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摘 要:综述从虚拟现实的概念、分类和功能开始,介绍了虚拟现实在提高教育教学质量和教育改革中的作用,以及在现实的教学过程中,人们对于虚拟现实的态度,应用虚拟现实存在的问题,并提出了虚拟现实的前景展望。
关键词:虚拟现实 学习环境 教学改革
中图分类号:G632 文献标识码:A文章编号: 1673-1875(2008)10-038-03
一、虚拟现实概念及功能
虚拟现实（简称VR:Virtual Reality）是指用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实,人们通过这些设施以自然的方式向计算机送入各种动作信息,并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界。目前,虚拟现实内涵已经大大扩展,像“人工现实（Artificial Reality）”、 “虚拟环境”（Virtual Environment）、“赛伯空间”（Cyberspace）等,都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。事实上,虚拟实现技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术,而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法,它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互,能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统[1]。
虚拟现实技术的基本特征是沉浸性、交互性和多感知性,这些特性描述了使用者以近乎自然的方式与系统进行交互,并获得视、听和触等感觉,达到身临其境的感受。
1、虚拟现实系统的分类
VR最本质的特征用户对虚拟场景的沉浸,根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同,我们可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类:
（1）桌面级的虚拟现实
桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真,各种外部设备一般用来驾驭虚拟境界。常见桌面虚拟现实技术有:基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。
（2）投入的虚拟现实
高级虚拟现实系统提供完全投入的功能,使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备,提供一个虚拟的感觉空间,并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身在虚拟环境中、并能全心投入和沉浸其中的感觉。
（3）增强现实性的虚拟现实
增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界,而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强现实中无法感知或不方便感知感受。
（4）分布式虚拟现实
如果多个用户通过计算机网络连接在一起,同时参加一个虚拟空间,共同体验虚拟经历,那虚拟现实则提升到了一个更高的境界,这就是分布式虚拟现实系统[2]。
2、虚拟现实的功能
人们探索出了虚拟现实的许多功能,主要有:
1、模拟显现出那些现实中存在的,但在课堂教学环境下用别的方法很难做到,或者需要花费很大代价才能显现的各种事物。比如发动机的运行过程。
2、让学生学习一些特殊的学习内容。这些内容中包含的某些事物在实际中通常数最或形状太大、太小,或具有时间性,用别的方法很难观察和验证。比如教授各种自然现象的形成方面的内容时。
3、模拟出远在千里之外的人物、事件,或者模拟出关于世界某地的某个事物的详细图像和文字资料。例如,生物中袋鼠的学习。
4、模拟出抽象概念的内容,如数据库的结构和数学公式等。
5、模拟出具有不同哲学观点或理论的多个历史人物,通过这些历史人物的交谈、论争,来让学生学习历史或哲学方面的学习材料。
6、为地域上远隔万里的学习者提供合作学习和讨论的环境。
虚拟学习的理论基础是建构主义。该理论认为知识不是通过教师传授得到的,而是学习者在一定的情境（即社会文化背景）下,借助他人（包括教师和学习伙伴）的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构方式而获得的[3]。
