基于虚拟现实技术的体验式教学研究

摘 要： 虚拟现实是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统，综合集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、并行处理、网络、传感和显示等技术，是现代教学中应用研究的热点。本文阐述了虚拟现实技术的基本内涵、主要特征及教学实践意义，探讨了虚拟现实技术在体验式教学中的应用形式。

关键词： 虚拟现实技术 体验式教学 交互性

虚拟现实技术诞生于上世纪80年代末期，它以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化并与使用者相互作用的三位世界，在视、听、触、摸等感知行为的逼真体验中，使参与者可以获得直接参与及探索虚拟对象在所处的环境中的作用与变化的感受。目前，虚拟现实技术已在娱乐、医疗、工程和建筑、传媒、军事模拟、教育和培训、科学和金融等方面获得了很好的应用。虚拟现实技术为人们提供了一种理想的教学手段。实践表明，将该技术应用于教学工作中，能形象生动地表现教学内容，为学生提供生动、逼真的学习环境；使学生成为虚拟学习环境的一名参与者，有利于调动学生的学习积极性；突破教学的重点、难点，提高学生掌握知识、技能的效率；对虚拟世界中的物体进行浏览和实时交互，使学生产生亲临真实环境的感受和体验。

一、虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是以计算机为主，融合了计算机三维图形技术、计算机仿真技术、多传感交互技术、显示技术、模拟技术、网络技术等多种高新技术的成果，通过计算机生成以视觉为主的、逼真的三维虚拟环境，向用户提供具有视觉、听觉和触觉等感知功能。一个虚拟现实系统一般由操作者、机器和人机接口三个基本要素组成。其中机器是指装有应用软件系统以生成用户能与之交互的三维虚拟环境的计算机；人机接口是把操作者和虚拟环境连接起来的传感与控制设备，包括位置跟踪器、传感手套、数据衣、立体鼠标、头盔显示器、立体显示器等。操作者当然是人类。

虚拟现实技术具有多感知性、沉浸性、交互性和构想性四个基本特征。

1.多感知性。所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。

2.沉浸性。其又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有身临其境的感觉。

3.交互性。指用户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。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且可以通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

4.构想性。强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可以再现真实存在的环境，而且可以随意构建客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

二、虚拟现实技术对体验式教学的意义

虚拟现实是人的想象力和电脑相结合而产生的一项综合技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它利用多媒体计算机仿真技术构成特殊环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互，从而体验比现实世界更加丰富的感受。基于虚拟现实技术的教学系统，是利用计算机技术和其他专用虚拟现实硬件、软件模拟逼真的教学环境，通过参与者与“模拟环境”的交互作用进行教学与学习，是一种双向交互式教与学的教学形式。它既不同于面对面传统面授教学，又不同于在应用印刷、广播电视和录音录像技术设计制作和发送课程材料的基础上开展的单向、非实时的远程教学。对于课堂教学和互动性实验教学都具有很好的实践意义。

1.重复再现日常体验环境。现实的体验环境的形成，取决于体验环境中各种构成因素的随机组合，例如任务、地点、时间的偶发等，而且这种体验环境与具有特定理解能力的体验主体——人的遭遇也有偶然性。所以，日常现实体验的发生具有随机性和不可重复性，是可遇不可求的。在虚拟现实技术中，体验环境是由计算机生成的虚拟环境，它是能使人产生身临其境感觉的交互式视景仿真。虚拟现实中的体验环境可以尽可能反映客观事物特点和自然发生过程的规律，能有效地再现日常体验环境，克服日常体验环境的随机性和不可重复性。同时，虚拟现实中的体验环境还可以创设虚拟情境，使虚拟现实中的体验具有可设计性、可操作性，从而可以更好地服务于获取特定技能和习得知识的体验目的。

2.体验范围获得延伸和拓展。现代科学技术还不能让人回到从前和到达未来，即使有也是科幻电影中的场景。由于受到时间和空间的限制，人类无法体验过去和未来，可见，现实体验受制于特定的时空约束。虚拟现实技术是可以突破这种时空界限的，它能使人们体验到在现实中无法体验到的东西。比如体验一个历史人物的内心活动，体验一场战争场景。将虚拟现实应用于飞行模拟，比驾驶一架真正的飞机还要逼真。因此，虚拟现实拓宽人类实践体验的范围，它容许我们“亲身”体验各种可能发生的场景。

