俞祥龍（北京城市學(xué)院）

第一章 VR虛擬交互技術(shù)的概念

一、什么是虛擬交互技術(shù)

對于虛擬交互技術(shù)而言，其屬于計算機人機交互界面的一種，主要特征在于沉浸式、交互式以及構(gòu)想式。具體來說，在計算機的效應(yīng)下，虛擬環(huán)境被設(shè)定出來。此處所述的虛擬環(huán)境，是指為了達成促使人們切身感受到虛擬環(huán)境的目的，將真實的環(huán)境輸入電腦，或者在軟件程序的幫助下設(shè)計出特定的三維空間繼而獲取的最終效果。將虛擬交互技術(shù)進行廣泛的推廣與深入，對于針對諸如數(shù)量相對較多的抽象數(shù)據(jù)展開工程學(xué)方向的分析工作而言是一種優(yōu)勢較為明顯的改進。此外，該技術(shù)還可應(yīng)用于其他各個方面，并為使用者提供較為可觀的利益收益。

總而言之，虛擬交互技術(shù)的概念可總結(jié)為使得計算機和用戶兩者獲取交互聯(lián)系的方法。

二、虛擬交互技術(shù)的種類及特征

（1）虛擬交互技術(shù)的種類

考慮到使用者如何參與的方法有所差別，可以將虛擬交互系統(tǒng)區(qū)別成如下幾種：增強式以及分布式虛擬現(xiàn)實、沉浸以及桌面虛擬交互等。

對于桌面虛擬交互（或窗口VR）而言，其發(fā)揮效用主要依靠的是圖形工作站以及計算機等，使用者針對所產(chǎn)生的虛擬環(huán)境獲取最為直觀的感受依靠的則是計算機屏幕，此外還需用到自然交互以及立體圖形等方法，所形成的場景可稱之為三維汽車立體空間。為了達成和虛擬環(huán)境獲取交互聯(lián)系的目的，需要選取應(yīng)用到多個輸入裝置，比如力矩球、鼠標(biāo)、鍵盤以及掃描儀等。該類別技術(shù)的突出優(yōu)點在于較為經(jīng)濟，在教育方面應(yīng)用較廣；主要特點是實現(xiàn)成本低，應(yīng)用方便靈活，對硬件設(shè)備要求極低，為了增強效果，可以在桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中借助立體投影設(shè)備，增大顯示屏幕，達到增加沉浸感及多人觀看的目的。對于針對虛擬現(xiàn)實了解相對較少、透徹程度相對不足的初學(xué)者而言，桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)比較適合這部分人群，在上下文中所涉及到的也是該類型的虛擬交互技術(shù)。

（2）虛擬交互的主要特征

虛擬交互的主要特征有：多感知性、浸沒感、交互性、構(gòu)想性。

對于交互性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)而言，該概念所涉及人機交互突出特點是與自然環(huán)境極其相近，人們不但能在鼠標(biāo)以及鍵盤等傳統(tǒng)設(shè)備的幫助下實現(xiàn)交互的目的，還能選擇聲音命令、動作撲捉、數(shù)據(jù)手套以及激光定位等較為先進的方式實現(xiàn)交互的目的，此外包括預(yù)測、建模、影像、動畫、評估以及仿真等各種各樣的設(shè)計均可以獲得系統(tǒng)的支持。虛擬環(huán)境能對用戶的輸入作出反應(yīng)，同時可以通過監(jiān)控軟硬件裝置來作用用戶和被用戶作用。交互性是多感知性、浸沒感和構(gòu)想性的基礎(chǔ),也是提高中小學(xué)實踐教學(xué)重要方法。

本項研究結(jié)合桌面虛擬交互系統(tǒng)和交互性主要特征，提出了虛擬交互技術(shù)在中小學(xué)汽車設(shè)計教學(xué)中、實驗教學(xué)等中運用，在中小學(xué)教學(xué)中具有開創(chuàng)性的意義。