虚拟现实技术在教学中的应用一般有四个方面:知识学习、探索学习、虚拟实验、技能训练。
3、教学中常用的几种VR技术
（1）基于静态图像的虚拟现实技术——QTVR
QuickTime VR（QTVR）是一种基于静态图像的、在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。它的基本特点是能够实现对一个物体或空间进行360度全景观察。利用它来创建虚拟场景,我们可以在一个大厅里环绕四周,以任意一个角度观察这个空间,也可以围绕某一个物体,在360度的范围观察它。
设备简单、兼容性好、数据量小、高度的现实性和制作简单是QTVR的鲜明特点,这些特点使其以极低的制作成本获得一定程度的虚拟现实体验。教学过程中的很重要的一个过程就是呈献知识信息,而QTVR在呈献知识信息方面有着独特的优势,它可以在广泛的科目领域提供无限的VR体验。
（2）虚拟现实建模语言VRML
VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言,是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言。也就是说,它是用来描述三维物体及其行为的,可以构建虚拟境界。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体,基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等,它是目前Internet上基于 WWW的三维互动网站制作的主流语言[4]。
(3) MUD/MOO
MUD是 Multiple User Dungeon 的简称,是一个通过网络连接的、多用户参与的、可由用户自主扩展的、主要基本文本表示的虚拟现实环境。这个环境通常代表了一定的现实环境,如城市、校园、建筑物,甚至还可以是一些想象的空间,如旷野、孤岛等。当用户进入到这个虚拟世界后,就象在现实世界一样,需要了解这个环境,与这个环境中的人和物进行交流,如到处漫游,与他人交谈,加入讨论,和其它用户进行秘密交谈,操作某个地方的对象（播放录象带、使用工具等）或者漫游到其它地方去。
二、虚拟现实在教学中的应用
由于这种新式计算机技术在教学中具有很大的潜能,很多研究者都在进行这方面的探索和研究。第一个把虚拟现实技术运用于教学的实验研究是由马克·麦瑞凯尔(MARK·MERIKEL)进行的。该实验研究的主要目的是想要确定:学生在运用计算机虚拟图像学习时,是否会促进学生对空间问题的解决能力。参加实验的学生可以利用头戴式显示屏和数据信号操纵杆,在模拟的“电脑空间”景物中前进、后退、旋转飞行或移动物体,还可以模拟打网球和进行户外旅行。实验结果表明,这种“电脑空间”模拟技术在教学中很有实用价值,很有可能成为一种高效的课堂教学工具。
1、分布式虚拟环境对高校教学的影响
分布式虚拟环境是虚拟现实技术和网络技术发展和结合的产物。分布式虚拟环境的目标是利用计算机构造一个真实世界的模拟,地理上分布的多个用户可以通过网络共享该环境,选择一个虚拟化身代替自己与该环境和在相互之间进行交互。它提供给用户更具有沉浸感和交互性的人机界面和相互交流的方式,与现在二维界面相比,人们可以更加直观方便地操作日益复杂的信息。
（1）有利于挖掘高校潜能
引入虚拟现实高技术可改善高等教育的教学环境,扩大高校的承载能力,适应当前我国高校扩招的发展需求。
（2）建设“常新”型的实验实训基地
利用多媒体技术,半实物仿真与虚拟现实相结合的方法,建造虚拟演练的现代化实验实训基地,其“设备”或“部件”多是“虚拟”的,可根据发展需要重新“生成”新设备,也可使“设备”和教学内容在虚拟环境中不断更新,使实践训练及时跟上技术的发展。
（3）促进数字化校园的建设
虚拟现实所需的超高速、多媒体的数据传输,大容量的数据存储,以及数据处理的分布式与并行化无疑是促进高校信息化建设的催化剂。它能为教育技术专业队伍提供一个高起点的科研环境,促进教育技术学的学科建设更上一个新层次。
（4）发展虚拟教学
教学活动的空间和时间得到了无形扩展,将进一步向虚拟课堂、虚拟大学发展。虚拟现实也将为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所,使资源由一校“独占”变为多校“共享”。通过交互式远程教学的课程目录和网站,由局域网工具作校园网站的链接,可对各个行业提供开放性的、远距离的继续教育,及其急需的课程教学,还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会[5]。
