虚拟现实技术对网络教学的影响

□安俊伟，孙 雯，亓 冬

(石家庄陆军指挥学院，河北 石家庄 050084)

虚拟现实技术已被广泛应用于许多领域。在教育领域，虚拟现实技术的优势发挥得比较明显，同时产生了较深远的影响。人类的所有感觉中视觉感知占据绝大部分，我们对立体视效的反应要比平面视效的反应更加强烈。运用虚拟现实技术创设的三维立体图像更利于学习者理解复杂的概念理论、理清事物间的关系等。虚拟现实技术突破了静态空间，打破时间限制，既可以是真实场景的再现，也可以是完全虚拟构想的呈现。虚拟现实技术可以给予用户身临其境的体验，这比空洞的说教和简单的课本讲授要更具说服力。虚拟现实技术作为一门高新技术，其实时的交互性、完全的沉浸性、全面的构想性对网络教学的发展具备一定的推动作用，为网络教学开拓了新的发展空间。下面从虚拟现实技术的特点及其在网络教学中的实际应用情况出发，分析虚拟现实技术对网络教学的作用及影响。

一、虚拟现实技术概述

1．虚拟现实技术的定义。虚拟现实技术是在计算机图形学、仿真科学、多媒体技术、人工智能技术、网络通信技术等基础上加以综合利用，生成接近于现实自然环境的虚拟环境。在理想情况下，进入虚拟环境的用户是难以分辨真伪的，该虚拟环境提供了集视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、身体感知、运动感知于一体的感官刺激。［1］用户采用相应的输入/输出设备，输入设备主要包括数据手套、运动捕捉系统、三维控制器、三维跟踪系统等，输出设备包括视觉感知系统(台式立体显示系统、头盔显示器、吊杆式显示器、洞穴式立体显示器、响应工作台显示装置、墙式立体显示装置)、听觉感知系统、触觉反馈设备(触觉反馈装置、力觉反馈装置)，将用户的行为信息输入到虚拟世界中，同时实时地感受虚拟世界中的反馈，在输入与输出的过程中可以给用户一种自然的交互的感受，从而营造一种身临其境的感觉。［2］自然的交互指的是在真实世界中人们进行一系列行为活动的同时实时得到真实世界中的反馈，其中的自然性往往注重于人们在真实世界中长期生活形成的惯性思维即固有的感知判断，当虚拟现实系统能将输入与反馈按照人们习惯的方式呈现或作用于系统或用户时，便实现了自然的交互。虚拟现实技术的特性包括交互性、沉浸性、构想性。

2．虚拟现实的类型。目前，虚拟现实技术的分类主要根据其对“沉浸感”程度的高低和交互程度的不同来区分。

桌面式虚拟现实，该类型的虚拟现实主要利用初级图形工作站或个人PC机等设备，将计算机屏幕也就是显示器虚拟世界的输出设备，为用户呈现虚拟世界同时反馈用户的输入，主要通过三维立体图形、自然的交互等技术，呈现立体的接近于现实的虚拟交互场景，通过鼠标、键盘和力矩球等各种输入设备输入用户行为数据并作用于虚拟现实系统，虚拟世界的反馈实时地在显示器中显示给用户，实现用户与虚拟世界之间的交互。［3］

沉浸式虚拟现实，该类型的虚拟现实与桌面式虚拟现实相比较，是一种更加高级、相对较理想的虚拟现实系统，可以实现完全沉浸，为用户提供一种进入另一个世界的感觉。其输入/输出设备相对更加高级，利用头盔式显示器、洞穴式显示器或其他设备，将用户的视觉、听觉、触觉以及其他身体感知封闭起来，并且提供一个全新的、虚拟的感觉空间，利用数据服、三维跟踪器、数据手套、其他手控输入设备、多方位声效等使得用户产生一种身在另一个极其“真实”的虚拟环境中，并且自然地实现全身心投入，以真实世界中的方式自然地实现与虚拟环境的交互。

增强式虚拟现实，这种类型的虚拟现实可以实现真实与虚拟的同时呈现，也就是在用户看到真实世界的同时，还能看到区别与真实世界的另一些虚拟现象，而且这种虚拟的对象是叠加在真实场景之上的，是真实世界与虚拟环境的一种组合，这种系统的最大好处就是，不需要为构建几乎真实的虚拟场景而进行复杂的模型设计、数据库运算等，又可以借助虚拟现象实现对真实事物的处理操作。

