一、虛擬現(xiàn)實
　　
　　虛擬現(xiàn)實 (Virtual Reality)，簡稱VR，是90年代在計算機領(lǐng)域集合計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、并行實時計算技術(shù)、人工智能、仿真技術(shù)等多種技術(shù)的最新發(fā)展成果，生成的一種高技術(shù)模擬系統(tǒng)，具有實時交互性、多感知性、存在感和自主性等特征。
　　目前，虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)技術(shù)有純軟件模擬和軟硬件結(jié)合兩種，均是以模擬方式為使用者創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖像環(huán)境，使參與者在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗中，直接參與、探索虛擬對象在所處環(huán)境中的變化，從而產(chǎn)生置身于虛擬世界中的體驗。
　　虛擬現(xiàn)實構(gòu)建的既非真實世界，也非簡單的平面化的多媒體視覺效果，而是一種虛擬和現(xiàn)實相交織的環(huán)境。它的技術(shù)實質(zhì)在于提供了一種高級的人機接口，把抽象、復(fù)雜的計算機數(shù)據(jù)空間表示為直觀的、用戶熟悉的事物，人們通過計算機的各種媒體進入該環(huán)境中并與之交互。
　　目前，基于虛擬現(xiàn)實真三維實時渲染技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)游戲很是火爆。由于虛擬現(xiàn)實帶來的強烈感官浸潤感使得該類游戲迅速竄紅國內(nèi)外的游戲市場，并且日益成為主流游戲。以此對照，反觀我們的教育教學(xué)，目前中小學(xué)用于學(xué)習(xí)的教育軟件所采用的技術(shù)還相當(dāng)落后，大多數(shù)依然停留在圖片演示、幻燈片播放和簡單的Flash動畫模擬的基礎(chǔ)狀態(tài)。我們需要借助虛擬現(xiàn)實真三維實時渲染技術(shù)的一臂之力，重新喚起大家對學(xué)習(xí)性教育軟件在技術(shù)層面的關(guān)注。所幸的是，以前在專用的圖形工作站上才能運行與使用的虛擬現(xiàn)實真三維實時渲染技術(shù)，已經(jīng)可以由一個高端的專用技術(shù)移植到普通的計算機上使用，技術(shù)門檻的降低使得中小學(xué)在課堂教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實成為一種可能。
　　應(yīng)用虛擬現(xiàn)實真三維實時渲染技術(shù)開發(fā)的教育軟件系統(tǒng)，能夠營造逼真、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生沉浸在虛擬世界里對學(xué)習(xí)目標(biāo)進行實時觀察、交互、參與、實驗、漫游等操作，將枯燥難懂的理論知識、晦澀不明的文學(xué)意境，以“身臨其境”的方式來感受和體會，使得學(xué)習(xí)處于一種準(zhǔn)“實踐”狀態(tài)，由被動灌輸?shù)摹疤铠喪綄W(xué)習(xí)”成為一種主動式和興趣式的學(xué)習(xí)探索。
　　
　　二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用
　　
　　目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在虛擬校園、虛擬環(huán)境創(chuàng)設(shè)、虛擬實驗等方面。
　　隨著網(wǎng)絡(luò)教育的深入，人們已經(jīng)不滿足于對校園環(huán)境的瀏覽，基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活的三維可視化虛擬校園呼之欲出。人們需要一個完整的虛擬校園體系。真實、互動、情節(jié)化的特點是虛擬現(xiàn)實技術(shù)獨特的魅力所在，新技術(shù)必將引起教育方式的革命，讓我們感受到全新的校園文化。
　　親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力。主動地去交互與被動地接受灌輸，二者有本質(zhì)的差別。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，廣泛用于語文、歷史等課程領(lǐng)域中，提供給學(xué)生的是無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程。不難看出，虛擬學(xué)習(xí)表面上是創(chuàng)設(shè)了一種虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，實則營造的是一種“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之以學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式。例如，毛澤東的《沁園春·雪》，學(xué)生可以通過鼠標(biāo)或鍵盤，暢游在“千里冰封，萬里雪飄”的山脈上，也可以登上長城俯瞰“長城內(nèi)外”美景，一睹栩栩如生的“秦皇漢武”、“唐宗宋祖”、“一代天驕成吉思汗”的英姿，甚至還可以從不同視角瀏覽“江山如此多嬌”的壯觀景象，真正體會作者文中所表達的“數(shù)風(fēng)流人物，還看今朝”的深遠意境。