综上所述,虚拟现实技术进入高校教学的研究将对探索、发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验实训环境、优化教学过程,培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响。综合运用多媒体技术、虚拟现实技术和网络技术,还可避免采用数据头盔等极其昂贵设备的半实物仿真方案,能充分发挥虚拟现实技术的集成性、控制性和交互性的特点,这种运用还可向网络学校、虚拟教育延伸。
2、虚拟现实与教学改革
教学改革的目标是实现教学现代化,提高教学效益和质量,全面提高学生素质。然而,教学现代化并非只是设备的现代化,它应包含更深刻的含义,包括:教学观念的现代化、教学内容的现代化、教学手段的现代化。
(1)教学观念的变化
现代化的教学方法教与学的合作化,以讲授引导思维,以教导激发感情,并赋予学生学习的主动性。虚拟现实教学有利于创造这样的环境,以学生为中心的个别化教学、合作化教学和环境中自我探究得以真正实现。从多媒体虚拟现实系统的组织形式看,虚拟现实是非线性的网络结构,逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能,在这个基础上教学内容的组织安排将特别强调由学生主动参与来构建知识结构,变学生的“被动听讲”为“主动学习”,由“要我学”转变为“我要学”。在这种情况下,教材的意义也将由传统的“教材控制”转变为“学习者控制”,教学内容外在形式的生动化与内在结构的科学化将更紧密的结合起来,这种环境将极大地促进教学观念发生变化。
(2)教学内容的变化
多媒体虚拟现实技术的引入使教学内容无论是外在形式还是内在结构都产生了很大的变化。
①教学内容外在形式的变化
教育技术的发展为使用具有人机交互的多媒体技术进行教学提供了条件。多媒体信息表现形式多样,对于抽象的、概括的概念、原理,除了用文字和语音协同描述外,还可以用三维实景虚拟现实过程,对于不可视的变化、无法触摸的物体或有危险的场所,甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件,也可以通过虚拟现实技术去展现。而且,同一教学内容还可以用多种信息形式来表现。
②教学内容的内在结构的变化
使用虚拟现实技术后,多种媒体的信息通过网络化超链接,就可以接近人类认知特点的方式去组织和展示教学内容、构建知识结构,这种网状的信息组织方式是一种非线性结构,链是知识之间的层级逻辑关系。虚拟现实与普通多媒体是多媒体信息处理的高度集成,把信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性结合起来,为学生提供了一种动态、开放的结构化认知形式,它既包括了学科的基本内容,又包括了学科内容之间的逻辑关系,既注重知识的形成过程,又注重知识的结构。
③教学手段的变化
多媒体虚拟现实技术应用于教学过程后,可以促使教学手段向科学化、高效益方向发展,其变化可以体现在:互动启发式教学、发现式教学、协同工作式教学、情境式教学等方面[6]。
虚拟现实在远程的教学中还有其重要的作用,如弥补实验场地、教学经费等方面教学条件的不足,避免真实实验的危险,打破时间空间的限制,虚拟人物形象等等。
三、存在的问题
对于虚拟学习环境(Virtual Learning Environments,VLEs）,学生、教师和教育机构所持的观点,并不是完全一致的,通过调查,对这些观点的研究和总结进行了概括,见下表[7]。
非常明显,在教育环境中对于各方来说,虚拟学习所体现的优点是不同的。对于那些不愿意在教学活动中采用虚拟学习的人来说,虚拟学习最大的缺点就是它的不确定性和不可知性,这意味着虚拟学习还有很多的潜力没有显现出来。我们希望通过研究和调查把虚拟学习的那种潜在的力量转化为现实的教育收益。我们主要从以下两个方面人手:一方面,找出不愿意在教学过程使用虚拟学习的合适理由,克服那些阻碍运用虚拟学习的不确定因素;另外一方面,纠正错误的观点,建立相关的机制和条款,从而确保虚拟学习的顺利推行。
目前由于虚拟现实技术尚处于开拓期,还存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍,如硬件对图形的处理效率尚处探索阶段;虚拟现实技术对触觉的模拟还有不足,对嗅觉、味觉的模拟尚未实现等,实时通信、大规模用户交互的方面尚处探索阶段[8]。
为了让虚拟现实技术能在教学中得到广泛的应用,我们需要从沉浸性和实时交互性、计算机性能以及人工智能等几项关键技术入手进行研究。
桌面虚拟现实技术仍然处于发展之中,相关开发工具还不够成熟,许多关键技术仍有待解决。这一现状导致在教育教学中应用桌面虚拟现实技术存在着概念模糊不清、技术门槛高、应用范围广且杂的特点。国内已有一些学者和研究机构在这一领域开展了卓有成效的研究工作,但面对这一新媒体技术在教育中应用引起的诸多问题,仍需不断研究实践。
另外,在网络虚拟远程教育和虚拟社区中的道德问题,也是我们不能回避的新挑战,虚拟网络道德和行为会对整个的虚拟教学产生影响。
