虚拟现实技术对教学设施的基本要求

张 疆

(内蒙古开放大学，内蒙古 呼和浩特 010011)

一、虚拟现实技术简介

在目前技术条件下，“虚拟现实”是一种以计算机技术为基础，通过特定感知设备的输入输出功能(功效)，在用户视觉映像中构建一个虚拟的、非物理存在的环境，却能使人“感到”像实际存在效果的技术。

通行的另外一个关于它的概念：虚拟现实技术是一种以计算机图形学为基础，并且有机结合了诸如传感技术、计算机动画模拟与仿真、媒体显示/表现等多种技术，得到迅速发展和应用的一种计算机应用形式。

二、教学过程中虚拟现实应用构想

由于虚拟现实能带给用户“浸入式”感知效果，所以把虚拟现实技术应用在某些学科的教学过程中，通常会带来更加有效的教学效果。就目前大多数的教育过程来看，虚拟现实技术是能够广泛应用在课堂教学中或(和)实验/实训教学等过程中的。

(一)课堂教学

无论是面授(线下)，还是远程(线上)，集中性的“课堂”教学过程，都存在利用基于虚拟现实技术而进行的多种教学手段。考虑到学科之间的差异，我们可以想象到在不同学科运用虚拟现实进行教学所发挥作用的不同。因此需要根据不同学科来分别分析一下，该学科进行虚拟现实教学时，所需配套教学设施的基本要求。

从虚拟现实的主要应用形式看，目前比较广泛的应用点还是展示性输出为主。鉴于这个应用特性，很自然的就能想到以媒体展示/演示为主的学科，或者具有上述特性的教学内容，比如：三维空间、场景及物体等的展示，在理论上都有运用虚拟现实手段的可能性。在虚拟现实之前，基于计算机技术的展示，无论二维技术，还是准三维技术，都是一种让观察者感觉到“第三方”的用户体验感知效果。如果运用虚拟现实技术，则能够把观察者更加深层次的“拉”进视觉场景中，从而使用户享受到“虚拟式现实”沉浸级的感知及体验效果。

空间、场景、物体等资源，当采用“虚拟现实”级的应用时，有一定的前置条件需要满足：就是虚拟环境中展示的空间、场景及物体，需要通过一定的方式，在计算机中进行构建，也就是通常说的“建模”问题。

就目前能得到应用的建模方式来说，主要有下面几种。因此，进行教学时所需要的配套设施，也自然而然的需要考虑合理融入这些必要的设备。

1.三维建模设施

市场上可以寻到的三维扫描仪设备，主要为接触与非接触两种类型。其中，非接触式扫描仪进一步可分为主动与被动两种扫描方式。

接触式三维扫描仪：通常需要通过某种光学等手段穿透实物表面，通过某种算法获得物体在不同维度的深度值。如座标测量机是一种十分典型的接触式三维扫描仪。接触式三维扫描由于获得实物数据精确、逼近，所以常常用于工程制造类行业及学科。然而因其在扫描过程中必须接触物体，待测物有遭到探针破坏甚至损毁的可能性，因此不适用于珍贵实物对象的构建。

主动式非接触扫描：一般需要将外部能量投射至待识别物体上，凭借能量反射来计算三维物体的空间数据。投射能量通常使用可见光、高能光束、超音波与X射线等。

三维扫描设备的主要应用场合：

(1)文化资产展示

透过3D扫描可将各种对象进行记录，小至各种文物、艺术品，大至历史建筑、街区建筑甚至整体都市环境都可以透过扫描数字化，作为文化资产之应用。因此，人文类学科特别是历史、考古等专业，利用三维扫描技术，对某些历史遗迹、文物等对象进行计算机“成模”，然后再施以必要的虚拟环境中的交互，会让教学过程变得更加生动。

实物经过三维扫描后所得模型，其还原度通常能达到99%左右。尤其是在物体表面的纹饰和细节特征方面，三维扫描能提供更精确地“重现”。另外还能获取实物的表面积和体积等参数。这些都可以更好地应用在历史学科中，比如对残缺不全文物的修复，三维扫描可以把文物的物体数据转换到计算机中的“点云”数据，然后通过计算、模型重建等过程，为物体修复提供十分精确的数据依据。这一特性同样可以应用到实物修复建模等课程环节中。

