虚拟现实在中学教学中的应用

虚拟现实在中学教学中的应用

【摘要】　虚拟现实是运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到象真实存在的一种技术。本文结合虚拟现实的特征，提出了虚拟现实在中学课堂教学中，实验教学等中运用，在教学中具有开创性的意义。【关键词】　虚拟现实，教学，应用。虚拟现实（Virtual Reality）是把客观上存在的或并不存在的东西，通过运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到象真实存在的一种技术。虚拟现实技术是在综合计算机图形学、计算机动模拟与仿真、传感技术、显示技术等许多计算机学科的基础上发展起来的一种计算机应用新领域。一、虚拟现实及其发展历史有人认为，80年代是个人计算机时代，90年代是多媒体时代，21世纪初则是虚拟现实技术时代。而虚拟现实技术的诞生可以追溯到上个世纪的六十年代。1965年，Ivan Sutherland在篇名为《The Ultimate Display》（终极的显示）的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器HMD的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。1984年，Willia Gibson写了一本名为 Neuro－mancer的书，书中幻想计算机用户可以把自己的脑神经网络接入计算机，这样用户便可以神游于由计算机模拟成的虚拟世界中。他把这个世界称为“控制空间”（CyberSPace）。在这以后，人们又提出了“虚拟现实”。“人工现实”、”远程现场控制”等设想，统称为虚拟现实技术。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的VPL公司的创建者 Jaron Lamer在80年代初最后确定以虚拟现实（Virtual Reality）一词作为这一领域的专用术语。80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。 1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。1990年在美国Dallas召开的Siggraph的会议上，对VR技术进行了讨论，明确提出了VR技术的主要内容是：实时三维图形生成技木、多传感器交互技术，以及高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。近年来，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。同时，VR技术也逐渐从飞行仿真、战争应用到教育、科研、娱乐、建筑、医疗、工业等各个方面。二、虚拟现实的种类及特征1．虚拟现实的种类：实际应用的虚拟现实系统大体可分为四类：1）桌面虚拟现实系统，也称窗口中的VR，它成本低，主要用于CAD／CAM、建筑设计、教育教学等领域；本文中所提及的虚拟现实主要指这种类型。2）沉浸虚拟现实系统，使用头盔显示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的错觉；3）分布式虚拟现实系统，它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基础上；4）增强现实。2．虚拟现实技术的特怔虚拟现实的特征可以表示为3I特征（Immersion、Interaction、Imagination）（l）投入（Immersion）：这是VR系统的核心，指使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力。用户在虚拟场景中有“身临其境”之感。（2）交互性（Interaction）：指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。（3）构想（Imagination）：虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。三、虚拟现实在教学中的应用虚拟现实应用于中学教学主要表现在以下两个方面：课堂教学中，实验教学。1．