第二章 基礎(chǔ)教學(xué)中虛擬交互技術(shù)應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀

一、國外VR虛擬技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用

據(jù)報道，圣澤維爾學(xué)校的850學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)學(xué)習(xí)了關(guān)于太陽系的知識，學(xué)生搭上了太空飛船并且探索了太陽系每一個星球。在課程結(jié)束后，學(xué)生們迫不及待地向朋友分享交流他們的經(jīng)歷，有學(xué)生表明自己第一次親身體驗虛擬現(xiàn)實，這種體驗讓他學(xué)到了很多知識，同樣也讓他感到這種教學(xué)非常有趣。

二、國內(nèi)目前VR教育的狀況

目前，關(guān)于VR+教育的構(gòu)想已在國內(nèi)實現(xiàn)，高盛曾作出預(yù)測，截至2025年，VR教育產(chǎn)值有望達到7億美元，并將覆蓋K-12和教學(xué)軟件領(lǐng)域，VR和教育的結(jié)合被認為在未來有著具大的市場。當(dāng)下，樂視與新東方達成了合作意向，以“沉浸式教學(xué)”切入教育領(lǐng)域，背靠網(wǎng)龍的華漁的思路則是從易用的編輯器入手，打造開放平臺，創(chuàng)業(yè)公司巧客互動思路則是制作各類VR教學(xué)內(nèi)容，此外慧科教育預(yù)計會和暴風(fēng)進行合作開展相關(guān)的人才培養(yǎng)計劃，積極培養(yǎng)具備應(yīng)用性的新型有用人才，為VR的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供助力。

但是，國內(nèi)VR公司雖然多，相較于國外布局教育VR的公司基數(shù)小。究其原因，綜合國內(nèi)外VR發(fā)展歷程來看，國內(nèi)VR依然在硬件和技術(shù)方面落后于國外，大部分國內(nèi)VR軟硬件技術(shù)尚未成熟，用戶體驗不好，使得VR教育難以一時間大規(guī)模應(yīng)用與普及。不過有理由相信，在技術(shù)持續(xù)發(fā)展的助力推動下，硬件性能會不斷向著趨同的方向發(fā)展，內(nèi)容與內(nèi)容之間的交互行為會引發(fā)良性競爭不斷產(chǎn)生，VR的產(chǎn)業(yè)化進程會持續(xù)深入推進，市場前景廣闊。

第三章 基于中小學(xué)拓展課程的VR虛擬交互設(shè)計

一、虛擬交互技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬交互技術(shù)具備逼真的視覺環(huán)境、聽覺環(huán)境、觸覺環(huán)境和運動環(huán)境，畫面生動，色彩鮮艷。桌面虛擬交互體驗，可以強烈地刺激大腦皮層，從而引起興奮， 集中學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力，使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容記憶深刻，并最終熟練掌握。它應(yīng)用于中小學(xué)汽車教學(xué)主要表現(xiàn)在以下兩個方面：汽車課堂教學(xué)的現(xiàn)有問題，汽車課堂教學(xué)現(xiàn)有問題的解決。

1.汽車課堂教學(xué)的現(xiàn)有問題

汽車課堂教學(xué)是中小學(xué)拓展課程教學(xué)的主要方式，也是虛擬交互技術(shù)運用于教學(xué)的主要目的。根據(jù)不同的學(xué)校，虛擬交互發(fā)揮著不同的作用，主要有以下方面的應(yīng)用：汽車物體的設(shè)計，汽車立體空間的設(shè)計，汽車虛擬場景的構(gòu)建。

