張茂華

(三明學院現(xiàn)代教育技術中心，福建 三明 365000)

基于虛擬現(xiàn)實技術的虛擬教學環(huán)境探索

張茂華

(三明學院現(xiàn)代教育技術中心，福建 三明 365000)

基于虛擬現(xiàn)實技術的虛擬教學環(huán)境是基于現(xiàn)實，又可超越現(xiàn)實、智能現(xiàn)實、預測將來的、突破傳統(tǒng)教學定時定點為顯著特征的虛擬教學情境。探求虛擬現(xiàn)實技術更合理地應用于教育教學中的理論，勢必對數(shù)字化時代的現(xiàn)代化教學環(huán)境創(chuàng)設有著拋磚引玉的作用。

網(wǎng)絡;虛擬現(xiàn)實;教育;教學環(huán)境

目前，在教育領域內(nèi)除計算機網(wǎng)絡技術、多媒體技術之外，虛擬現(xiàn)實技術成為了最具有前途及應用價值的“明星”技術。虛擬現(xiàn)實技術不僅將多媒體及傳感器技術、計算機圖形學技術、數(shù)字圖像處理技術融合在一起，而且可以產(chǎn)生具有立體性的視覺效果及環(huán)境音效。基于虛擬技術的人與計算機的交流是和諧互動的。如何將虛擬現(xiàn)實技術應用于教育活動之中已經(jīng)被我國專家學者提上日程。

一、虛擬教學環(huán)境概述

虛擬現(xiàn)實技術在教學環(huán)境中可以充當一種新的學習工具，它可以作為一種全新的教育知識載體為教學模式提供多元化選擇、為教學的創(chuàng)新提供技術支持?；谟嬎銠C技術、運用高科技技術獎聽覺、視覺、觸覺融為一體的虛擬教學環(huán)境具有空間和時間特性的數(shù)字化多維信息空間，它是從計算機圖形學派生出來的一項新技術，是虛擬現(xiàn)實技術與網(wǎng)絡技術相結(jié)合的具體體現(xiàn)。真正優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實技術是理性與感性、科學與藝術的融合，從其誕生之日起，該技術就強調(diào)用戶以自然方式與虛擬世界中的對象進行實時交互，在虛擬的三維世界中以觸覺和視覺的方式盡情體驗感受。在虛擬現(xiàn)實技術所建立的教學環(huán)境中，教師與學生之間交流活動具有完全沉浸性。虛擬教學環(huán)境通過模擬合成使得教師和學生可以同存在于虛擬環(huán)境中的客體進行交流，從而使其產(chǎn)生身臨其境的感受。鑒于此，虛擬教學環(huán)境應該是系統(tǒng)性、靈活性、開放性的教學系統(tǒng)，是基于現(xiàn)實，又可超越現(xiàn)實、智能現(xiàn)實、預測將來的、突破了面對面近距離的限制、地域的空間限制的教學交流環(huán)境。

二、虛擬教學環(huán)境的特點

在數(shù)字化時代下，教學環(huán)境模式的設計及創(chuàng)新成為了教育工作者所關注的課題。虛擬教學環(huán)境作為一種新的教學載體及模式對于現(xiàn)代課堂教學活動意義非凡。在國內(nèi)，各類院校也充分意識到虛擬教學環(huán)境給傳統(tǒng)教學模式帶來翻天覆地的變化和潛在價值。例如，由中國科技大研究室研制的“幾何光學實驗設計平臺”是我國第一個虛擬教學軟件。這一軟件將物理實驗教學、虛擬教學技術、計算機網(wǎng)絡技術集為一體，使物理實驗教學課堂邁上了更高的臺階。另外，北京航天航空大學針對分布式飛行采用虛擬教學技術進行模擬;浙江大學針對虛擬規(guī)劃、虛擬設計采用虛擬教學技術等。之所以虛擬教學環(huán)境應用能被越來越廣泛的重視，不僅在于延伸了傳統(tǒng)教學環(huán)境的優(yōu)勢，更重要的是突破了時間、空間限制，彌補了傳統(tǒng)教學環(huán)境的缺陷。突出表現(xiàn)在以下幾方面:

第一，虛擬教學環(huán)境可以彌補教學手段和條件的不足?，F(xiàn)實中有些教學實踐往往由于設備、經(jīng)費、場地等不同原因而無法開展，虛擬教學環(huán)境通過對所需教學環(huán)境的模擬，彌補了這一不足，而且所模擬的教學環(huán)境具有實時性、廣域性、開放性及互動性等特點，使教師和學生產(chǎn)生身臨其境的感受。