课堂教学课堂教学是教学的主要方式，也是虚拟现实运用于教学的主要战场。根据不同的学科，虚拟现实发挥着不同的作用，主要有以下方面的应用：立体物体的展示，立体空间的展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与构建，虚拟场景的构造（1）立体物体的展示：在教学中经常要使用一些实物展示，在以往的教学环境中，为了更形象地使学生感受三维物体的信息。主要采用这样一些方法：1）利用图片，通过投影仪展示。但这种展示只能提供立体物体的某一个视角或者某几个视角，学生无法见到提供的图片以外的视角。且学生被剥夺自主选择视角的权利。2）实物展示：这是一个很古老而且是很实用的方法，但它存在的一个比较严重的缺点是由于各个学生所处的位置不同，虽然教师拿的是同一个实物，但在不同位置学生的眼中，视角都不尽相同。而且实物不可能做得很大，后面的学生可能就无法观测清楚。3）通过计算机三维造型及动画软件，如3dsMAX等，建立一个与实物基本相同的模型，然后通过旋转展示各个视角，可以说这是一种比较理想的方法，但它也存在一个严重的不足。因为动画是一个预先设定的过程，学生在使用时只能让它停止或播放，而不能任意按照自己的意愿随意选择视角。通过虚拟现实，我们可以构建一个与实物同样的三维物体，如采用3dsMAX建模，存储为VRML格式，然后在VRML播放器中使用。或者利用QUICKTIME VR等都可以得到很好的效果。如在高中立体几何的三垂线定理是立体几何教学中的一个重点同时也是一个难点。这时我们如果利用VRML语言画出题目中的这几条线，然后让学生在各个视觉去观察，一则省却了实物的制作，二则让学生按照自己的意愿去观察。还有一些关于空间直线之间的位置、平面之间的位置关系及二面角等方面的教学，教师都可以比较容易地制作出较精致的桌面虚拟现实来辅助数学教学。（2）立体空间的展示立体空间是指在现实世界中存在的或者根据历史资料在历史中曾经真实存在的空间。在教学中，我们可能需要向学生展示这些空间，但由于条件的限制，不可能让学生进入这些空间，在以往教学中，可能只能够通过教师的描绘来激发学生的想象，在学生的头脑中创建出这个虚拟的空间来。使用虚拟现实，我们不仅能在学生头脑中建立这些空间，而且可以让学生看得见、听得见，甚至可以摸得着。如：在中学历史教学中，古罗马在人类文明发展史上占有重要的地位。如何将象古罗马这样的失落的远古外国文明介绍给学生，使他们进行建筑学、艺术史、古代史和古文学史的学习呢？美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的教育家们基于这一目的，利用最先进的计算机技术用非常准确和现实主义的手法重新构造了如今的数字化的奥古斯都时代的古罗马（公元前50年～公元14年）。进入这个完全虚拟的世界，学生会感到置身于陌生的异域环境中，古罗马的各种人文景观历历在目，你可以跟随讲着拉丁语或英语的向导在虚拟的世界里漫游，同扮演着各种角色的虚拟演员谈话。可以想象到这种再造古罗马对学生的吸引力，学生可以身临其境地观察各种艺术奇观、雕塑、绘画艺术品，体会当时的人文环境，观察古罗马的各种建筑特点，比较对此后的文化复兴的影响，观察住宅的建造格局，日光照射下的列柱的排列及迷人的光影效果。学生还可以参加列席奥古斯都的参议院，聆听诗人的讲演。无疑这种虚拟情景的教育是独一无二的，是对传统的书本教育和授课教育的一种革新和挑战。又如Intel公司建立的虚拟故宫（http://www.intel.com/apac/gb/virtualcity），利用桌面虚拟现实展示故宫的全貌，我们只要利用鼠标和键盘就能够畅游美丽的紫禁城。当我们介绍关于故宫的历史、文物时，我们就可以直接进入这个网站，在虚拟的故宫里畅游一番，既可以获得知识，又可以免费游览一趟紫禁城。省却了旅途之劳累和费用之昂贵。（3）展品的介绍在人类发展的历史长河中有许多的文化艺术瑰宝，这些人类文明的结晶不仅具有很强的欣赏价值，也是生动的教材。但人类的文化结晶不可能人手一份细细研究的，尤其是一些物无价之宝，更是保护严格。在世界上的博物馆中都收藏着很多的艺术品，我们可能有机会一睹其光彩，但大多数的人只能通过一些图片来了解。对于一些名画来说，可能利用图片就可以很好地体会其艺术魅力，但对于一些雕塑艺术品，如维纳斯雕像我们熟悉的可能只是正面部分，但真正的维纳斯不但从正面，而且从各个方位去看都是那么的美丽、匀称。