四、虚拟技术应用于教学的前景展望
随着信息时代的迅速到来,现代化教学手段迅速进入教学领域,要求我们必须打破几百年来保持的教育办学模式和传统的教学基础技术,建立集中体现创造性、智能性、科学性程度高度发展的现代教育模式和现代教育技术,正是这些客观的要求,成了虚拟现实技术应用于教育教学的依据。随着虚拟现实硬件系统以及虚拟现实境界构造程序和有关数据库等软件系统的完善,在不久的将来虚拟现实技术将在未来教育教学中发挥巨大的作用。
最后,我认为,许多问世时没有引起人们足够重视的新技术最终起到了改变世界的作用,电脑如此、互联网络也是如此。尽管今天虚拟现实技术还没有引起人们的足够重视,但随着计算机技术的发展,虚拟现实正掀开其神秘的面纱,逐渐走进教学。以后随着虚拟现实系统的价格不断下降,软件的适用性不断增强,这种新的教学媒体必将广泛应用于教学。利用这种新的教学技术,可以创设建构主义主张的学习环境,可以支持研究性学习、协作学习、探究学习,可以构建虚拟实验室来提高我们的实践能力、促进学习迁移,同时为我们节省大量的资金。但我们也应注意到,新技术的产生并非就是我们教育技术促进学生学习目的的达到,爱迪生对电视的预言就是一个明显的例子,技术的发展为我们提供了一种教学的手段,在教学中并不是手段决定论,而是需要决定论。在虚拟现实技术应用于教学有效促进学生学习的过程中,我们还有较长的一段路要走。
参考文献:
[1]汇眸科技.关于网站的“全景展示”.http://www.shajiabang-cn.com/j_list.asp?id=624
[2]姚顾波.基于虚拟现实技术的网络课件写作系统。http://www.etc.edu.cn/show/ktbg/quick%20time.htm
[3]赵国栋.虚拟现实技术在教学中的应用.中国电化教育,2000(11).
[4]李小琳.王方.虚拟现实技术运用于教学之探讨.http://218.22.0.27/lunwen/dianziban/200403/020902.htm
[5]赵士滨,吴秋峰.虚拟现实技术进入高校试验教学的研究. http://www.86vr.com/case/education/200502/5089.html
[6] 陈宝军. 浅谈分布式虚拟现实技术与实验教学的结合. http://www.86vr.com/case/education/200409/3606.html
[7]钱小龙,邹霞.试论虚拟学习环境的整体实现[J].教育信息化,2004(12).
[8]邵剑龙,陈江平,叶艳青.虚拟现实技术在大学教育中的应用[J].昆明理工大学学报,2000,25(3).
关键词:虚拟现实 学习环境 教学改革
中图分类号:G632 文献标识码:A文章编号: 1673-1875(2008)10-038-03
一、虚拟现实概念及功能
虚拟现实（简称VR:Virtual Reality）是指用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设施来实现的一种三维现实,人们通过这些设施以自然的方式向计算机送入各种动作信息,并且通过视觉、听觉以及触觉设施使人们得到三维的视觉、听觉及触觉等感觉世界。目前,虚拟现实内涵已经大大扩展,像“人工现实（Artificial Reality）”、 “虚拟环境”（Virtual Environment）、“赛伯空间”（Cyberspace）等,都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。事实上,虚拟实现技术不仅仅是指那些戴着头盔和手套的技术,而且还应该包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法,它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互,能够达到或者部分达到这样目标的系统就称为虚拟现实系统[1]。
虚拟现实技术的基本特征是沉浸性、交互性和多感知性,这些特性描述了使用者以近乎自然的方式与系统进行交互,并获得视、听和触等感觉,达到身临其境的感受。
1、虚拟现实系统的分类
VR最本质的特征用户对虚拟场景的沉浸,根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同,我们可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类:
（1）桌面级的虚拟现实
桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真,各种外部设备一般用来驾驭虚拟境界。常见桌面虚拟现实技术有:基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。
