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虛擬現(xiàn)實在中學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
【摘要】 虛擬現(xiàn)實是運用計算機技術(shù)，在用戶眼前生成一個虛擬的環(huán)境，使人感到象真實存在的一種技術(shù)。本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實的特征，提出了虛擬現(xiàn)實在中學(xué)課堂教學(xué)中，實驗教學(xué)等中運用，在教學(xué)中具有開創(chuàng)性的意義。【關(guān)鍵詞】 虛擬現(xiàn)實，教學(xué)，應(yīng)用。
虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是把客觀上存在的或并不存在的東西，通過運用計算機技術(shù)，在用戶眼前生成一個虛擬的環(huán)境，使人感到象真實存在的一種技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在綜合計算機圖形學(xué)、計算機動模擬與仿真、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等許多計算機學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種計算機應(yīng)用新領(lǐng)域。
一、虛擬現(xiàn)實及其發(fā)展歷史
有人認(rèn)為，80年代是個人計算機時代，90年代是多媒體時代，21世紀(jì)初則是虛擬現(xiàn)實技術(shù)時代。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的誕生可以追溯到上個世紀(jì)的六十年代。
1965年，Ivan Sutherland在篇名為《The Ultimate Display》（終極的顯示）的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。
1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器HMD的研制工作。在這第一個HMD的樣機完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD系統(tǒng)。
1984年，Willia Gibson寫了一本名為 Neuro－mancer的書，書中幻想計算機用戶可以把自己的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接入計算機，這樣用戶便可以神游于由計算機模擬成的虛擬世界中。他把這個世界稱為“控制空間”（CyberSPace）。在這以后，人們又提出了“虛擬現(xiàn)實”�！叭斯がF(xiàn)實”、”遠(yuǎn)程現(xiàn)場控制”等設(shè)想，統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)。
基于從60年代以來所取得的一系列成就，美國的VPL公司的創(chuàng)建者 Jaron Lamer在80年代初最后確定以虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）一詞作為這一領(lǐng)域的專用術(shù)語。
80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果。 1984年，NASA Ames研究中心虛擬行星探測實驗室的M.McGreevy 和J.Humphries博士組織開發(fā)了用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。
1990年在美國Dallas召開的Siggraph的會議上，對VR技術(shù)進行了討論，明確提出了VR技術(shù)的主要內(nèi)容是：實時三維圖形生成技木、多傳感器交互技術(shù)，以及高分辨率顯示技術(shù)，為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向。
近年來，迅速發(fā)展的計算機硬件技術(shù)與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖象的實時動畫制作成為可能；人機交互系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地進入市場。而這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。同時，VR技術(shù)也逐漸從飛行仿真、戰(zhàn)爭應(yīng)用到教育、科研、娛樂、建筑、醫(yī)療、工業(yè)等各個方面。
