虚拟现实技术在教育教学中的应用与研究

摘要:虚拟现实技术是继多媒体、计算机网络之恳在教育领域内最具有应用前景的“明星”技术。对虚拟现实技术在教育教学领域的应用理论依据、具体应用表现形式、国内外应用与研究现状进行了阐述，提出了目前我国虚拟现实技术在教育教学领域研究方面所存在的问题和主要研究发展方向。

关键词:虚拟现实技术;虚拟实验室;教育教学;虚拟学习

中图分类号:6434   文献标识码:A   文章编号:1008-7605(2007)06-0139-03

Abstract:Virtual Reality is the most valuable applicable＂star"technology in education after the popularity of multimedia and network technologies.This paper explored the research fundamental theories,detailed representation formats,current research trends in the usage of virtual reality in education;it put forward the current existing issues and the future research trends related to the usage of virtual reality in education in China.

key words:Virtual reality;virtual lab;to teaching and learning;virtual learning

虚拟现实技术是由高性能计算机系统创建的一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界。各种应用研究表明，虚拟现实技术进入高校教学能形象生动地表现教学内容，有效地营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，真正使教学者更容易地去表达自己的教学思想和内容，使学习者更直观、更容易理解教学者的教学思想和教学内容。具体表现为:在教学模式方面，有利于情境创设和大量知识的获取与保持;在教学手段方面，以一种直接的信息传递方式，提供直观形象的思维材料;在教学内容方面，用文字、语音和三维实景虚拟现实过程协同描述。因此，虚拟现实技术作为一项前瞻的科学技术，是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具有应用前景的“明星”技术。^[1]

1、理论依据

行为主义理论认为，学习就是刺激与反应之间的联合。该派理论的代表人物桑代克认为，学习是一种渐近的尝试与错误的过程。随着错误反应逐渐减少、正确反应逐渐增加，终于形成稳固的刺激一反应的联结。根据这个理论，运用虚拟现实技术可以让学习者在运动训练真实环境的模拟中不断接受环境的刺激不断地尝试与错误，最终达到由感性知识上升到理性认识的目的，并且比起真实环境，虚拟现实更加能保证学习者的安全，并且打破了时间与空间的限制。

认知一发现学说认为发现学习过程中的直觉思维同他的行为把握—图像把握—符号把握的认知发展阶段理论紧密联系在一起。直觉思维通常采取图像的方式进行，不受时间顺序和逻辑顺序的束缚，可以同时一览无余地把握构成和各种要素。另外，直觉思维多是图像把握或图像之前的情绪性的感知，是难于言传的，具有非语言的性质，因此直觉思维可以先于分析思维对事物进行认知，在发现中起到逻辑的分析思维所不能起到的作用。根据这个理论，虚拟现实应用于教育教学时可以给学习者在虚拟系统中提供大量的逼真的图像信号刺激，把用语言难以描述的东西栩栩如生地展现在学习者面前，给与学习者大量直觉思维的感知。

建构主义理论以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。建构主义认为，知识不是通过教师传授习得，而是学习者在一定的情境下，借助获取知识过程中其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。建构主义学习理论认为‘情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。虚拟现实技术为建构主义理论提供了其要求的学习环境，使得学习者能够主动利用VR系统进行自主学习，自主选择学习内容和时间等，因此它符合建构主义理论以学为中心的思想。

2、具体形式

虚拟现实技术在教育教学上能够实现课程的数字化学习，可将课程学习内容作为学习者的学习资源，并将其他的相关资源一并提供给学习者，实现资源共享;能按照超文本、超链接的方式组织管理学科知识和各种教学信息，有利于学习者主动发现、主动探索知识，发展联想思维和建立新旧知识之间的联系;能够提供界面友好、形象直观的交互式学习环境，不受时空和距离的限制，可让各地的师生共处于一个虚拟空间中，有利于激发学习者的学习兴趣和进行协商会话，实现合作学习;能提供图文声像并茂的多种感官综合刺激提供生动活泼的直观形象思维材料，使学生从思维、情感和行为三个方面参与教学活动，有利于学习情境创设和大量知识的获取与保持;可以弥补实验教学条件的不足。学习者足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会，还可以避免真实实验或操作所带来的各种危险。

