劉瀟憶，金 浩，劉 偉

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，是一種綜合性技術(shù)統(tǒng)稱。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集計(jì)算機(jī)圖形識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)等高新技術(shù)于一體，主要通過計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境，讓使用者可以根據(jù)自身感覺對(duì)虛擬環(huán)境中的事物進(jìn)行觀察和操作，從視覺、聽覺、觸覺等方面，給體驗(yàn)者以身臨其境的沉浸式體驗(yàn)感。如今，隨著社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步，并逐步向新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域前進(jìn)[1-4]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性和多感知性4個(gè)基本特征，目前虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)不同的類型可分為以下4種[3]。

1.1 桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一套基于普通PC平臺(tái)的小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用中低端圖形工作站以及立體顯示器，產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，是目前比較普及的一類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，但是這類虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)會(huì)受到周圍環(huán)境干擾，虛擬體驗(yàn)感較差。

1.2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)又分為非交互式體驗(yàn)、人—虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)和群體—虛擬環(huán)境交互式體驗(yàn)等幾類。系統(tǒng)利用頭盔顯示器封閉使用者的視覺和聽覺，從而產(chǎn)生虛擬視覺；利用數(shù)據(jù)手套封閉觸覺，從而產(chǎn)生虛擬觸動(dòng)感；利用頭部、手部、眼睛視向跟蹤器，追蹤使用者發(fā)出的操作命令，從而使體驗(yàn)者完全沉浸于虛擬環(huán)境。

1.3 增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在實(shí)際的環(huán)境上擴(kuò)增信息，將虛擬環(huán)境的圖形和真實(shí)物體進(jìn)行疊加，再依賴虛擬現(xiàn)實(shí)位置跟蹤技術(shù)，以達(dá)到精確的重疊和良好的虛擬體驗(yàn)感。

1.4 網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一個(gè)多客戶端網(wǎng)絡(luò)交互系統(tǒng)，多個(gè)用戶可以在不同地址，對(duì)同一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行觀察和操作，并實(shí)現(xiàn)共享信息的功能。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使學(xué)生在教學(xué)中擁有更強(qiáng)的主動(dòng)性，為學(xué)生提供生動(dòng)形象逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境。這種優(yōu)勢(shì)來源于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的沉浸感，而傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法提供這種沉浸感。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)過程中，學(xué)生擁有更強(qiáng)的參與度,可以很好地沉浸在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)原理和方法的理解以及對(duì)問題的主觀感受上有良好的結(jié)果。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)用于補(bǔ)充常規(guī)授課內(nèi)容的理想工具，無論在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)，其在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用都取得了一定的成績(jī)。國(guó)內(nèi)外許多專家和學(xué)者都開始了相關(guān)的研究工作并取得初步進(jìn)展，而且有越來越多的專家學(xué)者參與進(jìn)來。其中較為成功的有VREX云平臺(tái)、Multigen creator平臺(tái)、NCLS等[5]。

2.1 國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

早期，在一些歐美國(guó)家虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就被應(yīng)用到了教育領(lǐng)域，原因在于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以很好地構(gòu)建出相似度較高的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的情景交互。1985年，美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書館開展人體解剖圖像數(shù)字化研究。隨后，一些國(guó)家也加入這個(gè)行列，開始創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室開展虛擬技術(shù)的研究。同年，為進(jìn)行虛擬環(huán)境的正規(guī)研究，MIT成立了媒體實(shí)驗(yàn)室。AftabAlam團(tuán)隊(duì)通過模糊邏輯的方法用定量的方式測(cè)定了學(xué)生的學(xué)習(xí)技能，并以它為標(biāo)準(zhǔn)用于改變3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的內(nèi)容,來解決3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的自適應(yīng)能力[6]。

美國(guó)在教師教育中領(lǐng)先運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，2008年中佛羅里達(dá)大學(xué)首創(chuàng)TeachlivE教師技能訓(xùn)練系統(tǒng)，利用新技術(shù)探索教師教育的信息化，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用創(chuàng)設(shè)了虛擬學(xué)生和現(xiàn)實(shí)課堂相結(jié)合的混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境，為實(shí)習(xí)教師提供具體的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及課堂管理技巧等，強(qiáng)化了教師教學(xué)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，并取得了顯著成效。

2.2 我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)引起政府有關(guān)部門的高度重視并根據(jù)我國(guó)國(guó)情制定了開展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃、九五計(jì)劃等都把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)列入了研究項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)一些高等院校已經(jīng)緊跟國(guó)際步伐投入這一領(lǐng)域中，其中西安虛擬現(xiàn)實(shí)工程技術(shù)研究中心是最早開始進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)試驗(yàn)的研究中心。該中心的成立，對(duì)發(fā)揮學(xué)校電子信息工程學(xué)院等其他院系在虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真與虛擬制造等方面的研究具有積極作用[6]。

當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與仿真領(lǐng)域的軟硬件研發(fā)推廣方面具備了較先進(jìn)的解決方案和相關(guān)服務(wù)，擁有數(shù)字城市仿真平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器、三維仿真系統(tǒng)開發(fā)包、物理模擬系統(tǒng)、三維網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、工業(yè)仿真平臺(tái)等，滿足不同層次和領(lǐng)域的客戶對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的需求[7]。

