將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教育事業(yè)---知識(shí)工程研究中心---北京師范

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1、精品文檔 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教育事業(yè) Subject : VR is Engaged to Education 申 蔚 首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) E-mail ：shen_well@ 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，并通過(guò)多種專用設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。其目的是能讓用戶使用人的自然技能對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作，同時(shí)提供視、聽(tīng)、摸等直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知。它為現(xiàn)代教育事業(yè)提供了一種全新的技術(shù)支持。本文在對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)理論進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)之上，論述了它在教育

2、領(lǐng)域應(yīng)用的可能性和研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行了闡述。 關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 自然交互 多通道 實(shí)時(shí)感知 1 引言 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（ Virtual Reality ，簡(jiǎn)稱 VR）是 20 世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。它實(shí)時(shí)的三維空間表現(xiàn)能力、自然的人機(jī)交互式操作環(huán)境以及給人帶來(lái)的身臨其境感受，將從根本上改變 人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，為人機(jī)交互技術(shù)開(kāi)創(chuàng)新的研究領(lǐng)域，并為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供有力的支持，從而大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。 2 VR 系統(tǒng)的特點(diǎn) VR 技術(shù)的定義可歸納為：由計(jì)

3、算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的 三維空間，或是把其他現(xiàn)實(shí)環(huán)境編制到計(jì)算機(jī)中去產(chǎn)生逼真的“虛擬環(huán)境” ，并通過(guò)多種專用設(shè)備讓用戶“投入”到該環(huán)境中，從而使得用戶在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)等多種感官上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境 的感覺(jué)。與傳統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)最突出的特征：交互性、沉浸感和構(gòu)想性。其中，交互性是指參與者通過(guò)使用專用設(shè)備，用人類的自然技能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從 環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性） ；沉浸感是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度；構(gòu)想性則是使 VR技術(shù)的應(yīng)用能解決在工程、醫(yī)學(xué)、軍事等各行

4、業(yè)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，使人有可能從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而深化概念、產(chǎn)生新意和構(gòu)想，主動(dòng)地尋求、探 索和接受信息，而不是被動(dòng)地接收。 3 VR 系統(tǒng)的組成和功能 一個(gè)典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包括以下五大組成部分：虛擬世界、計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、輸入設(shè) 備和輸出設(shè)備 ( 如圖 1 所示 ) 。與虛擬世界交互的過(guò)程大致是：參與者首先激活頭盔、手套和話筒等輸入 設(shè)備為計(jì)算機(jī)提供輸入信號(hào)，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件收到由跟蹤器和傳感器送來(lái)的輸入信號(hào)后加以解釋，然后對(duì) 虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)作必要的更新，調(diào)整當(dāng)前的虛擬環(huán)境場(chǎng)景，并將這一新視點(diǎn)下的三

5、維視覺(jué)圖像以及其他 （如聲音、觸覺(jué)、力反饋等）信息立即傳送給相應(yīng)的輸出設(shè)備（頭盔顯示器、耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套等） ，以便 參與者及時(shí)獲得多種感官上的虛擬效果（如圖 2 所示）。 。 1歡迎下載 精品文檔 虛擬世界 VR 軟件 計(jì)算機(jī) 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 圖 1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的組 成 圖 2 典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 4 VR 系統(tǒng)的分類 普通意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)，需要大型計(jì)算機(jī)、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手

6、套、洞穴式投影、密封倉(cāng)等昂貴設(shè)備，這對(duì)于大多數(shù)的教育單位都是難以承受的，而資金不足就必將嚴(yán)重制約教育領(lǐng)域?qū)μ摂M現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已出現(xiàn)了多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，按其交互和浸入程度的不同可以被分為桌面式、沉浸式、疊加式和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等四類。其中桌面式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常簡(jiǎn)單，需要投入的成本也不高，而且在教育領(lǐng)域內(nèi)可應(yīng)用的范圍很廣。 4.1 桌面式 VR系統(tǒng) 桌面式 VR系統(tǒng)僅使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站， 把計(jì)算機(jī)的屏幕作為參與者觀察虛擬環(huán)境的一個(gè)窗口，使用簡(jiǎn)單的外部設(shè)備（如：鼠標(biāo)、力矩球、立體眼鏡等）來(lái)駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬物體。桌面式