（1）汽車物體的展示

將汽車實物展現(xiàn)在課堂上在當(dāng)下是一種較為常見的現(xiàn)象。在日常教學(xué)活動里，如若使得學(xué)生能夠充分的在三維層面里了解到汽車信息，一般選擇的方法如下：1）實物展示。該方法具有著相對較為久遠的歷史，但較為實用，不足之處在于考慮到學(xué)生與學(xué)生之間位于教室的不一樣的地方，盡管汽車的實物掌握在老師手上，但學(xué)生的視角伴隨著其所在地點的不同而不同，所造成的觀感也就不同；此外考慮到實物的大小受到局限，位置較遠的人看的相對較為模糊。2）采取投影儀的方式向?qū)W生們展示圖片。該方法的不足之處在于學(xué)生們只能了解到圖片所能展現(xiàn)出來的汽車部位，如果汽車有圖片未能展現(xiàn)出來的地方，學(xué)生便不可能了解到。3）在keyshot以及Rhino等軟件的幫助下進行汽車實物模型的設(shè)計，繼而將其進行旋轉(zhuǎn)操作，這樣一來學(xué)生們便可多方面全方位的了解汽車，效果較為理想和全面。該方法的不足之處在于所設(shè)計的模型以及動畫已經(jīng)構(gòu)建完畢，只能按照一定的程序進行順序展示，使用者除了對其進行播放以及停止操作外并不能進行其他操作。

（2）汽車立體空間的展示

對于汽車立體空間而言，其具體含義為在歷史上或者現(xiàn)實里確切有的一類汽車空間。在教學(xué)工作開展的活動進程里，學(xué)生們有時候應(yīng)當(dāng)對汽車空間具備一定的了解，不過考慮到實際情況，使得學(xué)生們和汽車空間實現(xiàn)真實交流是不太現(xiàn)實的，當(dāng)條件不允許時，采取的方法一般是老師向?qū)W生們用語言勾勒出相應(yīng)的輪廓，通過學(xué)生的想象了解到汽車空間的有關(guān)狀況。

（3）汽車虛擬場景的構(gòu)造

對于汽車虛擬場景而言，其具體含義為在不一樣的地點以及時間，在虛擬交互的作用下將實際的汽車場景展現(xiàn)出來。在條件相對落后的過去，如若想要創(chuàng)造學(xué)習(xí)情境，能夠選取的方法為錄像、圖片乃至語言等，學(xué)生的主動接受性較差，即便老師們想方設(shè)法地為學(xué)生展示錄像以及圖片等，學(xué)生的認識與老師的教學(xué)目標(biāo)有時候也會背道而馳。

2.汽車課堂教學(xué)現(xiàn)有問題的解決

在虛擬交互技術(shù)的效用支持下，大小體積和實物相等的三維模型能夠被設(shè)計出來。舉例來說，選擇Rhino軟件開展建模工作，渲染器選取的軟件類型為keyshot，進行播放選取的播放器類型為VRML以及QUICKTIME VR等。如在中小學(xué)拓展課程中畫一輛汽車是如果展示360度的立體效果，是教學(xué)中的一個重點同時也是一個難點。在這種情況下，可以選擇Rhino軟件將汽車的若干面勾勒出來，再引導(dǎo)學(xué)生從多個視角展開研究，這樣做的優(yōu)點一是能夠充分滿足學(xué)生內(nèi)心隨自己的心意學(xué)習(xí)的想法，二是免去構(gòu)建實物的麻煩。此外在汽車的外形、顏色以及位置等其他方面的教學(xué)活動中，桌面模擬交互技術(shù)都可以被充分應(yīng)用起來。以下是系統(tǒng)構(gòu)成：

通過虛擬交互技術(shù)，所達成的效果不僅體現(xiàn)在學(xué)生的意識空間里，還能夠促使學(xué)生們用眼睛、耳朵乃至手去感受。舉例來說，在為學(xué)生展開如何設(shè)計汽車的相關(guān)課程時，考慮到汽車具有著悠久的發(fā)展歷程，如何將汽車發(fā)展歷史介紹給學(xué)生，使他們進行外觀設(shè)計，內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計的學(xué)習(xí)呢？為了充分達成這一目標(biāo)，在中小學(xué)拓展課程中，計算機技術(shù)以及相應(yīng)具備的現(xiàn)實主義特點效用被充分發(fā)揮出來，進而使得數(shù)字化汽車被設(shè)計出來并應(yīng)用。