二、虛擬現(xiàn)實的種類及特征
1．虛擬現(xiàn)實的種類：
實際應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)大體可分為四類：1）桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，也稱窗口中的VR，它成本低，主要用于CAD／CAM、建筑設(shè)計、教育教學(xué)等領(lǐng)域；本文中所提及的虛擬現(xiàn)實主要指這種類型。2）沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，使用頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產(chǎn)生一種身臨其境的錯覺；3）分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它建立在沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基礎(chǔ)上；4）增強現(xiàn)實。
2．虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特怔
虛擬現(xiàn)實的特征可以表示為3I特征（Immersion、Interaction、Imagination）
（l）投入（Immersion）：這是VR系統(tǒng)的核心，指使用戶投入到由計算機生成的虛擬場景中的能力。用戶在虛擬場景中有“身臨其境”之感。
（2）交互性（Interaction）：指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，它是人機和諧的關(guān)鍵性因素。
（3）構(gòu)想（Imagination）：虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。
三、虛擬現(xiàn)實在教學(xué)中的應(yīng)用
虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于中學(xué)教學(xué)主要表現(xiàn)在以下兩個方面：課堂教學(xué)中，實驗教學(xué)。
1．課堂教學(xué)
課堂教學(xué)是教學(xué)的主要方式，也是虛擬現(xiàn)實運用于教學(xué)的主要戰(zhàn)場。根據(jù)不同的學(xué)科，虛擬現(xiàn)實發(fā)揮著不同的作用，主要有以下方面的應(yīng)用：立體物體的展示，立體空間的展示，展品的介紹，虛擬空間的營造與構(gòu)建，虛擬場景的構(gòu)造
（1）立體物體的展示：
在教學(xué)中經(jīng)常要使用一些實物展示，在以往的教學(xué)環(huán)境中，為了更形象地使學(xué)生感受三維物體的信息。主要采用這樣一些方法：1）利用圖片，通過投影儀展示。但這種展示只能提供立體物體的某一個視角或者某幾個視角，學(xué)生無法見到提供的圖片以外的視角。且學(xué)生被剝奪自主選擇視角的權(quán)利。2）實物展示：這是一個很古老而且是很實用的方法，但它存在的一個比較嚴(yán)重的缺點是由于各個學(xué)生所處的位置不同，雖然教師拿的是同一個實物，但在不同位置學(xué)生的眼中，視角都不盡相同。而且實物不可能做得很大，后面的學(xué)生可能就無法觀測清楚。3）通過計算機三維造型及動畫軟件，如3dsMAX等，建立一個與實物基本相同的模型，然后通過旋轉(zhuǎn)展示各個視角，可以說這是一種比較理想的方法，但它也存在一個嚴(yán)重的不足。因為動畫是一個預(yù)先設(shè)定的過程，學(xué)生在使用時只能讓它停止或播放，而不能任意按照自己的意愿隨意選擇視角。
通過虛擬現(xiàn)實，我們可以構(gòu)建一個與實物同樣的三維物體，如采用3dsMAX建模，存儲為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。如在高中立體幾何的三垂線定理是立體幾何教學(xué)中的一個重點同時也是一個難點。這時我們?nèi)绻肰RML語言畫出題目中的這幾條線，然后讓學(xué)生在各個視覺去觀察，一則省卻了實物的制作，二則讓學(xué)生按照自己的意愿去觀察。還有一些關(guān)于空間直線之間的位置、平面之間的位置關(guān)系及二面角等方面的教學(xué)，教師都可以比較容易地制作出較精致的桌面虛擬現(xiàn)實來輔助數(shù)學(xué)教學(xué)。