7、 VR 系統(tǒng)缺乏完全沉浸功能，但它的成本低，可以通過(guò)廉價(jià)的硬件產(chǎn)生較真實(shí)的效果，因此易于普及。 4.2 沉浸式 VR系統(tǒng) 沉浸式 VR系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等各種交互設(shè)備把用戶的視覺(jué)、 聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，使用戶真正成為 VR 系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)參與者，并能利用這些交互設(shè)備操作和駕馭虛擬環(huán)境，因而具有高度 的實(shí)時(shí)性能和沉浸感，但它的成本較高。 4.3 疊加式 VR系統(tǒng) 疊加式 VR系統(tǒng)是通過(guò)穿透型頭戴式顯示器將計(jì)算機(jī)虛擬圖像疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上， 它用于增強(qiáng)或補(bǔ) 充人眼所看到的東西，為操作員提供與他所看到的現(xiàn)實(shí)環(huán)境有關(guān)的、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中

8、的信息。 4.4 分布式 VR系統(tǒng) 分布式 VR 系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，它在沉浸式 VR 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將位于不同物理位置的 多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接，并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。 這也為我們今天提倡的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供了必要的技術(shù)支撐。 。 2歡迎下載 精品文檔 5 VR 系統(tǒng)在教育與培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景是很廣闊的，它可應(yīng)用于任何需要使用計(jì)算機(jī)來(lái)存儲(chǔ)、管理、分析和理解復(fù)雜數(shù)據(jù)的領(lǐng)域。針對(duì)

9、于教育事業(yè)來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將三維空間的意念清楚的表示出來(lái)，能使學(xué)習(xí)者直接、自然地與虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象進(jìn)行交互作用，并通過(guò)多種形式參與到事件的發(fā)展變化過(guò)程中去，從而獲得最大的控制和操作整個(gè)環(huán)境的自由度。這種呈現(xiàn)多維度信息的虛擬學(xué)習(xí)和培訓(xùn)環(huán)境，將為參與者以最直觀、最有效的方式掌握一門新知識(shí)、新技能提供前所未有的新途徑。因此，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展在很多教育與培訓(xùn)領(lǐng)域，諸如虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、立體觀念、生態(tài)教育、特殊教育、仿真實(shí)驗(yàn)、專業(yè)領(lǐng)域的訓(xùn)練等應(yīng)用中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外的此類應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面： 5.1 仿真教學(xué)與實(shí)驗(yàn) 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以模擬顯現(xiàn)那些在現(xiàn)實(shí)

10、中存在的，但在課堂教學(xué)環(huán)境下用別的方法很難做到或者要花費(fèi)很大代價(jià)才能顯現(xiàn)的各種事物，供學(xué)生學(xué)習(xí)和探索。例如，美國(guó)一個(gè)“虛擬物理實(shí)驗(yàn)室”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就使得學(xué)生可以通過(guò)親身實(shí)踐―做、看、聽(tīng)來(lái)學(xué)習(xí)的方式成為可能。使用該系統(tǒng)，學(xué)生們可以很容易的演示和控制物體的形變與非形變碰撞、調(diào)整摩擦系數(shù)等物理現(xiàn)象；可以停止時(shí)間的推移，以便仔細(xì)觀察物體的運(yùn)動(dòng)軌跡隨時(shí)間的變化過(guò)程；還可以通過(guò)使用交互式數(shù)據(jù)手套做萬(wàn)有引力定律等各種實(shí)驗(yàn)，從而較深刻地理解物理概念和定律。又如，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)某種機(jī)械裝置，如計(jì)算機(jī)的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法都是利用圖示或放錄像的方式向?qū)W生展示，但這些方法難于使學(xué)生對(duì)這種機(jī)械裝置的運(yùn)行過(guò)

