侯 娟 楊 鵬 張金俊

摘 要:本文介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其三大特征,并從實際的課件制作和應用的情況分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在創(chuàng)新課堂教學方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞:VR技術(shù);課堂教學;課件制作與應用

中圖分類號:TP37文獻標識碼:B 文章編號:1673-8454(2009)22-0047-05

1989年,美國VPL Research公司的創(chuàng)始人JaronLanier創(chuàng)造了“virtual reality”這個詞,它的引申義是“計算機產(chǎn)生的三維交互環(huán)境,在使用時用戶是投入到這個環(huán)境中去的”,至此虛擬現(xiàn)實技術(shù)應運而生(以下簡稱VR技術(shù))。它的實質(zhì)是智能化的人機界面交互技術(shù)。

一、VR技術(shù)的概念及特征

它是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),生成三維逼真的虛擬環(huán)境。使用者戴上特殊的VR技術(shù)頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設備,或利用鍵盤、鼠標等輸入設備,便可以進入虛擬空間,成為虛擬環(huán)境的一員,感知和操作虛擬世界中的各種對象,并進行實時交互,從而獲得身臨其境的感受和體會。VR技術(shù)的產(chǎn)生為人機交互的發(fā)展開創(chuàng)了新的領(lǐng)域,為智能化的應用提供了新的平臺。

VR技術(shù)的特征:

(1)沉浸性(Immersion)——又稱浸入性,指用戶感到作為存在于模擬環(huán)境中一員的真實程度。最理想的模擬環(huán)境應該使用戶難以分辨真假,用戶可以戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設備全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中,虛擬環(huán)境中的一切看上去都是真的,聽上去是真的,動起來是真的,甚至聞起來都是真的,如同在現(xiàn)實世界中的感覺。

(2)交互性(Interactivity)——指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作和從環(huán)境中得到反饋的程度(包括實時性)。

(3)構(gòu)想性(Imagination)——VR技術(shù)具有廣闊的可想象空間,可拓寬人類認知范圍,可以使人類突破時間與空間的界限,去經(jīng)歷和體驗世界上早已發(fā)生或尚未發(fā)生的事件,可以使人類進入宏觀或微觀世界進行研究和探索,也可以使人隨意地構(gòu)想客觀不存在的或是不可能發(fā)生的事物。

二、VR技術(shù)應用于教學的理論基礎(chǔ)

1.多元智能理論

多元智能理論由美國心理學家加德納首先提出?，F(xiàn)在已經(jīng)成為許多國家進行教育改革的重要指導思想。在加德納的多元智能理論中,人被認為具有八種基本的智能,即語言智能、音樂智能、數(shù)學邏輯智能、空間智能、身體-運動智能、內(nèi)省智能、人際關(guān)系智能和自然觀察智能。每一位學生都有自己比較擅長的領(lǐng)域,有的觀察力很強,卻不善于表達,有的推理能力很強,卻不善于與人交往。然而多元智能理論指出,多元智能不是以整合的方式存在,而是相對獨立的,各自有著不同的發(fā)展規(guī)律。如以上類型的學生,通過利用虛擬現(xiàn)實提供的多維技術(shù)充分發(fā)揮他們的觀察優(yōu)勢,提供相應的學習內(nèi)容和方法,從而避免他們因為不擅長的技能而不能獲得相應的知識。

2.建構(gòu)主義學習理論

建構(gòu)主義認為,學習活動不是由教師向?qū)W生傳遞知識,而是學生根據(jù)外在環(huán)境,通過自己的背景知識建構(gòu)知識的過程。在這個過程中,學生不是被動的信息吸收者和刺激接受者,他要對外部情境的信息進行選擇和加工。因此,建構(gòu)主義強調(diào)情境的作用,將情境看作是意義建構(gòu)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。情境必須有利于學生對所學內(nèi)容的意義建構(gòu)。這就對教學設計者提出了更高的要求,也就是說,在建構(gòu)主義學習環(huán)境下,對學生的教學不僅要考慮教學內(nèi)容,還要考慮有利于學生意義建構(gòu)的情境創(chuàng)設問題,并把情境創(chuàng)設看作是教學設計的最重要內(nèi)容之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)因其獨有的創(chuàng)設真實情境的優(yōu)勢,在給學生帶來安全感的同時,使他們自然投入到學習的環(huán)境中來,從而促進他們學習。