（2）立體空間的展示
立體空間是指在現(xiàn)實世界中存在的或者根據(jù)歷史資料在歷史中曾經(jīng)真實存在的空間。在教學(xué)中，我們可能需要向?qū)W生展示這些空間，但由于條件的限制，不可能讓學(xué)生進入這些空間，在以往教學(xué)中，可能只能夠通過教師的描繪來激發(fā)學(xué)生的想象，在學(xué)生的頭腦中創(chuàng)建出這個虛擬的空間來。使用虛擬現(xiàn)實，我們不僅能在學(xué)生頭腦中建立這些空間，而且可以讓學(xué)生看得見、聽得見，甚至可以摸得著。如：在中學(xué)歷史教學(xué)中，古羅馬在人類文明發(fā)展史上占有重要的地位。如何將象古羅馬這樣的失落的遠(yuǎn)古外國文明介紹給學(xué)生，使他們進行建筑學(xué)、藝術(shù)史、古代史和古文學(xué)史的學(xué)習(xí)呢？美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的教育家們基于這一目的，利用最先進的計算機技術(shù)用非常準(zhǔn)確和現(xiàn)實主義的手法重新構(gòu)造了如今的數(shù)字化的奧古斯都時代的古羅馬（公元前50年～公元14年）。
進入這個完全虛擬的世界，學(xué)生會感到置身于陌生的異域環(huán)境中，古羅馬的各種人文景觀歷歷在目，你可以跟隨講著拉丁語或英語的向?qū)г谔摂M的世界里漫游，同扮演著各種角色的虛擬演員談話�？梢韵胂蟮竭@種再造古羅馬對學(xué)生的吸引力，學(xué)生可以身臨其境地觀察各種藝術(shù)奇觀、雕塑、繪畫藝術(shù)品，體會當(dāng)時的人文環(huán)境，觀察古羅馬的各種建筑特點，比較對此后的文化復(fù)興的影響，觀察住宅的建造格局，日光照射下的列柱的排列及迷人的光影效果。學(xué)生還可以參加列席奧古斯都的參議院，聆聽詩人的講演。無疑這種虛擬情景的教育是獨一無二的，是對傳統(tǒng)的書本教育和授課教育的一種革新和挑戰(zhàn)。
又如Intel公司建立的虛擬故宮（http://www.intel.com/apac/gb/virtualcity），利用桌面虛擬現(xiàn)實展示故宮的全貌，我們只要利用鼠標(biāo)和鍵盤就能夠暢游美麗的紫禁城。當(dāng)我們介紹關(guān)于故宮的歷史、文物時，我們就可以直接進入這個網(wǎng)站，在虛擬的故宮里暢游一番，既可以獲得知識，又可以免費游覽一趟紫禁城。省卻了旅途之勞累和費用之昂貴。
（3）展品的介紹
在人類發(fā)展的歷史長河中有許多的文化藝術(shù)瑰寶，這些人類文明的結(jié)晶不僅具有很強的欣賞價值，也是生動的教材。但人類的文化結(jié)晶不可能人手一份細(xì)細(xì)研究的，尤其是一些物無價之寶，更是保護嚴(yán)格。在世界上的博物館中都收藏著很多的藝術(shù)品，我們可能有機會一睹其光彩，但大多數(shù)的人只能通過一些圖片來了解。對于一些名畫來說，可能利用圖片就可以很好地體會其藝術(shù)魅力，但對于一些雕塑藝術(shù)品，如維納斯雕像我們熟悉的可能只是正面部分，但真正的維納斯不但從正面，而且從各個方位去看都是那么的美麗、勻稱。但我們不可能都有機會去法國盧浮宮去欣賞這件珍品。利用虛擬現(xiàn)實，我們不用走出家門就可以在各個方向去欣賞這件珍貴的藝術(shù)品。登陸http://www.louvre.fr網(wǎng)站，整個網(wǎng)站提供了英語、西班牙、法語、日語四種語言。選擇合適的語言種類進入，點擊相應(yīng)的內(nèi)容，可以瀏覽該網(wǎng)站提供的各種資料，包括文字、圖片。其中更吸引我們的是Virtual Tour鏈接，進入盧浮宮的虛擬現(xiàn)實世界。在Greek Etruscan and Roman Antiquities Galleries展廳，我們?nèi)绻c擊進入Greece: Venus de Milo Room，我們可以看到盛放維納斯雕像的展廳的全貌。
太空給我們呈現(xiàn)的是一個神秘而陌生的世界，如何感受身體在太空中的感覺是很多人夢寐以求的事情。通過虛擬現(xiàn)實制作的虛擬空間，我們可以進入這個虛擬的空間去感受宇宙里的奧妙，可以體會人體在失重狀態(tài)下的感受，也可以在月球上做石頭和羽毛同時著地的實驗來驗證伽俐略的結(jié)論：在真空的條件下，重物的下降速度相等。也可以觀察太陽系中各個行星的面貌和運動情況。
（4）虛擬場景的構(gòu)造