11、程、狀態(tài)及內(nèi)部原理有一個(gè)明確的了解。這時(shí)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以充分顯示出其優(yōu)勢(shì)：它不僅可以向?qū)W生直觀地展現(xiàn)出計(jì)算機(jī)的復(fù)雜構(gòu)造、工作原理以及工作時(shí)各個(gè)零件的運(yùn)行狀態(tài)， 而且還可以模仿出計(jì)算機(jī)各部件在出現(xiàn)故障時(shí)的表現(xiàn)和原因 , 向?qū)W習(xí)者提供對(duì)虛擬物體進(jìn)行全面的考察、操縱乃至維修的模擬訓(xùn)練機(jī)會(huì)，從而使教學(xué)與實(shí)驗(yàn)得到事半功倍的效果。 5.2 特殊教育 在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助下，殘疾人能夠通過(guò)自己的形體動(dòng)作與他人進(jìn)行交流，甚至可以用腳的動(dòng)作與他人進(jìn)行交談。在高性能計(jì)算機(jī)和傳感器的支持下，殘疾人帶上數(shù)據(jù)手套后，就能將自己的手勢(shì)翻譯成講話的聲音；配上目光跟蹤裝置后，就能將眼睛的動(dòng)作

12、翻譯成手勢(shì)、命令或講話的聲音。而專門教弱智兒童掌握手勢(shì)語(yǔ)言的三維虛擬圖像的理解和訓(xùn)練系統(tǒng)，還可以幫助弱智兒童進(jìn)行練習(xí)和訓(xùn)練，從而使他們能很快地熟悉符號(hào)、字和手勢(shì)語(yǔ)言的意義。 5.3 多種專業(yè)培訓(xùn) 借助于 VR技術(shù)的各項(xiàng)成果，人們將能對(duì)危險(xiǎn)的、不能失誤的、缺少或難以提供真實(shí)演練的操作反復(fù)地進(jìn)行十分逼真的練習(xí)。例如在醫(yī)學(xué)教育與培訓(xùn)領(lǐng)域，醫(yī)生見(jiàn)習(xí)和實(shí)習(xí)復(fù)雜手術(shù)的機(jī)會(huì)是有限的，而在 VR 系統(tǒng)中卻可以反復(fù)實(shí)踐不同的操作。 目前，國(guó)外很多醫(yī)院和醫(yī)學(xué)院校已開(kāi)始用數(shù)字模型訓(xùn)練外科醫(yī)生。其做法是將 X 光掃描、超聲波探測(cè)、核磁共振等手段獲得的人體信息綜合起來(lái)，建立起反應(yīng)非常接近真

13、 實(shí)人體和器官的仿真模型。醫(yī)生或?qū)W員動(dòng)手術(shù)前先在虛擬人體上試驗(yàn)，就可以優(yōu)化手術(shù)方案，提高技術(shù)水平，降低失誤率。 5.4 對(duì)未來(lái)的展望 在我國(guó)的教育事業(yè)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法延續(xù)多年，人們已逐漸意識(shí)到了它的弊病和不足之處。近幾年引入多媒體教學(xué)方法后，教師不再被局限于黑板，而可以借助于電腦、投影設(shè)備、音像設(shè)備等為學(xué)生展示圖、文、聲、像等多種媒體來(lái)輔助教學(xué)，從而取得了很好的效果。從這一例子中，我們不難推想： 如果在不久的將來(lái)能更進(jìn)一步，把 VR技術(shù)引入教學(xué)領(lǐng)域，則它的效果一定會(huì)非同凡響。 虛擬現(xiàn)實(shí)使參與者處于一個(gè)具有身臨其境的、具有完善交互作用能力的、能幫助和啟發(fā)構(gòu)思的