二、虚拟现实技术在网络教学中应用的优势

1．虚拟现实技术的实时交互性，促进了网络教学中的实践性教学。交互性指的是用户与虚拟现实系统之间、用户与系统生成的虚拟场景之间的输入/输出的过程，在输入与接收反馈之间能够达到实时交互，是虚拟现实技术的一大特性，虚拟现实技术的交互性区别于以往的媒体技术。在过去的多媒体技术中，交互主要发生于用户与计算机设备等媒体呈现设备之间，主要通过键盘和鼠标、电脑屏幕、电视荧幕等进行，这种交互具有一定的局限性。而虚拟现实技术所提供的交互，强调人与虚拟世界之间以自然的方式进行，此处的自然就是像在真实世界中一样进行相关行为动作，同时虚拟世界会给用户无限接近于真实世界的反馈。［4］利用虚拟现实技术构建的虚拟学习环境中，人是一个重要的因素，环境中的变化也是随着人的运动变化而运动变化的，当接到人的运动变化即输入时，虚拟教学环境能够及时地真实地作出响应，这种响应是可控的，而这种交互性是以无限趋近甚至超越真实感为目的的。

实时的交互性有效弥补了远程教学受客观条件的种种限制，导致难以有效开展实践性教学的现象。如果将虚拟现实技术应用到网络教学中，将系统生成的虚拟实验室搭建在网络中，学生只需配置相应的设备进入网上实验室便可以做各种各样的试验，其实验效果像在学校实验室进行操作一般，不仅能进一步丰富学生感性认识，加深对教学内容的理解。同时可以完全避免真实实验或操作所带来的各种危险。学生在虚拟实验环境中，可以放心大胆地去实践自己的实验构想，过去受安全因素制约只能停留在书本上的多种实验也不再那么可怕。无论从学生现实中进行实验的角度还是从实验的内容上都突破了时间和空间的限制。

2．虚拟现实技术的全面沉浸性，促进了网络教学中的情感性教学。虚拟现实技术的最主要的特征就是给予用户一种主动性，感受到自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一员，自身与虚拟世界之间是相互影响的，而非旁观者那样，突破传统的媒体技术，实现了用户由被动观看到主动参与的转变，完全沉浸于虚拟世界之中，参与虚拟世界的各种活动，作用与反作用于虚拟世界。理想的虚拟现实系统所生成的虚拟世界是无法辨别其真伪的，不仅提供传统媒体中也包括的视觉、听觉感受，还可以提供真实世界中共同发挥作用的触觉感知、嗅觉感知、味觉感知、运动感知、身体感知等。［5］真正纯粹的虚拟现实技术的极致是具备为用户提供其在现实客观世界中具有的所有感知功能的能力。

由于网络教学是一种基于现代通信手段的教学，必然存在着师生分离这一缺点，与基于课堂教学的传统教学相比，教学中的情感元素缺乏，难以有效地进行情感交流，教师也很难感受到学生接受新知识后，第一时间的反馈，无法及时调整课程进度或更换讲授及展现方法。而利用虚拟现实技术实现的虚拟教室、虚拟实验室等虚拟教学设施会使学生感受到包括视、听、触觉甚至味觉、嗅觉等多方面的感知刺激，在实时交互功能的基础上，可以使学生全身心地进入并完全沉浸在计算机系统创建生成的虚拟环境中。学生与教师均由过去的编辑者和观察者变为主动的参与者，共同成为网络教学中的主体部分，实现了师生间、生生间及时交流的目的，以及学习者的心理沉浸，从而上升并影响到学习者的情感，进而加工知识信息、重塑知识结构，如同在真实的教学环境中开展教学一般。

3．虚拟现实技术的构想性，促进了网络教学中的启发式教学。构想性(Imagination)指的是虚拟的环境是现实生活中存在投射到设计者脑海中，或完全不存在而只是设计者构思而来的，体现了设计者相应的思想，同时当设计者的思想反映到生成的虚拟场景中是又会作用于用户的意识，从而进一步刺激用户的思维构想。［6］这种构想性既包含设计者的构想也包括虚拟世界中作为主体的用户的构想。通常它以较为夸张的形式呈现设计者的思想，虚拟现实系统的开发过程是虚拟现实技术与设计者共同操作的过程，设计开发中发挥并展现着它们的创造性。虚拟现实技术的产生与快速发展，为人类认识世界分析研究现实世界的问题提供了一种全新的方法和手段，既可以重温早已发生的历史事件、世界奇观，也可以经历和体验未来的未知的事情，尽管只是设计者对未来的一种推断或设想;［7］还可以使人类不受空间限制，从宏观和微观多个角度对世界进行研究和探索;虚拟现实技术的出现使得受某些条件限制难以实现的事情可以“实现”。