（2）投入的虚拟现实
高级虚拟现实系统提供完全投入的功能,使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备,提供一个虚拟的感觉空间,并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身在虚拟环境中、并能全心投入和沉浸其中的感觉。
（3）增强现实性的虚拟现实
增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界,而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强现实中无法感知或不方便感知感受。
（4）分布式虚拟现实
如果多个用户通过计算机网络连接在一起,同时参加一个虚拟空间,共同体验虚拟经历,那虚拟现实则提升到了一个更高的境界,这就是分布式虚拟现实系统[2]。
2、虚拟现实的功能
人们探索出了虚拟现实的许多功能,主要有:
1、模拟显现出那些现实中存在的,但在课堂教学环境下用别的方法很难做到,或者需要花费很大代价才能显现的各种事物。比如发动机的运行过程。
2、让学生学习一些特殊的学习内容。这些内容中包含的某些事物在实际中通常数最或形状太大、太小,或具有时间性,用别的方法很难观察和验证。比如教授各种自然现象的形成方面的内容时。
3、模拟出远在千里之外的人物、事件,或者模拟出关于世界某地的某个事物的详细图像和文字资料。例如,生物中袋鼠的学习。
4、模拟出抽象概念的内容,如数据库的结构和数学公式等。
5、模拟出具有不同哲学观点或理论的多个历史人物,通过这些历史人物的交谈、论争,来让学生学习历史或哲学方面的学习材料。
6、为地域上远隔万里的学习者提供合作学习和讨论的环境。
虚拟学习的理论基础是建构主义。该理论认为知识不是通过教师传授得到的,而是学习者在一定的情境（即社会文化背景）下,借助他人（包括教师和学习伙伴）的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构方式而获得的[3]。
虚拟现实技术在教学中的应用一般有四个方面:知识学习、探索学习、虚拟实验、技能训练。
3、教学中常用的几种VR技术
（1）基于静态图像的虚拟现实技术——QTVR
QuickTime VR（QTVR）是一种基于静态图像的、在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。它的基本特点是能够实现对一个物体或空间进行360度全景观察。利用它来创建虚拟场景,我们可以在一个大厅里环绕四周,以任意一个角度观察这个空间,也可以围绕某一个物体,在360度的范围观察它。
设备简单、兼容性好、数据量小、高度的现实性和制作简单是QTVR的鲜明特点,这些特点使其以极低的制作成本获得一定程度的虚拟现实体验。教学过程中的很重要的一个过程就是呈献知识信息,而QTVR在呈献知识信息方面有着独特的优势,它可以在广泛的科目领域提供无限的VR体验。
（2）虚拟现实建模语言VRML
VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言,是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言。也就是说,它是用来描述三维物体及其行为的,可以构建虚拟境界。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体,基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等,它是目前Internet上基于 WWW的三维互动网站制作的主流语言[4]。
(3) MUD/MOO
MUD是 Multiple User Dungeon 的简称,是一个通过网络连接的、多用户参与的、可由用户自主扩展的、主要基本文本表示的虚拟现实环境。这个环境通常代表了一定的现实环境,如城市、校园、建筑物,甚至还可以是一些想象的空间,如旷野、孤岛等。当用户进入到这个虚拟世界后,就象在现实世界一样,需要了解这个环境,与这个环境中的人和物进行交流,如到处漫游,与他人交谈,加入讨论,和其它用户进行秘密交谈,操作某个地方的对象（播放录象带、使用工具等）或者漫游到其它地方去。
二、虚拟现实在教学中的应用
由于这种新式计算机技术在教学中具有很大的潜能,很多研究者都在进行这方面的探索和研究。第一个把虚拟现实技术运用于教学的实验研究是由马克·麦瑞凯尔(MARK·MERIKEL)进行的。该实验研究的主要目的是想要确定:学生在运用计算机虚拟图像学习时,是否会促进学生对空间问题的解决能力。参加实验的学生可以利用头戴式显示屏和数据信号操纵杆,在模拟的“电脑空间”景物中前进、后退、旋转飞行或移动物体,还可以模拟打网球和进行户外旅行。实验结果表明,这种“电脑空间”模拟技术在教学中很有实用价值,很有可能成为一种高效的课堂教学工具。
