諸葛翀

(浙江大學(xué)教育學(xué)院，浙江杭州，310028)

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)簡(jiǎn)稱(chēng)VR，是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設(shè)備使用戶(hù)“融入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與該環(huán)境直接的自然的交互。[1]VR是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅等感覺(jué)，使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。[2]

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征在于它的人與虛擬環(huán)境的互動(dòng)性，虛擬環(huán)境真實(shí)的沉浸性與對(duì)構(gòu)想實(shí)現(xiàn)的想象性。由于使用設(shè)備的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有專(zhuān)門(mén)配套硬件的高級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)能全方位模擬虛擬環(huán)境的視、聽(tīng)、嗅、味等感覺(jué)，在醫(yī)學(xué)、自然科學(xué)等需要?jiǎng)邮謱?shí)驗(yàn)的學(xué)科有較大的利用性。還有一類(lèi)是通過(guò)計(jì)算機(jī)編程的人機(jī)交互的系統(tǒng)，主要是通過(guò)鼠標(biāo)、觸屏對(duì)在電腦上展示的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行操作。這兩類(lèi)技術(shù)有其各自的特點(diǎn)，下面將通過(guò)案例分析，并提出相應(yīng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

二、案例分析

教育技術(shù)學(xué)的一位碩士生參考人民教育出版社的高級(jí)中學(xué)課本《化學(xué)(必修)》第二冊(cè)第四章第五節(jié)的《苯 芳香烴》中的苯(C6H6)分子模型結(jié)構(gòu)，運(yùn)用VRML進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬演示。首先，他通過(guò)建模方式根據(jù)苯分子的結(jié)構(gòu)建立了虛擬結(jié)構(gòu)。然后利用幾何體建立了不同的虛擬物體和場(chǎng)景。再通過(guò)檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)立增加這一系統(tǒng)的交互性。最后通過(guò)Route語(yǔ)句把時(shí)間出口和時(shí)間入口聯(lián)系在一起，從而構(gòu)成事件體系。

這個(gè)苯分子的模型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)編寫(xiě)可以說(shuō)是VRML技術(shù)在校園教學(xué)中的基礎(chǔ)運(yùn)用，也是典型運(yùn)用。清晰明了的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單實(shí)用的互動(dòng)是這一類(lèi)適合于校園的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)。由于這一類(lèi)虛擬現(xiàn)實(shí)的編寫(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單，掌握的技術(shù)人員較多，因此開(kāi)發(fā)起來(lái)比較容易，并且可以根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)增加其趣味性。

與此相比，另一類(lèi)配合專(zhuān)門(mén)硬件的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用就沒(méi)有那么普遍了，如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)的應(yīng)用。在臨床外科教學(xué)中，借助計(jì)算機(jī)，教師指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)虛擬病人來(lái)實(shí)驗(yàn)多種手術(shù)方案，這個(gè)虛擬病人是通過(guò)掃描患者的骨骼和軟組織而獲得的完美的復(fù)制品。學(xué)生進(jìn)入手術(shù)室時(shí)穿戴的不是消毒衣，而是高技術(shù)護(hù)目鏡和全身數(shù)據(jù)服，躺在手術(shù)臺(tái)上的是計(jì)算機(jī)制成的患者復(fù)制品。學(xué)生在這個(gè)模擬的病人人體上進(jìn)行手術(shù)時(shí)，會(huì)感到皮膚的堅(jiān)韌、肌肉的彈力、骨骼的堅(jiān)硬和血液的涌流。當(dāng)學(xué)生在虛擬病人人體上切除病灶遇到困難時(shí)，會(huì)及時(shí)得到計(jì)算機(jī)的提醒和警告，完成手術(shù)后會(huì)得到計(jì)算機(jī)的全面評(píng)估。學(xué)生還可以對(duì)該虛擬病人進(jìn)行全面檢查，找出其余的患病組織，以便選擇最佳手術(shù)方案。[3]

這一類(lèi)型通過(guò)硬件配合和傳感，使學(xué)生能有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等效果的高級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，能為學(xué)習(xí)者營(yíng)造出一個(gè)真實(shí)的感官世界。它根據(jù)設(shè)備的傳感能力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等具有不同的層次，一般運(yùn)用在需要親身實(shí)踐的操作化教學(xué)中，或是操作內(nèi)容意義較大但在現(xiàn)實(shí)中實(shí)踐機(jī)會(huì)不多的教學(xué)科目上，如虛擬駕駛、虛擬解剖等。

這兩類(lèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)各有其優(yōu)點(diǎn)。前者具有再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，營(yíng)造氛圍，詳細(xì)詮釋物體概念，互動(dòng)操作，在虛擬空間里建立模型等功能，并且需要設(shè)備少，只需在電腦上編寫(xiě)程序并在電腦上使用，適合于上課的展示與學(xué)生在電腦上的操作，成本較低。而后者在一些科學(xué)研究中幾乎可以完全真實(shí)地再現(xiàn)場(chǎng)景，有利于節(jié)約實(shí)際操作中的金錢(qián)、道德上的成本，是一些高等研究所或是學(xué)校安排實(shí)際操作練習(xí)的必需品?？梢哉f(shuō)，后一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括了前一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，可觀(guān)可感。但是在基礎(chǔ)的教學(xué)中，只使用前者就可以幫助學(xué)生了解教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到輔助教學(xué)的目的，再使用后者反而有可能會(huì)分散學(xué)生的注意力。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)

