孫芳芳，楊 麗

(蘇州科技學(xué)院 傳媒與視覺藝術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用是國內(nèi)外教育技術(shù)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢之一，是繼網(wǎng)絡(luò)和多媒體以后的又一新的研究領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其沉浸性、交互性和想象性等無可比擬的特點(diǎn)使其在實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅可以節(jié)約實(shí)踐教學(xué)成本，突破時(shí)間和空間的限制，更有利于學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)軟硬件技術(shù)構(gòu)造一種虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。通過三維跟蹤傳感設(shè)備、立體顯示設(shè)備等虛擬現(xiàn)實(shí)專用設(shè)備的使用，用戶可以投入到虛擬環(huán)境中，使用人的自然技能對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作，并獲得視聽摸等多種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知。相對(duì)于傳統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)以下三個(gè)方面:

1.1 沉浸感(Immersion)

沉浸感又稱臨場感，是指用戶作為主角置身于計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中所感受到的真實(shí)程度，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)使用戶難以辨別其場景是真實(shí)空間還是虛幻空間，將其融入虛擬場景中，由觀察者變?yōu)閰⑴c者，能夠全身心地投入。

1.2 交互性(Interaction)

交互性是指參與者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場景中物體的可操作程度以及從虛擬環(huán)境所得到的反饋的自然程度和實(shí)時(shí)性等。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就在于它與用戶的直接交互性，摒棄了傳統(tǒng)的“以計(jì)算機(jī)為主體”的思想，確立了人在信息環(huán)境中的主體地位。

1.3 構(gòu)想性(Imagination)

構(gòu)想性是指在虛擬現(xiàn)實(shí)世界如何開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用并尋找合適的場景和對(duì)象，以充分發(fā)揮人類的創(chuàng)造力和構(gòu)想性。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的沉浸性、交互性和構(gòu)想性三大特性，為用戶提供了一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，通過用戶與虛擬環(huán)境之間各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度的方便用戶的操作，減輕用戶負(fù)擔(dān)，使得參與者能在虛擬環(huán)境中做到沉浸其中，超越其上，突出體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐中的優(yōu)勢

近年來，社會(huì)對(duì)高校畢業(yè)生的要求更多的體現(xiàn)在實(shí)踐能力的職業(yè)化和技能化方面。為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求，各高校教學(xué)體系中也更突出了學(xué)生綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)踐教學(xué)得到了高度重視。然而目前，國內(nèi)外的實(shí)踐類教學(xué)大多在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，既耗費(fèi)成本，又有時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)條件上的限制，缺乏靈活性，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

在此背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)踐教學(xué)模式的完善和創(chuàng)新開創(chuàng)了新的契機(jī)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅可以真實(shí)的展現(xiàn)三維空間信息，并提供視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等各種感官的反饋信息。同時(shí)，它能使用戶與虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象進(jìn)行直接自然地交互，以各種方式參與事件的發(fā)展變化過程，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)和實(shí)踐環(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。在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:

2.1 立體化、多視角呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容

以往，教學(xué)信息多是以文字、圖片、視頻、動(dòng)畫等形式呈現(xiàn)，學(xué)生受視角的限制，缺乏立體感且略顯單調(diào)、乏味。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維仿真特性，我們可以將教學(xué)內(nèi)容以三維模型的方式進(jìn)行立體化多視角的呈現(xiàn)，使學(xué)生以真實(shí)世界的感受完成學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。以醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)為例:人體解剖圖譜一直是學(xué)習(xí)和識(shí)別人體特征結(jié)構(gòu)的主要工具。以往的人體解剖圖大多是以3D形式描繪的插圖或是一些實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)的圖片，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成數(shù)字化的人體解剖圖譜，能讓使用者在沒有任何外界干擾的情況下自由地觀察和移動(dòng)解剖結(jié)構(gòu)，更快捷地學(xué)習(xí)和了解解剖信息。

2.2 彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件的不足，節(jié)約實(shí)踐教學(xué)成本

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)于一些需要貴重設(shè)備的實(shí)驗(yàn)，購置及維護(hù)費(fèi)用是一筆不小的支出。甚至可能出現(xiàn)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴或者儀器老化沒有及時(shí)購置和補(bǔ)充等實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的原因而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法順利開展的情況，很大程度地影響了學(xué)生實(shí)踐操作能力的提高。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)可以很好的解決這一問題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)我們可以構(gòu)建數(shù)字虛擬設(shè)備供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而大幅度的減少設(shè)備的購置和維護(hù)費(fèi)用，顯著節(jié)約實(shí)踐教學(xué)成本。

