虚拟现实在教育教学中的应用浅析

姜锋霞 孙越 李瑞光

【摘要】虚拟现实技术由于其具有的特性，已经广泛地运用到教育领域，本文主要阐述了虚拟现实的概念、国内外在教育领域的应用现状和应用方法、从多个角度与传统教学方法对比分析，展示了虚拟现实教学在现代教育中的优势，从而引起了笔者对教学方法的应用思考。进一步认识了虚拟现实技术在教育教学中的重要作用。

【关键词】虚拟现实 虚拟现实教学 传统式教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）02-0225-02

随着时代的进步、科技的发展，现代多媒体技术在教学中的应用也越来越广泛，对传统的教学方法、手段、观念也产生了深远的影响。同时也发现多媒体技术在各大院校教学中诸多不足。新出现的虚拟现实技术以其特有的三大特性，克服了传统多媒体技术的一些缺陷，使现代多媒体教学成为更符合现代需求的教学模式。本文从多个维度，通过虚拟现实教学与传统教学对比，探讨如何将两种教学模式相结合，发挥各自教学模式的优点，二者优势互补，使教学效果达到更好。

一、虚拟现实技术

（一）虚拟现实技术（Virtual Reality， 简称VR）

又称作灵境技术，虚拟现实是在1989年由美国VPL公司Jaron Lanier提出的，它主要利用计算机图形学、人工智能技术、仿真技术、并行处理技术和多传感器技术等多种信息技术的综合，生成逼真的三维虚拟环境，通过多种传感器和可视化设备，将声音、画面等作用于用户的视、听、触觉，使用户融入这种特殊的环境中，并能通过手势、语言等行为方式与之进行实时交互，创建了一种适应人操作如同“身临其境”的多维信息空间。虚拟现实由于具有的三特性沉浸感、交互性和构想性，使其在教育领域内有着巨大的应用前景。

（二）虚拟现实技术所需的软硬件条件：

常用硬件：计算机、特殊的头盔、三维立体传感、数据衣、洞穴式投影、三维声音产生器、密封仓等设备。不同的应用背景需要不同的设备配套。

常用软件：目前大多数PC机都用Windows7/XP 操作系统，而且微软公司已经在Visual C++内提供了OpenGL、Drec-Draw等图形API，在PC上建立三维虚拟现实系统一般使用此图形API。0pentGL是由SGI、Microsoft等公司共同制订的三维图形API，OpenGL程序代码既可以在工作站上也可以在PC上编译运行；另外，还有MGlPhotovita、Cool3D、FLASH、VRML、Cult3D、SceneBuilder、WorldTo Kit、Multi Gen等，它们均可在PC机或工作站上运行，使用十分方便。

二、虚拟现实技术在教育教学中具体应用

（一）科学研究

如今已有很多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了系统仿真与虚拟现实的实验室及研究室，并将科研成果转化为实用技术。比如在医学教育方面，医生做心脏手术，学生不可能拿真实人做实验，学生可以通过虚拟人的心脏来学习解剖学，从而认识和掌握病理过程，对于一些现阶段的疑难杂症进行虚拟假设探究，施以各类科学研究。

（二）虚拟教学

虚拟现实技术可用于知识学习，展现抽象知识和探索未知知识。展现抽象知识就是通过VR再现现实生活中无法观察到的自然现象或抽象事物的变化过程，为学生提供一种生动、逼真的感性认识，帮助学生解决学习中的知识难点。如神十航天员王亚平2013年6月20日在太空授课，航天员完全是在太空讲解和实验演示，进而来加深对质量等物理概念的理解。这种实验我们可以利用虚拟现实技术虚拟一个失重情况下实验环境。达到不需要飞跃太空而展示实验效果的过程模拟；探索未知知识就是学生在学习过程中在现实中无法找到的原型，利用该技术对其假设构造模拟，从而直观的观察假设所产生的模拟结果。比如化学分子的学习，可以虚拟假设组合成新的物质，这样学生就有可能研究出新的物质。

（三）技能训练

由于虚拟现实的沉浸性和交互性，可以使学生在虚拟的学习环境中扮演某一个角色，以至于全身心地投入到学习环境中去，这也非常有利于学生的技能训练。例如利用VR进行外科手术、虚拟飞行等各种职业技能的训练。虚拟的仿真模拟训练系统无任何危险性，学生可以不厌其烦地反复训练，直到熟练掌握操作技能为止。

（四）虚拟仿真校园或教室

这也是利用虚拟现实技术进行虚拟环境的仿真。虚拟现实技术能够提供生动、逼真的虚拟学习环境，学生可以作为一名参与者，充当不同角色，与其他学习者共同处在一个虚拟环境中，全身心地投入到学习中去。这营造了“自主学习”的环境。

（五）虚拟实验室

目前许多学校存在实验室教学设备落后、教育资金短缺的弊病，从而难以解决日益增长的学生学习需求与现代科技高速发展之间的矛盾。所用到的仪器、环境、材料等都是由计算机软件虚拟生成的，不是真实存在的。安装了这种虚拟系统后，在进行虚拟实验时，学习者可以通过鼠标和键盘动作控制实验发生的条件来观看并体验不同的实验结果。

三、虚拟现实技术在现代教育中的优势分析

（一）虚拟现实教学和传统教学含义

基于虚拟现实技术的教学叫做虚拟现实教学，它主要是创造一种虚拟的环境使人有一种身临其境感受的教学。所谓传统教学包括传统黑板教学和传统多媒体教学。传统黑板教学，教师在讲解的过程中在黑板上写字板书，对于抽象的事物只能简单口头描述或者简单实物展示。传统的多媒体是通过视、听觉方面向学生展现实物图像、声音、文字的电子媒体，是一种“电灌式”的教学。

