將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教育事業(yè)

1、將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教育事業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入 ”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。其目的是能讓用戶使用人的自然技能對虛擬世 界中的物體進(jìn)行考察或操作，同時(shí)提供視、聽、摸等直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知。它為現(xiàn)代教育事業(yè)提供了 一種全新的技術(shù)支持。本文在對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)之上，論述了它在教育領(lǐng)域應(yīng)用的可能 性和研究現(xiàn)狀，并對其未來的發(fā)展前景進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 自然交互 多通道 實(shí)時(shí)感知1 引言虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（ Virtual Reality ，簡稱 VR ）是 20 世紀(jì)末才興起的一門嶄

2、新的綜合性信息技術(shù)。它實(shí)時(shí)的三 維空間表現(xiàn)能力、自然的人機(jī)交互式操作環(huán)境以及給人帶來的身臨其境感受，將從根本上改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī) 之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，為人機(jī)交互技術(shù)開創(chuàng)新的研究領(lǐng)域，并為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供有 力的支持，從而大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。2 VR 系統(tǒng)的特點(diǎn)VR 技術(shù)的定義可歸納為： 由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境， 這種虛擬的環(huán)境是通過計(jì)算機(jī)構(gòu)成的三維空 間，或是把其他現(xiàn)實(shí)環(huán)境編制到計(jì)算機(jī)中去產(chǎn)生逼真的 “虛擬環(huán)境 ”，并通過多種專用設(shè)備讓用戶 “投入 ”到該 環(huán)境中，從而使得用戶在視覺、聽覺、觸覺、味覺等多種感官上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。與傳統(tǒng) 的人機(jī)交互

3、技術(shù)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)最突出的特征：交互性、沉浸感和構(gòu)想性。其中，交互性是指參 與者通過使用專用設(shè)備，用人類的自然技能實(shí)現(xiàn)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（包括實(shí)時(shí)性）；沉浸感是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度；構(gòu)想性則是使 VR 技 術(shù)的應(yīng)用能解決在工程、醫(yī)學(xué)、軍事等各行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用問題，使人有可能從定性和定量綜合集成的虛擬 環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而深化概念、產(chǎn)生新意和構(gòu)想，主動(dòng)地尋求、探索和接受信息，而不是 被動(dòng)地接收。3 VR 系統(tǒng)的組成和功能 一個(gè)典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包括以下五大組成部分：虛擬世界、計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、輸入設(shè)備和輸 出

4、設(shè)備（如圖 1所示）。與虛擬世界交互的過程大致是：參與者首先激活頭盔、手套和話筒等輸入設(shè)備為計(jì) 算機(jī)提供輸入信號(hào)，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件收到由跟蹤器和傳感器送來的輸入信號(hào)后加以解釋，然后對虛擬環(huán)境數(shù) 據(jù)庫作必要的更新，調(diào)整當(dāng)前的虛擬環(huán)境場景，并將這一新視點(diǎn)下的三維視覺圖像以及其他（如聲音、觸 覺、力反饋等）信息立即傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備（頭盔顯示器、耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套等），以便參與者及時(shí)獲 得多種感官上的虛擬效果（如圖 2 所示）。4 VR 系統(tǒng)的分類 普通意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)，需要大型計(jì)算機(jī)、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、洞穴式投影、密封倉等昂貴設(shè)備， 這對于大多數(shù)的教育單位都是難以承受的， 而資金不足就必將嚴(yán)重制約

5、教育領(lǐng)域?qū)μ摂M現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已出現(xiàn)了多樣化的發(fā)展趨勢，按其交互和浸入程度的不同可以被 分為桌面式、沉浸式、疊加式和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等四類。其中桌面式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常簡單，需要 投入的成本也不高，而且在教育領(lǐng)域內(nèi)可應(yīng)用的范圍很廣。4.1 桌面式 VR 系統(tǒng)桌面式 VR 系統(tǒng)僅使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站，把計(jì)算機(jī)的屏幕作為參與者觀察虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口， 使用簡單的外部設(shè)備（如：鼠標(biāo)、力矩球、立體眼鏡等）來駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬物體。桌面式 VR 系 統(tǒng)缺乏完全沉浸功能，但它的成本低，可以通過廉價(jià)的硬件產(chǎn)生較真實(shí)的效果，因此易于普及。4.2 沉浸式 VR

6、 系統(tǒng)沉浸式 VR 系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，使 用戶真正成為 VR 系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，因而具有高度的 實(shí)時(shí)性能和沉浸感，但它的成本較高。4.3 疊加式 VR 系統(tǒng)疊加式 VR 系統(tǒng)是通過穿透型頭戴式顯示器將計(jì)算機(jī)虛擬圖像疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上，它用于增強(qiáng)或補(bǔ)充人 眼所看到的東西，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的信息。4.4 分布式 VR 系統(tǒng)分布式 VR 系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，它在沉浸式 VR 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的多個(gè) 用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接，