1、分布式虚拟环境对高校教学的影响
分布式虚拟环境是虚拟现实技术和网络技术发展和结合的产物。分布式虚拟环境的目标是利用计算机构造一个真实世界的模拟,地理上分布的多个用户可以通过网络共享该环境,选择一个虚拟化身代替自己与该环境和在相互之间进行交互。它提供给用户更具有沉浸感和交互性的人机界面和相互交流的方式,与现在二维界面相比,人们可以更加直观方便地操作日益复杂的信息。
（1）有利于挖掘高校潜能
引入虚拟现实高技术可改善高等教育的教学环境,扩大高校的承载能力,适应当前我国高校扩招的发展需求。
（2）建设“常新”型的实验实训基地
利用多媒体技术,半实物仿真与虚拟现实相结合的方法,建造虚拟演练的现代化实验实训基地,其“设备”或“部件”多是“虚拟”的,可根据发展需要重新“生成”新设备,也可使“设备”和教学内容在虚拟环境中不断更新,使实践训练及时跟上技术的发展。
（3）促进数字化校园的建设
虚拟现实所需的超高速、多媒体的数据传输,大容量的数据存储,以及数据处理的分布式与并行化无疑是促进高校信息化建设的催化剂。它能为教育技术专业队伍提供一个高起点的科研环境,促进教育技术学的学科建设更上一个新层次。
（4）发展虚拟教学
教学活动的空间和时间得到了无形扩展,将进一步向虚拟课堂、虚拟大学发展。虚拟现实也将为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所,使资源由一校“独占”变为多校“共享”。通过交互式远程教学的课程目录和网站,由局域网工具作校园网站的链接,可对各个行业提供开放性的、远距离的继续教育,及其急需的课程教学,还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会[5]。
综上所述,虚拟现实技术进入高校教学的研究将对探索、发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验实训环境、优化教学过程,培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响。综合运用多媒体技术、虚拟现实技术和网络技术,还可避免采用数据头盔等极其昂贵设备的半实物仿真方案,能充分发挥虚拟现实技术的集成性、控制性和交互性的特点,这种运用还可向网络学校、虚拟教育延伸。
2、虚拟现实与教学改革
教学改革的目标是实现教学现代化,提高教学效益和质量,全面提高学生素质。然而,教学现代化并非只是设备的现代化,它应包含更深刻的含义,包括:教学观念的现代化、教学内容的现代化、教学手段的现代化。
(1)教学观念的变化
现代化的教学方法教与学的合作化,以讲授引导思维,以教导激发感情,并赋予学生学习的主动性。虚拟现实教学有利于创造这样的环境,以学生为中心的个别化教学、合作化教学和环境中自我探究得以真正实现。从多媒体虚拟现实系统的组织形式看,虚拟现实是非线性的网络结构,逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能,在这个基础上教学内容的组织安排将特别强调由学生主动参与来构建知识结构,变学生的“被动听讲”为“主动学习”,由“要我学”转变为“我要学”。在这种情况下,教材的意义也将由传统的“教材控制”转变为“学习者控制”,教学内容外在形式的生动化与内在结构的科学化将更紧密的结合起来,这种环境将极大地促进教学观念发生变化。
(2)教学内容的变化
多媒体虚拟现实技术的引入使教学内容无论是外在形式还是内在结构都产生了很大的变化。
①教学内容外在形式的变化
教育技术的发展为使用具有人机交互的多媒体技术进行教学提供了条件。多媒体信息表现形式多样,对于抽象的、概括的概念、原理,除了用文字和语音协同描述外,还可以用三维实景虚拟现实过程,对于不可视的变化、无法触摸的物体或有危险的场所,甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件,也可以通过虚拟现实技术去展现。而且,同一教学内容还可以用多种信息形式来表现。
②教学内容的内在结构的变化
使用虚拟现实技术后,多种媒体的信息通过网络化超链接,就可以接近人类认知特点的方式去组织和展示教学内容、构建知识结构,这种网状的信息组织方式是一种非线性结构,链是知识之间的层级逻辑关系。虚拟现实与普通多媒体是多媒体信息处理的高度集成,把信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性结合起来,为学生提供了一种动态、开放的结构化认知形式,它既包括了学科的基本内容,又包括了学科内容之间的逻辑关系,既注重知识的形成过程,又注重知识的结构。
