虚拟现实技术在实践中的应用研究

孙芳芳，杨 丽

(苏州科技学院 传媒与视觉艺术学院，江苏 苏州 215009)

虚拟现实技术在教学中的应用是国内外教育技术学领域的研究热点和发展趋势之一，是继网络和多媒体以后的又一新的研究领域。相对于传统的实践教学模式，虚拟现实技术以其沉浸性、交互性和想象性等无可比拟的特点使其在实践教学应用中有着得天独厚的优势。利用虚拟现实技术创建虚拟实验室，不仅可以节约实践教学成本，突破时间和空间的限制，更有利于学生实践技能和创新能力的培养，是计算机技术在实践教学中应用的一个重要发展方向。

1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是指利用计算机系统及相关软硬件技术构造一种虚拟环境，实现用户与虚拟环境直接进行自然交互的技术。通过三维跟踪传感设备、立体显示设备等虚拟现实专用设备的使用，用户可以投入到虚拟环境中，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，并获得视听摸等多种直观而又自然的实时感知。相对于传统的人机交互技术，虚拟现实技术的特点主要体现以下三个方面:

1.1 沉浸感(Immersion)

沉浸感又称临场感，是指用户作为主角置身于计算机虚拟环境中所感受到的真实程度，理想的虚拟现实环境应使用户难以辨别其场景是真实空间还是虚幻空间，将其融入虚拟场景中，由观察者变为参与者，能够全身心地投入。

1.2 交互性(Interaction)

交互性是指参与者对虚拟现实场景中物体的可操作程度以及从虚拟环境所得到的反馈的自然程度和实时性等。虚拟现实系统的最大特点就在于它与用户的直接交互性，摒弃了传统的“以计算机为主体”的思想，确立了人在信息环境中的主体地位。

1.3 构想性(Imagination)

构想性是指在虚拟现实世界如何开发虚拟现实的应用并寻找合适的场景和对象，以充分发挥人类的创造力和构想性。

虚拟现实技术所具有的沉浸性、交互性和构想性三大特性，为用户提供了一种先进的计算机用户接口，通过用户与虚拟环境之间各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度的方便用户的操作，减轻用户负担，使得参与者能在虚拟环境中做到沉浸其中，超越其上，突出体现了“以人为本”的设计理念。

2 虚拟现实技术在实践中的优势

近年来，社会对高校毕业生的要求更多的体现在实践能力的职业化和技能化方面。为了适应社会的发展需求，各高校教学体系中也更突出了学生综合素质和实践能力的培养，实践教学得到了高度重视。然而目前，国内外的实践类教学大多在实验室进行，既耗费成本，又有时间、空间和实验条件上的限制，缺乏灵活性，不利于激发学生的学习热情。

在此背景下，虚拟现实技术的出现为实践教学模式的完善和创新开创了新的契机。利用虚拟现实技术，不仅可以真实的展现三维空间信息，并提供视觉、听觉、触觉和嗅觉等各种感官的反馈信息。同时，它能使用户与虚拟环境中的各种对象进行直接自然地交互，以各种方式参与事件的发展变化过程，从而获得最大的控制和操作整个环境的自由度。这种呈现多维度信息的虚拟学习和实践环境，将为参与者以最直观、最有效的方式掌握一门新知识、新技能提供前所未有的新途径。在实践教学中应用虚拟现实技术，其优势主要体现在:

2.1 立体化、多视角呈现教学内容

以往，教学信息多是以文字、图片、视频、动画等形式呈现，学生受视角的限制，缺乏立体感且略显单调、乏味。而利用虚拟现实技术的三维仿真特性，我们可以将教学内容以三维模型的方式进行立体化多视角的呈现，使学生以真实世界的感受完成学习，提高学习质量。以医学实验为例:人体解剖图谱一直是学习和识别人体特征结构的主要工具。以往的人体解剖图大多是以3D形式描绘的插图或是一些实际解剖结构的图片，而利用虚拟现实技术生成数字化的人体解剖图谱，能让使用者在没有任何外界干扰的情况下自由地观察和移动解剖结构，更快捷地学习和了解解剖信息。