通過虛擬技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生們會得到設(shè)身處地的真實感受，汽車會在他們面前真實的呈現(xiàn)出來，并在向?qū)У闹敢逻M行漫游行為。可以想象到這種再造汽車對學(xué)生的吸引力，學(xué)生可以身臨其境地觀察汽車結(jié)構(gòu)特點，而且從各個方位去看都是那么的美麗、勻稱。有了虛擬交互技術(shù)，在家就能夠隨心所欲的發(fā)現(xiàn)汽車美的夢想得以實現(xiàn)。

如果采用虛擬交互技術(shù)，讓學(xué)生進入虛擬汽車場景，讓學(xué)生自己體會不同的汽車不同的功能，去游覽不同汽車在不同場景中用途，然后再對照課文，我想效果一定會很好的。如果有條件，采用沉浸的虛擬交互，讓學(xué)生戴上頭盔，面對虛擬的汽車場景，進行不同聲音試驗，從而加深對不同汽車的不同地方用途的理解。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

二、虛擬交互技術(shù)在中小學(xué)拓展課程中的意義

對于中小學(xué)生而言，其突出的特性在于具備較為廣泛的興趣和求知欲望、好動以及年齡小等。中小學(xué)教學(xué)必須針對每個學(xué)生的特點開展教學(xué)活動。目前中小學(xué)教學(xué)的主要問題是“ 灌鴨式”教學(xué)，這種集體統(tǒng)一教學(xué)模式具有體系完整，知識掌握度比較高的優(yōu)點。教學(xué)的首要目的是讓學(xué)生成為一個獨立的正常的人，而不是培養(yǎng)掌握了很多知識的復(fù)讀機器。提高素質(zhì)和掌握知識很重要，但方式方法卻有很多，應(yīng)該根據(jù)學(xué)生自己的特點來組織學(xué)習(xí)，所謂因材施教，而不是批量化生產(chǎn)。對于中小學(xué)生而言，如若想要具備成熟的學(xué)習(xí)習(xí)慣，耐心的長時間教育是必不可少的，而使得學(xué)生具備良好的興趣更是重中之重。虛擬交互技術(shù)對于改革傳統(tǒng)教學(xué)方式具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下三點：

（1）虛擬交互技術(shù)創(chuàng)建真實的情景，實現(xiàn)形象化教學(xué)，促進智力和能力的發(fā)展

汽車設(shè)計教學(xué)中需要很多直觀的圖片加以說明，虛擬交互技術(shù)可以提供更加真實和逼真的圖像、視頻，也可以設(shè)計很多虛擬的汽車設(shè)計的應(yīng)用場景，更利于學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

虛擬交互技術(shù)有利于右腦的發(fā)育。有分析人員提出，人腦的右半邊和左半邊分別負責(zé)處理的是總體形象思維以及抽象思維，當(dāng)下對學(xué)生實行的數(shù)學(xué)以及文學(xué)等教育需要依靠的是左腦，使得左腦太過勞累，相應(yīng)的右腦則開發(fā)程度不夠，不利于學(xué)生整個大腦的健康。在此背景下，教育工作者們可以選取具備充足趣味性的方式使得學(xué)生們對所學(xué)目標(biāo)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行思考、學(xué)習(xí)、探討，在此過程中學(xué)生的右腦得以充分利用，進而有效的開發(fā)鍛煉了學(xué)生們的智力。

