不会有任何物理上的损耗，最大限度上节约了教育教学资源，弥补了传统教学环境的不足。

（4）规避风险

真实实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。例如：虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。

2.虚拟现实技术在教育中的应用

利用虚拟现实系统可以使用户亲身去经历和感受不同的环境和事物，比空洞抽象的说教更具说服力，可以解决很多教育领域以前没法解决的问题。虚拟现实系统在科技研究、虚拟仿真校园、虚拟教学、虚拟实验和教育娱乐等方面具有广泛的应用。

（1）科技研究

当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化为实用技术，如北京航空航天大学在分布式飞机模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。虚拟学习环境虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示灯，在广泛的科目领域提供无线的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、感受比空洞抽象的说教更具说服力；主动地去交互与被动的灌输有本质的差别。

（2）进行虚拟实验

①虚拟实验的概念

虚拟实验是指利用多媒体手段对真实实验进行再现和模拟，再由学生观看或参与操作的一种实验方式。简单地说，虚拟实验就是利用多媒体再现或模拟真实实验的一种实验方式。

虚拟实验主要借助虚拟现实的环境完成相关的实验。虚拟实验室不是有形的实验室，也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟仪器的操作。对于基于Web的虚拟实验就是在Web中创建出一个可视化的三维环境，其中每个可视化的三维物体代表一个实验对象，通过鼠标的单击以及拖动操作，用户可以进行虚拟的实验。例如在显微镜观察实验中，可以将实验中的显微镜和试样用三维方式表现出来，用户通过鼠标操作来完成相关的实验。

②虚拟实验的应用方式

虚拟实验在教育中的应用方式较多，主要有以下几个方面。

第一，用于真实实验前的指导。在进行真实实验前，通过虚拟实验可以对实验的原理、过程、现象进行学习、操作和观察，以便对实验教学内容有正确的理解，从而为真实实验打下基础。这样，学生在进行真实实验的时候，目的更加明确，思路更加清晰，方便了真实实验的开展，使得真实实验的进行更顺利，学生对实验内容的掌握也更容易。

第二，用于实验模拟。虚拟实验用于实验模拟，既可以模拟真实实验能完成的实验过程，也可以模拟真实实验难以开展或无法开展的实验过程或现象。在虚拟实验中，借助虚拟实验较强的交互性，学生就像在真实的环境中一样，可以直接动手操作模拟设备或模拟物体，实验系统就会给出相应的反馈信息，这样，不仅大大方便了实验的进行，增加了学生练习的机会，更重要的是节省了大量的实验设备和费用，而且学生对实验内容的学习也取得了良好的效果。

第三，用于讲解教学内容。在课堂授课时，为了说明一些现象，需要用虚拟实验来展示，从而有助于学生对教学内容的理解。这些教学内容可以是通过真实实验来演示，也可能是一些宏观的、微观的、危险的无法通过真实实验演示的，或者是那些当场演示但得不到结果的。这时，通过虚拟实验来讲解实验现象便是一个十分可行的方法。

第四，用于课下复习。在复习过程中，学生还会遇到很多的问题，其中就有很多关系到实验的。有了虚拟实验，学生可以反复地做，直到熟练掌握了实验原理和现象。将虚拟实验发布到网络上，更方便了解学生的学习，这无疑是一个好的学习途径。

第五，用于远程教育。远程教育中由于师生间的距离、面授时间的限制及其他因素的影响，致使一些实验无法开展或不能满足学生的学习需要。远程教育院校将设计好的虚拟实验发布到学校网站上，并开设供师生交流的论坛或提供教师的电子信箱，使其成为学习资源的一部分，远程学员可以登录网站进行实验操作，还可以跟教师或其他学员进行交流，从而方便学生的自主学习。

（3）虚拟实训基地

利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据需要随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。

同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。其包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练，由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。例如在虚拟的各级驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。

（4）虚拟仿真校园

在虚拟现实技术的支持下，通过全景图的生成、漫游空间的编辑和浏览器的设计等来创建虚拟仿真校园，使其可以作为学校对外宣传的窗口，是一种学校自身宣传的较好方式，全景漫游可以给人们身临其境的感受，生动、自然、全方位、立体化地真实模拟展示学校自身的硬件环境，为学校宣传提供一个崭新的平台。从用户角度看，它通过全景漫游的方式使得访问者足不出户就可以感受学校的环境。

教育部在一系列相关的文件中，多次提及虚拟校园，从而表明了虚拟校园的地位和作用，在方向上给了大家一个明确的定位。

随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。