3.人本主義學習理論

人本主義心理學更多關(guān)注的是人的情感、知覺、信念等內(nèi)部因素。認為學習是學生個人主動發(fā)起的,不是被動地等待刺激。個人對學習的整體投入,涉及情感、行為等方面。所以,人本主義學習理論代表人物羅杰斯認為,教學中要使學生整個人沉浸于學習之中,也就是說,在學習中要充分發(fā)揮學生學習的自主性,只有把學生的積極性充分調(diào)動起來,學生才能全身心地投入到學習中去。學生對學習興趣濃,目標明確,是十分重要的情感因素。VR技術(shù)在創(chuàng)設真實情境的同時,利用視、觸覺等多種感官因素來調(diào)動學生學習的積極性,不僅能使他們完全沉浸在學習情境中,而且通過互動實現(xiàn)真實性的交互,調(diào)動他們的全身心參與,從而促進知識的習得。

三、VR技術(shù)在教育中的應用現(xiàn)狀

1.VR技術(shù)在美國教育中的應用現(xiàn)狀

美國是VR技術(shù)的發(fā)祥地,大多數(shù)研究機構(gòu)都在美國,而且美國也是最早將VR技術(shù)運用于教育的國家。1992年,在美國的東卡羅琳那大學成立了虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育實驗室。該實驗室目的是確認虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育方面的適合應用,評價虛擬現(xiàn)實的硬件和軟件,考察虛擬現(xiàn)實技術(shù)對教育的影響以及其在真實世界中的應用,把虛擬現(xiàn)實與其他教育媒體的效果進行比較。據(jù)報道,美國華盛頓大學和美國西屋科學基金會自1994年11月共同發(fā)起了一項流動教學計劃,使一批裝有電腦三維虛擬設備的流動教學車奔馳在華盛頓州,為中小學生提供三維動畫虛擬現(xiàn)實教學服務。發(fā)起者希望通過虛擬現(xiàn)實新技術(shù),給中小學生們提供更直觀、更形象的教學,提高他們的領(lǐng)悟和參與能力。

2.VR技術(shù)在國內(nèi)教育中的應用現(xiàn)狀

國內(nèi)各高校在VR許多領(lǐng)域都進行了相關(guān)的課題研究,主要集中在虛擬仿真校園和虛擬教學這兩方面,如天津大學于1996年在SGI硬件平臺上,基于VRML國際標準開發(fā)了虛擬校園;西南交通大學致力于工程漫游方面的虛擬現(xiàn)實應用研究,開發(fā)出一系列具有國際水平的計算機仿真和虛擬現(xiàn)實應用產(chǎn)品,在城市規(guī)劃仿真、駕駛員培訓仿真及其他交互式仿真方面取得了突出成果。此外2003年3月,中國科學院計算所開發(fā)的“中國手語合成系統(tǒng)”,是國內(nèi)第一例利用人工智能、計算機圖形學等技術(shù),實現(xiàn)用三維虛擬角色任意演示用戶指定的中國手語系統(tǒng),為聾啞教育的發(fā)展開辟了新領(lǐng)域。

四、基于VR技術(shù)的《月球上的足跡》課件制作

1.課件設計的理念

《月球上的足跡》這篇課文的教學目標除了想讓學生理清文章思路,了解人類登月的知識,更主要的是激發(fā)學生探索科學的興趣,培養(yǎng)學生自主探究的學習能力。因此這篇文章的課外拓展閱讀主要是為了拓展學生課外知識,激發(fā)學生的學習興趣,培養(yǎng)學生的探索能力,所以本課件的制作也是秉承這一思想。

(1)讓VR技術(shù)的友好交互性特點與學生學習興趣完美結(jié)合

VR技術(shù)具有交互性好的特點,學生可在學習過程中選擇自己感興趣的內(nèi)容進行學習,充分調(diào)動了學生學習的積極性,迎合了不同層次學生學習的需要。

(2)讓VR技術(shù)的沉浸性特點與學生的深入探索相結(jié)合

學生在使用VR課件學習時感覺就像身臨真實場景之中,在這個時候教師應該根據(jù)教學內(nèi)容,在課件中適時地、恰當?shù)卦O置一些富有啟發(fā)性的問題,充分調(diào)動學生的學習積極性,啟發(fā)其積極思考,并及時強化。啟發(fā)性問題的設置,可誘發(fā)其創(chuàng)造性思維,培養(yǎng)、鍛煉其思維的靈活性、發(fā)散性、求異性和獨創(chuàng)性,促使學生進行更深入的探究。

2.制作工具簡介

使用3DMAX軟件可以建立虛擬電子實驗室各個獨立物件的三維模型。3DMAX是美國Autodesk公司推出的功能強大的三維設計軟件包,它集三維建模、材質(zhì)制作、燈光設定等于一身,提供了三維動畫及靜態(tài)效果圖完整的解決方案,是一種快捷直觀的建模方法。對于一個在3DMAX中創(chuàng)建出來的三維場景,不但可以將它直接導入VRP,而且可以進行各種交互的制作。

