浅谈虚拟现实技术在教育领域的应用

浅谈虚拟现实技术在教育领域的应用

东北师范大学计算机学院 2014级教育技术系王鹏 2014012016【摘要】本文旨在简要介绍虚拟现实技术（含增强现实等分支技术）的定义及其发展现状，通过理论陈述、历史发展及部分实例进行分析，着手于软硬件两方面，结合其他领域中已有的优秀实例，对虚拟现实技术在教育领域的应用提出部分建议。

【关键词】虚拟现实增强现实三维技术教育软件开发

现代社会的电子信息技术自从计算机诞生以来就得到了飞速发展，人们不满足于二维平面等级的人机交互界面，开发了一系列帮助人们进行多元化人机交互的辅助工具。输入设备从最传统的键盘、鼠标，发展到今天的触摸板、眼球测位仪、语音识别，输出设备也从简单的显示屏、扬声器发展出各种形态。在硬件设备进化的同时，人机交互的“内容”即软件与信息层面也发生着急速变化。从最初的二进制数字到后来的命令提示符字符串，再到后来的桌面化操作系统及多媒体声像，时至今日人们已经掌握了足够顶层的技术以使用计算机来模拟日常所见的真实场景，而这种技术的代表作之一、同样也是未来信息技术领域最有发展前景的技术之一，就是虚拟现实技术。

一虚拟现实综述

虚拟现实（Virtual Reality，后文或简称VR）的定义目前为止依然众说纷纭，笔者较为认可的定义如下：一种可供创建并体验高度拟真的虚拟世界的计算机仿真系统。用来实现VR系统的技术被称为VR技术。何谓高度仿真呢？目前为止在技术层面能达到的、符合人们日常生活中实际体验的标准包括如下几个方面：

1 真实性

真实性是VR技术的主要目标。VR旨在用计算机构建真实世界以让用户获得拟真体验，生成的虚拟物件一般要高度仿照真实世界的尺寸、材质等，能够做到静物的“以假乱真”，相应的运动规律也要按照真实世界设置参数，如重力加速度或化学反应速率等，使得它们在变化时看起来仍不失真。

2 交互性

一般来说，交互性是指用户对虚拟世界中物体的可操作程度，和从自然环境中得到信息反馈的程度。计算机系统中生成的虚拟世界不可能仅接受工作人员输入的基本建模参数，也应当接受来自用户的实时输入信息，并给出相应的反馈。例如，用户可以通过特殊的控制器（如摇杆、特制键盘）、体感装置（如传感服、眼球测位仪）以及语音等向系统发送指令，相应地也就要求系统为用户提供多元化的输入接口，输入模式也应当尽可能贴近人类的自然活动。

3 沉浸性

沉浸性是指，用户在体验虚拟世界的时候，不光要体验到场景及运动规律的真实感，也应当同时意识到自己能够沉浸到虚拟世界中，而非一个世界之外的控制者、操作者。理想的VR系统应当以用户为第一视角构建，并能让用户产生真假难辨的感觉。

通过以上几种特征不难看出，想要真正实现虚拟世界的构建和用户体验，涉及到的技术是多种多样的。目前普遍应用在VR中的技术包括计算机图形学、激光或回声测位、声音合成及混响、传感器及触觉模拟等。

二虚拟现实在教育领域的应用

不难看出VR技术在传递信息方面是多媒体技术的一大突破。VR所传递的信息不仅仅是简单的图形、声音或者超文本，而是一系列实时生成的拟真声像信息、触觉和运动感知（未来还要加上嗅觉和味觉）等。VR最大的特点就是“身临其境”，这和教育原理中的“情景构建”理论不谋而合，因此将VR应用到教育领域也成为一个较为热门的研究方向。

早期的探索中，人们可以利用VR技术构建虚拟场景及理想实验，在输入参数后运行就可以观察演化过程，美国就曾有利用3D场景复现推翻传统火灾救援理论的实例，且成本相比真实的火灾实验大为降低。而在现在，VR技术由于其高度拟真和不受时空限制的特性，可以为学习者提供各种各样的虚拟场景供他们细致观察，甚至投入其中进行实验或操作。

