虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢獲獎科研報(bào)告摘

要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，作為當(dāng)今最熱門最具潛力的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)之一，具有廣泛的發(fā)展前景，本文主要論述了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域的作用與優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

教學(xué)媒體

沉浸感

交互性

二十一世紀(jì)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展的世紀(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展讓我們生活的各個方面都產(chǎn)生了巨大的變化。而隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展與完善，繼多媒體之后教育技術(shù)領(lǐng)域又出現(xiàn)新的教學(xué)媒體，為現(xiàn)代的教育與教學(xué)提供了嶄新的、突破創(chuàng)造力與想象力的輔助手段，這就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其概要

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的由來與定義

虛擬現(xiàn)實(shí)即VR（英文全寫為VirtualReality，簡稱VR），又稱為靈境技術(shù).其具體內(nèi)涵是：虛擬現(xiàn)實(shí)是一門綜合了計(jì)算機(jī)圖形、人機(jī)接口、多媒體、傳感器、并行計(jì)算、機(jī)器視覺以及人工智能等多方面技術(shù)的技術(shù)。它允許用戶通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多信息通道來感受三維模擬的虛擬世界，是一種創(chuàng)新的高級人機(jī)交互形式。[1]

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特色

虛擬現(xiàn)實(shí)利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或者利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征

1.沉浸感

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)制作逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者在虛擬環(huán)境中感知更加逼真，如同身臨其境。

2.交互性

交互性是指參與者對模擬環(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)時性）。計(jì)算機(jī)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運(yùn)動，來調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運(yùn)動或動作等自然技能就能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行考察或操作。

3.多感知性

由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應(yīng)裝置，它能充分調(diào)動使用者在虛擬環(huán)境中的視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的效果。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀概述

現(xiàn)如今虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)撡|(zhì)和動力的項(xiàng)目之一，同時也是應(yīng)用最廣的項(xiàng)目之一。近年來人們對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)注熱度只增無減，而Oculus、Facebook、三星、HTC、Valve、索尼以及谷歌等科技公司都在著手研發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并且隨著硬件的降價和技術(shù)的逐步成熟，虛擬現(xiàn)實(shí)的普及化指日可待了。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、影視制作、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)、建筑設(shè)計(jì)、軍事訓(xùn)練、體育訓(xùn)練、娛樂游戲等許多領(lǐng)域，在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有更廣泛的作用和影響。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中具體的適用方向

（一）科學(xué)研究領(lǐng)域

虛擬現(xiàn)實(shí)作為當(dāng)今最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一，它以其沉浸的感知與呈現(xiàn)以及與人交互的作用能更好地模擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)和用于科學(xué)研究。

（二）知識與探索

利用虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性，在模擬出的逼真景象中呈現(xiàn)出實(shí)際生活中無法直接觀察到的自然現(xiàn)象或事物的變化過程，為學(xué)生提供生動、逼真的感性學(xué)習(xí)材料。突破學(xué)生的想象力和感官限制，將抽象的概念、理論變得直觀化、形象化，便于學(xué)生更有效地理解抽象的知識概念。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與模擬實(shí)踐

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，模擬出逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境或者實(shí)踐環(huán)境，在有效規(guī)避實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，服務(wù)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究。（將會在下文對虛擬現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢的說明中進(jìn)行具體論述）

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的作用與優(yōu)勢

（一）極大地?cái)U(kuò)展學(xué)生的感官，沒有年級的限制

虛擬現(xiàn)實(shí)能夠利用VR頭盔或者VR眼鏡等硬件設(shè)備在學(xué)生眼前通過三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成逼真的三維虛擬環(huán)境，使得學(xué)生眼中所見到的教學(xué)資源比傳統(tǒng)的多媒體展現(xiàn)更為真實(shí)和直觀，同時通過影像、聲音、觸摸等方式更好地調(diào)動學(xué)生多方面的感官，讓學(xué)生身臨其境地親身感受和經(jīng)歷，比傳統(tǒng)的空洞抽象的知識灌輸更具有說服力和趣味性。

（二）突破客觀實(shí)驗(yàn)因素的限制，更好地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果

在物理、化學(xué)、生物等重視實(shí)驗(yàn)探究的學(xué)科教學(xué)過程中，由于受不可避免的客觀因素影響，有的實(shí)驗(yàn)是無法在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行的。但是有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們可以突破客觀條件的阻礙，構(gòu)建出虛擬的理想化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而模擬理想環(huán)境下實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，為學(xué)生的理解和保障實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性提供了更好的途徑。

（三）彌補(bǔ)教學(xué)資源的不足

在教學(xué)中，學(xué)校往往會因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的原因，無法進(jìn)行某些實(shí)驗(yàn)的操作或者教學(xué)內(nèi)容的觀察。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)這些方面的不足，學(xué)生足不出戶便可以做各種各樣的實(shí)驗(yàn)，獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體會，從而豐富感性認(rèn)識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。

（四）有效規(guī)避實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)踐風(fēng)險(xiǎn)

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，某些具有一定危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)活動，為了學(xué)生的人身安全，一般只能通過教師的講解或者觀看實(shí)驗(yàn)的視頻來代替學(xué)生的動手操作。然而使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則可以在全方位觀測實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時，有效地規(guī)避危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

（五）突破時間和空間的限制

有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以打破時間和空間對傳統(tǒng)教學(xué)資源展示的影響，學(xué)生在任何時間和地點(diǎn)，只要佩戴上VR眼鏡、小型傳感器設(shè)備等儀器，便可實(shí)現(xiàn)最貼近真實(shí)的觀察和探索。同時，在傳統(tǒng)多媒體中一些因?yàn)闀r間較長或者空間太小而無法演示的內(nèi)容也可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下讓教學(xué)對環(huán)境和時間的要求最小化。大到宇宙中的天體，小到原子分子，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)直接模擬其內(nèi)部構(gòu)造，讓學(xué)生最直觀地看到其中的運(yùn)作狀態(tài)。

（六）推動信息技術(shù)與其他學(xué)科在教學(xué)上更為密切地整合

虛擬現(xiàn)實(shí)在教學(xué)中的應(yīng)用，其實(shí)就是現(xiàn)代信息技術(shù)科技在各個學(xué)科的教學(xué)中、在學(xué)科內(nèi)容和教學(xué)手段上更為有效的整合，學(xué)科教育的發(fā)展和信息技術(shù)的進(jìn)步起到了相輔