浅谈虚拟现实技术在教育中的应用

浅谈虚拟现实技术在教育中的应用

摘要：虚拟现实技术是继多媒体技术、计算机网络技术之后，在教育领域内最具应用前景和比较受青睐的高新技术。随着社会的进步，科学技术的迅猛发展，虚拟现实技术迅速成熟与发展，目前已在许多领域得到广泛的应用。虚拟现实技术利用计算机生成一种模拟环境，并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互，为现代教育事业提供了一种全新的技术支持。

关键词：虚拟现实技术；教育教学；虚拟学习

引言

虚拟现实是一种由计算机生成的高技术模拟系统，它集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的发展成果。虚拟现实技术通过创建一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界，让人在视觉上产生一种沉浸其中的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检查周围的环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好的“融为一体”。教育是一个传授知识的过程，只有通过亲身经历才能能加速这一过程和巩固所传授的知识，为此而设计的一系列方法中，虚拟现实技术无疑是最有效的。虚拟现实技术能形象生动地表现表现教学内容，有效的营造一个跟随技术发展的教学环境，是学习者更直接、更容易理解教学者的教学思想和内容。

一、虚拟现实技术概述

虚拟现实，虚拟现实, 英文为Virtual Reality, 简称VR。又译作灵境、幻真是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。VR 是指利用三维图形生成技术、多传感交互技术、多媒体技术、人工智能技术、人机接口技术以及高分辨显示技术等高新技术, 生成三维逼真的虚拟环境。提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用, 用户从

定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识, 从而深化概念和建构新的构思和创意。

随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术已经出现了多样化的发展趋势，大体可分为桌面式、沉浸式、叠加式和分布式四类虚拟现实系统。虚拟现实系统主要由虚拟世界、VR软件、输入设备和输出设备构成。

虚拟现实技术的主要特征可概括为：

1.实时交互性(RealTime Interactive)

指参与者通过使用专门设备，用人类的自然技能实现对模拟环境的考察与操作的程度。例如用户用手抓取虚拟环境中的物体，用户会有抓取东西的感受，可以感受到物体的重量，被抓取的物体会随着手的移动而移动。

2.多感知性(Multi-Sensation)

虚拟现实具有多种感知的能力，如视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、嗅觉感知等，借助这些感知，人处于虚拟环境中可以产生真实的体验。

3.存在感(Presence)

指使用者作为主角存在于虚拟环境中感受到的真实程度。存在感的产生与虚拟现实的多感知能力相互联系，感知能力的增强可以使用户产生更加逼真的存在感。在虚拟环境中，看上去是真的、听起来是真的、动起来也是真的，一切感觉都是逼真的。用户觉得自己是虚拟环境中的一部分，而不是旁观者。他感到被虚拟景物所包围，可以在这一环境中左顾右盼，自由走动，与物体相互作用，如同在已有经验的现实世界中一样。

4.自主性(Autonomy)

指虚拟环境中物质主要依据物理定律动作的程度。虚拟物体在独自活动、相互作用或在与用户的交互作用中，其动态都要有一定的表现，这些表现或者服从于自然规律，或者遵循设计者想象的规律。

二、虚拟现实技术在教育领域中的应用

虚拟现实技术在知识传授的过程中，有着不可替代的、令人鼓舞的应用前景，因为它允许学生与现有的各种信息发生交互作用，学生可以在仿真过程中经历不同的时间和空间、可以与各种仿真物体接触、还可以与虚拟境界的各个部分接触，其科目范围可以从历史到科学。在教学模式方面，有利于情境创设和大量知识的获取与保持；在教学手段方面以一种直接的信息传递方式，提供直观形象的思维材料；在教学内容方面，用文字、语音和三维实景虚拟现实过程协同描述；应用非常广泛。

1.理论依据

（一）认知理论

认知——发现学说认为发现学习过程中的直觉思维同他的行为把握——图

像把握——符号把握的认知发展阶段理论紧密联系在一起。直觉思维通常采取图像的方式进行，不受时间顺序和逻辑顺序的束缚，可以同时一览无余地把握构成和各种要素。另外，直觉思维大多是图像把握或图像之前的情绪性感知，是难以言传的，具有非语言的性质，因此直觉思维可以先于分析思维对事物进行认知，在发现中起到逻辑分析思维所不能起到的作用。根据这个理论，虚拟现实应用于教育教学时可以给学习者在虚拟系统中提供大量逼真的图像信号刺激，把用语言难以描述的东西栩栩如生地展现在学习者面前，给予学习者大量直觉思维的感知。

（二）建构主义

建构主义为虚拟现实在教育中的应用提供了最好的理论基础，建构主义认为，知识的建构来自个人体验。虚拟现实的沉浸性去除了参与者与计算机之间的界限，为个人了解世界创设了一种体验，有助于材料的学习。虚拟现实为学生进行非符号系统的学习创设环境，从而避免学生学习建立在符号系统的学科学习时失败。

（三）模拟法则

模拟法则中有一类物理模拟——以模型与生活原理之间的物理、化学机理相似为基础的模拟方法，是虚拟现实与教育结合的主要理论依据。通过设计与原型（自然现象或过程）相似的模型，并利用该模型来间接地研究原型规律模拟一些尚无简单有效的仪器可以演示的实验，模拟一些不易观察或不能从外部直接观察

其内部状态规律的系统，重视稍纵即逝差点自然现象或过程。使学习者如同感受真实世界一样，为其提供直观、有效的交互，使之能从空间和现象的内部角度来观察物体，更好地理解所掌握获得的信息，提高抽象思维能力。

2.虚拟现实技术在教育中的应用

虚拟现实技术为学习者和教学者提供了丰富的学习资源以及选择学习材料

和学习方式的机会。利用虚拟现实技术，教师和学生一起经历虚拟环境，观察一些关键性问题，还能让学生自己“进入其中”进行详细观察，大大提高了学生的理解能力和掌握能力，同时也提高教学质量。

（一）虚拟实验室

所谓虚拟实验室，就是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境，供学生观察与操纵其中的对象，使他们获得体验或有所发现。虚拟现实实验室是由虚拟现实技术创造的一种虚拟环境。在这个环境中，学习者有逼真的感觉，似乎是在真正的实验室里近距离进行现场操作。虚拟实验室的真正实现，将彻底解决了遗忘远程教育模式中理论教学的远距离性和实验教学的近距离之间的矛盾，使整个教育完全远程化和真实化。

（二）虚拟仿真校园

虚拟校园是虚拟现实技术与网络与教育最早的具体应用。随着网络时代的来临，网络教育迅猛发展，尤其是宽带技术大规模应用的今天，国内一些高校已经开始逐步推广、使用虚拟校园模式，展示高校教学设施、宣传校园学习环境。但由于缺乏全面的考虑和大胆的尝试，的实际用途比较单一，目前三维虚拟化校园的建设还没有达到虚拟化校园生活的程度，模拟、仿真校园的教学环境需要多方面的努力，真正意义上的虚拟化校园还有待进一步提高。

（三）特殊教育

在虚拟现实技术的帮助下，残疾人能够通过自己的形体动作与他人进行交流。在高性能计算机和传感器支持下，残疾人戴上数据手套，就能将自己的手势翻译成讲话的声音；配上目光跟踪器后，就能将眼镜的动作翻译成可识别的信息；等等。