虚拟现实技术在教学应用 虚拟现实技术及其在中学教育教学中的应用

虚拟现实技术及其在中学教育教学中的应用

1 引言 2 虚拟现实技术概述 2.1 虚拟现实技术的基本概念 虚拟现实亦作虚拟实境 (Virtual Reality) , 简称VR, VR也称灵境技术或 人工环境, 此技术是利用电脑模拟, 进而产生三度空间的虚拟世界, 它能够提供 用户有关听觉、视觉、触觉等方面的模拟。该技术集成了计算机仿真、计算机图 形、人工智能、传感、网络及显示并进行处理等。使此技术取得最新发展成果, 此 高科技模拟系统是由计算机技术辅助而生成。

虚拟现实技术 (VR) 主要包括自然技能、模拟环境、传感设备、和感知等方 面。模拟环境它是由计算机生成的实时动态的三维立体逼真图像。自然技能是指 人的头部转动包括手势、眼睛、或着其他方面人体的行为动作, 由计算机进行处 理, 并与参与者的动作做出相适应的数据, 对用户的输入作出实时响应, 分别反 馈到用户的五官。感知是指理想的VR具有一切人所具有的感知。

2.2 虚拟现实技术的基本构成 虚拟现实技术它是由多种技术综合集成, 其研究内容和关键技术主要包括 以下几个方面: 2.2.1 环境建模技术, 即虚拟环境的建立。其目的是获取实际三维环境中的 三维数据, 并根据应用的需要, 利用获取的三维数据, 搭建相应的虚拟环境模型,如用于天文教学的虚拟星系模型等。

2.2.2 立体声合成和立体显示技术, 是指在虚拟现实系统中, 消除声音的方 向与用户头部运动的相关性, 同时在复杂的场景中实时生成立体图形, 如物理实 验教学中的实验用器具及实验产生的声、光、电等, 而声源、光源应与虚拟环境 紧密融合为一体。

2.2.3 触觉反馈技术, 在虚拟现实系统中让用户能够直接操作虚拟物体并感 觉到虚拟物体的反作用力, 从而产生身临其境的感觉, 如飞行实验中操纵把柄的 握觉、失重感, 以及潜水实验中的压力、浮力等。

2.2.4 交互技术, 是指虚拟现实中的人机交互, 超出了鼠标和键盘的传统模 式, 利用数字头盔、数字手套等传感器设备, 使三维交互技术与、语音识别技术 与语音输入成为重要的人机交互手段。

2.2.5 系统集成技术, 在虚拟现实系统中, 包括大量的模型和感知信息, 因 此系统的集成技术为重中之重, 此技术主要包括数据转换技术、合成技术、模型 标定技术、信息同步技术和识别等等。

虚拟现实系统的核心设备不外乎还是计算机, 其主要功能是生成虚拟境界 的图形, 又称之为图形工作站。此系统综合利用了多媒体技术、仿真技术、人工 智能技术、计算机图形学、计算机网络技术、多传感器技术和并行处理技术, 通 过模拟人的听觉、视觉、触觉等感觉器官的功能, 使人沉浸在计算机生成的虚拟 境界中。

2.3 虚拟现实技术的特征 虚拟现实技术是采用以计算机技术方面为主, 以多种信息技术和其他高技 术的手段, 能在特定的范围内, 生成一种能够融合人的触觉、嗅觉、听觉、和视 觉于一体, 逼真的三维人工虚拟环境, 使用户能和虚拟环境产生互动, 从而产生 “闻、触、听、看”, 这些在真实的世界当中才会有的体会, 强调了在虚拟系统 中的人的主导作用。与传统的数字仿真系统比较, 一般具有以下特征: 2.3.1 多感知性, 指用多种传感器与多维信息的虚拟环境发生交互作用, 除 计算机所具备的视觉感知外, 还有听觉感知、触觉感知、运动感知, 甚至还包括嗅觉、味觉、感知等。理想的虚拟现实, 应该具有人体所具有的一切感知功能。

2.3.2 存在感, 指通过多种传感器对人体的反触, 让参与者在虚拟环境中有 身临其境的感觉。用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度, 取决于参与 者通过多种传感器与计算机系统之间的交互功能。理想的模拟环境, 应该达到让 用户都难以分辨真假的程度。

