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虛擬現(xiàn)實在中學教學中的應用
【摘要】 虛擬現(xiàn)實是運用計算機技術，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。本文結合虛擬現(xiàn)實的特征，提出了虛擬現(xiàn)實在中學課堂教學中，實驗教學等中運用，在教學中具有開創(chuàng)性的意義。【關鍵詞】 虛擬現(xiàn)實，教學，應用。
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，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。虛擬現(xiàn)實技術是在綜合計算機圖形學、計算機動模擬與仿真、傳感技術、顯示技術等許多計算機學科的基礎上發(fā)展起來的一種計算機應用新領域。
一、虛擬現(xiàn)實及其發(fā)展歷史
有人認為，80年代是個人計算機時代，90年代是多媒體時代，21世紀初則是虛擬現(xiàn)實技術時代。而虛擬現(xiàn)實技術的誕生可以追溯到上個世紀的六十年代。
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網絡接入計算機，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”、”遠程現(xiàn)場控制”等設想，統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實技術。
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）一詞作為這一領域的專用術語。
80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關虛擬現(xiàn)實技術的研究，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技術進行了討論，明確提出了VR技術的主要內容是：實時三維圖形生成技木、多傳感器交互技術，以及高分辨率顯示技術，為VR技術的發(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)的設計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地進入市場。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。同時，VR技術也逐漸從飛行仿真、戰(zhàn)爭應用到教育、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、建筑設計、教育教學等領域；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）的基礎上；4）增強現(xiàn)實。
2．虛擬現(xiàn)實技術的特怔
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，它是人機和諧的關鍵性因素。
（3）構想（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，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。
三、虛擬現(xiàn)實在教學中的應用
虛擬現(xiàn)實應用于中學教學主要表現(xiàn)在以下兩個方面：課堂教學中，實驗教學。
1．課堂教學
課堂教學是教學的主要方式，也是虛擬現(xiàn)實運用于教學的主要戰(zhàn)場。根據(jù)不同的學科，虛擬現(xiàn)實發(fā)揮著不同的作用，主要有以下方面的應用：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建，虛擬場景的構造
（1）立體物體的展示：
在教學中經常要使用一些實物展示，在以往的教學環(huán)境中，為了更形象地使學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，學生無法見到提供的圖片以外的視角。且學生被剝奪自主選擇視角的權利。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重的缺點是由于各個學生所處的位置不同，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，但它也存在一個嚴重的不足。因為動畫是一個預先設定的過程，學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�；蛘呃肣UICKTIME 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中的一個重點同時也是一個難點。這時我們如果利用VRML語言畫出題目中的這幾條線，然后讓學生在各個視覺去觀察，一則省卻了實物的制作，二則讓學生按照自己的意愿去觀察。還有一些關于空間直線之間的位置、平面之間的位置關系及二面角等方面的教學，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)學教學。
（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真實存在的空間。在教學中，我們可能需要向學生展示這些空間，但由于條件的限制，不可能讓學生進入這些空間，在以往教學中，可能只能夠通過教師的描繪來激發(fā)學生的想象，在學生的頭腦中創(chuàng)建出這個虛擬的空間來。使用虛擬現(xiàn)實，我們不僅能在學生頭腦中建立這些空間，而且可以讓學生看得見、聽得見，甚至可以摸得著。如：在中學歷史教學中，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古外國文明介紹給學生，使他們進行建筑學、藝術史、古代史和古文學史的學習呢？美國加利福尼亞大學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用非常準確和現(xiàn)實主義的手法重新構造了如今的數(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導在虛擬的世界里漫游，同扮演著各種角色的虛擬演員談話�？梢韵胂蟮竭@種再造古羅馬對學生的吸引力，學生可以身臨其境地觀察各種藝術奇觀、雕塑、繪畫藝術品，體會當時的人文環(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，我們只要利用鼠標和鍵盤就能夠暢游美麗的紫禁城。當我們介紹關于故宮的歷史、文物時，我們就可以直接進入這個網站，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瑰寶，這些人類文明的結晶不僅具有很強的欣賞價值，也是生動的教材。但人類的文化結晶不可能人手一份細細研究的，尤其是一些物無價之寶，更是保護嚴格。在世界上的博物館中都收藏著很多的藝術品，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魅力，但對于一些雕塑藝術品，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品。登陸http://www.louvre.fr網站，整個網站提供了英語、西班牙、法語、日語四種語言。選擇合適的語言種類進入，點擊相應的內容，可以瀏覽該網站提供的各種資料，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，我們如果點擊進入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。這在中學語言教學中應用非常廣泛。作為語言學科的語文或英語在教學過程中經常采用情境教學法。在以往，學習情境的創(chuàng)設只能通過教師的言語，圖片的展示，或者一些錄像。學生大多只能被動地接受，對于一些情境，老師描繪的和學生理解的可能相去甚遠。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，但學生的理解還是有一定的困難。如果采用虛擬現(xiàn)實，讓學生進入虛擬故宮（http://www.intel.com/apac/gb/virtualcity），讓學生自己動手，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現(xiàn)象的理解。
在英語語言學習的環(huán)境創(chuàng)設上，科學技術先后為語言教學提供了音像視聽、計算機輔助教學、多媒體、網絡遠程教學等多種方法、手段和設備。隨著科學技術的飛速發(fā)展，可以預言，在本世紀具有夢幻般魅力的虛擬現(xiàn)實技術將成為英語語言教學的重要手段[3]。通過虛擬現(xiàn)實，學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。在由學生進行角色扮演時，虛擬現(xiàn)實也可以起到創(chuàng)設特定情境的作用。以往學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，可以使學生完全沉浸到教學所需要的環(huán)境中去，這對提高學生的外語綜合能力無疑是一個很大的突破。如在指導學生進行shopping扮演時，可以利用虛擬現(xiàn)實創(chuàng)設特定的情境，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．科學實驗
一般學�，F(xiàn)有的條件下，有許多實驗是根本不可能做的，如核反應實驗，還有些實驗是不能讓學生做的，如涉及到放射性物質或有毒物質的部分。利用VR技術，可以有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。在教學中，許多昂貴的實驗、培訓器材，由于受價格的限制而無法普及。如果利用VR技術，在多媒體計算機上建立虛擬實驗室，學習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，操作結果可以通過儀表顯示身體的感受反饋給學生，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，可重復操作，直至得出滿意結果。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)實在教學中應用的展望
隨著計算機技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實正掀開其神秘的面紗，逐漸走進教學。但在目前，完全沉浸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件設施仍然是價格昂貴，這也制約了虛擬現(xiàn)實在教學中的普及。但桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用也為教學媒體的應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，這種新的教學媒體必將廣泛應用于教學。而且，它使個別化教學真正成為可能，當虛擬現(xiàn)實在教學中普及時，教學方式一定會隨之發(fā)生巨大的變化。
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