虛擬場景是指在現(xiàn)實生活中可能出現(xiàn)的一些場景，通過虛擬現(xiàn)實在不同的時間或地點表示出來。這在中學(xué)語言教學(xué)中應(yīng)用非常廣泛。作為語言學(xué)科的語文或英語在教學(xué)過程中經(jīng)常采用情境教學(xué)法。在以往，學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)只能通過教師的言語，圖片的展示，或者一些錄像。學(xué)生大多只能被動地接受，對于一些情境，老師描繪的和學(xué)生理解的可能相去甚遠(yuǎn)。如在介紹《回聲》一課時，雖然教師對“四聲谷”、回音壁、三音石和圓丘等介紹了許多，或者也提供了圖片或錄象，但學(xué)生的理解還是有一定的困難。如果采用虛擬現(xiàn)實，讓學(xué)生進入虛擬故宮（http://www.intel.com/apac/gb/virtualcity），讓學(xué)生自己動手，去游覽一番回音壁、三音石，然后再對照課文，我想效果一定會很好的。如果有條件，采用沉浸的虛擬現(xiàn)實，讓學(xué)生戴上頭盔，面對虛擬的“四聲谷”、回音壁、三音石和圓丘，進行聲音反射試驗，從而加深對這種奇妙的聲學(xué)現(xiàn)象的理解。
在英語語言學(xué)習(xí)的環(huán)境創(chuàng)設(shè)上，科學(xué)技術(shù)先后為語言教學(xué)提供了音像視聽、計算機輔助教學(xué)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)等多種方法、手段和設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，可以預(yù)言，在本世紀(jì)具有夢幻般魅力的虛擬現(xiàn)實技術(shù)將成為英語語言教學(xué)的重要手段[3]。通過虛擬現(xiàn)實，學(xué)生可以和國外友人親切交談，也可以感受美國總統(tǒng)競選時演講的現(xiàn)場氣氛。在由學(xué)生進行角色扮演時，虛擬現(xiàn)實也可以起到創(chuàng)設(shè)特定情境的作用。以往學(xué)生的角色扮演只能在教室里進行，所進行的表演帶有很強的為表演而表演的成分，采用虛擬現(xiàn)實，可以使學(xué)生完全沉浸到教學(xué)所需要的環(huán)境中去，這對提高學(xué)生的外語綜合能力無疑是一個很大的突破。如在指導(dǎo)學(xué)生進行shopping扮演時，可以利用虛擬現(xiàn)實創(chuàng)設(shè)特定的情境，如零售店或大型商場，這些場景都是課堂上所無法給予的。
2．科學(xué)實驗
一般學(xué)�，F(xiàn)有的條件下，有許多實驗是根本不可能做的，如核反應(yīng)實驗，還有些實驗是不能讓學(xué)生做的，如涉及到放射性物質(zhì)或有毒物質(zhì)的部分。利用VR技術(shù)，可以有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。在教學(xué)中，許多昂貴的實驗、培訓(xùn)器材，由于受價格的限制而無法普及。如果利用VR技術(shù)，在多媒體計算機上建立虛擬實驗室，學(xué)習(xí)者便可以走進這個虛擬實驗室，身臨其境般的操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以通過儀表顯示身體的感受反饋給學(xué)生，來判斷操作是否正確。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至得出滿意結(jié)果。VR實驗室的一大優(yōu)點還在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而造成人身事故。
四、虛擬現(xiàn)實在教學(xué)中應(yīng)用的展望
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實正掀開其神秘的面紗，逐漸走進教學(xué)。但在目前，完全沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件設(shè)施仍然是價格昂貴，這也制約了虛擬現(xiàn)實在教學(xué)中的普及。但桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用也為教學(xué)媒體的應(yīng)用開辟了一條新的道路。隨著虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的價格不斷下降，軟件的適用不斷增強，這種新的教學(xué)媒體必將廣泛應(yīng)用于教學(xué)。而且，它使個別化教學(xué)真正成為可能，當(dāng)虛擬現(xiàn)實在教學(xué)中普及時，教學(xué)方式一定會隨之發(fā)生巨大的變化。
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