2.3.3 交互性, 指参与者通过多种传感器对虚拟环境中的事物进行操控、感 触的同时, 虚拟环境通过传感器对参与者进行反触, 每项每次的信息交流都是相 互的。用户对模拟环境内物体的可操作和从环境得到反馈上相互的, 而且这种操 作和反馈是实时的。

2.3.4 自主性, 指虚拟环境是由用户根据自己的需要设计营造的, 其中的物 体, 它是依据现实世界的实物以及物理运动定律动作设计制作, 在虚拟现实中, 各种事物的运行要符合现实的客观规律, 用户在虚拟现实运行中处于主导地位。

3 中学教育教学中虚拟现实技术的优势分析 教师在促进学生学习方面承担着主要的教学责任, 但是进入中学阶段以后, 学生学习知识, 不再是单纯的由教师向学习者传递灌输, 而是需要学生自己去不 断地建构知识体系, 体验这个过程。教师只是起着帮助学生建构知识的作用而已。

中学生学习不再是信息的简单积累, 已经开始受到学生自判断和选择的影响, 同 时包含因新旧经验的冲突, 导致思想转变和知识结构重组。在整个学习的过程当 中, 其实并不是信息简单的输入、存储和提取, 而是新旧经验之间相互交替作用 的过程, 需要经历创设情境、建立假设、搜集信息、努力探索、验证假设、认真 思考等一系列环节。每个人能够亲身去经历、亲自去感受, 比空洞抽象的说教其 实更具说服力。主动地去交互与被动的灌输, 在本质上是有差别的。虚拟现实利 用现代电子信息技术, 可以建立各种虚拟实验室, 如地理、物理、化学、生物实 验室等等, 拥有传统实验室难以比拟的优势: 3.1 节省成本。

提到虚拟现实系统, 人们首先想到的是价格不菲的电子设备和居高不下的 开发费用, 认为成本太高。但考虑到硬件软件的共用共享和节约的房屋建筑等成本, 以及重复使用和节约的材料成本, 其试验的单位成本是较低的。一些和高尖 端的试验, 我们由于设备、场地、经费等硬件的限制, 使许多实验都无法进行, 而 利用虚拟现实系统, 能够让学生足不出户, 便可以做各种实验, 获得与真实实验 一样的体会。尤其针对耗用昂贵材料较多的实验, 极大的节省了成本。

3.2 规避风险。

许多中学生都是第一次接触所学的试验, 在化学、物理的真实实验或操作中 往往会存在着各种各样的危险, 例如:化学课上的有关王水的实验, 以及物理课 上有关高压电弧的实验等, 如果操作稍有不慎可能会赞成非常严重的后果, 而这 种压力往往让学生因为紧张或导致失败难以收到应有的教学效果。利用虚拟现实 技术进行虚拟实验, 既可以让学生清晰、形象地观察试验的全过程, 还可以体验 现场操作的感受, 学生在虚拟实验环境中, 可以放心地去做各种危险的实验, 而 且可以重复试验, 直到达到教学目的。

3.3 拓展空间。

随着科学技术的发展, 中学生需要掌握的自然科学知识更加浩瀚、精微, 大 到宇宙天体, 小至原子粒子, 在现实条件下, 这些试验都是难以实现的。但利用 虚拟现实技术可以打破空间、时间的限制, 不出教室在虚拟的实验室中, 学生都 可以上天下海, 感触宇宙的浩瀚和海底的深邃, 还能进入这些物体的内部观察粒 子的运行, 甚至观察化学反应过程。例如, 生物中的孟德尔遗传定律, 用果蝇做 实验往往要几个月的时间, 而虚拟技术在一堂课内就可以实现。

虚拟现实技术作为一种新型的教学技术, 在许多方面还不成熟, 把这种技术 引入中学教学, 一定要弄清其基础教育课堂应用中的定位, 否则将会影响学校教 学的正常进行。虚拟现实技术可以用真实的、动态的虚拟影像, 以强烈的感官体 验达到教育目的, 但在一些动手的实验中, 虚拟现实中对不同质地物体的触觉, 与真实现实中有一定差距, 容易产生误导。由于学生们对真实现实缺乏足够的体 验, 这些虚拟环境过于“真实”, 教学后还应对学生进行适当的心理辅导, 防止 学生对虚拟环境产生幻觉和依赖。4 虚拟现实技术在中学教育教学应用障碍 虚拟现实技术虽然已经在娱乐艺术、医学军用、城市规划等得到广泛应用, 但无论是技术成熟还是使用者心理接受能力, 都还有一段很长的路要走。诸如: 4.1 中学教育界对虚拟现实技术的认知程度还有待进一步提高。