(2)逆向工程

“逆向工程”是通过对某目标对象进行逆向分析、研究，直至得出该产品的处理流程、组织结构、功能性能规格等设计要素，以制作出功能“类似”产品。逆向工程的主要目的是直接从成品分析推导出产品的设计原理。

通过虚拟现实，可以为教学目标对象构建一个与实物同样的三维物体，然后在虚拟环境中使用，完成相应的教学目标。如数学专业中的几何类问题，可以考虑利用虚拟现实技术(VRML语言)，在虚拟场景中构建相应的几何空间，然后让学生从各种视角去观察，增强直观理解。

2.立体空间的展示

“立体空间”是在现实存在或在历史中曾经真实存在的空间。在部分学科的教学中，其相关知识内容需要某种形式展示处理。使用虚拟现实，通常能够在虚拟环境中建立相应的空间，从而让学习者看得见、摸得着。这类虚拟现实应用已经有应用实例，如：美国加利福尼亚大学(洛杉矶分校)就是利用计算机技术，结合现实主义手法，在计算机环境中非常准确地重造了数字化的古罗马奥古斯都时代，用于历史教学中，获得了巨大成功。

目前，宇宙太空对人类来说，还是一个非常神秘的世界，外太空旅游、地外星球居住等，还是人类梦寐以求的美好愿望。就教学而言，如果通过虚拟现实相关技术营造出逼真的虚拟空间，人们通过在虚拟空间中去感受宇宙中多种场景，如：观察太空中行星、恒星甚至黑洞的面貌与运动；人在太空中失重状态下的活动特点；在月球上做不同质量物体下落实验等等。一定能让学习者“设身处地”的调动更多的感觉器官，从更多方位获得学习内容、知识和技能。

3.虚拟场景的构造

虚拟场景是指在现实生活中可能出现的一些场景，通过虚拟现实在不同的时间或地点表示出来。

如果文学、语言教学也采用虚拟现实技术完成有关内容，让学习者在虚拟现实世界中，面对虚拟的“外语类”生活环境和语境，将能更好地使学生沉浸到教学所需要的气氛中，这对提高学生的外语综合能力无疑是一个很大的突破。又如在外语社交场景教学中，利用虚拟现实技术营造出外语语境，并根据教学需要设置好相关重点情境，之后学习者利用虚拟现实设备“融入”这些场景并完成教学过程。

(二)实训实验

就调研结果来说，国内许多学校现有教学实验、实训基础设施条件整体偏弱。如果再结合部分专业自身的特点，某些实训实验是无法轻易做的，如有毒、有害、放射性等实验项目。

利用VR技术，对于包含有危险、毒害等内容的教学内容、实验实训内容的环节，就能较好地解决。利用VR技术，在多媒体计算机上建立虚拟实验室，学习者能“身临其境”式的操作虚拟场景中的仪器、物质，发出实质上不产生严重危害的操作动作，而操作结果则通过合理的显示、身体感官去获得。这样实施的实验、实训过程，实物器材消耗、场地限制、安全保障措施等都弱化到可行的程度，并且实验“资源”可重复使用(操作)，带来长远的经济效益。

鉴于此，如果要实施该级别的虚拟教学环节时，所需的基础教学设施主要有：

1.硬件部分

虚拟现实教学所需硬件设施，主要是指用以支撑虚拟应用运行的PC系统以及显示、交互等所需的配套系统。考虑到目前大多数教学场景，主要可以从下面几类设备设施着手考虑和规划具体的应用方案。

(1)全景照相、摄像设备

根据教学内容、投入等影响因素，可以选择单反相机(如：佳能5D Mark IV单反相机)、鱼眼镜头(如：佳能EF 8-15mm f/4L USM鱼眼镜头)以及全景云台(如：杰图JTS-Rotator全景云台)等。

在条件和资金投入允许的情况下，部分专业的教学内容，可以选用“航拍飞行器”级别的设备及配套组合方案。比如，大疆精灵4 Pro V2.0；专业级可选Inspire 2影像处理平台。

(2)全景一体机设备

可尝试选用Insta360 Pro2这款全景拍摄设备。

(3)VR眼镜和VR一体机

普通VR眼镜可以选用如小宅Z5标准版，一款轻量、易用、友好的类谷歌Daydream View的VR眼镜。中高端VR一体机可考虑选择小米VR一体机。PC VR一体机可以考虑使用HTC Vive Pro专业版。

(4)头戴(头显)