③教学手段的变化
多媒体虚拟现实技术应用于教学过程后,可以促使教学手段向科学化、高效益方向发展,其变化可以体现在:互动启发式教学、发现式教学、协同工作式教学、情境式教学等方面[6]。
虚拟现实在远程的教学中还有其重要的作用,如弥补实验场地、教学经费等方面教学条件的不足,避免真实实验的危险,打破时间空间的限制,虚拟人物形象等等。
三、存在的问题
对于虚拟学习环境(Virtual Learning Environments,VLEs）,学生、教师和教育机构所持的观点,并不是完全一致的,通过调查,对这些观点的研究和总结进行了概括,见下表[7]。
非常明显,在教育环境中对于各方来说,虚拟学习所体现的优点是不同的。对于那些不愿意在教学活动中采用虚拟学习的人来说,虚拟学习最大的缺点就是它的不确定性和不可知性,这意味着虚拟学习还有很多的潜力没有显现出来。我们希望通过研究和调查把虚拟学习的那种潜在的力量转化为现实的教育收益。我们主要从以下两个方面人手:一方面,找出不愿意在教学过程使用虚拟学习的合适理由,克服那些阻碍运用虚拟学习的不确定因素;另外一方面,纠正错误的观点,建立相关的机制和条款,从而确保虚拟学习的顺利推行。
目前由于虚拟现实技术尚处于开拓期,还存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍,如硬件对图形的处理效率尚处探索阶段;虚拟现实技术对触觉的模拟还有不足,对嗅觉、味觉的模拟尚未实现等,实时通信、大规模用户交互的方面尚处探索阶段[8]。
为了让虚拟现实技术能在教学中得到广泛的应用,我们需要从沉浸性和实时交互性、计算机性能以及人工智能等几项关键技术入手进行研究。
桌面虚拟现实技术仍然处于发展之中,相关开发工具还不够成熟,许多关键技术仍有待解决。这一现状导致在教育教学中应用桌面虚拟现实技术存在着概念模糊不清、技术门槛高、应用范围广且杂的特点。国内已有一些学者和研究机构在这一领域开展了卓有成效的研究工作,但面对这一新媒体技术在教育中应用引起的诸多问题,仍需不断研究实践。
另外,在网络虚拟远程教育和虚拟社区中的道德问题,也是我们不能回避的新挑战,虚拟网络道德和行为会对整个的虚拟教学产生影响。
四、虚拟技术应用于教学的前景展望
随着信息时代的迅速到来,现代化教学手段迅速进入教学领域,要求我们必须打破几百年来保持的教育办学模式和传统的教学基础技术,建立集中体现创造性、智能性、科学性程度高度发展的现代教育模式和现代教育技术,正是这些客观的要求,成了虚拟现实技术应用于教育教学的依据。随着虚拟现实硬件系统以及虚拟现实境界构造程序和有关数据库等软件系统的完善,在不久的将来虚拟现实技术将在未来教育教学中发挥巨大的作用。
最后,我认为,许多问世时没有引起人们足够重视的新技术最终起到了改变世界的作用,电脑如此、互联网络也是如此。尽管今天虚拟现实技术还没有引起人们的足够重视,但随着计算机技术的发展,虚拟现实正掀开其神秘的面纱,逐渐走进教学。以后随着虚拟现实系统的价格不断下降,软件的适用性不断增强,这种新的教学媒体必将广泛应用于教学。利用这种新的教学技术,可以创设建构主义主张的学习环境,可以支持研究性学习、协作学习、探究学习,可以构建虚拟实验室来提高我们的实践能力、促进学习迁移,同时为我们节省大量的资金。但我们也应注意到,新技术的产生并非就是我们教育技术促进学生学习目的的达到,爱迪生对电视的预言就是一个明显的例子,技术的发展为我们提供了一种教学的手段,在教学中并不是手段决定论,而是需要决定论。在虚拟现实技术应用于教学有效促进学生学习的过程中,我们还有较长的一段路要走。
参考文献:
[1]汇眸科技.关于网站的“全景展示”.http://www.shajiabang-cn.com/j_list.asp?id=624
[2]姚顾波.基于虚拟现实技术的网络课件写作系统。http://www.etc.edu.cn/show/ktbg/quick%20time.htm
[3]赵国栋.虚拟现实技术在教学中的应用.中国电化教育,2000(11).
[4]李小琳.王方.虚拟现实技术运用于教学之探讨.http://218.22.0.27/lunwen/dianziban/200403/020902.htm
[5]赵士滨,吴秋峰.虚拟现实技术进入高校试验教学的研究. http://www.86vr.com/case/education/200502/5089.html
[6] 陈宝军. 浅谈分布式虚拟现实技术与实验教学的结合. http://www.86vr.com/case/education/200409/3606.html
[7]钱小龙,邹霞.试论虚拟学习环境的整体实现[J].教育信息化,2004(12).
[8]邵剑龙,陈江平,叶艳青.虚拟现实技术在大学教育中的应用[J].昆明理工大学学报,2000,25(3).