当前中学教育界对虚拟现实技术在教学中的应用还不太看好。一是对虚拟现 实技术教学应用的必要性不太看好, 不少学校注重的还是升学率, 而对学生对尖 端科技知识体验认知的必要性不太看重;二是对首次投入的巨额费用有一种恐惧, 认为首次投入高就会加大教学成本;三是在虚拟现实需要的人才技术、组织制度 和心理上缺少准备。

4.2 资源共享方面的限制。

从现在中学学校的规模来看, 一般相对较小, 确认是经济资源还是人力资源, 仅计算机设备等硬件投资都是很大的压力, 更没法谈庞大的软件系统开发。虽然 现在大多数的中学是政府经办, 但在资源管理使用方面几乎是各自独立的, 甚至 在教学创新方面, 不少学校是互相保密的。这使少数的中学不仅不能承受初始投 资巨大的经济和人才压力, 而且还因担心创新成功后知识产权等方面的保障影 响其创新动力。

4.3 技术方面。

虽然虚拟现实技术已经在许多领域得到广泛应用, 但其多数仅限于视觉、听 觉等方面, 而在中学教学试验应用体验还存在比较大的技术局限性, 有些问题, 到现在仍然还没有很好的解决办法。

(1) 没有真正进入可操作虚拟实验室的方法, 在许多技术方面都还受到限制, 如现有的手套不能解决操控烧杯、滴管的触觉, 进行化学试验的嗅觉, 以及户外 行走的活动范围等。

(3) 缺乏虚拟现实技术在教学实验中统一的标准。虚拟现实技术目前在中学 教学试验中仍处于初级阶段, 无论是硬件软件配置还是试验流程、操作规程及结 果的精准度似乎大家都没有一个统一的标准, 难以确保实现教学目的。

(4) 电子设备的反应速度还难以与人体的反应速度充分协调, 容易让人感到疲劳, 如已经广泛应用的视觉、听觉技术, 镜头的加速移动与人的视觉神经的反 应差距, 就会带来不同的焦点, 甚至直接会暂时影响用户的视力, 而触觉反应速 度的差距可能会更大, 会严重影响教学试验的效果。

(5) 受当前硬件软件技术限制, 许多精准度要求较高的应用设备佩戴起来非 常笨重, 除了使用过程中需要长时间适应外, 还容易让人疲劳, 这对尚未成年的 中学生来说还很不适用。

以上的应用障碍是显而易见的, 但从现代科技发展的速度看, 这一形势将会 很快改观。一是需求改变认知, 高科技的快速发展要求中学教学加强对宇宙天体、 原子粒子等的实验教学, 这些教学需求将推动业界改变对虚拟现实技术的认知, 从而推动加快对该技术在中学实验教学中的研发推广。二是制度创新为资源共享 提供可能, 从而降低虚拟现实技术研发应用成本, 为虚拟现实技术在中学实验教 学应用增加动力。三是虚拟现实技术自身的进步让使用者对虚拟对象的操控及反 应精准度大大提高, 同时其应用设备将更加精巧、便捷, 让虚拟现实技术在中学 实验教学应用变为可行。

5 课题结项报告的主要阶段成果 第一阶段:2016-7-5到2016-8-30课题开题报告的论证, 对课题进行可行性 论证;
第二阶段:2016-9-1到2017-1-1材料的搜集和整理, 初步形成对课题的主要 观点;
第三阶段:2017-1-2到2017-6-7完成论文的写作, 达到答辩要求。

6 课题结题报告终结成果目录 论文:虚拟现实技术及其在中学教育教学中的应用 [1]张菁.虚拟现实技术及应用[M].北京:清华大学出版社, 2011. [2]李欣.虚拟现实及其教育应用[M].北京:科学出版社, 2008.