3.允许在体验失误中总结提高。“吃一堑”才能“长一智”，经验的积累和技能的获取乃至知识的创新，常常是实践体验失误及由失误带来的不可挽回的损失的副产品。虚拟现实技术可以在某种程度上改变这种状况。虚拟现实允许人们出现各种错误，并从错误中寻找正确的知识，却不必付出现实的惨痛代价。虚拟设计和虚拟制造就是这方面的应用。为了避免汽车设计缺陷，可以利用虚拟的环境对汽车的外表、零部件、车门的开关及座椅等情况进行仿真处理，使得设计更合理，节约成本，缩短设计周期。

三、虚拟现实技术在体验式教学中的应用形式

体验式教学是指在教学过程中，根据学生的认知特点和规律，通过创造实际或重复经历的情境和机会，呈现或再现、还原教学内容，使学生在亲历的过程中理解并构建知识，发展能力，产生情感，生成意义的教学观和教学形式[2]。与传统的课堂教学比较，体验式教学具有自身特征。首先，体验式教学重视体验的独特价值，强调体验对学习的作用。其次，体验式教学关注教学过程及情感、态度的体验，教师要努力创设情境，让学生经历知识的产生与形成过程，进而既掌握知识，又形成知识以外的能力。再次，体验式教学能够充分表达意会性知识，意会性知识不能通过语言、文字或符号等进行逻辑表达，缺乏言传知识的“易传授性”特征，它不是通过理性进行反思，而是在感受中进行反思，因此体验式教学是意会性知识的最有效教学方式。

虚拟现实技术应用于体验式教学，有构建人性化交互学习环境、体验式虚拟教学平台、体验式虚拟实验等多种应用方式。

1.人性化交互学习环境。基于虚拟现实技术的交互式学习环境，能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生在虚拟环境中扮演一个角色，这对激发学习兴趣，调动学习积极性，提高想象力和创造力，突破教学重点，以及培养学生的综合技能都将起到积极的作用。应用虚拟现实技术，可再现实际生活中无法观察或体验到的自然现象及事物的变化过程，为学生提供丰富的感性学习材料。可以彻底打破空间、时间的限制，大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察探索，帮助学生解决学习中的难点。此外，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够全身心地投入到学习环境中，有利于提高学生的技能训练效率。

2.体验式虚拟教学平台。基于虚拟现实技术的体验式教学平台，给教师和学生提供了良好的教学、科研和学习环境，能够在教学全过程中实现各种形式的辅助教学，提高教学效率和教学质量。平台的建设应充分考虑不同对象的需求，使教师和学生能够在一定程度上根据需求，选定具体的目标、教学及学习的资源和方法。平台的设计要以学生为中心，有利于发挥学生的主动性和创造性。系统要简单实用，能够使教师在最短的时间内熟悉学生，能够使学生在进行辅助性学习时方便地找到所需要的资料。此外，设计时还需要考虑平台的全面性和可扩展性，能够涵盖教学的全部内容，采用模块化设计，达到可扩展的目的。

3.体验式虚拟实验系统。借助虚拟现实技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样体验实验过程，所取得的实验效果等价甚至优于在真实环境中所取得的效果。体验式虚拟实验系统作为一种新的改进和提高实验教学质量的方法，被应用到教学中，既可以开设传统实验教学中由于实验仪器缺乏或有危险性而不能开设的实验项目，丰富实验教学的形式，又可以降少实验教学投入，节约成本，给传统的实验教学注入新的活力。

参考文献：

[1]付长亮.虚拟现实技术简介[J].信息与电脑：理论版，2009（11）：60-61.

[2]辛继湘.试论体验式教学模式的构建[J].高等教育研究，2005，26（23）：64-68.

[3]周红杰.论促进学生体验的教学[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2006，19（6）：7-10.

[4]陈劲松.虚拟实验室在实验教学中的应用研究[J].大众科技，2010（3）：10.

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