VRP經(jīng)過中視典公司5年時間的研發(fā),目前已經(jīng)發(fā)展成為一個以VRP引擎為核心、衍生出5個相關(guān)三維產(chǎn)品的軟件平臺。VRP-BUILDER 虛擬現(xiàn)實編輯器是其中的一個組成部分,主要用于三維場景的模型導入、后期編輯、交互制作、特效制作、界面設計、打包發(fā)布的工作。目前中視典公司只在網(wǎng)上發(fā)布了一個共享版本,這個版本是對用戶免費開放的,使用者可以隨意下載,但是功能卻受到很大的限制,其他任何版本的軟件都是需要購買的。所以本課件的制作主要用3DMAX建模,用VRP共享版的軟件來進行交互制作,功能上還有待進一步完善。

3.課件的設計結(jié)構(gòu)及過程

課件的設計結(jié)構(gòu)(如圖1所示)主要分為兩個部分:場景建模和交互制作。建模包括模型構(gòu)建、材質(zhì)貼圖、燈光設置、攝影機設置,以及把多個模型整合到一個場景中。交互部分有對場景的細微編輯、動作編輯和后期整合。

五、課件在課堂教學中的應用

1.課堂效果實錄

為評價本課件在課堂教學中的真實效果,這里采用弗蘭德斯互動分類表(FICA)對課堂教學15分鐘予以記錄。

弗蘭德斯互動分類如表1。

利用表1對甲、乙兩個班課堂教學的記錄如表2、表3(以秒為單位)。

分析:在表1、表2中,兩個班教學中教師主導的教學方式仍占相對優(yōu)勢。乙班課堂主要使用教師主導取向的教學方式(第⑤、⑥、⑦類,占66.9%),學生自主取向的教學方式用得極少(第①、②、③類,僅占10.1%),而甲班課堂雖然教師占有重要地位(占46.2%),但學生的主導性還是很強(占36.4%),并正逐漸向以學生為主導的教學方式轉(zhuǎn)移。甲班的課堂留有很多時間給學生思考(④類,占6.2%),同時也把很多時間留給學生自主發(fā)言(⑨類,占13.8%),乙班則未留時間與機會讓學生發(fā)表自己的意見和看法。

課堂教學過程中學生行為觀察記錄如表4。

從圖2中的曲線上看,采用這些課件在甲班進行教學時,學生的注意率在整節(jié)課的45分鐘中都比較高(最低為75%),這說明這種教學方法能保持學生的注意力。從曲線的形狀可以看出,在這一節(jié)課的前半部分,學生的注意率一直很平穩(wěn),但在30~35分鐘的時間段,出現(xiàn)了最低點,接著又迅速回升至最高點。這是為什么呢?原來前半節(jié)課學生的積極性很高,但由于人的注意力保持是有限的,經(jīng)過前半節(jié)課后,學生稍感疲憊。此時,教師讓學生自己動手操作了這個課件,一下調(diào)動起所有學生的積極性,因而注意率迅速升高。而乙班由于沒有采用此課件進行教學,僅僅是一般的講授課堂,所以學生的注意率得不到很好的提高。

2.應用效果分析

(1)以主動式情境認同創(chuàng)新課堂教學

這里所說的認同感主要是指自我認同感,即個體對自我現(xiàn)況、生理特征、社會期待、以往經(jīng)驗、現(xiàn)實情境、未來希望等各層面的覺知,統(tǒng)合而成為一個完整、和諧的結(jié)構(gòu)。而情境認同就是自我認同中個體對自身所處環(huán)境的知覺統(tǒng)合。

沉浸感是VR技術(shù)最明顯的特征之一?；赩R技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境可以使用戶達到難以分辨真假的程度(例如可視場景可以隨著視點的變化而變化)甚至超越真實(如實現(xiàn)比現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果等)。本課件力求構(gòu)建逼真的虛擬月球場景,學生在使用時完全沉浸在虛擬的月球基地中,親身體驗身處月球的感覺。學生通過控制鼠標或者鍵盤上的方向鍵就可以任意地在虛擬的月球基地中漫游,當靠近一座建筑時還會自動彈出相關(guān)的介紹文字資料,為學生展示該建筑的相關(guān)信息,有很強的吸引力。

(2)基于三維圖形創(chuàng)新課堂教學的觀察角度

圖形在教學中表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢,不管是用于演示還是講解,使用圖片或者圖形都會讓課堂氣氛變得生動活躍。圖形能夠引導學生從中讀出更多的信息,獲取更多的知識;能培養(yǎng)他們應用不同的方式,從不同的側(cè)面去解釋圖形中的內(nèi)容的能力,并尋找圖中信息與相應知識的最佳結(jié)合點;而且能夠訓練他們用自己的雙手、按自己的理解去繪制需要的圖形,從中體驗、掌握信息遷移的方法和技能。然而傳統(tǒng)的二維圖形僅僅能提供給學生一個外形特征,要從多個側(cè)面去了解、觀察這個實物的話,需要花費很大的精力,尤其是對識圖能力較差的學生來說,則是一個非常困難的事情。對于VR技術(shù)而言,這些都將不再是問題。學生不僅可以看,而且可以親自動手對虛擬實物進行翻轉(zhuǎn)和近距離地觀看,對實物的某些特性和功能就能夠得到很好的掌握、理解和操作。學生在使用課件的過程中,會遇到自己感興趣的事物,就像建筑物可以和現(xiàn)實生活中一樣。