7、并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。這也為 我們今天提倡的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供了必要的技術(shù)支撐。5 VR 系統(tǒng)在教育與培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景是很廣闊的，它可應(yīng)用于任何需要使用計(jì)算機(jī)來存儲(chǔ)、管理、分析和理解復(fù)雜數(shù) 據(jù)的領(lǐng)域。針對于教育事業(yè)來說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將三維空間的意念清楚的表示出來，能使學(xué)習(xí)者直接、 自然地與虛擬環(huán)境中的各種對象進(jìn)行交互作用，并通過多種形式參與到事件的發(fā)展變化過程中去，從而獲 得最大的控制和操作整個(gè)環(huán)境的自由度。這種呈現(xiàn)多維度信息的虛擬學(xué)習(xí)和培訓(xùn)環(huán)境，將為參與者以最直 觀、最有效的方式掌握一門新知識(shí)、新技能提供前所未有的新途徑。因此，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展在

8、很多教育與 培訓(xùn)領(lǐng)域， 諸如虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、 立體觀念、 生態(tài)教育、 特殊教育、 仿真實(shí)驗(yàn)、 專業(yè)領(lǐng)域的訓(xùn)練等應(yīng)用中， 具有明顯的優(yōu)勢和特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外的此類應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：5.1 仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn) 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以模擬顯現(xiàn)那些在現(xiàn)實(shí)中存在的，但在課堂教學(xué)環(huán)境下用別的方法很難做到或者要 花費(fèi)很大代價(jià)才能顯現(xiàn)的各種事物，供學(xué)生學(xué)習(xí)和探索。例如，美國一個(gè) “虛擬物理實(shí)驗(yàn)室 ”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就 使得學(xué)生可以通過親身實(shí)踐 一做、看、聽來學(xué)習(xí)的方式成為可能。使用該系統(tǒng)，學(xué)生們可以很容易的演示 和控制物體的形變與非形變碰撞、調(diào)整摩擦系數(shù)等物理現(xiàn)象；可以停止時(shí)間的推移，以便仔細(xì)觀察物體的 運(yùn)動(dòng)軌

9、跡隨時(shí)間的變化過程；還可以通過使用交互式數(shù)據(jù)手套做萬有引力定律等各種實(shí)驗(yàn)，從而較深刻地 理解物理概念和定律。又如，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)某種機(jī)械裝置，如計(jì)算機(jī)的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理時(shí)，傳統(tǒng)的教 學(xué)方法都是利用圖示或放錄像的方式向?qū)W生展示，但這些方法難于使學(xué)生對這種機(jī)械裝置的運(yùn)行過程、狀 態(tài)及內(nèi)部原理有一個(gè)明確的了解。這時(shí)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以充分顯示出其優(yōu)勢：它不僅可以向?qū)W生 直觀地展現(xiàn)出計(jì)算機(jī)的復(fù)雜構(gòu)造、工作原理以及工作時(shí)各個(gè)零件的運(yùn)行狀態(tài)，而且還可以模仿出計(jì)算機(jī)各 部件在出現(xiàn)故障時(shí)的表現(xiàn)和原因 ,向?qū)W習(xí)者提供對虛擬物體進(jìn)行全面的考察、操縱乃至維修的模擬訓(xùn)練機(jī)會(huì)，從而使教學(xué)與實(shí)驗(yàn)得到事半功倍的效果。5

10、.2 特殊教育 在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助下，殘疾人能夠通過自己的形體動(dòng)作與他人進(jìn)行交流，甚至可以用腳的動(dòng)作與他人 進(jìn)行交談。在高性能計(jì)算機(jī)和傳感器的支持下，殘疾人帶上數(shù)據(jù)手套后，就能將自己的手勢翻譯成講話的 聲音；配上目光跟蹤裝置后，就能將眼睛的動(dòng)作翻譯成手勢、命令或講話的聲音。而專門教弱智兒童掌握 手勢語言的三維虛擬圖像的理解和訓(xùn)練系統(tǒng)，還可以幫助弱智兒童進(jìn)行練習(xí)和訓(xùn)練，從而使他們能很快地 熟悉符號(hào)、字和手勢語言的意義。5.3 多種專業(yè)培訓(xùn)借助于 VR 技術(shù)的各項(xiàng)成果，人們將能對危險(xiǎn)的、不能失誤的、缺少或難以提供真實(shí)演練的操作反復(fù)地進(jìn) 行十分逼真的練習(xí)。例如在醫(yī)學(xué)教育與培訓(xùn)領(lǐng)域，醫(yī)生見習(xí)和實(shí)習(xí)復(fù)