好的教育往往不是知识的灌输和信息的堆砌，而是授予学生学习成长进步的方法，发现问题、研究分析问题、继而解决问题的思维能力、动手能力。［8］虚拟现实技术的构想性特点对于在网络教学中开展启发式教学、发现式教学等具有有力的推动作用。在现实教学中，很多教学活动由于人身安全、经费开支、环境污染等等因素的困扰而难以开展，很大程度上约束了学生的想象能力，制约了学生思维的拓展。通过虚拟现实技术构建的虚拟学习环境，可以打破之前的种种顾虑，在操作过程中出现失误，造成了“事故”、“伤亡”甚至是“灾难”，以上这些为学习者所感受到的各种现场，虽然很逼真甚至可以嗅到燃烧、爆炸等的气味，但对于现实而言却没有造成任何损失和破坏。

三、虚拟现实技术在网络教学中运用的劣势

虚拟现实技术作为一门科技含量高、应用范围广的新兴技术，具备技术上得天独厚的优势，为很多难以解决的问题提供了新的思路和方法，在网络教学中也已经发挥了越来越大的作用，在很多方面取得了良好的教学效果，但若在网络教学中将虚拟现实技术全面推广仍存在两点不足。

1．科学技术水平有限。目前的软件水平，构建完善的、逼真的虚拟教学环境需要大量的场景建模，在建模中模型越逼真，材质和纹理就越细腻，工作量非常大，包括虚拟场景的驱动与载入、虚拟场景的漫游和控制都面临同样的问题;从硬件角度来讲，复杂的高质量的场景对硬件的要求很高，场景中的每一次运动，后台都需要进行快速的复杂运算，控制系统作出趋近实际的回应，众多用户在同一场景中，就意味着更庞大的运算量，所以对设备的硬件水平提出了较高的标准。

2．经费开支过大。就目前的消费水平来讲，一套完整的输入/输出设备(包括数据头盔、数据衣、力矩球、数据手套、计算机等)是比较昂贵的，如果是单位集体建设，这样的经费开支还是相对可行的，但对于学习者个人而言是难以承担的，这也是网络教学中虚拟现实技术难以大面积推广运用的重要因素之一。［9］

3．人才队伍建设有待加强。一项高端科技的出现，短期内面临的一个重大问题是，相关专业人才队伍的建设问题，这是促进技术不断发展同时广为推广应用所必备的基础，同样虚拟现实技术也面临着对大批专业人才的需求问题，尽管一些高校已经开设了虚拟现实专业的有关课程，但仍存在课程规划不合理、不全面，由于在国内该项技术广泛推广比较晚，也导致了很多学生对技术的不了解，很大程度上制约了生源。对于虚拟现实技术的培训或教学缺乏统一的规范标准，由于虚拟现实技术中涉及涵盖的其他技术较多，包括多媒体技术、网络技术、计算机图形技术等，又有软件、硬件研究之分，没有清晰的分类，学习起来不系统，不规范，泛而不精、精而不广。［10］

相信不久的将来，随着虚拟现实技术的不断发展和完善，硬件设备制造成本的减低、设备价格不断趋于合理和软件技术水平的不断提高，人才队伍的不断壮大，虚拟现实技术凭借自身的优势和潜力，将会进一步深入到教育领域的各个方面并发挥其技术优势，同时为网络教育注入更加强大的生命力。

［1］胡小强．虚拟现实技术基础与应用［M］．北京：北京邮电大学出版社，2011．

［2］申蔚，夏立文．虚拟现实技术［M］．北京：希望电子出版社，2002．

［3］许秀丽．虚拟现实技术在网络教学中的应用研究［J］．中国新技术新产品，2011，(3)．

［4］张涛．多媒体技术与虚拟现实［M］．北京：清华大学出版社，2008．

［5］赵辉，叶莉．虚拟现实技术在网络教育中的应用——虚拟医学陈列馆的设计与实现［J］．中国现代教育装备，2009，(7)．

［6］陈集炎．浅析网络教育中情感缺失的原因及解决策略［J］．民营科技，2009，(11) ．

［7］张艮山，李建昌，任莎莎．网络教育环境下的情感教学策略［J］．中国成人教育，2009，(15) ．

［8］薛为民．基于认知机制的情感虚拟人交互技术研究［J］．北京联合大学学报(自然科学版)，2010，(12)．

［9］刘永花．利用虚拟学习社区对远程学习者进行情感支持［J］．安徽广播电视大学学报，2010，(3)．

［10］崔向平．虚拟现实技术在学习者情感教育中的应用探究［J］．甘肃联合大学学报，2011，(7)．