下面列举了几种典型的VR在教育领域的应用：

1 VR训练场和实验台

顾名思义，VR训练场和实验台就是在虚拟世界中构建出实验场所来供学习者进行活动与操作。由于操作对象从实际存在的物体变成了虚拟世界中的模型，允许操作方式会随着教学设计者的设计精细程度而增加或者减少（一般是减少），设计者可以给出较为精简的操作流程提示告知学习者应当怎样控制和处理“眼前”的对象。同时，即使学习者由于失误导致实验失败，也不会造成实际的财产损毁甚至生命危险，是一种相对安全的训练方法。例如，我们可以在3D实验室中进行制造TNT并试爆的化学实验。由于真实世界中的一些操作要根据操作对象的力的反馈（严格来说是除声光形式以外的反馈）获取信息，对硬件就提出了一定要求。现在已经投入应用的力反馈装置包括内置振动器的手套、外形仿真的笔等装置。

2 科技研究与模拟观测

这种应用主要是上一种应用的改版。相比高度的可操作性，科技研究与实验观测更注重让用户观察到更多更精确的有效数据以供后续分析或使用。因此，这种应用重在以高度拟真的方式，将一些难以观测的现象放到虚拟世界中，让用户以更为舒适便捷的视角或时间测度进行观测，相应地也要由系统给出真实实验中应当观测到的数据。例如，我们可以利用VR 系统重建某次天体碰撞的场面及数据分析。这种应用对硬件设备的要求不高，主要还是对计算机系统的运算能力提出了要求。

3 虚拟校园

“不出门便知天下事”在前互联网时代已经开始逐步实现，而VR系统将赋予这句中国古谚以更新的内涵。相比传统的主要提供音视频及超文本内容的远程教育系统来说，若能用VR系统构建高度仿真的校园，我们就可以克服由于交互性或互动性不足所带来的一系列问题。世界各地的师生可以使用VR校园的软硬件客户端，通过互联网链接到同一个虚拟校园中，像真实处在相同地理位置的学生一样进行他们早已适应的学习活动。

综合上述实例，我们可以看到VR系统在教育领域的应用前景有多么广阔。然而技术本身的发展还不足以创建完全拟真和完全沉浸的虚拟现实世界，VR技术的一些缺点和问题将在下面的章节讨论。

三虚拟现实系统的一些不足和发展期望

出于计算机硬件和人体生理系统之间的诸多不兼容特性，人们必须开发一系列的输入/输出设备供人机之间的信息编译，即使到了现代也是如此。VR技术想要模拟人与真实世界的信息交互，需要为不同种的人类体感分别定制相应的软硬件。

最传统的视觉和听觉设备在PC机出现时已经算作可以大规模普及了的。人类通过肉眼观察显示屏上的实时3D动画，通过耳朵听取耳机中的立体声，这两种形式也符合VR的定义，并且也可以达到较好的拟真效果。现在普遍流行的3D游戏都是通过显示屏和立体声耳机两种输出设备向用户反馈信息的。时至今日，视觉反馈已经可以挣脱屏幕的限制，转移到头戴式显示器或3D眼镜等设备上。乍一看这些设备只不过是将显示屏戴在头上放到眼前，其实里面还隐藏了更多技术，比如运动传感器可以实时追踪使用者的头部运动状况，眼球测位仪可以跟踪使用者的目光注视方向，通过各种方式收集到的会影响使用者在真实世界中产生视觉感受变化的信息被传递到图形处理器中进行运算，生成在头戴式显示器中的图像给人的感觉就更为真实。

人对自然界有视听触味嗅五种感觉，后三种是较难通过硬件设备模拟的。在本文之前的举例中提到通过振动模拟触觉的方法，但毕竟振荡器无法完全模拟力的反馈，因此不是一种理想的解决方案。触觉直接和身体的运动接触有关，因此想要达到高度拟真的运动控制及受力反馈，最好的方案依然是将人体的实际动作传递到虚拟世界中去。实现这一需求的输入设备包括体感服等，但仍很难解决输出即受力反馈问题。有人提出这样的设想，在覆盖全身的体感服内侧额外加装生物电极，通过电信号直接刺激神经以模拟触觉，在将来也许可以投入使用。味觉和嗅觉系统的实现原理较为简单，直接在空气中或口腔中释放相应的化学物质即可，当然，这对化工合成产品的毒性等提出了要求，而且这些物质都属于消耗品范畴，需要定期补充。

还有一些问题涉及到较为复杂的生物学或电子技术原理，诸如视觉对焦、动态模糊和景深之间的关系，体感重力和视觉运动之间的关系处理等，这些问题读者可参阅相关文献以进一步明确。