14、信息環(huán)境，使人不僅僅靠聽(tīng)讀文字或數(shù)字材料獲取信息，而是通過(guò)與所處環(huán)境的交互作用，利用人本身對(duì)接觸事物的感知和認(rèn)知能力，以全方位的方式學(xué)習(xí)和獲取各式各樣表現(xiàn)形式的信息。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景是很廣闊的。我們可以想象：在不久的將來(lái)，學(xué)生在“虛擬教室”里上天文學(xué)課時(shí)，可以遨 游宇宙，可以“親眼目睹太陽(yáng)系的形成” ；上生理學(xué)課時(shí)，可以在人體內(nèi)“實(shí)地考察”每一個(gè)器官；建筑 。 3歡迎下載 精品文檔 設(shè)計(jì)院的學(xué)生可以看到甚至“摸”到自己的設(shè)計(jì)成果，史學(xué)、哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等課程則可以重現(xiàn)或演繹書 中的歷史和理論┄ ┄與此同時(shí)，更多、更優(yōu)秀的應(yīng)用還

15、會(huì)擴(kuò)展至駕駛學(xué)校、醫(yī)務(wù)學(xué)校、體育學(xué)校等各行各業(yè)的教育與培訓(xùn)當(dāng)中，以便為運(yùn)動(dòng)員、救火人員和醫(yī)務(wù)人員設(shè)置超難度及寬領(lǐng)域的訓(xùn)練課程。這些新型的 VR系統(tǒng)不僅將減少訓(xùn)練的費(fèi)用，還能為受訓(xùn)者設(shè)定各種復(fù)雜的情況，從而使得每個(gè)人都可以在這種 虛擬環(huán)境中反復(fù)重演練高危險(xiǎn)性、低概率的事件，并可以試驗(yàn)各種不同的方案，即使闖下“大禍” ，也不會(huì)引起任何“惡果” ，從而最終在安全的虛擬環(huán)境中取得實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。 7 結(jié)論 隨著與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相關(guān)科技的日趨成熟，來(lái)自各種領(lǐng)域的研究與應(yīng)用勢(shì)必不斷的推陳出新，范圍也將不斷地?cái)U(kuò)大，這已是必然的趨勢(shì)。當(dāng)然，任何一種新技術(shù)的推廣與應(yīng)用，一方面要靠專業(yè)人

16、員的不斷努力、不斷發(fā)展和完善該項(xiàng)技術(shù)，另一方面則就需要廣大的使用者能更新他們的思想，積極接受、引入新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)作為一門新興的科學(xué)，目前也尚有諸多因素限制它在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用（例如： 自身技術(shù)還不夠成熟，用于教育和培訓(xùn)的應(yīng)用系統(tǒng)依然較少，硬件設(shè)備比較昂貴等） ，但我們可以肯定地說(shuō)， VR 技術(shù)將會(huì)是繼多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在教育領(lǐng)域內(nèi)最具有應(yīng)用前景的“明星”技術(shù)，它將使 21 世紀(jì)的教育與培訓(xùn)事業(yè)發(fā)生質(zhì)的變化。它的“沉浸性” 、“交互性”與“構(gòu)想性” ，不但非常有利于教學(xué)人員構(gòu)建一種全新、多變的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)手段，而且為學(xué)習(xí)者提供了一種可以進(jìn)行交互、直觀、自主 探索的學(xué)

17、習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)方法，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在多方面提高教與學(xué)的質(zhì)量和效果。同時(shí) , 在教育領(lǐng)域的 Web 站點(diǎn)上，虛擬教師、虛擬圖書館、虛擬校園、虛擬考場(chǎng)等新興的教育形式也將不可避免 地出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中，并以它們接近真實(shí)并高于真實(shí)的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)教育領(lǐng)域中占有一席之地。因此，我們應(yīng)該盡快認(rèn)識(shí)到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，嘗試在各個(gè)教育和培訓(xùn)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)它、使用它。 參考文獻(xiàn) [1] [ 美 ] John N.Latta and David J.Oberg . A Conceptual Virtual Reality Model.Computer Gr

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19、ve information system of computer, whose purpose is to found a virtual environment, bring about a natural interactivity and make a live-Sensation from multimodality. The new concept of the technical support is provided for the modern education. Based on introduction of VR theory, the possibility in education field, the current research status and the development are stated. Key words: Virtual Reality （ VR ） Natural Interactivity Multimodality Live-Sensation 。 4歡迎下載