11、雜手術(shù)的機(jī)會(huì)是有限的，而在VR 系統(tǒng)中卻可以反復(fù)實(shí)踐不同的操作。目前，國外很多醫(yī)院和醫(yī)學(xué)院校已開始用數(shù)字模型訓(xùn)練外科醫(yī)生。其做 法是將 X 光掃描、超聲波探測、核磁共振等手段獲得的人體信息綜合起來，建立起反應(yīng)非常接近真實(shí)人體 和器官的仿真模型。醫(yī)生或?qū)W員動(dòng)手術(shù)前先在虛擬人體上試驗(yàn)，就可以優(yōu)化手術(shù)方案，提高技術(shù)水平，降 低失誤率。5.4 對未來的展望 在我國的教育事業(yè)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法延續(xù)多年，人們已逐漸意識(shí)到了它的弊病和不足之處。近幾年引入 多媒體教學(xué)方法后，教師不再被局限于黑板，而可以借助于電腦、投影設(shè)備、音像設(shè)備等為學(xué)生展示圖、 文、聲、像等多種媒體來輔助教學(xué)，從而取得了很好的效果。從這一

12、例子中，我們不難推想：如果在不久 的將來能更進(jìn)一步，把 VR 技術(shù)引入教學(xué)領(lǐng)域，則它的效果一定會(huì)非同凡響。虛擬現(xiàn)實(shí)使參與者處于一個(gè)具有身臨其境的、具有完善交互作用能力的、能幫助和啟發(fā)構(gòu)思的信息環(huán)境， 使人不僅僅靠聽讀文字或數(shù)字材料獲取信息，而是通過與所處環(huán)境的交互作用，利用人本身對接觸事物的 感知和認(rèn)知能力，以全方位的方式學(xué)習(xí)和獲取各式各樣表現(xiàn)形式的信息。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景 是很廣闊的。我們可以想象：在不久的將來，學(xué)生在 “虛擬教室 ”里上天文學(xué)課時(shí)，可以遨游宇宙，可以 “親 眼目睹太陽系的形成 ”；上生理學(xué)課時(shí)，可以在人體內(nèi) “實(shí)地考察 ”每一個(gè)器官；建筑設(shè)計(jì)院的學(xué)生可以看到 甚至

13、 摸”到自己的設(shè)計(jì)成果，史學(xué)、哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等課程則可以重現(xiàn)或演繹書中的歷史和理論一一與此同時(shí)，更多、更優(yōu)秀的應(yīng)用還會(huì)擴(kuò)展至駕駛學(xué)校、醫(yī)務(wù)學(xué)校、體育學(xué)校等各行各業(yè)的教育與培訓(xùn)當(dāng)中，以便 為運(yùn)動(dòng)員、救火人員和醫(yī)務(wù)人員設(shè)置超難度及寬領(lǐng)域的訓(xùn)練課程。這些新型的VR 系統(tǒng)不僅將減少訓(xùn)練的費(fèi)用，還能為受訓(xùn)者設(shè)定各種復(fù)雜的情況， 從而使得每個(gè)人都可以在這種虛擬環(huán)境中反復(fù)重演練高危險(xiǎn)性、 低概率的事件，并可以試驗(yàn)各種不同的方案，即使闖下 “大禍”，也不會(huì)引起任何 “惡果”，從而最終在安全的 虛擬環(huán)境中取得實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。7 結(jié)論 隨著與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相關(guān)科技的日趨成熟，來自各種領(lǐng)域的研究與應(yīng)用勢必不斷的推陳出新，范圍也將不 斷地?cái)U(kuò)大，這已是必然的趨勢。當(dāng)然，任何一種新技術(shù)的推廣與應(yīng)用，一方面要靠專業(yè)人員的不斷努力、 不斷發(fā)展和完善該項(xiàng)技術(shù)，另一方面則就需要廣大的使用者能更新他們的思想，積極接受、引入新技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實(shí)作為一門新興的科學(xué)，目前也尚有諸多因素限制它在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（例如：自身技術(shù)還不 夠成熟，用于教育和培訓(xùn)的應(yīng)用系統(tǒng)依然較少，硬件設(shè)備比較昂貴等），但我們可以肯定地說，VR 技術(shù)將會(huì)是繼多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在教育領(lǐng)域內(nèi)最具有應(yīng)用前景的 “明星 ”技術(shù)，它將使 21 世紀(jì)的教育與培 訓(xùn)事業(yè)發(fā)生質(zhì)的變化。它的 “沉浸性 ”、 “交互性”與“構(gòu)想性”，不但非常有利于教學(xué)人員構(gòu)建一種全新、多變