趙階晨,方凌霄

（黃山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽省屯溪一中，安徽 黃山 245000）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代教育中的應(yīng)用

趙階晨,方凌霄

（黃山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽省屯溪一中，安徽 黃山 245000）

簡要介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的歷史過程，對虛擬現(xiàn)實涉及到的相關(guān)技術(shù)構(gòu)成和原理進行了簡單的陳述,重點介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬實驗室、虛擬教學(xué)、虛擬數(shù)字化校園中的應(yīng)用，說明了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中具備很大的優(yōu)勢，并展望了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在未來教育領(lǐng)域中的影響。

虛擬現(xiàn)實；特征；V R技術(shù)構(gòu)成；教育

一、引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Vi rtualReal i ty，簡稱VR）是利用計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)生成模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中；在這個空間中每個事物的活動規(guī)律與現(xiàn)實中完全一樣，進入其中的人還可以對這個空間加以控制和影響，反過來這個虛擬空間的事物也會對進入其中的人產(chǎn)生影響。

二、VR技術(shù)的發(fā)展歷史

1965年，Sutherl and在《終極的顯示》論文中第一次提出圖形的交互顯示（Graphi c Interacti veDi spl ay）、力反饋設(shè)備（Force Feedback Devi ces）及聲音指示的VR系統(tǒng)的三個基本思想。1966年，美國麻省理工學(xué)院的Li ncol n實驗室開始研制頭盔式顯示器(H M D)，在第一個頭盔式顯示器的完成后，研發(fā)者又在系統(tǒng)中加入力量及觸覺的力反饋模擬裝置，到1970年，第一個功能比較齊全的頭盔式顯示器系統(tǒng)出現(xiàn)了。80年代，美國的賈朗·拉尼爾（J aronLani er）在前人所取得的一系列成就的基礎(chǔ)上，正式提出“虛擬現(xiàn)實（Vi rtualReal i ty）”這一概念。同一時期，美國宇航局及美國國防部組織了一系列關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了矚目的成就。進入90年代，由于計算機的硬件技術(shù)水平不斷提高，軟件設(shè)計理論也在不斷改進，二者相互匹配，這使得利用大數(shù)據(jù)集合下的音像信息制作實時動畫變成了可能。進入二十一世紀，互聯(lián)網(wǎng)推廣普及、計算能力大幅提升、3D建模技術(shù)出現(xiàn)，這大幅提升虛擬現(xiàn)實體驗，使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)向商業(yè)化和平民化的方向發(fā)展。

三、VR技術(shù)的構(gòu)成原理

虛擬現(xiàn)實是多種技術(shù)的綜合，所包括的技術(shù)種類很多，這其中又有多個分支，對于不同類型的個體還要涉及與之相關(guān)的學(xué)科。對此在國外也未能嚴格細致地加以劃分與確定，但公認的基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)成主要有人機接口技術(shù)、模擬仿真技術(shù)、真實存在技術(shù)3個方面。

人機接口技術(shù)就是人與計算機相互影響與控制的技術(shù)，它是實現(xiàn)VR的關(guān)鍵。我們常用的鼠標、鍵盤、顯示器其實就是一種人機接口設(shè)備。70年代發(fā)明的數(shù)據(jù)手套、80年代出現(xiàn)的內(nèi)置立體顯示裝置的數(shù)據(jù)頭盔和手寫輸入板、語音識別都是高一級的人機接口設(shè)備。參與者與虛擬世界的交互過程如下：參與者借助可穿戴設(shè)備（例如數(shù)字頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)字衣）為計算機提供輸入信號，這些可穿戴設(shè)備上配有傳感器及空間三維跟蹤系統(tǒng)，VR軟件接收到這些輸入信號后，通過虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫加以解釋，并對其作必要的更新。參與者轉(zhuǎn)換新視點后，當前的虛擬環(huán)境將發(fā)生變化，變化后的三維場景的圖像及相關(guān)信息（如觸覺、聲音、力反饋等）將立即傳送到對應(yīng)的輸出設(shè)備（數(shù)據(jù)手套、耳機、數(shù)字頭盔等），使得參與者能夠?qū)崟r獲得各種感官上的虛擬效果（如圖1所示）。

圖1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)成

模擬仿真技術(shù)是影響VR效果好壞的重要因素。我們要模擬一個人的動作時，肯定會分析這個人做這個動作的特點，然后按這個特點去模仿。模擬仿真技術(shù)直接影響計算機在模擬方面的能力。在計算機模擬領(lǐng)域里，仿真數(shù)字模型是關(guān)鍵的技術(shù)，模型建得越好、越細致，將意味著對原體的模擬越真實。