2.3 突破時(shí)間和空間的限制

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，需要實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)備等支撐，同時(shí)，在時(shí)間和空間上有很大程度的限制，由于時(shí)間沖突和空間限制等條件，使得實(shí)踐教學(xué)不能隨意進(jìn)行，故而會(huì)影響實(shí)踐教學(xué)效果。如果使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室則可以徹底打破時(shí)間和空間的限制，提高實(shí)踐教學(xué)效果。如在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中學(xué)生可以深入觀察宇宙天體的結(jié)構(gòu)，還可以將一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生觀察。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，生活中用果蠅做實(shí)驗(yàn)往往需要數(shù)月，然而使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在一堂課內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)。

2.4 遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)傷害，降低安全隱患

在傳統(tǒng)的實(shí)踐模式中，往往采用播放電視錄像的方式來代替一些危險(xiǎn)的或者可能危害到人體健康的實(shí)驗(yàn)。這種方式下學(xué)生無法通過直接參與實(shí)驗(yàn)來獲得感性認(rèn)知。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生則可以免除這種顧慮，在計(jì)算機(jī)所構(gòu)建的虛擬才場景中放心地完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)，從而豐富感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。例如:虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒和爆炸對(duì)人類所造成的傷害。

2.5 創(chuàng)設(shè)人性化學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)決定了其更注重用戶與虛擬環(huán)境之間的相互作用，在實(shí)踐中，它可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，同時(shí)虛擬技術(shù)提供的優(yōu)良的交互性使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供必要的反饋。學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中是一個(gè)主動(dòng)的觀察者，他可以通過不斷進(jìn)行探索、分析、判斷和總結(jié)等思維活動(dòng)與虛擬環(huán)境之間進(jìn)行交流與溝通來獲得認(rèn)知，為學(xué)生提供通過自身與信息和環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加強(qiáng)其在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的思考和創(chuàng)新能力。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用

“多媒體計(jì)算機(jī)的構(gòu)成與組裝”教學(xué)內(nèi)容專業(yè)性極強(qiáng)，對(duì)于教育技術(shù)或計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來講是必備的知識(shí)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)一般采取兩種方法進(jìn)行:其一，把計(jì)算機(jī)硬件拿到課堂上展示;其二，讓學(xué)生以小組形式在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件的認(rèn)識(shí)與組裝實(shí)驗(yàn)。上述兩種方法都存在弊端:第一種方法硬件展示缺少立體感，學(xué)生受視角的限制，不能全方位了解硬件;第二種方法耗費(fèi)資源，受教學(xué)單位實(shí)驗(yàn)資源的限制嚴(yán)重。針對(duì)上述傳統(tǒng)教學(xué)存在的弊端，我們研發(fā)了多媒體計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，如圖1所示。

在多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中我們對(duì)顯示器、機(jī)箱、外設(shè)等設(shè)備進(jìn)行了三維建模，用戶可以使用在場景中使用W鍵(應(yīng)向前走)、A鍵(向左轉(zhuǎn))、S鍵(向后走)、D鍵(向右轉(zhuǎn))進(jìn)行漫游。在漫游過程中，通過用鼠標(biāo)點(diǎn)選擺放的設(shè)備可以查看該設(shè)備對(duì)應(yīng)的模型，如圖2所示。建模過程是基于3dsmax技術(shù)，將實(shí)際的硬件設(shè)備按比例縮放進(jìn)行的。模型應(yīng)用了高光，金屬材質(zhì)，渲染貼圖等大量特效，使模型看上去更加的真實(shí)和直觀，使用戶體驗(yàn)到一個(gè)高仿真的虛擬環(huán)境。

圖1 多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)室

圖2 主板模型

同時(shí)，系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)置了游戲教學(xué)模塊，本游戲設(shè)置了5道游戲關(guān)卡，分別是正確識(shí)別多媒體計(jì)算機(jī)硬件;為每種硬件選擇正確的功能解釋;將正確硬件模型拖放到其相應(yīng)的功能說明處;在主板上正確插入各種硬件;完成多媒體計(jì)算機(jī)組裝。通過這5道由易到難的游戲關(guān)卡設(shè)置加深學(xué)生對(duì)于多媒體計(jì)算機(jī)的硬件及其功能的了解，同時(shí)幫助學(xué)生熟練掌握多媒體計(jì)算機(jī)的組裝過程。

在多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，不僅學(xué)生可以多角度、全方位審視計(jì)算機(jī)硬件，同時(shí)還可以以游戲的方式組裝多媒體計(jì)算機(jī)，不僅增強(qiáng)了教學(xué)效果，節(jié)約了教學(xué)成本，更實(shí)現(xiàn)了寓教于樂的教學(xué)境界，極大程度上激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性，提升了實(shí)踐教學(xué)品質(zhì)。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐中有著極其廣闊的應(yīng)用前景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，以及硬件設(shè)備價(jià)格的不斷降低，我們有理由相信，與多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并駕齊驅(qū)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種全新的交互媒體，必將以其自身強(qiáng)大的優(yōu)勢和潛力在實(shí)踐教學(xué)中受到越來越多的重視和青睞。

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