(一)課堂教學(xué)的應(yīng)用

大部分文獻(xiàn)在講到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用時(shí)首先想到將其用于最普遍的課堂教學(xué)，最基本的用法就是用于概念的展示，真實(shí)或想象場(chǎng)景的展示與環(huán)境的創(chuàng)造。對(duì)于這一類(lèi)應(yīng)用設(shè)計(jì)，制作起來(lái)簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂平面化(文字，圖片)、單向化教學(xué)形式的不足，有助于學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容。

(二)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

對(duì)于中小學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一些復(fù)雜的或高級(jí)的實(shí)驗(yàn)需要很多昂貴的材料或器械，又或者因?yàn)槟承l件限制難以實(shí)現(xiàn)，因此，在計(jì)算機(jī)上使用交互的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的可以互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生體驗(yàn)到比較真實(shí)的做這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的感覺(jué)，并且這些實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、空間、物品限制，實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全，可重復(fù)。對(duì)于某些高級(jí)的、耗時(shí)耗力的實(shí)驗(yàn)研究，使用普通方法可能要很久才能得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可以使用這類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬操作。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)根據(jù)現(xiàn)實(shí)規(guī)律創(chuàng)造的實(shí)驗(yàn)定律也可以適用于同一類(lèi)的實(shí)驗(yàn)研究，如使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬建筑空間里創(chuàng)造不同的建筑模型并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。

(三)互動(dòng)課堂和遠(yuǎn)程教育

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以虛擬歷史人物、教師、學(xué)生等各種人物形象，創(chuàng)設(shè)交互式學(xué)習(xí)環(huán)境。比如，在虛擬的課堂學(xué)習(xí)氣氛中，學(xué)生可以與虛擬的教師、學(xué)生一起交流、討論，進(jìn)行協(xié)作化學(xué)習(xí)。再如，在思想品德課教學(xué)中，學(xué)生可以與虛擬的先進(jìn)人物一起座談、交流，受到先進(jìn)人物言行的感化，從而達(dá)到思想品德教育的目的。又如，非英語(yǔ)國(guó)家的人學(xué)習(xí)英語(yǔ)的最大障礙是沒(méi)有語(yǔ)言環(huán)境，可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建英語(yǔ)模擬環(huán)境，導(dǎo)入虛擬人物，情境隨用戶(hù)需要而改變。學(xué)習(xí)者可以與不同情境中的人物交談，并在這種交互情境下測(cè)試自身的表現(xiàn)。而且這一技術(shù)可以通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)將不同的學(xué)習(xí)者連接起來(lái)，讓他們以各自角色在網(wǎng)絡(luò)舞臺(tái)自由發(fā)揮，從而大大提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率。[4]同樣的利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作遠(yuǎn)程教學(xué)的課件系統(tǒng)將能大大提高遠(yuǎn)程教育學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，他們可以像在教室里一樣接受教育，與教師學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)。

(四)技能訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)可以仿真現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中扮演角色，進(jìn)行和真實(shí)世界一樣的操作，包括手術(shù)技能、教學(xué)技能、體育技能、汽車(chē)駕駛技能、果樹(shù)栽培技能、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練。如同實(shí)驗(yàn)一樣，這些操作訓(xùn)練可以反復(fù)進(jìn)行，而且安全可靠。

四、不足之處

盡管虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)凝聚了現(xiàn)代技術(shù)的高端水平，但是在其趨向大眾化普遍化的使用過(guò)程中，還是有其不足之處。

從硬件上講，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的速度、容量還十分不足，而顯示設(shè)備的昂貴造價(jià)和它顯示的清晰度等問(wèn)題也沒(méi)能很好地解決，為VR制造的大部分專(zhuān)用設(shè)備不但造價(jià)高、使用起來(lái)很不方便、效果有限，而且局限性很大，還不能達(dá)到人們的要求，更不能

達(dá)到VR所定義的那種環(huán)境。[5]而軟件方面受硬件的局限性的影響編寫(xiě)費(fèi)用仍然較高，并且難以在教師這一最需要的隊(duì)伍中普及，更簡(jiǎn)便的利于教師運(yùn)用的VR編寫(xiě)程序仍待開(kāi)發(fā)。

虛擬現(xiàn)實(shí)雖然具有真實(shí)性，但是有時(shí)候過(guò)于真實(shí)也會(huì)容易產(chǎn)生思維定勢(shì)，如語(yǔ)文課堂的教學(xué)可以引用虛擬現(xiàn)實(shí)再現(xiàn)文章的場(chǎng)景，但是很多時(shí)候，文字的魅力是不能夠直接通過(guò)現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)出來(lái)的，里面還有想象和情感的成分，需要學(xué)生細(xì)細(xì)體會(huì)。因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普遍應(yīng)用也有可能會(huì)造成學(xué)生過(guò)于依賴(lài)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，進(jìn)而減少了獨(dú)特的情感體驗(yàn)。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中可能出現(xiàn)上述問(wèn)題，但是這一技術(shù)安全可靠，如果得以有效地應(yīng)用到教育領(lǐng)域，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，減少教學(xué)的成本，還將把教育帶入新的三維立體的互動(dòng)時(shí)代。

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