虚拟现实技术在教学领域中的应用

虚拟现实技术在教学领域中的应用1虚拟现实技术在教学领域中的应用喻泉（北京林业大学信息学院数媒14-2班140844220）摘要：虚拟现实技术是计算机科技，是将编辑好的三维数据通过各种不同的传输途径呈现在人们面前的新兴科技。目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、影视制作、医学实习、建筑设计、军事训练、体育训练、娱乐游戏等许多领域。本文将主要从虚拟现实技术的特点以及它在教学过程中的应用两方面探析两者的结合。关键字：虚拟现实技术；教学媒体；变革；VirtualrealitytechnologyandapplicationinthefieldofeducationYU-quan(InstituteofInformation,BeijingForestUniversity,Digitalmediatechnologyclass14-2140844220)Abstract:VirtualRealityTechnologyisakindofcomputernewtechnology,whichconveystheeditedthree-dimensionaldatabydifferentwaystoshowtopeople.Nowadays,thevirtualrealitytechnologyhasalreadybeenwidelyusedinmanyfields,suchasaviation,film-making,medicine,architecture,military,sportsandentertainment.Intheeducationalarea,thevirtualrealitytechnologyhasmuchmoreeffect.Thistextismainlytoexplorethebasiccharacterofthevirtualrealitytechnologyanditsuseintheeducation.Keywords:VirtualRealityTechnology;EducationMedia;ReformSummarize;前言随着科学技术的迅速发展，新的教学媒体不断涌现，继多媒体之后，教育技术领域又出现了一个新型教学媒体，这就是虚拟现实技术（VirtualReality）。虚拟现实技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它利用三位图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境中的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感虚拟现实技术在教学领域中的应用2受和体会。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力。主动去交互与被动的观看，有质的差别。教育界的专家指出:崭新的技术会带给我们崭新的教育思维，解决了教学过程中以前无法解决的一些难题，讲给我们的教育带来一系列的重大变革。尤其在科技研究、虚拟仿真校园、虚拟教学、虚拟实验、教育娱乐等方面的应用更具有广泛性。一、虚拟现实技术的主要类型和基本特点（一）虚拟现实系统的主要类型（1）.桌面虚拟现实系统桌面虚拟现实系统是一套基于普通PC平台的小型虚拟现实系统。利用中低端图形工作站及立体显示器产生虚拟场景，参与者使用位置跟踪器、数据手套、力反馈器、三维鼠标、或其它手控输入设备实现虚拟现实技术的重要技术特征。（2）.沉浸式虚拟现实系统沉浸式虚拟现实系统利用头盔显示器将用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。（3）.分布式虚拟现实系统分布式虚拟现实系统是一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。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。在分布式虚拟现实系统中，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。（4）.增强式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统也被称之为混合现实。它是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，两种信息相互补充、叠加、并同时寸在于同一个画面或者空间中。其目的在于通过把计算机生成的虚拟对象与真实环境融为一体的方式来增强用户对真实环境的理解。（二）虚拟现实技术的基本特点（1）.沉浸性虚拟现实技术在教学领域中的应用3沉浸性是指计算机操作人员作为人机环境的主导者存在于虚拟环境中。多媒体技术虽然为人们提供了丰富多彩的信息表示形式，且使人与计算机可以交往，但是在交往过程中，人们只能从计算机外部去观察这些表现形式。而虚拟现实技术通过多维方式与计算机所创造的虚拟环境进行交互，使参与者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，产生身临其境的感觉，将人与环境融为一体，使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中参与者可以自始至终地发挥作用，就像在真正的客观现实世界中一样。（2）.交互性交互性是指操作人员对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，操作人员可以用手去直接抓取环境中的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动。（3）.多感知性多感知性是指由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动、觉得传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可以获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的效果。二、虚拟现实技术在教学过程中的应用优势（一）弥补远程教学条件的不足在远程教学中，往往因为实验设备、实验场地、教育经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。（二）避免真实实验或操作所带来的危险以往对于危险的或对人身体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验，则可以消除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的货危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧，爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成“病人”死亡的医疗事故，虚拟的飞机驾虚拟现实技术在教学领域中的应用4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。