第二，虛擬教學環(huán)境突破教學地域、教學資源、教學時間的界限。它將教學課堂這一有限的空間地域擴展為無限虛擬的賽伯空間，將教學環(huán)境空間進行了極大的延伸。同時，它可以將教學內(nèi)容進行形象化、對教學資源進行無限拓展，利于學生更好的吸收理解新知識，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。另一方面，它可以使學生隨時隨地通過網(wǎng)絡進行學習成為可能，針對某些需要較長時間跟蹤觀察才能得到結(jié)果的實驗，虛擬教學環(huán)境中可以在較少的時間內(nèi)觀察到。

第三，現(xiàn)實實驗操作中可能產(chǎn)生的危險可以通過虛擬教學環(huán)境來避免。通過實物仿真、虛擬現(xiàn)實技術、多媒體技術結(jié)合，對生物、化學、物理等實驗進行模擬，所建造的實驗室因具有虛擬性，內(nèi)部設備也都是虛擬不存在的，所以在學生進行操作時有逼真的感覺，但是可以不考慮操作帶來的危險。

第四，優(yōu)化教學方式，避免傳統(tǒng)的、單一的課堂教學，克服被動接受知識。目前，教學模式僅僅依靠于教科書及教師的教學。而虛擬教學環(huán)境突破了一傳統(tǒng)，它基于虛擬環(huán)境人機交互特性，模擬出逼真而且生動形象的學習環(huán)境，學生在這種聽覺、視覺、觸覺一體式的虛擬環(huán)境中，自然的與教師及其他學生進行交流，可以更好的學習教學內(nèi)容、完成預定的教學目標。

三、虛擬教學環(huán)境的構(gòu)成

1.虛擬教師模塊。虛擬教師是一種設備或技術，它是學習環(huán)境的一部分，作為學習環(huán)境的補充，有助于學習者操作技能的獲得。虛擬教師的概念經(jīng)過不斷演變，其內(nèi)涵越來越豐富，更人性化、具彈性，涉及的實現(xiàn)技術也變得更智能、更加復雜。

2.虛擬實驗模塊。所謂虛擬試驗就是基于虛擬現(xiàn)實、多媒體、仿真等技術，利用數(shù)字化模型代替實物原型，在計算機上模擬代替?zhèn)鹘y(tǒng)試驗過程中的硬件環(huán)境，然后進行試驗分析。學生可以在逼真的環(huán)境下完成實驗操作，虛擬實驗所得到的效果并不遜色于現(xiàn)實試驗中的實驗效果。

3.虛擬圖書館模塊。隨著現(xiàn)代信息與網(wǎng)絡技術的發(fā)展推動，圖書館的管理工作及所涉及的服務范圍、服務方式已發(fā)生根本性的變革。建立一個內(nèi)容豐富、查詢快捷方便的資源庫在虛擬教學中是非常必要的的。虛擬圖書館技術領域不僅涉及到數(shù)字信息的組織問題、而且包括了網(wǎng)絡技術的研究與應用。虛擬圖書館作為一個方便、大眾化的信息查詢應用系統(tǒng)，是一個集智能化、數(shù)字化為一體的信息系統(tǒng)。

4.虛擬管理模塊。在各門學科技術的不斷發(fā)展推動下，在教育活動中應用虛擬教學將成為一個潮流。在虛擬現(xiàn)實技術與網(wǎng)絡技術、人工智能技術有機結(jié)合后，虛擬教學在應用過程中更具有智能性、規(guī)范性、交互性、信息性、。因此，在虛擬教學環(huán)境中，建立統(tǒng)一的管理模塊顯得十分必要(諸如對學生的登入、注冊查詢課程、及資源庫進行管理)，對學習者學習活動進行分過程管理。這些模塊必須涵蓋系統(tǒng)管理模塊、用戶管理模塊、內(nèi)容管理模塊及學生對學習過程進行自主管理等不同模塊。

5.協(xié)作學習模塊。在教學活動中，師生之間和學生之間的互相交流溝通是必不可少的。對于虛擬教學環(huán)境，這種交流具更有近乎自然性。它可以使師生和學生之間以實時或者非實時的方式進行對話交流。虛擬教學環(huán)境下，用戶可以得到與現(xiàn)實類似或者完全相同的觸覺、聽覺、視覺等不同主觀感受。