（二）虚拟现实教学与传统教学对比

通过中文知识数据总库的搜索，搜集阅读大量文献，总结如下表：

虚拟现实教学比传统教学有以下优势：

1.实现性

实现起来更方便。虚拟现实教学只需要制作对应的教学虚拟现实场景软件，如果需要辅助输入设备，如传感头盔等，还需要购买必要的输入设备以加强体验效果。而传统实验室教学，需要申请场地，设备等等硬件。

2.风险性

实验或操作所带来的各种危险。传统实验教学的操作，一般通过实地实验操作来进行，可能对人的身体健康造成危害。利用虚拟现实技术进行虚拟实验，既可以增加学生的真实体验，又可以放心的避免各种危险的发生。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所带来各种危险。

3.成本性

弥补传统教学条件的不足。传统的实验教学需要根据不同学科和数量的学生采购不同的实验设备，实验用品和实验仪器还存在损耗等费用 ，无形之中给传统实验教学会增加额外成本。而虚拟现实教学只需要根据不同学科内容做一套虚拟现实软件，学生随时随地便可以做各种各样的实验，既能获得真实体验，又加深对教学内容的理解。不需要采购硬件，节约了采购硬件的成本。

4.时空性

彻底打破时间、空间的限制。传统的实验教学需要根据课程安排实验室，在固定时间聚集学生进行固定实验。而虚拟现实教学，只要电脑可以联网，教师和学生可以在任何时间、地点在虚拟现实场景中进行各种实验和体验，大到宇宙天体，小至微观粒子， 学生都可以深入内部观察。一些需要几年甚至几百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在最短的时间内呈现给学生。这就打破了时间和空间上的限制。

5.沉浸性

即沉浸感。虚拟现实教学区别于传统教学最大的特性就是具有沉浸感。由于虚拟现实技术主要是利用三维技术创设逼真的教学环境，模拟再现与真实物体相似的立体空间，立体物体，使人们有一种身临其境的真实感受。好像自己深陷其中。具有较强的沉浸感。而传统教学只是具有传统实验室实际操作完成，传统多媒体课件的“电灌”式只是被动接受，沉浸感比较弱。

四、虚拟现实在现代多媒体教学中的应用思考

（一）处理好教与学的关系

虚拟现实可以仿真逼真的学习环境，给学生以逼真的视觉感受，同时也给学生提供丰富的信息量。学生的思维容易发散，不容易把握学习的关键点。因此老师作为教学的督促者，应该给与学生及时的引导，在学生学习关键点时设置一些问题，让学生自己归纳总结，而不会使学生的学习偏离学习目标。处理好学生的“学”与老师的“教”的关系，形成以学生为中心，老师为辅导，二者兼顾的教学模式。同时发挥学生的主动性，抽象与形象相结合，促进知识的意义建构。在这个过程中教师与学生的互动，不再是单纯的“人机”交互，而是老师与学生的“人际”交互。 因此基于虚拟现实的现代教学方法与传统教学方法相结合，二者优势互补，发挥各方法之所长，建立新型教学模式下的混合式教学，并能较好地锻炼学生的各种能力，激发学生的兴趣。

（二）合理选择合适的教学方式

由于虚拟现实技术需要的条件比较高，占据时间长，所以在选择教学时，要根据实际需要，不要盲目过多的使用虚拟现实教学，对那些抽象概括特难理解的知识或者是实验风险性大的，我们可以选择虚拟现实教学。但不论是实验教学还是理论教学，利用VR的现代教学方法，学习质量和效率很难同步提高，因此教学进度和效果也就难以协调统一。在传统的多媒体教学中，媒体主要是被动地进行播放，学生被动的接受，教学是一种程式化的过程，但这种方式可以快捷地对某一个知识点进行讲解，使学生快速地掌握某方面的知识。因此在利用虚拟现实技术教学中，合理选择合适的教学方式，可以使教学质量和效率得到同步提升。

（三）虚拟现实的效果还有待加强

我们现阶段的虚拟现实表示方面缺乏逼真行为模型，只是简单抽象几何表示。在感知方面，虚拟现实技术研究较多为听觉，在触觉方面关注较少 ，其虚拟的效果还存在不足，真实性与实时交互性有待进一步加强。与真实世界相比，虚拟世界在真实程度方面还存在差距，无法提供真实环境的全部感官刺激，也无法达到如真实世界的真实程度。

（四）教师人员队伍技术水平素质有待提高

因虚拟现实系统要教师具有熟练的多媒体操作水平和现代教育理念，要适应现代化教学的需要，所以加强教师掌握新技术的能力，做好培训，才能更好的服务教学，提高教学绩效。

参考文献：

[1]佟海静，傅钢善，虚拟现实在教育应用中的问题及改进策略，中小学电教，2011

[2]赵沁平，虚拟现实综述 中国科学 F辑，2009

[3]孔庆波，刘智农，林亚军，网络教学中的虚拟现实技术[ J ] ，海军院校教育，2005

[4]赵沁平，沈旭昆，齐越，数字博物馆若干关键技术研究，系统仿真学报，2007

[5]李思维，新媒体技术在现代教育中的应用，现代远距离教育，2012

[6]余卫红，陈 超，虚拟现实技术在教育教学中的应用及思考，技术应用，2012

[7]孟庆峰，尚艳亮，马祥旺，虚拟现实与传统教学整合的教学方法研究，教育与职业，2010

作者简介：

姜锋霞（1978-），女，河南安阳人，硕士研究生，主要研究方向，网络教育，教育技术学。

孙越（1985-）女，河南开封人，硕士研究生，主要研究方向，网络教育，教育技术学。

李瑞光（1988-），男，河南开封人，硕士研究生，主要研究方向，图像处理 ，计算机应用技术。