虚拟现实技术在高等教育中的应用和展望

摘 要：虚拟现实(VR)技术是目前研究的热点学科，它通过借助计算机或其他相关设备构建出十分逼真的交互环境，使参与者以自然的和沉浸的方式与虚拟环境中的对象交互，从而产生等同于真实环境的感受和体验并获取知识和经验。本文分析了虚拟现实的主要特征，并主要探讨该技术在高等教育中的应用，指出了目前存在的问题以及对未来前景的展望。

关键词:虚拟现实；人机交互；VR技术

中图分类号：G43 文献标识码：A 文章编号：1673-8454(2012)01-0083-02

虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ），涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它通过计算机、图形工作站以及其他相关设备生成逼真的三维的多感官的环境，参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。让参与者如同身历其境一般，可以及时、无限制地观察三维空间内的事物，而且能对参与者的运动和操作做出实时准确的响应。概括地说，虚拟现实是人们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，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。[1]

一、虚拟现实的基本特征

虚拟现实技术的主要特征包含：沉浸感、交互性、构想性。[2]沉浸感指参与者感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，包含视觉、听觉以及其他感官感觉。理想的模拟环境应该使参与者难以分辨真假，使参与者身临其境地投入到三维虚拟环境中。交互性指参与者对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，这里也包括实时性（实时交互是最理想的状态，但很多情况下受设备以及网络传输的限制，会有一定的延时）。构想性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

二、虚拟现实技术在教育领域的具体应用

建构主义理论认为，学习是一个动态适应的过程，个人在学习过程中的活动是对环境的特定反映，不能脱离社会环境而孤立地学习，只有当学习材料与学习者的动机、情感和社会生活相互作用时，学习才能发生，对知识的理解和掌握才能在意义建构过程中完成。[3]因此，通过VR技术建立教学虚拟环境可以尽可能地为学习者提供丰富的资源和大量的经验背景，以便于学习者借助这一平台来建构起自己的知识体系，形成自己的观点和见解，促进知识和意义的建构。使传统的“以教促学”的学习方式转变为学习者通过自身与虚拟环境的交互获取知识、技能的学习方式。虚拟现实技术在现代教育教学中的应用方面主要有：

1.虚拟演示教学系统

虚拟现实技术能够为学生和老师创造逼真的虚拟演示环境以辅助教学，特别是一些教学艰涩难懂或演示成本高昂的学科，VR是非常有力的工具。如Lofin等人在1993年建立了一个“虚拟物理定律演示系统”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移[4]等。建筑与城市规划学科的教学过程中同样可以使用虚拟现实技术，利用其沉浸感和互动性强的特点不但能够给学生带来强烈、逼真的多感官冲击，获得身临其境的体验，还可以很方便地对模型和材质进行修改，如改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，从而进行比较分析。

2.虚拟实验室

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境(平台仿真)之上，而注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。

如医学院校的学生可在虚拟实验室中，进行解剖和各种手术练习。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，其优越性和效果是不可估量和不可比拟的。例如，导管插入动脉的模拟器，可以使学生反复实践导管插入动脉时的操作；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等。亲身的经历和感受会比单纯的说教更加容易让学生接受，交互会使得学生的学习得到事半功倍的效果。对学校来讲，虚拟现实技术的使用在可以保证教学质量的前提下，使教学成本大规模的降低。

虚拟实验室不仅有效缓解高等教育在经费、场地、实验设备等方面普遍面临的困难和压力，而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验对时、空的限制。在远程教学中，教学实验往往无法进行，而利用虚拟现实系统可以获取与真实实验一样的体会，加深对教学内容的理解。

此外，虚拟实验室还可以避免真实实验或操作所带来的各种危险，学生在虚拟的实验环境中，可以放心操作危险的或危害人体的实验，如化学实验中，可能带来危险的燃烧、爆炸等。

3.虚拟可视化

虚拟可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中或者是计算结果的数据转换为图形或图像，在屏幕上显示出来并进行交互式处理的技术或方法。对于一些专业性强的学科，如生物教学中复杂的分子结构、火灾中的三维体数据以及地震科学中繁杂的地震数据等，传统的图像分析技术和二维表现方法很难对其进行识别和度量；而使用虚拟现实技术则可以将计算过程以动态、立体的形式来表现，结果形象生动，用户可以沉浸在虚拟环境之中，使用自然直观的方式与虚拟的科学世界交互，大大提高数据解释水平和推测准确性，加深对科学数据的理解。

三、虚拟现实技术在高等教育中面临的问题及前景

虚拟现实技术进一步提高了高教信息化建设的水平和深度，但目前尚处于实验和探索阶段，虚拟现实技术的广泛应用还存在以下几个方面的问题：

第一，硬件需要大量相关的虚拟设备，如头盔、数据手套、传感器等，并且有些价格不菲，高昂的成本投入在一定程度上制约了该技术走向平民化。

第二，实现实时和逼真的虚拟环境需要专业的技术支持，而国内除了少数虚拟现实相关的国家重点实验室之外，这方面技术的普及率不高。

第三，图形渲染硬件性能有待进一步提高。虽然硬件的水平飞速发展，GPU可编程流水管线以及CUDA多核架构的提出，很大程度上优化了图形处理的能力，但还是不能满足虚拟现实技术对于硬件，尤其是图像渲染这方面的要求。

随着互联网技术、硬件技术、图形渲染技术以及信息社会需求等的快速发展，再加上一些公司的推动和各国政府的大力支持，虚拟现实技术在国内外都得到了快速的发展和应用。随着虚拟现实技术的发展，它已经应用在教育、娱乐、军事、房地产、工业设计和制造等行业和领域中。在教育中的应用包括虚拟演示教学、虚拟教学实验、虚拟可视化、虚拟设计、教育与艺术、教育与娱乐等。

参考文献:

[1]魏迎梅.虚拟现实技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

[2]胡小强.虚拟现实技术基础与应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2009.2.

[3]肖田元,张燕云,陈加栋.系统仿真导论[M].北京:清华大学出版社,2000.

[4]申蔚,夏立文.虚拟现实技术[M].北京:希望电子出版社,2002.3.