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一、虚拟现实
虚拟现实 (Virtual Reality)，简称VR，是90年代在计算机领域集合计算机图形技术、多媒体技术、传感技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种技术的最新发展成果，生成的一种高技术模拟系统，具有实时交互性、多感知性、存在感和自主性等特征。
目前，虚拟现实的实现技术有纯软件模拟和软硬件结合两种，均是以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像环境，使参与者在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，直接参与、探索虚拟对象在所处环境中的变化，从而产生置身于虚拟世界中的体验。
虚拟现实构建的既非真实世界，也非简单的平面化的多媒体视觉效果，而是一种虚拟和现实相交织的环境。它的技术实质在于提供了一种高级的人机接口，把抽象、复杂的计算机数据空间表示为直观的、用户熟悉的事物，人们通过计算机的各种媒体进入该环境中并与之交互。
目前，基于虚拟现实真三维实时渲染技术的网络游戏很是火爆。由于虚拟现实带来的强烈感官浸润感使得该类游戏迅速窜红国内外的游戏市场，并且日益成为主流游戏。以此对照，反观我们的教育教学，目前中小学用于学习的教育软件所采用的技术还相当落后，大多数依然停留在图片演示、幻灯片播放和简单的Flash动画模拟的基础状态。我们需要借助虚拟现实真三维实时渲染技术的一臂之力，重新唤起大家对学习性教育软件在技术层面的关注。所幸的是，以前在专用的图形工作站上才能运行与使用的虚拟现实真三维实时渲染技术，已经可以由一个高端的专用技术移植到普通的计算机上使用，技术门槛的降低使得中小学在课堂教学中应用虚拟现实成为一种可能。
应用虚拟现实真三维实时渲染技术开发的教育软件系统，能够营造逼真、直观的学习环境，让学生沉浸在虚拟世界里对学习目标进行实时观察、交互、参与、实验、漫游等操作，将枯燥难懂的理论知识、晦涩不明的文学意境，以“身临其境”的方式来感受和体会，使得学习处于一种准“实践”状态，由被动灌输的“填鸭式学习”成为一种主动式和兴趣式的学习探索。
二、虚拟现实技术在教育教学中的应用
目前，虚拟现实技术在教育教学方面的应用主要体现在虚拟校园、虚拟环境创设、虚拟实验等方面。
随着网络教育的深入，人们已经不满足于对校园环境的浏览，基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校园呼之欲出。人们需要一个完整的虚拟校园体系。真实、互动、情节化的特点是虚拟现实技术独特的魅力所在，新技术必将引起教育方式的革命，让我们感受到全新的校园文化。
亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力。主动地去交互与被动地接受灌输，二者有本质的差别。虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，广泛用于语文、历史等课程领域中，提供给学生的是无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。不难看出，虚拟学习表面上是创设了一种虚拟的学习环境，实则营造的是一种“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之以学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。例如，毛泽东的《沁园春·雪》，学生可以通过鼠标或键盘，畅游在“千里冰封，万里雪飘”的山脉上，也可以登上长城俯瞰“长城内外”美景，一睹栩栩如生的“秦皇汉武”、“唐宗宋祖”、“一代天骄成吉思汗”的英姿，甚至还可以从不同视角浏览“江山如此多娇”的壮观景象，真正体会作者文中所表达的“数风流人物，还看今朝”的深远意境。
虚拟实验是依托虚拟现实技术而产生和发展的一种实验模式，在实验的本体逼真性、应用普适性，以及给予实验者现场实时感受和实验效果等方面，是传统的计算机模拟实验所无法比拟的。具体而言，其优势在于：（1）节省成本。由于设备、场地、经费等硬件条件的限制，在很多学校里许多实验都无法正常进行。学生利用虚拟实验，足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会，在保证教学效果的前提下，极大地节省了成本。（2）打破空间、时间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生可以“自由”进入这些物体的内部进行观察；有些需要几十年甚至上百年才能观察到的变化过程，也可以在很短的时间内呈现给学生。例如，生物中著名的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往需要几个月的时间，而虚拟实验在一堂课内就可以完成。（3）规避风险。真实实验或操作有时候会带来各种危险，而虚拟实验不但能模拟、再现这些现象或过程，而且教师也不用担心会对学生造成伤害。与此同时，虚拟实验带来的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于对学生进行包括军事作战技能、外科手术技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练——学生可以不厌其烦地反复练习，直至完全掌握操作技能。
