• 虛擬現實技術及其在遠程教學中的應用
  •          2008年03月01日              來自: 互聯網
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     隨著科學技術的迅猛發展,新的教學媒體不斷涌現,繼多媒體之后,教學技術領域又出現了一個新型教學媒體,它就是虛擬現實技術(Virtual Reality)。虛擬現實技術是利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術,生成三維逼真的虛擬環境,使用者戴上特殊的頭盔、數據手套等傳感設備,或利用鍵盤、鼠標等輸入設備,便可以進入虛擬空間,成為虛擬環境的一員,進行實時交互,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。



       目前,虛擬現實技術已廣泛應用于航空航天、醫學實習、建筑設計、軍事訓練、體育訓練、娛樂游戲等許多領域。在國外,虛擬現實技術已應用于課堂教學。虛擬現實技術作為新的教學媒體,它的出現無疑將對遠程教學產生深遠的影響。本文主要探討虛擬現實技術的基本特征以及它在遠程教學中的應用。

    一、虛擬現實技術的基本特征及類型

       虛擬現實技術具有以下三個基本特征:

       1.沉浸性。虛擬現實技術是根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點,由計算機產生逼真的三維立體圖像.使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備,便可將自己置身于虛擬環境中,成為虛擬環境中的一員。使用者與虛擬環境中的各種對象的相互作用,就如同在現實世界中的一樣。當使用者移動頭部時,虛擬環境中的圖像也實時地跟隨變化,拿起物體可使物體隨著手的移動而運動,而且還可以聽到三維仿真聲音。使用者在虛擬環境中,一切感覺都是那么逼真,有一種身臨其境的感覺。
     
       2.交互性。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互,使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互,而且能夠通過特殊頭盔、數據手套等傳感設備進行交互。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動,來調整系統呈現的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能,就能對虛擬環境中的對象進行考察或操作。

       3.多感知性。由于虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置,因此,使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知,從而達到身臨其境的感受。

       虛擬現實系統按其功能不同,可分成三種類型。

       1.沉浸型虛擬現實系統。沉浸型虛擬系統是一套比較復雜的系統。使用者必須頭戴頭盔、手帶數據手套等傳感跟蹤裝置,才能與虛擬世界進行交互。由于這種系統可以將使用者的視覺、聽覺與外界隔離,因此,用戶可排除外界干擾,全身心地投入到虛擬現實中去。這種系統的優點是用戶可完全沉浸到虛擬世界中去,缺點是系統設備價格昂貴,難以普及推廣。

       2.簡易型虛擬現實系統。簡易型虛擬現實系統由一臺普通的計算機系統組成,使用者通過鍵盤、鼠標便可與虛擬環境進行交互。例如蘋果公司推出的快速虛擬系統(Quick Time VR),是采用360度全景拍攝來生成逼真的虛擬情景,用戶在普通的電腦上,利用鼠標和鍵盤,就能真實地感受到所虛擬的情景。這種系統的特點是結構簡單、價格低廉,易于普及推廣,是一套經濟實用的系統。

       3.共享型虛擬現實系統。共享型虛擬現實系統是利用遠程網絡,將異地的不同用戶聯結起來,共享一個虛擬空間,多個用戶通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作,達到協同工作的目的。例如,異地的醫科學生,可以通過網絡,對虛擬手術室中的病人進行外科手術。

    二、虛擬現實技術在遠程教學中的作用

       1.彌補遠程教學條件的不足。在遠程教學中,往往會因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因,而使一些應該開設的教學實驗無法進行。利用虛擬現實系統,可以彌補這些方面的不足,學生足不出戶便可以做各種各樣的實驗,獲得與真實實驗一樣的體會,從而豐富感性認識,加深對教學內容的理解。

       2.避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。以往對于危險的或對人體健康有危害的實驗,一般采用電視錄像的方式來取代實驗,學生無法直接參與實驗,獲得感性認識。利用虛擬現實技術進行虛擬實驗.則可以免除這種顧慮。學生在虛擬實驗環境中,可以放心地去做各種危險的或危害人體的實驗。例如,虛擬的化學實驗,可以避免化學反應所產生的燃燒、爆炸所帶來的危險;虛擬的外科手術,可避免由于學生操作失誤,而造成病人死亡的醫療事故;虛擬的飛機駕駛教學系統,可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。