（2）虛擬交互技術(shù)能激發(fā)創(chuàng)新意識

通過虛擬交互技術(shù)，數(shù)量龐大的模型、場景以及形象可以被靈活真切的表達出來。舉例來說，在教師開展如何設(shè)計汽車的教學(xué)活動里，如若將在歷史上占據(jù)一定地位的汽車發(fā)明采用虛擬交互技術(shù)對學(xué)生們展現(xiàn)出來，課堂效果是立竿見影的。虛擬交互技術(shù)還可以仿真各種汽車歷史模型，創(chuàng)設(shè)逼真的場景，使學(xué)生沉浸其中。通過利用VR技術(shù)使知識的傳遞變得有趣，課堂充滿了誘惑力，促進學(xué)生進行探索學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

對于虛擬交互技術(shù)而言，簡單的教導(dǎo)技能是遠遠不夠的，最重要的是創(chuàng)造意識的培養(yǎng)；授人以魚不如授人以漁。所以，與教導(dǎo)知識相比，選取設(shè)立模型、繪畫等方法教育學(xué)生思考更為重要。對于中小學(xué)生而言，其表達能力相對欠缺，對于畫畫的學(xué)習(xí)能力相對較強，和直白的語言相比，畫畫更能使得學(xué)生表達出內(nèi)心的真實想法。換言之，畫畫對于學(xué)生右腦的培養(yǎng)是更加有效的。

（3）虛擬交互技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式、教師教學(xué)方式以及師生互動方式的改變

通過虛擬交互技術(shù)，能夠促進老師在教育活動中成功扮演合作者、參與者、指導(dǎo)者以及學(xué)習(xí)朋友的角色。對于老師而言，教導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的方法，對于引導(dǎo)其自覺自發(fā)的去學(xué)習(xí)知識、處理面對的各種問題是極其重要的。將教學(xué)活動的中心由老師轉(zhuǎn)移到學(xué)生身上，從各個層面改善學(xué)生自主學(xué)習(xí)的態(tài)度以及能力，使得學(xué)生更加具備個性多樣化的特點。將教學(xué)模式進行充分的改進與完善，能夠使得學(xué)生以及老師之間的關(guān)系更為融洽，促使教育工作者開展的教學(xué)活動更富有針對性，更為靈活、直接以及便捷。

第三章 總結(jié)

將虛擬交互技術(shù)開展推廣和深化工作，將使得教育工作者的教育效果以及思維不斷更新。在虛擬交互技術(shù)協(xié)作以及情景化學(xué)習(xí)的應(yīng)用特性被進行實施的背景下，以往難以解決的問題會找到適宜的方法，大教育將會在學(xué)校在學(xué)生中間普及。

中小學(xué)拓展課程虛擬汽車設(shè)計拓展課程開設(shè)，解決了教學(xué)重難點的落實問題。在信息技術(shù)的支持和幫助下，汽車模型圖將會得到更為細致的展現(xiàn)，色彩將會更為充分，學(xué)生與老師之間的交流將會更加密切、直觀，學(xué)生釋放出的信息將會更加迅速、準(zhǔn)確的為老師所掌握、分析和處理，課堂效果更為顯著和良好。針對學(xué)生學(xué)習(xí)特點，通過反復(fù)輪回播放的形式，強化示范演示，縮短平時演示的時間，給予孩子更多時間的創(chuàng)意，真是一舉兩得！

以往的教育模式是存在諸多弊端的，學(xué)生只能被動的去接受老師所傳輸?shù)闹R，不能自主的充分發(fā)散自己的思路，且答案都是約定俗成的。學(xué)生只能根據(jù)教師的語言和課本文字進行再現(xiàn)想象。在這種情況下，學(xué)生在學(xué)習(xí)方面的主觀能動性受到阻礙，就會產(chǎn)生厭惡學(xué)習(xí)的態(tài)度。當(dāng)下對于國內(nèi)環(huán)境而言，虛擬交互技術(shù)的研究相對并不深入，不過未來的發(fā)展可期。我們有理由相信，具備創(chuàng)新性的虛擬交互技術(shù)會因其展現(xiàn)出的各方面優(yōu)勢，在教育工作中將會扮演更為亮眼的角色。