虚拟实验一般是在虚拟实验室中进行。所谓虚拟实验室，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备和实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实再现，也可以是虚拟构想成的实验室。在虚拟实验室中，实验者有逼真的感觉，似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。但是，遗憾的是目前我们所见到的虚拟实验系统主要是在高等教育领域得到一些应用，在中小学基础教育软件中基本“难觅身影”。
三、虚拟现实技术的关键技术分析
在虚拟现实技术的互动三代资源库的建设过程中，可以采取“分而治之”的原则，将开发过程中的大量工作分为不同的部分，以解决开发过程中工作量过大的问题。在实际的开发中，目前所采用的最为流行的一种方法就是先开发出一套独立的虚拟现实引擎，再根据这套引擎提供的功能完成学习或实验的虚拟场景。引擎提供的通常是虚拟现实学习世界运行最基本的内核程序，就像是汽车的发动机。但是光有发动机的汽车也是无法行驶的，同样，只有引擎没有模型、角色动画、场景，也无法实现语文课文场景中的虚拟漫游、物理和化学课程中的实验操作、生物课程中果蝇和白鼠等生物体的解剖。简言之，虚拟现实引擎是实现模型或场景的本体光学、物理、音效模拟真实的表现效果或者互相作用效果的程序集合；而模型（非生物体）、场景或角色（生物体）是类似制作电影级别的三维模型造型师进行制作，再将制作出来的模型（非生物体）、场景或角色（生物体）文件导入虚拟现实引擎，并在此基础上进一步进行编程实现虚拟现实的学习环境系统。
目前，虚拟现实技术应用于教育软件和资源开发方面，需要克服的技术难题主要体现在两个方面：其一，实时渲染玻璃、毛发、面部表情及其他需要解决的实时材质的问题。在物理、化学、生物等学科教学中涉及到大量的玻璃仪器，仪器的造型虽然较角色模型容易，但是展现极富真实感的玻璃材质是目前必须要解决的紧要问题之一。语文课、历史课中角色人物的毛发、面部表情，也需要相关算法的研制进行配合。其二，由于没有高分辨率照片，要尽可能真实地再现语文课本中的近现代历史人物，也是亟需解决的问题之一。
应用虚拟现实系统开发的软件与资源将大大提高学生学习兴趣，降低教师教学难度，对于目前学生交互式操作的实验过程及面向中高考的实验考试部分也将有章可循，解决因教育环境差异而无法实现动手实验的考试难点，同时作为形成“虚拟世界学习”的一个重要组成部分，同样具有很好的教育应用价值和社会经济价值。
（作者单位：上海远程教育集团）
虚拟现实 (Virtual Reality)，简称VR，是90年代在计算机领域集合计算机图形技术、多媒体技术、传感技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种技术的最新发展成果，生成的一种高技术模拟系统，具有实时交互性、多感知性、存在感和自主性等特征。
目前，虚拟现实的实现技术有纯软件模拟和软硬件结合两种，均是以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像环境，使参与者在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，直接参与、探索虚拟对象在所处环境中的变化，从而产生置身于虚拟世界中的体验。
虚拟现实构建的既非真实世界，也非简单的平面化的多媒体视觉效果，而是一种虚拟和现实相交织的环境。它的技术实质在于提供了一种高级的人机接口，把抽象、复杂的计算机数据空间表示为直观的、用户熟悉的事物，人们通过计算机的各种媒体进入该环境中并与之交互。
目前，基于虚拟现实真三维实时渲染技术的网络游戏很是火爆。由于虚拟现实带来的强烈感官浸润感使得该类游戏迅速窜红国内外的游戏市场，并且日益成为主流游戏。以此对照，反观我们的教育教学，目前中小学用于学习的教育软件所采用的技术还相当落后，大多数依然停留在图片演示、幻灯片播放和简单的Flash动画模拟的基础状态。我们需要借助虚拟现实真三维实时渲染技术的一臂之力，重新唤起大家对学习性教育软件在技术层面的关注。所幸的是，以前在专用的图形工作站上才能运行与使用的虚拟现实真三维实时渲染技术，已经可以由一个高端的专用技术移植到普通的计算机上使用，技术门槛的降低使得中小学在课堂教学中应用虚拟现实成为一种可能。
应用虚拟现实真三维实时渲染技术开发的教育软件系统，能够营造逼真、直观的学习环境，让学生沉浸在虚拟世界里对学习目标进行实时观察、交互、参与、实验、漫游等操作，将枯燥难懂的理论知识、晦涩不明的文学意境，以“身临其境”的方式来感受和体会，使得学习处于一种准“实践”状态，由被动灌输的“填鸭式学习”成为一种主动式和兴趣式的学习探索。
二、虚拟现实技术在教育教学中的应用
目前，虚拟现实技术在教育教学方面的应用主要体现在虚拟校园、虚拟环境创设、虚拟实验等方面。
随着网络教育的深入，人们已经不满足于对校园环境的浏览，基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校园呼之欲出。人们需要一个完整的虚拟校园体系。真实、互动、情节化的特点是虚拟现实技术独特的魅力所在，新技术必将引起教育方式的革命，让我们感受到全新的校园文化。
亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力。主动地去交互与被动地接受灌输，二者有本质的差别。虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，广泛用于语文、历史等课程领域中，提供给学生的是无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。不难看出，虚拟学习表面上是创设了一种虚拟的学习环境，实则营造的是一种“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之以学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。例如，毛泽东的《沁园春·雪》，学生可以通过鼠标或键盘，畅游在“千里冰封，万里雪飘”的山脉上，也可以登上长城俯瞰“长城内外”美景，一睹栩栩如生的“秦皇汉武”、“唐宗宋祖”、“一代天骄成吉思汗”的英姿，甚至还可以从不同视角浏览“江山如此多娇”的壮观景象，真正体会作者文中所表达的“数风流人物，还看今朝”的深远意境。
虚拟实验是依托虚拟现实技术而产生和发展的一种实验模式，在实验的本体逼真性、应用普适性，以及给予实验者现场实时感受和实验效果等方面，是传统的计算机模拟实验所无法比拟的。具体而言，其优势在于：（1）节省成本。由于设备、场地、经费等硬件条件的限制，在很多学校里许多实验都无法正常进行。学生利用虚拟实验，足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会，在保证教学效果的前提下，极大地节省了成本。（2）打破空间、时间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生可以“自由”进入这些物体的内部进行观察；有些需要几十年甚至上百年才能观察到的变化过程，也可以在很短的时间内呈现给学生。例如，生物中著名的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往需要几个月的时间，而虚拟实验在一堂课内就可以完成。（3）规避风险。真实实验或操作有时候会带来各种危险，而虚拟实验不但能模拟、再现这些现象或过程，而且教师也不用担心会对学生造成伤害。与此同时，虚拟实验带来的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于对学生进行包括军事作战技能、外科手术技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等各种职业技能的训练——学生可以不厌其烦地反复练习，直至完全掌握操作技能。
虚拟实验一般是在虚拟实验室中进行。所谓虚拟实验室，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备和实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实再现，也可以是虚拟构想成的实验室。在虚拟实验室中，实验者有逼真的感觉，似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。但是，遗憾的是目前我们所见到的虚拟实验系统主要是在高等教育领域得到一些应用，在中小学基础教育软件中基本“难觅身影”。
三、虚拟现实技术的关键技术分析
在虚拟现实技术的互动三代资源库的建设过程中，可以采取“分而治之”的原则，将开发过程中的大量工作分为不同的部分，以解决开发过程中工作量过大的问题。在实际的开发中，目前所采用的最为流行的一种方法就是先开发出一套独立的虚拟现实引擎，再根据这套引擎提供的功能完成学习或实验的虚拟场景。引擎提供的通常是虚拟现实学习世界运行最基本的内核程序，就像是汽车的发动机。但是光有发动机的汽车也是无法行驶的，同样，只有引擎没有模型、角色动画、场景，也无法实现语文课文场景中的虚拟漫游、物理和化学课程中的实验操作、生物课程中果蝇和白鼠等生物体的解剖。简言之，虚拟现实引擎是实现模型或场景的本体光学、物理、音效模拟真实的表现效果或者互相作用效果的程序集合；而模型（非生物体）、场景或角色（生物体）是类似制作电影级别的三维模型造型师进行制作，再将制作出来的模型（非生物体）、场景或角色（生物体）文件导入虚拟现实引擎，并在此基础上进一步进行编程实现虚拟现实的学习环境系统。
目前，虚拟现实技术应用于教育软件和资源开发方面，需要克服的技术难题主要体现在两个方面：其一，实时渲染玻璃、毛发、面部表情及其他需要解决的实时材质的问题。在物理、化学、生物等学科教学中涉及到大量的玻璃仪器，仪器的造型虽然较角色模型容易，但是展现极富真实感的玻璃材质是目前必须要解决的紧要问题之一。语文课、历史课中角色人物的毛发、面部表情，也需要相关算法的研制进行配合。其二，由于没有高分辨率照片，要尽可能真实地再现语文课本中的近现代历史人物，也是亟需解决的问题之一。
应用虚拟现实系统开发的软件与资源将大大提高学生学习兴趣，降低教师教学难度，对于目前学生交互式操作的实验过程及面向中高考的实验考试部分也将有章可循，解决因教育环境差异而无法实现动手实验的考试难点，同时作为形成“虚拟世界学习”的一个重要组成部分，同样具有很好的教育应用价值和社会经济价值。
（作者单位：上海远程教育集团）