們真實存在技術(shù)也稱之為沉浸技術(shù)，為了通俗一點，暫將其命名為真實存在。這是VR對人產(chǎn)生影響的關(guān)鍵之處。它包括聲音、圖像和對人體其它感官的刺激，因為這些是人類對所處環(huán)境的最真實的認識和感受。很明顯，它包括了尖端的多媒體數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這些數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量與快慢和計算機的水平是息息相關(guān)的，因此真實存在技術(shù)的發(fā)展是與計算機的發(fā)展緊密相連。

四、VR系統(tǒng)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛，目前在游戲、電影、直播等藝術(shù)娛樂領(lǐng)域占據(jù)主流，在教育與培訓(xùn)方面也有大量應(yīng)用，其次是軍事航天訓(xùn)練，商業(yè)VR購物，醫(yī)學(xué)人體解剖等。現(xiàn)今，VR技術(shù)正在越來越多的應(yīng)用于各行各業(yè)。教育，是人類社會前進與發(fā)展的重要動力，將現(xiàn)代信息技術(shù)融入現(xiàn)代教育中，是教育發(fā)展的趨勢。因此，將新穎的VR技術(shù)引入現(xiàn)代教育后，要求開拓出與之相適應(yīng)教學(xué)模式，對于學(xué)生更高效、更主動地掌握各類技能至關(guān)重要。針對于教育領(lǐng)域來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能將三維空間的景物清楚的表示出來，能使學(xué)習(xí)者自然、直接地與虛擬環(huán)境中的各種對象進行交互，并通過多種形式參與到事件的變化發(fā)展過程中去，從而獲得最大的操作和控制整個環(huán)境的自由度。這種呈現(xiàn)信息多維度的虛擬學(xué)習(xí)和培訓(xùn)環(huán)境，將為參與者以最有效、最直觀的方式掌握一門新技能、新知識提供前所未有的新途徑。因此，該項技術(shù)的發(fā)展在很多培訓(xùn)與教育領(lǐng)域，諸如虛擬實驗室、專業(yè)領(lǐng)域的訓(xùn)練、立體觀念、虛擬教學(xué)、仿真實驗、虛擬數(shù)字化校園等應(yīng)用中，具有明顯的優(yōu)勢和特點。

（一）建立虛擬實驗室

由于VR技術(shù)能夠創(chuàng)建出與現(xiàn)實實驗類似的虛擬實驗環(huán)境，這解決實驗過程中的情景化及自然交互性的要求，因此較早被歐美一些主要國家應(yīng)用于建立虛擬實驗室領(lǐng)域。1985年，美國國立醫(yī)學(xué)圖書館就開始了人體解剖圖像數(shù)字化研究。隨后，德國的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動化實驗室、意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠程虛擬教育實驗室、新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠程示波器實驗和壓力容器實驗等。2016年英國外科醫(yī)生沙菲·艾哈邁德借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)向世界直播一臺由自己操刀的癌癥手術(shù)，這也是全球首次實現(xiàn)用虛擬現(xiàn)實身臨其境般“圍觀”的手術(shù)。國內(nèi)的清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校利用VR技術(shù)開發(fā)創(chuàng)建了虛擬儀器庫，在次基礎(chǔ)上構(gòu)建了一系列虛擬實驗系統(tǒng)，并將其虛擬實驗室用于教研，取得了很好的效果。通過虛擬實驗室的建立首先能夠避免在真實實驗過程中由于操作失誤所導(dǎo)致的各種危險。例如，虛擬的汽車駕駛教學(xué)，可免除學(xué)生操作失誤而產(chǎn)生的意外事故。虛擬的飛機駕駛系統(tǒng)，不會造成飛機墜毀事故。其次利用VR技術(shù)，可以創(chuàng)建多種多樣的技能訓(xùn)練場景，并且訓(xùn)練可以重復(fù)進行，直到操作熟練為止。此外虛擬實驗室的建立大大減少教育經(jīng)費的投入，緩解教育單位資金不足的困難，節(jié)約了各種實驗原材料，減少資源的浪費。

（二）虛擬教學(xué)

