基于虚拟现实技术的校园网络教学建设探讨

饶跃东

摘要建立更加真实的学习环境是提高校园网络教学质量的关键。虚拟现实技术是一种对数据进行可视化操作与交互的全新方式，将其应用于网络教学之中，通过产生基于三维数字模型的虚拟环境，使参与者能够身临其境地学习，达到更佳的教学效果。文章从分析虚拟现实技术的特点出发，详细阐述了基于虚拟现实网络教学的关键技术以及相关网络教学资源的建设模式和方法。

关键词虚拟现实网络教学人机交互

随着计算机网络技术的飞速发展，基于校园局域网络的网络教学已成为一种新的教学模式在各大高校迅速普及。为了进一步提高校园网络教学的质量，更加真实地模拟实际课堂教学的情景，虚拟现实技术被广泛地运用于其中，它给网络教学带来了新的发展模式。

虚拟现实（VirtualReality，简称VR）是一项涉及计算机图形技术、人机交互技术、传感与仿真技术、人工智能技术等领域的综合集成技术。它是通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，利用计算机技术模拟产生基于三维数字模型的虚拟环境，形成一个以视觉感受为主，辅助听觉甚至触觉等可综合感知的人工环境，使用户作为参与者通过适当装置设备，自然地、身临其境地和虚拟环境进行体验和交互操作。①针对校园网络教学来说，建立更加真实的学习环境是提高网络教学质量的关键。因此，合理有效地将虚拟现实技术运用于网络教学之中，将会给网络教学模式带来积极的影响。

1虚拟现实技术概述

1.1虚拟现实技术的特点

（1）多感知性：多感知性主要是指除了一般人机交互所具有的视觉感知外，还具有听觉感知、触觉感知，甚至包括味觉和嗅觉感知等。理论上讲，理想化的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知能力。

（2）沉浸感：沉浸感是指用户在进行交互操作时，存在于虚拟环境中所能感知到的真实程度。在现有技术条件下，应最大程度地模拟真实环境，使用户能够全身心地投入到计算机创建的三维虚拟世界中。

（3）交互性：交互性主要是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到的反馈程度。②

（4）构想性：构想性是指虚拟现实不仅要能使存在于此环境中的用户获取新的知识，提高感性和理性认识，而且要能使用户产生新的构思，启发其创造性的活动。

1.2虚拟现实技术的分类

（1）沉浸式虚拟现实系统。沉浸式虚拟现实系统能够为用户提供完全沉浸的体验，它需要借助头盔式显示器，数据手套等外部辅助装置与虚拟世界进行交互。将使用者的视觉、听觉与外界隔离，使其能够全身心地投入到虚拟环境中去。这种虚拟现实系统十分复杂，对硬件和软件的要求都很高，因此普及推广难度较大，现阶段仅适用于某些特殊领域。

（2）分布式虚拟现实系统。分布式虚拟现实是指多个用户通过计算机网络连接在一起同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历。多个用户可对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。

（3）简易式虚拟现实系统（桌面虚拟现实系统）。简易式虚拟现实系统又称为桌面虚拟现实系统，通常由个人普通计算机便可组成。它利用计算机屏幕作为观察虚拟世界的窗口，用户通过键盘、鼠标等普通设备便可实现与虚拟环境的交互。这种系统在环境的沉浸感上有所欠缺，但相对结构简单，成本较低，便于应用推广。

2基于虚拟现实技术的校园网络教学建设

网络教学的主要目的是在实现信息资源最大限度共享的基础上，培养学生积极自主学习的能力。一般的网络教学，通常是将电子教材、教案、多媒体课件和授课视频等教学资源放置于网络上供学生自主浏览。这种方式在一定程度上缺乏传统教学的真实感，也很难实现和学生进行动态交互，从而降低教学效果。虚拟现实技术正好能够弥补这方面的缺陷，通过对真实教学环境的模拟，使参与者能够身临其境地学习，能够更好地实现信息交互，达到更佳的教学效果。

从目前校园网络的构建来看，大多数都是基于WEB页面的B/S模式，并且从网络教学的现实应用来看，不可能给每个学生提供高成本的硬件设备，所以要实现并普及基于数字式头盔和手套的沉浸式虚拟现实系统，显然是不太现实的。因此，作为应用并推广普及于校园网络教学的虚拟现实技术，目前应主要考虑简易（桌面）式虚拟现实系统。这类系统只需要以学生个人计算机作为终端设备，以计算机屏幕作为交互窗口，鼠标、键盘作为交互设备，就能与教学内容和虚拟环境进行灵活自由的交互。