四、虛擬教學環(huán)境中的學習模式

在網(wǎng)絡實時交互技術的基礎上，虛擬教學達到了教學環(huán)境和學生統(tǒng)一的效果，實現(xiàn)了學生與教學環(huán)境、教師、學生之間的自然、實時交流，對教學的質(zhì)量的提高、學習內(nèi)容的拓展起到了重要的作用。在計算機網(wǎng)絡、信息化快速發(fā)展的時代大環(huán)境下，虛擬教學環(huán)境是在融合學習管理系統(tǒng)、學習資源及標準化學習系統(tǒng)的基礎上建立的一個可供多用戶共同學習的網(wǎng)絡平臺。它彌補了傳統(tǒng)教學活動條件及設備的不足、豐富了教學形式及解決了教學效果不理想等問題。

對于變革傳統(tǒng)課堂教學方法，虛擬現(xiàn)實技術同樣起著重要的作用。為適應現(xiàn)代社會的發(fā)展，有必要開發(fā)基于WEB的虛擬教學環(huán)境，使學生通過網(wǎng)絡進行虛擬學習成為可能，自主合理地選擇所需的學習內(nèi)容。它可以忽視了時空的限制，極大地擴展地域及時間，只需要可連接網(wǎng)絡的計算機即可實現(xiàn)。虛擬教學環(huán)境的學習模式分為以下幾種:協(xié)作討論模式、同步模式、個別輔導模式、異步模式、練習模式、測試模式等。

五、虛擬教學環(huán)境的發(fā)展趨勢

虛擬教學環(huán)境不僅實現(xiàn)了為學生提供豐富、逼真的學習環(huán)境、資源的快速查詢獲取，而且也代表著數(shù)字化時代下學習環(huán)境的創(chuàng)新發(fā)展潮流，能夠跨越空間、時間的界限及時準確傳遞知識，具有更好的經(jīng)濟性。基于網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實技術的結(jié)合，讓計算機虛擬教學環(huán)境具有更高的交互性、實時性將成為重要發(fā)展方向。鑒此，可以把它的主要發(fā)展趨勢簡單歸納為:

1.環(huán)境的人文化。學者馬斯洛認為網(wǎng)絡學習可以滿足人們的安全、生理、愛與隸屬、受人尊重、自我實現(xiàn)和求知等六大需求。但是隨著對網(wǎng)絡環(huán)境認識的不斷豐富及深化，網(wǎng)絡環(huán)境的負面因素對學生所帶來的不良影響也不容忽視，這一點我們需要給予充分重視。只有保證網(wǎng)絡環(huán)境的凈化及良好的人文化，才能使學習者準確地尋求到虛擬網(wǎng)絡環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境之間的平衡點，不僅能夠?qū)μ摂M網(wǎng)絡學習所具有的優(yōu)點加以充分利用，而且能夠使學生不脫離現(xiàn)實的生活，結(jié)合實際及虛擬學習，不斷提高自身能力。

2.環(huán)境的智能化。虛擬教學環(huán)境的正常運行及信息的準確、快速及時無損的傳遞都需要人工智能的發(fā)展來進行保證。人工智能可以對學生的知識層次、認知水平及學習能力進行充分的了解，并且基于學生的特色及能力選擇針對性的教學方法和內(nèi)容，輔助以適當?shù)闹笇АＬ摂M環(huán)境的高智能化可以實現(xiàn)人與計算機的直接對話，監(jiān)督學生的學習過程并做出準確的判斷評價，充當教師的角色。

3.環(huán)境的沉浸化。在虛擬現(xiàn)實技術基礎上，它能夠提供逼真、形象的學習環(huán)境，用戶使用之后的感受直接影響著虛擬教學環(huán)境的成功與否。虛擬教學環(huán)境的沉浸化特點通過調(diào)節(jié)大腦與各種主觀感官的結(jié)合促進學生的學習，在沒有約束的情況下進行學習活動，為學習者提供充分的想象空間和體驗。另一方面，沉浸式的虛擬教學環(huán)境可以鍛煉學習者的發(fā)散思維，使學生更具有洞察力，提高觀察、解決問題的能力，充分調(diào)動積極性，促進學習者的全面發(fā)展和進步。

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G434

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1008—3340(2012)02—0022—02

2012-01-10

張茂華(1974-)，男，福州福清人，大學本科，三明學院現(xiàn)代教育技術中心中級實驗師，1996年畢業(yè)于福建師范大學現(xiàn)代教育技術專業(yè)，長期從事教育技術、視頻技術等相關研究。