　　虛擬實驗是依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗?zāi)Ｊ剑趯嶒灥谋倔w逼真性、應(yīng)用普適性，以及給予實驗者現(xiàn)場實時感受和實驗效果等方面，是傳統(tǒng)的計算機模擬實驗所無法比擬的。具體而言，其優(yōu)勢在于：（1）節(jié)省成本。由于設(shè)備、場地、經(jīng)費等硬件條件的限制，在很多學(xué)校里許多實驗都無法正常進行。學(xué)生利用虛擬實驗，足不出戶便可以做各種實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，在保證教學(xué)效果的前提下，極大地節(jié)省了成本。（2）打破空間、時間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生可以“自由”進入這些物體的內(nèi)部進行觀察；有些需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，也可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生。例如，生物中著名的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實驗往往需要幾個月的時間，而虛擬實驗在一堂課內(nèi)就可以完成。（3）規(guī)避風(fēng)險。真實實驗或操作有時候會帶來各種危險，而虛擬實驗不但能模擬、再現(xiàn)這些現(xiàn)象或過程，而且教師也不用擔(dān)心會對學(xué)生造成傷害。與此同時，虛擬實驗帶來的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于對學(xué)生進行包括軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練——學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至完全掌握操作技能。
　　虛擬實驗一般是在虛擬實驗室中進行。所謂虛擬實驗室，是指由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，包括相應(yīng)實驗室環(huán)境、有關(guān)的實驗儀器設(shè)備和實驗對象以及實驗信息資源等。虛擬實驗室可以是某一現(xiàn)實實驗室的真實再現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想成的實驗室。在虛擬實驗室中，實驗者有逼真的感覺，似乎是在真正的現(xiàn)實實驗室里近距離進行現(xiàn)場操作。但是，遺憾的是目前我們所見到的虛擬實驗系統(tǒng)主要是在高等教育領(lǐng)域得到一些應(yīng)用，在中小學(xué)基礎(chǔ)教育軟件中基本“難覓身影”。
　　
　　三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)分析
　　
　　在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的互動三代資源庫的建設(shè)過程中，可以采取“分而治之”的原則，將開發(fā)過程中的大量工作分為不同的部分，以解決開發(fā)過程中工作量過大的問題。在實際的開發(fā)中，目前所采用的最為流行的一種方法就是先開發(fā)出一套獨立的虛擬現(xiàn)實引擎，再根據(jù)這套引擎提供的功能完成學(xué)習(xí)或?qū)嶒灥奶摂M場景。引擎提供的通常是虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)世界運行最基本的內(nèi)核程序，就像是汽車的發(fā)動機。但是光有發(fā)動機的汽車也是無法行駛的，同樣，只有引擎沒有模型、角色動畫、場景，也無法實現(xiàn)語文課文場景中的虛擬漫游、物理和化學(xué)課程中的實驗操作、生物課程中果蠅和白鼠等生物體的解剖。簡言之，虛擬現(xiàn)實引擎是實現(xiàn)模型或場景的本體光學(xué)、物理、音效模擬真實的表現(xiàn)效果或者互相作用效果的程序集合；而模型（非生物體）、場景或角色（生物體）是類似制作電影級別的三維模型造型師進行制作，再將制作出來的模型（非生物體）、場景或角色（生物體）文件導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實引擎，并在此基礎(chǔ)上進一步進行編程實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)。
　　目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育軟件和資源開發(fā)方面，需要克服的技術(shù)難題主要體現(xiàn)在兩個方面：其一，實時渲染玻璃、毛發(fā)、面部表情及其他需要解決的實時材質(zhì)的問題。在物理、化學(xué)、生物等學(xué)科教學(xué)中涉及到大量的玻璃儀器，儀器的造型雖然較角色模型容易，但是展現(xiàn)極富真實感的玻璃材質(zhì)是目前必須要解決的緊要問題之一。語文課、歷史課中角色人物的毛發(fā)、面部表情，也需要相關(guān)算法的研制進行配合。其二，由于沒有高分辨率照片，要盡可能真實地再現(xiàn)語文課本中的近現(xiàn)代歷史人物，也是亟需解決的問題之一。
　　應(yīng)用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)的軟件與資源將大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，降低教師教學(xué)難度，對于目前學(xué)生交互式操作的實驗過程及面向中高考的實驗考試部分也將有章可循，解決因教育環(huán)境差異而無法實現(xiàn)動手實驗的考試難點，同時作為形成“虛擬世界學(xué)習(xí)”的一個重要組成部分，同樣具有很好的教育應(yīng)用價值和社會經(jīng)濟價值。
　　（作者單位：上海遠程教育集團）