現(xiàn)今，信息技術(shù)不斷發(fā)展，也快速推動著教育方法的不斷進步。對教育內(nèi)容的表現(xiàn)手段，教學(xué)過程的交互形式也越來越豐富有趣。由于VR技術(shù)能將教學(xué)內(nèi)容生動形象地表現(xiàn)出來，優(yōu)化了整個教學(xué)過程，有效地營造一個跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識、技能的效率，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量、突破教學(xué)的重點、難點的作用。與此同時，VR技術(shù)較真實地再現(xiàn)了協(xié)作學(xué)習(xí)、情景化學(xué)習(xí)，還結(jié)合了游戲等益智手段，有效解決了許多以前無法解決的教育問題。例如，采用VR技術(shù)進行教育教學(xué)活動，可在實現(xiàn)人與機器的交流、通過網(wǎng)絡(luò)進行人與人之間交流的同時，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠在某種程度上實現(xiàn)寓教于樂，進而為更高效地創(chuàng)建合作學(xué)習(xí)情景，促進真實交流構(gòu)建良好渠道。

（三）虛擬數(shù)字化校園

隨著網(wǎng)絡(luò)教育的深入，人們對現(xiàn)有的校園網(wǎng)站提出了新的要求，已不僅僅局限于對校園環(huán)境的圖片式瀏覽，采用VR技術(shù)創(chuàng)建網(wǎng)上虛擬可視化校園呼之欲出，實現(xiàn)教務(wù)、教學(xué)、校園生活的三維虛擬化空間。利用網(wǎng)絡(luò)，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為遠程教育平臺，建立一個完整的、真實的、互動的、情節(jié)化的虛擬校園體系，實現(xiàn)分布式虛擬校園系統(tǒng)，可為高校擴招后設(shè)置的分校區(qū)和遠程教育教學(xué)點提供可移動的虛擬教學(xué)場所，對各個終端提供公開的、遠程的虛擬教學(xué)，還可為眾多的社會人員提供高等職業(yè)培訓(xùn)的機會，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟與社會效益。建設(shè)數(shù)字化虛擬校園，需要的多媒體數(shù)據(jù)超高速傳輸，采用分布式與并行技術(shù)對海量的數(shù)據(jù)進行存儲與處理。通過這些技術(shù)的應(yīng)用進一步提高了學(xué)校信息化建設(shè)的步伐?？傊摂M數(shù)字化校園能為教育技術(shù)專業(yè)化隊伍提供一個高起點的科研環(huán)境，促進教育技術(shù)的建設(shè)更上一個新的層次，讓我們感受到全方位的教育。

五、對未來的展望

《“十三五”國家信息化規(guī)劃》將虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為國家重點工程放在超前發(fā)展的戰(zhàn)略位置，鼓勵各行業(yè)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行創(chuàng)新發(fā)展。在教育領(lǐng)域中更應(yīng)抓住機遇，大力促進虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用。當前以信息技術(shù)為背景的現(xiàn)代教育，具有一定的局限性，例如教師利用信息技術(shù)設(shè)計好教學(xué)過程后，學(xué)生根據(jù)電腦中設(shè)計好的程序流向進行學(xué)習(xí)，所有的交互都固定下來，沒有變化，這就降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與性與主動性。而VR技術(shù)通過模擬現(xiàn)實社會的環(huán)境，解決了學(xué)習(xí)過程中的情景化、高自由度交互性的要求，使人可以從特定的集成虛擬綜合環(huán)境中，獲得對客觀世界和事物的感性與理性認識，進而學(xué)習(xí)者對某些知識進行深化，并構(gòu)建出新的創(chuàng)新意識。從而完美彌補了多媒體技術(shù)的不足。因此，如果將虛擬現(xiàn)實技術(shù)有機地融合到現(xiàn)代教育中，這會極大的縮小現(xiàn)代教育與當前社會學(xué)習(xí)需求之間的差距，必將對未來的教育產(chǎn)生深遠影響。

[1]什么是VR虛擬現(xiàn)實[DB/OL].http：//blog.sina.com.

[2]方東菊.淺談虛擬現(xiàn)實[J].科技展望,2016,（18）：303

[3]國務(wù)院.“十三五”國家信息化規(guī)劃[DB/OL].http：//news. sohu.com/20161227/n477114271.shtml.

[4]肖桂華,周燁.實施科技創(chuàng)新平臺戰(zhàn)略共迎2016虛擬現(xiàn)實元年-中國虛擬現(xiàn)實與可視化產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事會側(cè)記[J].中國科技產(chǎn)業(yè),2016,（02）：115-117.

[5]楊雪萍.基于unity3D的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].上海：上海師范大學(xué),2015.

[6]田茵.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù),2013,（27）：123-124.

TP391

A

1671-5993（2017）01-0064-03

2016-12-30

趙階晨（1974-），男，江蘇徐州人，黃山職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士；方凌霄（1998-），男，安徽歙縣人，安徽省屯溪一中高三（11）班學(xué)生。