此外，还可以彻底打破时空限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学习者都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学习者观察。

虚拟现实技术在教育教学上具体应用形式表现为:^[2][3][4]

2.1模拟训练。虚拟现实技术在教育中应用几乎最成功的案例就是模拟训练系统的开发与研制。最先进的科学技术往往会首先应用于国防方面，由于空间探索和军队战争训练需要高昂的费用，以及这些领域需要极高的安全性与可靠性，虚拟现实技术在这个领域的应用发挥出了巨大的实用价值和商业价值。随着计算机技术和网络的发展普及，虚拟现实技术也延伸到了一般的医学教学、汽车驾驶以及电器维修等需要培养各种操作技能的领域。

2.2虚拟学习环境。虚拟学习环境(Virtual learning environment)，简称VLE技术。通过人体模型或者化合物等分子结构演示的虚拟体验，教育者和学习者之间，或者学习者和同伴之间可以在一个虚拟的现实空间中，进行虚拟人之间的面对面的情感交流。

2.3虚拟实验室。利用虚拟现实技术建立的各种虚拟实验室(Virtual lab)在教育上应用前景广阔，尤其在物理、化学、生物等需要实验的学科中更是如此。创建这种虚拟环境的演示物体可以摆脱真正实验室所需要的昂贵的设备，教学的效果基本接近真正的实验教学效果。虚拟实验室可以称为是协作式虚拟环境(Collaborative Virtual Environments,CVE)中的一种，高级的CVE系统甚至能模拟真实实验室中学习者之间以协作方式为主的、需要共同完成的学习任务。学习者可以在跟真实实验室几乎相同的学习环境中学习，可以相互讨论学习到的概念。

2.4仿真虚拟校园。我国几所大学都建立了自己的虚拟化校园，展示高校教学设施、宣传校园学习环境。目前这种三维虚拟化校园的建设还没有达到虚拟化校园生活的程度，模拟、仿真校园的教学环境需要多方面的努力，真正意义上的虚拟化校园还有待进一步提高。

3、研究现状与发展

国内许多高校都建立了国家实验室开展虚拟现实方面的研究工作。其中北京航空航天大学建立了虚拟现实技术国家教育部重点实验室，浙江大学也有计算机辅助设计和图形学(CAD/CG)国家重点实验室;其他高校如清华大学、西安交通大学对虚拟现实的真实感和立体现实技术都进行了广泛的研究，使得我国在虚拟现实基础理论研究方面硕果累累。

在国内的教育领域的应用方面，由于经费方面的考虑，全浸入式的虚拟现实系统基本没有，大多集中在OpenGL和VRML开发一些规模不太大的应用，应用平台也以PC机为主。^[5][6][7]中国科学技术大学开发的物理虚拟实验平台被称为是我国第一个物理虚拟实验室。华中科技大学也建立了互动型数字逻辑虚拟实验教学平台，这为国内其他学校在虚拟实验室的开发与应用上起到了示范的作用。北京航空航天大学开发的虚拟北航可以实现用户在计算机生成的虚拟环境中对虚拟校园的实时漫游和交互操作;南开大学从计算机图形学的角度，对虚拟环境中微泵运行行为进行了研究，得出了简化了的动态规律，并在虚拟环境中进行了实现;清华大学将VRML应用于开发工程类远程教育网络课程;华南师范大学应用VRML语言增强Web有机化学课件的交互性;山东大学利用VRML和Java开发了机电一体化设备电气控制虚拟平台;广东工业大学运用VRML-JAVA技术在微机上实现了一个跨平台、网络化的仿真平台，应用于机器人离线规划和编程及可视化教学等领域;长春工程学院、吉林大学利用VRML与Java结合，构建了远程虚拟教学平台，为该技术在远程虚拟教学的实践提供了一种可供参照的样本。另外有许多基于Web的VR教学应用方面的例子，如华中科技大学机械科学与工程学院开发了基于Web的虚拟数控实验系统;广东工业大学开发了虚拟现实图学教育软件。