但我们不可能都有机会去法国卢浮宫去欣赏这件珍品。利用虚拟现实，我们不用走出家门就可以在各个方向去欣赏这件珍贵的艺术品。登陆http://www.louvre.fr网站，整个网站提供了英语、西班牙、法语、日语四种语言。选择合适的语言种类进入，点击相应的内容，可以浏览该网站提供的各种资料，包括文字、图片。其中更吸引我们的是Virtual Tour链接，进入卢浮宫的虚拟现实世界。在Greek Etruscan and Roman Antiquities Galleries展厅，我们如果点击进入Greece: Venus de Milo Room，我们可以看到盛放维纳斯雕像的展厅的全貌。太空给我们呈现的是一个神秘而陌生的世界，如何感受身体在太空中的感觉是很多人梦寐以求的事情。通过虚拟现实制作的虚拟空间，我们可以进入这个虚拟的空间去感受宇宙里的奥妙，可以体会人体在失重状态下的感受，也可以在月球上做石头和羽毛同时着地的实验来验证伽俐略的结论：在真空的条件下，重物的下降速度相等。也可以观察太阳系中各个行星的面貌和运动情况。（4）虚拟场景的构造虚拟场景是指在现实生活中可能出现的一些场景，通过虚拟现实在不同的时间或地点表示出来。这在中学语言教学中应用非常广泛。作为语言学科的语文或英语在教学过程中经常采用情境教学法。在以往，学习情境的创设只能通过教师的言语，图片的展示，或者一些录像。学生大多只能被动地接受，对于一些情境，老师描绘的和学生理解的可能相去甚远。如在介绍《回声》一课时，虽然教师对“四声谷”、回音壁、三音石和圆丘等介绍了许多，或者也提供了图片或录象，但学生的理解还是有一定的困难。如果采用虚拟现实，让学生进入虚拟故宫（http://www.intel.com/apac/gb/virtualcity），让学生自己动手，去游览一番回音壁、三音石，然后再对照课文，我想效果一定会很好的。如果有条件，采用沉浸的虚拟现实，让学生戴上头盔，面对虚拟的“四声谷”、回音壁、三音石和圆丘，进行声音反射试验，从而加深对这种奇妙的声学现象的理解。在英语语言学习的环境创设上，科学技术先后为语言教学提供了音像视听、计算机辅助教学、多媒体、网络远程教学等多种方法、手段和设备。随着科学技术的飞速发展，可以预言，在本世纪具有梦幻般魅力的虚拟现实技术将成为英语语言教学的重要手段[3]。通过虚拟现实，学生可以和国外友人亲切交谈，也可以感受美国总统竞选时演讲的现场气氛。在由学生进行角色扮演时，虚拟现实也可以起到创设特定情境的作用。以往学生的角色扮演只能在教室里进行，所进行的表演带有很强的为表演而表演的成分，采用虚拟现实，可以使学生完全沉浸到教学所需要的环境中去，这对提高学生的外语综合能力无疑是一个很大的突破。如在指导学生进行shopping扮演时，可以利用虚拟现实创设特定的情境，如零售店或大型商场，这些场景都是课堂上所无法给予的。2．科学实验一般学校现有的条件下，有许多实验是根本不可能做的，如核反应实验，还有些实验是不能让学生做的，如涉及到放射性物质或有毒物质的部分。利用VR技术，可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。在教学中，许多昂贵的实验、培训器材，由于受价格的限制而无法普及。如果利用VR技术，在多媒体计算机上建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，操作结果可以通过仪表显示身体的感受反馈给学生，来判断操作是否正确。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。VR实验室的一大优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成人身事故。四、虚拟现实在教学中应用的展望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。但在目前，完全沉浸虚拟现实系统的硬件设施仍然是价格昂贵，这也制约了虚拟现实在教学中的普及。但桌面虚拟现实系统的应用也为教学媒体的应用开辟了一条新的道路。随着虚拟现实系统的价格不断下降，软件的适用不断增强，这种新的教学媒体必将广泛应用于教学。而且，它使个别化教学真正成为可能，当虚拟现实在教学中普及时，教学方式一定会随之发生巨大的变化。