2.2 弥补实践教学条件的不足，节约实践教学成本

在实验教学中，对于一些需要贵重设备的实验，购置及维护费用是一笔不小的支出。甚至可能出现因为实验设备价格昂贵或者仪器老化没有及时购置和补充等实验经费不足的原因而导致实验无法顺利开展的情况，很大程度地影响了学生实践操作能力的提高。而虚拟现实技术的出现可以很好的解决这一问题。利用虚拟现实技术我们可以构建数字虚拟设备供学生进行实验，从而大幅度的减少设备的购置和维护费用，显著节约实践教学成本。

2.3 突破时间和空间的限制

传统的实践教学在实验室进行，需要实验器材、设备等支撑，同时，在时间和空间上有很大程度的限制，由于时间冲突和空间限制等条件，使得实践教学不能随意进行，故而会影响实践教学效果。如果使用虚拟现实技术创建数字实验系统来代替传统实验室则可以彻底打破时间和空间的限制，提高实践教学效果。如在虚拟实验系统中学生可以深入观察宇宙天体的结构，还可以将一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，生活中用果蝇做实验往往需要数月，然而使用虚拟现实技术在一堂课内就可以实现。

2.4 远离实验伤害，降低安全隐患

在传统的实践模式中，往往采用播放电视录像的方式来代替一些危险的或者可能危害到人体健康的实验。这种方式下学生无法通过直接参与实验来获得感性认知。而利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生则可以免除这种顾虑，在计算机所构建的虚拟才场景中放心地完成实验项目，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。例如:虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧和爆炸对人类所造成的伤害。

2.5 创设人性化学习情境，激发学生学习热情

虚拟现实技术的特点决定了其更注重用户与虚拟环境之间的相互作用，在实践中，它可以为学生创设一个人性化的学习环境，同时虚拟技术提供的优良的交互性使虚拟现实系统能够为学生提供必要的反馈。学生在虚拟现实环境中是一个主动的观察者，他可以通过不断进行探索、分析、判断和总结等思维活动与虚拟环境之间进行交流与沟通来获得认知，为学生提供通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式，激发学生学习的积极性，加强其在学习活动中的思考和创新能力。

3 虚拟现实技术在实践中的应用

“多媒体计算机的构成与组装”教学内容专业性极强，对于教育技术或计算机相关专业的学生来讲是必备的知识。传统的课堂教学一般采取两种方法进行:其一，把计算机硬件拿到课堂上展示;其二，让学生以小组形式在实验室进行硬件的认识与组装实验。上述两种方法都存在弊端:第一种方法硬件展示缺少立体感，学生受视角的限制，不能全方位了解硬件;第二种方法耗费资源，受教学单位实验资源的限制严重。针对上述传统教学存在的弊端，我们研发了多媒体计算机的虚拟实验室系统，如图1所示。

在多媒体虚拟实验室系统中我们对显示器、机箱、外设等设备进行了三维建模，用户可以使用在场景中使用W键(应向前走)、A键(向左转)、S键(向后走)、D键(向右转)进行漫游。在漫游过程中，通过用鼠标点选摆放的设备可以查看该设备对应的模型，如图2所示。建模过程是基于3dsmax技术，将实际的硬件设备按比例缩放进行的。模型应用了高光，金属材质，渲染贴图等大量特效，使模型看上去更加的真实和直观，使用户体验到一个高仿真的虚拟环境。

图1 多媒体虚拟实验室

图2 主板模型

同时，系统中我们设置了游戏教学模块，本游戏设置了5道游戏关卡，分别是正确识别多媒体计算机硬件;为每种硬件选择正确的功能解释;将正确硬件模型拖放到其相应的功能说明处;在主板上正确插入各种硬件;完成多媒体计算机组装。通过这5道由易到难的游戏关卡设置加深学生对于多媒体计算机的硬件及其功能的了解，同时帮助学生熟练掌握多媒体计算机的组装过程。

在多媒体虚拟实验室内，不仅学生可以多角度、全方位审视计算机硬件，同时还可以以游戏的方式组装多媒体计算机，不仅增强了教学效果，节约了教学成本，更实现了寓教于乐的教学境界，极大程度上激发了学生学习的热情和积极性，提升了实践教学品质。

综上所述，虚拟现实技术在实践中有着极其广阔的应用前景。随着虚拟现实技术的进一步发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们有理由相信，与多媒体技术、网络技术并驾齐驱的虚拟现实技术作为一种全新的交互媒体，必将以其自身强大的优势和潜力在实践教学中受到越来越多的重视和青睐。

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