國(guó)內(nèi)高校及研究團(tuán)隊(duì)都致力于虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的相關(guān)研究工作并取得了初步進(jìn)展。為使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域得到更快的發(fā)展，天津理工大學(xué)體育系基于體育教學(xué)與訓(xùn)練的本質(zhì)，通過協(xié)作學(xué)習(xí)、在線教學(xué)等手段,構(gòu)建了一款可以將體育教學(xué)與訓(xùn)練相互結(jié)合的虛擬顯示技術(shù)模型與軟件；武漢首義學(xué)院的尹坤坤設(shè)計(jì)出可以細(xì)分各領(lǐng)域的虛擬軟件搭建的方案,同時(shí)該方案已在華中地區(qū)部分高校中應(yīng)用并取得了較好的成果。

隨著現(xiàn)代信息科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展前景以及空間十分廣闊，很多高新技術(shù)領(lǐng)域例如計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等重要領(lǐng)域，都因?yàn)槠鋸?qiáng)大的發(fā)展能力而投身虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[8]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在20世紀(jì)末期一些國(guó)家就對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展開了研究,并且嘗試將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域,后期就出現(xiàn)了Classvr，Unimersiv，Nearpod等多個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而存在的教育平臺(tái)，這些教育平臺(tái)的出現(xiàn)為VR技術(shù)走進(jìn)教育領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。利用VR的交互性和沉浸性，將VR應(yīng)用到課堂教學(xué)中不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還可以改善現(xiàn)在教育資源嚴(yán)重不平衡的問題。

而當(dāng)前VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育的應(yīng)用中，并不完全依賴于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，而是人機(jī)相互配合，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)最大限度地呈現(xiàn)出來，從根本上推動(dòng)部分高等院校的高質(zhì)量發(fā)展。在教育方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以應(yīng)用到如下多個(gè)方面。

3.1 高校內(nèi)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

將現(xiàn)代的高端科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)教育結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬校園場(chǎng)景，為學(xué)生們提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，也可與更多優(yōu)質(zhì)的學(xué)校進(jìn)行互動(dòng)。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以讓實(shí)驗(yàn)立體化，也可以讓多個(gè)學(xué)生一同進(jìn)行觀察與操作，高效地培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力以及想象能力，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)造性和對(duì)知識(shí)的掌握能力。

3.3 遠(yuǎn)控教育

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建出虛擬的環(huán)境及角色，讓學(xué)生身臨其境，與此同時(shí)老師也可以在這個(gè)虛擬環(huán)境中與學(xué)生們進(jìn)行互動(dòng)，達(dá)到最好的教學(xué)效果。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生們被充分調(diào)動(dòng)起來，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高自主學(xué)習(xí)的能力。

3.4 技能培訓(xùn)

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以為學(xué)習(xí)者更好地還原出訓(xùn)練場(chǎng)景，讓學(xué)習(xí)者更加快速地掌握其所學(xué)技能。用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行彈藥的虛擬拆裝，讓學(xué)生們親身體會(huì)拆裝的過程，主動(dòng)探索和學(xué)習(xí)；虛擬的武器發(fā)射場(chǎng)景，也可以讓學(xué)生們更加了解武器發(fā)射出去之后的運(yùn)行軌跡，有利于學(xué)生們進(jìn)行學(xué)習(xí)與探究。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種需要培養(yǎng)操作技能的領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)教學(xué)、汽車駕駛等也從中受益。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

4.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

（1）分辨率低。

有研究表明只有當(dāng)分辨率達(dá)到4K甚至更高畫質(zhì)時(shí)才能擁有更加舒適的體驗(yàn)感，而當(dāng)前大多數(shù)VR顯示器的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[9]，這方面影響了沉浸式體驗(yàn)的感受。

（2）無線連接困難。

目前這項(xiàng)技術(shù)還必須通過有線的方式進(jìn)行操作，但是若想讓這項(xiàng)技術(shù)得到普及，必將朝著無限的方向發(fā)展，不過根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)仍然無法實(shí)現(xiàn)。

（3）開發(fā)技術(shù)門檻高。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是新興技術(shù)，對(duì)技術(shù)的掌握要求極高，盡管公司擁有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)資源，但資源是否能夠得到充分利用依賴于在開發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)掌握的程度上。

4.2 全新教學(xué)模式推廣挑戰(zhàn)

（1）對(duì)虛擬身份與真實(shí)身份交互作用的認(rèn)識(shí)。

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師會(huì)清晰直接地觀察到學(xué)生們的行為，再通過經(jīng)驗(yàn)判斷來選擇何種教學(xué)方式。而虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中，教師無法看見真實(shí)的學(xué)生，而是由系統(tǒng)構(gòu)建出的虛擬形象，其學(xué)習(xí)行為可能與現(xiàn)實(shí)中的學(xué)習(xí)者有所出入，這就需要教師不斷研究與探索，掌握虛擬環(huán)境中學(xué)生的行為特點(diǎn)，并將學(xué)生的虛擬形象和真實(shí)身份進(jìn)行交互。

（2）造價(jià)昂貴，不便于普及。

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍處于研究階段，造價(jià)昂貴并且缺乏便攜性，仍不能在各個(gè)學(xué)?；蛘呓逃袠I(yè)普及。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成了當(dāng)今社會(huì)的新型產(chǎn)物，將其應(yīng)用到教育中來，可以吸引學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)還可以完善當(dāng)前的教學(xué)模式，讓教學(xué)也可以與時(shí)俱進(jìn)。但是，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍處于發(fā)展階段，相關(guān)功能結(jié)構(gòu)還有待完善。當(dāng)然，隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)愈加成熟，虛擬教學(xué)也將走進(jìn)大家的生活。這種全新的教學(xué)模式會(huì)被更多的教育工作者所看到，現(xiàn)代教育虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必定未來可期。