本文提及的头戴/头显，是“虚拟现实头戴式显示器”的简称。头显是计算机显示技术中的一种新技术，在VR、AR、MR及立体显示等方面，都能发挥重要的作用。

头戴式显示器为虚拟现实应用提供了“增强现实”的功效。能够在人眼观测到的虚拟“真实”世界中进行信息标注或者计算，它让观看者看到由增强现实系统生成的文本及图像等资源。

(5)手柄及其他终端传感器

手柄及其他终端传感器，如触觉通道传感器、味道等等，这些终端传感器主要围绕：视觉模拟(如：HTCVIVE、Oculus、google Daydream等)、触觉模拟(如：Manus力反馈手套、Dexmo外骨骼、Skinterface触觉紧身衣)、行进模拟(如：Omni、Kat跑步机、多轴驾驶舱)、味觉嗅觉模拟(如：KokiriLab等气味定向扩散系统)、听觉模拟(如：时代拓灵等全景)等等。但目前，由于硬件厂商工艺及商务运营等综合因素影响，不同硬件开发需要的知识体系是不同的，这也为学习者带来选择、应用推广等诸多困难。

2.软件部分

虚拟现实应用技术中，三维建模工具(软件)目前来说是一个基础的、必不可少的应用环节。正如前述所知，“虚拟现实”应用主要是由场景环境、物体及不同对象间交互等三维世界中的多种“模型”构成。

当前应用比较广泛的，主要是Unity3D(U3D)和Unreal Engine4(UE4)这两款虚拟现实开发工具。通用级别的三维建模工具，可以考虑3dsMax、Maya等。对于某些如机械、建筑等，还可以考虑专业(行业)建模工具，如Solidworks、BIM套件等。

三维建模的主要作用，就是采用计算机“建造”的方式，构建虚拟场景所需环境、物体等模型。对于基础学习和应用来说，目前互联网一些相关站点上，还是有不少资源可供学习和教学使用。起步阶段使用这些素材基本没问题，不过，笔者还是建议教学人员尽早考虑和规划相应的资源定制计划。因为很多课程内容中所涉及的场景、景物及动态特性等等，都需要根据教学要求进行特定设计，也因此需要“自己”动手制作模型(也可以由专门的三维设计师来制作模型)。

这些主体是利用某种软件工具，根据教学需要完成：场景建模、物体建模、特性呈现等建造模式，也是当前得到普遍应用的方式。

三、虚拟现实技术在教学中应用的展望

随着计算机技术、传感器和物联网技术的飞速发展，虚拟现实在未来很长的时间里，将会逐步融合到教育行业中，并与教学、实验实训等教学环节紧密集成，从而逐渐增强许多学科(课程)的教学形式与手段。

目前，完全沉浸式(也就是“全感知”)虚拟现实系统，其所需的硬件设施，包括关键软件，还处于行业研讨而不能进行民用的阶段，从某种角度来说，暂时制约着虚拟现实应用技术在教学中的普及。不过，考虑到以传统计算机为主体的桌面虚拟现实系统，由于其配套硬件设施构建方案多样、设备组合灵活，可以根据教学资源建设目标层次的不同而搭配不同成本的设备使用方案，再加上相关的软件工具、内容建设(这里专指与课程内容相关的软件实现方面)等，相对易于开发、总建设成本较低等，必将在不久的将来，陆续为教学媒体“虚拟现实”教学、实训实验应用，开辟一条可行之路。

跳出桌面类虚拟现实系统，扩展到互联网、物联网、移动互联网等范围，如果我们前瞻未来那些基于5G等通信流量变革性趋势，可以预想在不久的将来，基于虚拟现实应用技术的教学媒体及系统，会在教育教学的多个环节中扮演重要角色。

基于虚拟现实的教学内容，因其在知识架构和体系构建方面独特新颖，更容易促进个体学习过程成为“学习者”自主控制的模式，从而使“个别化”教学成为可能。学习者在虚拟全景中，会根据自己的情况，按照知识掌握需要，在虚拟场景中“遨游”，从而每个学习者都形成自己的个体学习轨迹。这种个体学习轨迹再配合上学习行为跟踪与分析，将会更细化地、更具针对性地改善每个学习者的学习过程，也将影响到教授者在教学内容、方式等诸多方面随之改变。诸如此类，将会让更多的教育理念成为触手可及的“现实”。