2.1虚拟现实应用于网络教学的关键技术

将虚拟现实技术应用于网络教学，更加真实地模拟实际教学环境，这其中主要涉及到的关键技术是对各种图形图像的立体化建模。VRML（VirtualRealityModelingLanguage），虚拟现实建模语言的简称，它是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，是一种面向web，面向对象的三维造型语言，同时也是一种解释性语言。VRML采用文本格式来描述三维场景，使得整个虚拟世界的文件量远远小于传统的三维动画。③目前，VRML已经发展成为新的国际标准X3D。它在VRML的基础上做了较多改动，是一种支持XML编码格式的开放式3D标准。数据可以通过网络实现实时交流，具有可扩展性、可移植性、页面整合性等优势。对于网络教学中的图像建模，可采用如QTVR（QuickTimeVirtualReality）等建模技术。QuickTime是Apple公司开发的一种图像和视频处理技术。QTVR是QuickTime技术的拓展，它不需要传统虚拟现实技术所要求的特殊硬件设备，在普通的PC机上就可产生相当程度的虚拟现实的体验。它不需要进行任何几何造型，只需通过图像采集系统采集真实世界的图像、QTVR系统软件处理离散的图像，即可完成三维空间、三维物体的模拟。用户操纵普通鼠标、键盘即可实现对三维造型的全方位观察。

2.2基于虚拟现实的网络教学资源建设

将虚拟现实技术融入网络教学之中，将传统的教学资源利用虚拟现实技术更加形象化，真实化地展示给学习者，使之能够在虚拟世界中得到更佳的学习体验。因此，利用虚拟现实技术建立更加丰富完善的教学资源就是这种新技术能否取得成效的关键。

（1）虚拟校园建设。校园是学生学习生活的重要场所，传统教学的教室是校园的一部分。在校园网络教学中，没有了实际的校园、教室的概念，对应存在的是虚拟校园和虚拟教室。通过虚拟现实技术，将实际校园中的建筑按一定比例以三维立体的形式表现出来，构建逼真的虚拟环境。一方面，虚拟校园能够更加直观真切地展示校园风貌，提升校园形象；另一方面，能够为学生提供更加真实的环境感受，学生可以用虚拟的角色在校园中行走，与其他虚拟角色交流，可以选择自己感兴趣的课程进入虚拟教室进行学习。

（2）虚拟课堂建设。传统的网络课程一般主要包括电子教材、教案、多媒体课件等资源，基于虚拟现实技术的虚拟课堂，是在传统网络课程基础上的一次提升。虚拟课堂以更加立体直观的方式将各种数字教学资源呈现给学生，对于某一事物的学习，学生可以从多角度多视野进行观察，获得更加全面的认识。学生仍然以虚拟角色作为课堂的主角，能够与虚拟现实技术所表达的教学内容进行交流互动，在不断激发创造性思维的过程中进行自主探索性学习。

（3）虚拟实验室建设。实验教学是学生将理论知识应用于实践的重要环节。在实际教学中，某些实验设备成本较高，更新换代较快，从而导致许多学校实验室设备陈旧，无法满足相关技术的发展和学生的需求。某些实验结论可能需要长时间观察，某些可能还具有一定的危险性，这些实验在实际完成上存在一定的困难。利用虚拟现实技术建立网上虚拟实验室，包括对相应实验室环境、实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源的建模，能够较好地解决这些问题。④虚拟实验室通过对现实实验室的逼真模拟，使实验者不仅具有真实的沉浸感，而且能够通过鼠标键盘等外部设备与三维仿真产生的虚拟实验仪器进行交互。在虚拟实验室中，实验者将不受时间空间和环境的限制，能从多角度反复进行实验论证而不用担心成本问题，有利于进一步培养学生的创新精神。

（4）虚拟图书馆建设。虚拟图书馆是虚拟现实技术在图书馆中的一种应用，它是传统图书馆、数字图书馆功能的扩展和延伸。一方面，利用虚拟现实技术，可以对图书馆实体进行三维全景建模，当需要查找某一书籍时，读者可像现实中一样在其中漫游行走；可以将某些二维平面的数字资源三维立体化，给人更加直观的感觉；同时还可以与人工智能等技术相结合，开发出更加完善的人机交互方式。⑤另一方面，虚拟图书馆也是一扇基于网络的服务之门，它提供的是一种虚拟的网络信息环境，通过校园网出口，用户可在与之相连接网络上的更加宽广的空间中进行搜索，获得更多更丰富的信息资源。