在国外，虚拟现实技术已经在教育领域得到了广泛的应用。其应用并非只限于发达国家，发展中国家这方面的应用也在日益增多。美国是较早将VR技术引入课堂的国家之一。^[5][6]休斯敦大学建立的“虚拟物理实验室”，能使学生做包括万有引力定律在内的各种实验，可以控制、观察由于改变重力的大小、方向所产生的种种现象，以及对加速度的影响，使学生对物理概念和定律有了更深的理解。由美国NASA项目资金和NSF的高级技术应用程序项目资金资助开发的Science Space项目运用了物理性沉浸、建构主义学习方式和多种感觉器官并用的学习方式使学生在一系列不同的虚拟世界中进行探索，最终达到促进学生学习科学知识的目的。北卡罗莱纳大学研制了一种可以让学生用手操纵分子运动的化学虚拟现实系统，可以使分子按某种方式结合在一起。印第安纳大学应用桌面型虚拟显示系统培养学生对太阳一地球关系的理解，不但增强了学生对相关概念的理解，也大大减少了学生的错误认识。在亚特兰大的克拉克大学，人们还对真实环境和虚拟环境中的学习效果进行了研究。实验的对象是21岁至32岁之间的11位男土和7位女士，结果表明:学生的学习兴趣在虚拟环境中远高于真实环境，尤其在增强学生的记忆能力方面，虚拟环境中的学习更加有效。

英国的SuelVIoron2Garcia对大学老师在使用虚拟学习环境时的观念进行了研究，认为虚拟学习环境有助于生成以学生为中心的学习环境以及以学生为中心的教学方式。荷兰特温特大学建立了一个虚拟图书馆系统，教师和学生使用该系统犹如置身于真实的图书馆，任意快速方便地查阅各种所需的资料和书籍。希腊爱奥尼亚大学的Tassos A Mikropoulos等人对于学生对VR应用于教育中的态度做了调查，得到的结果是肯定的。马来西亚的Joseph Lee等对一所私立高校通过问卷调查研究后指出:那些对于使用计算机有焦虑感或准备不足的学生在虚拟学习环境中容易碰到困难。因此有必要建立对于虚拟学习环境的积极的态度。学生的年龄、经历和学习水平既影响虚拟学习环境的有用性，也影响学生对计算机的使用。但性别和所学专业被认为没有影响。此外，学生对于计算机的态度对于效果有很大的影响。

4、结束语

随着时代发展，社会进步，虚拟现实技术在教育领域的应用范围必将越来越广，呈现多元化的发展趋势。由于经费、技术水平等多方面的原因，国内在这一领域与国外的先进水平还有一定的差距。因此我们的研究和应用应该扬长避短，对于许多沉浸感要求不太高的应用场合，构建灵活实用的桌面虚拟现实系统是最为经济实用的选择。近年来虚拟现实建模语言VRML的出现，更使得这一方向的应用日渐增多，基于WEB的桌面虚拟现实技术必将会成为教育领域应用的主要发展方向。

参考文献:

[1]徐大敏，于兆勤，郭钟宁.虚拟现实技术及其应用与展望[J].机床与液压，2006,(7).

[2]孙宏.基于虚拟现实技术的网络实验系统研究[D].郑州大学，2006.

[3]张慧敏，白日东.浅谈虚拟现实技术及其在教学中的应用[J].吉林工程技术师范学院学报(自然科学版),2005,21(12).

[4]耿鹏，赵欣楠，郑向.虚拟现实技术在高等教育中的应用研究[J].河北广播电视大学学报，2006,1(11).

[5]刘向铜，熊助国，曹秋香.虚拟现实技术的若干问题及发展展望[J].水利科技与经流2006,12(5).

[6]郭天太.虚拟现实技术在高等教育中的应用及其意义[J].宁波大学学报，2006,28(1).

[7]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).