(3)激發(fā)學生主動學習的興趣,創(chuàng)新課堂教學被動的接受方式

對于學生來說,他們對新生事物敏感好奇、求知欲強。凡是奇特的、變化著的、矛盾著的、能給予他們強烈刺激的事物,都能引起他們的求知欲、好奇心,也較容易引起他們的興趣,而VR技術(shù)本身的虛擬性可以將一些平時現(xiàn)實生活中很難看到的現(xiàn)象、很難接觸到的事物呈現(xiàn)出來,以此來滿足學生的好奇心,激發(fā)他們學習的興趣。VR技術(shù)為學生建構(gòu)了比較真實的三維場景,以VR技術(shù)為載體的教學,學生的學習興趣被強烈地激發(fā)出來,教師和學生通過基于虛擬場景的教學課件聯(lián)系在一起,互相學習和評估,教師的現(xiàn)場作用不再如以往那樣顯著,打破了以往教學教師必須出現(xiàn)在課堂中的現(xiàn)象。也可以說,傳統(tǒng)意義上教師的部分任務由學生來承擔,學生真正成為教學對象的主體。

(4)集實驗教學于一體,創(chuàng)新課堂教學單一的教學模式

應用基于虛擬場景的實驗教學課件進行教學,相對于原來的傳統(tǒng)教學形式它更能為學生提供學習和實驗的機會,以靈活、方便的形式為學生所接受,學生不拘泥于課堂的單一教學模式,能夠自己主動選擇教學的時間、地點和進度。

本課件設計了一個在月球上模擬地球自然狀況的小型實驗室,學生通過設置一些影響動、植物的相關(guān)因素來保證實驗室的正常運作,如溫度、濕度、氧氣、壓強、PH值等等,按照課本所學的知識,科學地調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)才可以達到理想的實驗效果。具體表現(xiàn):①形成假設:學生在進入課件進行學習時,在教師的引導下會產(chǎn)生疑問,提出一些假設。②設計實驗:根據(jù)教師的進一步引導,學生可以設計一些實驗來解決相應的問題。③分析實驗結(jié)果:通過學生自己設計的諸多實驗最終將問題解決,得到一些相關(guān)的數(shù)據(jù)后,在教師的指導下分析數(shù)據(jù)。

(5)創(chuàng)設安全的心理環(huán)境,以多種感官輸入創(chuàng)新課堂教學的探究性

實踐證明:要讓學生有探究的欲望,首先就要有安全的心理環(huán)境。而創(chuàng)設情境、為學生提供安全的心理環(huán)境正是VR技術(shù)的優(yōu)勢。學生在虛擬的情境中學習,一切以自己的需要、興趣出發(fā),在與教師平等交往中展示自己的能力,進行獨立的練習和思考,提出問題、解決問題,在寬松、自由、平等、和諧的氛圍中進行學習。此外,豐富的信息輸入可以為學生探究學習鋪平道路。為此,本課件除了具有文字的展示以外還配有語音教程,強大的交互功能滿足學生的個性需求,在生動活潑、主動參與的學習過程中培養(yǎng)學生的探究能力,使學生真正成為學習的主動者,充分發(fā)揮學生的想象力。同時,全新的教學系統(tǒng)能滿足不同學生的好奇心,學生在學習中會發(fā)現(xiàn)和遇到一些新的困難和挑戰(zhàn),這反而能更好地刺激學生進行有效探索的學習,從而最大限度地開發(fā)了學生的學習潛力。

六、結(jié)束語

VR技術(shù)是一項發(fā)展?jié)摿軓姷母咝录夹g(shù),它具有虛擬的高逼真性、交互的人性化、構(gòu)想的拓展性,它的出現(xiàn)必然會在工作、學習、生活、國防等廣泛的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮極其重要的作用。在現(xiàn)代的教學中,對于提高學生的注意力、拓展學生的學習潛力、培養(yǎng)學生的自主學習能力、豐富學生的想象能力等各方面都能起到很好的促進作用。盡管VR系統(tǒng)的硬件設備還比較昂貴,VR技術(shù)尚未能普及,但是,隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,設備成本價格的不斷降低以及網(wǎng)絡的普及,我們相信它必將會豐富我們的生活,促進我們的學習。

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