3结束语

虚拟现实技术能够为学习者提供更加真实的学习体验，将其融入网络教学是未来发展的一种趋势。随着虚拟现实技术的不断成熟和完善，必将在网络教学中发挥出越来越重大的作用。着力建设基于虚拟现实的各种网络资源是进一步深入发展网络教学的关键，在实际建设中，应该根据现有硬件和软件技术条件的具体情况，采用相应的虚拟现实技术，以达到最佳的教学效果。

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虚拟现实（VirtualReality，简称VR）是一项涉及计算机图形技术、人机交互技术、传感与仿真技术、人工智能技术等领域的综合集成技术。它是通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，利用计算机技术模拟产生基于三维数字模型的虚拟环境，形成一个以视觉感受为主，辅助听觉甚至触觉等可综合感知的人工环境，使用户作为参与者通过适当装置设备，自然地、身临其境地和虚拟环境进行体验和交互操作。①针对校园网络教学来说，建立更加真实的学习环境是提高网络教学质量的关键。因此，合理有效地将虚拟现实技术运用于网络教学之中，将会给网络教学模式带来积极的影响。

1虚拟现实技术概述

1.1虚拟现实技术的特点

（1）多感知性：多感知性主要是指除了一般人机交互所具有的视觉感知外，还具有听觉感知、触觉感知，甚至包括味觉和嗅觉感知等。理论上讲，理想化的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知能力。

（2）沉浸感：沉浸感是指用户在进行交互操作时，存在于虚拟环境中所能感知到的真实程度。在现有技术条件下，应最大程度地模拟真实环境，使用户能够全身心地投入到计算机创建的三维虚拟世界中。

（3）交互性：交互性主要是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到的反馈程度。②

（4）构想性：构想性是指虚拟现实不仅要能使存在于此环境中的用户获取新的知识，提高感性和理性认识，而且要能使用户产生新的构思，启发其创造性的活动。

1.2虚拟现实技术的分类

（1）沉浸式虚拟现实系统。沉浸式虚拟现实系统能够为用户提供完全沉浸的体验，它需要借助头盔式显示器，数据手套等外部辅助装置与虚拟世界进行交互。将使用者的视觉、听觉与外界隔离，使其能够全身心地投入到虚拟环境中去。这种虚拟现实系统十分复杂，对硬件和软件的要求都很高，因此普及推广难度较大，现阶段仅适用于某些特殊领域。

（2）分布式虚拟现实系统。分布式虚拟现实是指多个用户通过计算机网络连接在一起同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历。多个用户可对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。

（3）简易式虚拟现实系统（桌面虚拟现实系统）。简易式虚拟现实系统又称为桌面虚拟现实系统，通常由个人普通计算机便可组成。它利用计算机屏幕作为观察虚拟世界的窗口，用户通过键盘、鼠标等普通设备便可实现与虚拟环境的交互。这种系统在环境的沉浸感上有所欠缺，但相对结构简单，成本较低，便于应用推广。

2基于虚拟现实技术的校园网络教学建设

网络教学的主要目的是在实现信息资源最大限度共享的基础上，培养学生积极自主学习的能力。一般的网络教学，通常是将电子教材、教案、多媒体课件和授课视频等教学资源放置于网络上供学生自主浏览。这种方式在一定程度上缺乏传统教学的真实感，也很难实现和学生进行动态交互，从而降低教学效果。虚拟现实技术正好能够弥补这方面的缺陷，通过对真实教学环境的模拟，使参与者能够身临其境地学习，能够更好地实现信息交互，达到更佳的教学效果。

从目前校园网络的构建来看，大多数都是基于WEB页面的B/S模式，并且从网络教学的现实应用来看，不可能给每个学生提供高成本的硬件设备，所以要实现并普及基于数字式头盔和手套的沉浸式虚拟现实系统，显然是不太现实的。因此，作为应用并推广普及于校园网络教学的虚拟现实技术，目前应主要考虑简易（桌面）式虚拟现实系统。这类系统只需要以学生个人计算机作为终端设备，以计算机屏幕作为交互窗口，鼠标、键盘作为交互设备，就能与教学内容和虚拟环境进行灵活自由的交互。