       3.徹底打破空間、時間的限制。利用虛擬現實技術,可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體,小至原子粒子,學生都可以進入這些物體的內部進行觀察。例如學生可以進入虛擬發電廠內,考察發電
    機的每個部件的工作情況以及每個部件之間的相互聯系,了解整個發電過程,這是電視錄像媒體和實物媒體所無法比擬的。 虛擬技術還可以突破時間的限制,一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程,通過虛擬現實技術,可以在很短的時間內呈現給學生觀察。例如,生物中的孟德爾遺傳定律,用果蠅做實驗往往要幾個月的時間,而虛擬技術在一堂課內就可以實現。

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    .可以虛擬人物形象。虛擬現實系統可以虛擬歷史人物、偉人、名人、教師、學生、醫生等各種人物形象,創設一個人性化的學習環境,使遠教學生能夠在自然、親切的氣氛中進行學習。例如,在虛擬的課堂學習氣氛中,遠教學生可以與虛報的教師、學生一起交流、討論,共同探討學習中的各種問題,進行協作化學習。再如,在思想品德課教學中,學生可以與虛擬的先進人物如雷鋒、孔繁森同志一起座談、交流,通過先進人物的言行來感化學生,從而達到思想品德教育的目的。再如,在外語教學中,可以通過計算機虛擬學生到國外旅游的情境,讓學生與人交談,達到訓練學生口語的目的。

    三、虛擬現實技術在遠程教學中的應用

    虛擬現實技術能夠為學生提供生動、逼真的學習環境,學生能夠成為虛擬環境的一名參與者,在虛擬環境中扮演一個角色,這對調動學生的學習積極性,突破教學的重點、難點,培養學生的技能都將起到積極的作用。虛擬現實技術在遠程教學中的應用主要有以下四個方面。

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    .知識學習。知識學習是指遠教學生利用虛擬現實系統學習各種知識。它的應用有兩個方面:一是再現實際生活中無法觀察到的自然現象或事物的變化過程,為學生提供生動、逼真的感性學習材料,幫助學生解決學習中的知識難點。 例如,在學習地理知識時,通過虛擬現實系統,將學生帶到北極去領略那里的自然風光。在學習物理知識時,利用虛擬現實技術,向學生展示如原子核裂變、半導體導電機理等復雜的物理現象,供學生觀察學習。

       虛擬現實在知識學習中的另一個應用是,使抽象的概念、理論直觀化、形象化,方便學生對抽象概念的理解。例如,學習加速度概念時,通過虛擬演示,讓學生觀察當改變物體的重力大小及方向時,加速度的變化情況,使學生加深對加速度概念的理解。

       2.探索學習。虛擬現實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬,通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。例如,在虛擬的化學系統中,學生可以按照自己的假設,將不同的分子組合在一起,電腦便虛擬出組合的物質來。通過這種探索式的學習方式,學生很有可能研究出新的物質。利用虛擬技術,學生還可以進行溫室效應、電路設計、建筑設計等方面的探索學習,從而研究出二氧化碳對全球氣候的影響規律,或設計出新的電路、新的建筑物。利用虛擬現實技術進行探索學習,有利于激發學生的創造性思維,培養學生的創新能力。

       3.虛擬實驗。利用虛擬現實技術,還可以建立各種虛擬實驗室,如地理、物理、化學、生物實驗室,在實驗室里,學生可以自由地做各種實驗。在虛擬物理實驗室里,學生可以做重力、慣性等實驗。在虛擬的地理實驗室里,可以做地震波傳播、火山噴發等實驗。在虛擬的生物實驗里,可以做各種解剖實驗。在虛擬的化學實驗室里,可以利用各種化學藥品和天平、砝碼、溫度計等工具,做各種不同的化學反應,觀察燃燒、爆炸等反應現象。

       4.技能訓練。虛擬現實的沉浸性和交互性,使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色,全身心地投入到學習環境中去,這非常有利于學生的技能訓練。利用虛擬現實技術,可以做各種各樣的技能訓練。例如軍事作戰技能、外科手術技能、教學技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等各種職業技能的訓練。由于這些虛擬的訓練系統無任何危險,學生可以不厭其煩地反復練習,直至掌握操作技能為止。例如:在虛擬的飛機駕駛訓練系統中,學員可以反復操作控制設備,學習在各種天氣情況下駕駛飛機起飛、降落,通過反復訓練,達到熟練掌握駕駛技術的目的。
      
       目前,盡管虛擬現實系統的硬件設備還比較昂貴,虛擬現實技術尚未能普及。但是,隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善,以及硬件設備價格的不斷降低,我們相信,虛擬現實技術作為一個新型的遠教媒體,以其自身強大的教學優勢和潛力,將會逐漸受到遠教工作者的重視和青睞,最終在遠教領域廣泛應用并發揮其重要作用。


     


     

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