（三）彻底打破空间、时间的限制利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制，达到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。例如，学生可以进入虚拟发电厂内，考查发电机每个部件的工作情况以及每个部件之间的相互联系，了解整个发电过程，这是电视录像媒体和失误媒体所无法比拟的。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些虚拟现实技术可以在很短的时间内呈现给学生。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。（四）可以虚拟人物形象虚拟现实系统可以虚拟历史人物、伟人、名人、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使远程教育的学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流、讨论，共同探讨学习中的各种问题，进行写作化学系。再如，在思想品德课教学中，学生可以与虚拟的人物例如雷锋、孔繁森统治一起座谈、交流，通过先进人物的言行来感化学生，从而达到思想品德教育的目的。再如，在外语教学中，可以通过计算机虚拟学生到国外旅游的情境，让学生与人交谈，达到训练学生的目的。（五）促进数字化校园的建设虚拟现实技术所具有的超高速、多媒体的数据运输，大容量的数据存储，以及数据处理的分布式与并行化无疑是促进高校信息化建设的催化剂。它能为教育技术专业队伍提供一个高起点地科研环境，促进教育技术学的学科间和向更高层次发展。三、虚拟现实技术在教学方面中的应用：（一）知识学习知识学习是指学生利用虚拟现实系统学习各种知识。它的应用有两个方面：一是在实际生活中无法观察到的自然规律或事物的变化过程，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。例如，在学习地理知识时，通过虚拟现实系统，将学生带到北极去领略那里的自然风光；在学习物理知识时，利用虚拟现实技术，向学生展示如原子核裂变、半导体导电剂理等复杂的物理现象供学生观察学习。二是使虚拟现实技术在教学领域中的应用5抽象的概念、理论直观化、形象化，方便学生对抽象概念的理解，例如，学习加速度概念时，通过虚拟演示，让学生观察当改变物体的重力大小及方向时，加速度的变化情况，使学生加深对加速度概念的理解。（二）探索学习虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行模拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。例如，在虚拟的化学系统中，学生可以按照自己的假设，将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质。通过这种学习方式，学生很有可能研究出新的物质。利用虚拟技术，学生还可以进行温室效应的探索学习从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律；还可以进行电路设计的探索学习，从而研究出或设计出新的电路；还可以进行建筑设计方面的探索学习，从而研究出或设计出新的建筑物。利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。（三）虚拟实验利用虚拟现实技术，还可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室，在“实验室”里，学生可以自由地做各种实验。在虚拟物理实验室里，学生可做重力、惯性等实验；在虚拟的地理实验室里，学生可以看地震波传播、火山喷发等实验；在虚拟的生物实验里，学生可以做各种解剖实验；在虚拟的化学实验室里，学生可以利用各种化学药品和天平、砝码、温度计等工具，做各种不同的化学反应，观察燃烧、爆炸等反应现象。（四）技能训练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。利用虚拟现实技术，可以做各种各样的技能训练。例如军事作战技能、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。由于这些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：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，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就起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。虚拟现实技术在教学领域中的应用6三、结论与展望目前，人们将虚拟显示技术看作是仅次于互联网的改变世界未来的重要技术，认为它不但将改变人类从事科学研究、技术设计和生产实践的方式，而且为促进人的认识能力的全面发展提供了新的工具。尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟显示技术尚未能普及。但是，随着虚拟现实技术的不断发展、完善以及设备成本的不断降低，与网络技术、多媒体技术并驾齐驱的虚拟现实技术必将具有更加广阔的应用和发展前景。在教育领域更是如此。虚拟现实技术作为一个新型的教学媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，将会在教学过程中广泛应用并发挥重要作用。参考文献：[1]Kohsaka,Y.,Hashimoto,K.,Shibata,Y.,Katsumoto,M.FlexibleMultimediaLectureSupportingSystembasedonExtendedVirtualRealitySpace.InProceedingOfIEEE1999InternationalWordshopsonParalelPrecessing,614-619.[2]A.KunzandC.Spagno.”Simultaneousprojectionandpictrueacquisitionforadistributedcollaborativeenvironment.”InProceedingsofIEEEVirtualReality2002,pages279-280,20