2.1虚拟现实应用于网络教学的关键技术

将虚拟现实技术应用于网络教学，更加真实地模拟实际教学环境，这其中主要涉及到的关键技术是对各种图形图像的立体化建模。VRML（VirtualRealityModelingLanguage），虚拟现实建模语言的简称，它是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，是一种面向web，面向对象的三维造型语言，同时也是一种解释性语言。VRML采用文本格式来描述三维场景，使得整个虚拟世界的文件量远远小于传统的三维动画。③目前，VRML已经发展成为新的国际标准X3D。它在VRML的基础上做了较多改动，是一种支持XML编码格式的开放式3D标准。数据可以通过网络实现实时交流，具有可扩展性、可移植性、页面整合性等优势。对于网络教学中的图像建模，可采用如QTVR（QuickTimeVirtualReality）等建模技术。QuickTime是Apple公司开发的一种图像和视频处理技术。QTVR是QuickTime技术的拓展，它不需要传统虚拟现实技术所要求的特殊硬件设备，在普通的PC机上就可产生相当程度的虚拟现实的体验。它不需要进行任何几何造型，只需通过图像采集系统采集真实世界的图像、QTVR系统软件处理离散的图像，即可完成三维空间、三维物体的模拟。用户操纵普通鼠标、键盘即可实现对三维造型的全方位观察。

2.2基于虚拟现实的网络教学资源建设

将虚拟现实技术融入网络教学之中，将传统的教学资源利用虚拟现实技术更加形象化，真实化地展示给学习者，使之能够在虚拟世界中得到更佳的学习体验。因此，利用虚拟现实技术建立更加丰富完善的教学资源就是这种新技术能否取得成效的关键。

（1）虚拟校园建设。校园是学生学习生活的重要场所，传统教学的教室是校园的一部分。在校园网络教学中，没有了实际的校园、教室的概念，对应存在的是虚拟校园和虚拟教室。通过虚拟现实技术，将实际校园中的建筑按一定比例以三维立体的形式表现出来，构建逼真的虚拟环境。一方面，虚拟校园能够更加直观真切地展示校园风貌，提升校园形象；另一方面，能够为学生提供更加真实的环境感受，学生可以用虚拟的角色在校园中行走，与其他虚拟角色交流，可以选择自己感兴趣的课程进入虚拟教室进行学习。

（2）虚拟课堂建设。传统的网络课程一般主要包括电子教材、教案、多媒体课件等资源，基于虚拟现实技术的虚拟课堂，是在传统网络课程基础上的一次提升。虚拟课堂以更加立体直观的方式将各种数字教学资源呈现给学生，对于某一事物的学习，学生可以从多角度多视野进行观察，获得更加全面的认识。学生仍然以虚拟角色作为课堂的主角，能够与虚拟现实技术所表达的教学内容进行交流互动，在不断激发创造性思维的过程中进行自主探索性学习。

（3）虚拟实验室建设。实验教学是学生将理论知识应用于实践的重要环节。在实际教学中，某些实验设备成本较高，更新换代较快，从而导致许多学校实验室设备陈旧，无法满足相关技术的发展和学生的需求。某些实验结论可能需要长时间观察，某些可能还具有一定的危险性，这些实验在实际完成上存在一定的困难。利用虚拟现实技术建立网上虚拟实验室，包括对相应实验室环境、实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源的建模，能够较好地解决这些问题。④虚拟实验室通过对现实实验室的逼真模拟，使实验者不仅具有真实的沉浸感，而且能够通过鼠标键盘等外部设备与三维仿真产生的虚拟实验仪器进行交互。在虚拟实验室中，实验者将不受时间空间和环境的限制，能从多角度反复进行实验论证而不用担心成本问题，有利于进一步培养学生的创新精神。

（4）虚拟图书馆建设。虚拟图书馆是虚拟现实技术在图书馆中的一种应用，它是传统图书馆、数字图书馆功能的扩展和延伸。一方面，利用虚拟现实技术，可以对图书馆实体进行三维全景建模，当需要查找某一书籍时，读者可像现实中一样在其中漫游行走；可以将某些二维平面的数字资源三维立体化，给人更加直观的感觉；同时还可以与人工智能等技术相结合，开发出更加完善的人机交互方式。⑤另一方面，虚拟图书馆也是一扇基于网络的服务之门，它提供的是一种虚拟的网络信息环境，通过校园网出口，用户可在与之相连接网络上的更加宽广的空间中进行搜索，获得更多更丰富的信息资源。

3结束语

虚拟现实技术能够为学习者提供更加真实的学习体验，将其融入网络教学是未来发展的一种趋势。随着虚拟现实技术的不断成熟和完善，必将在网络教学中发挥出越来越重大的作用。着力建设基于虚拟现实的各种网络资源是进一步深入发展网络教学的关键，在实际建设中，应该根据现有硬件和软件技术条件的具体情况，采用相应的虚拟现实技术，以达到最佳的教学效果。