虛擬現實技術在成人高校教學中的應用

王謙

摘要：成人高等教育是當前教育事業的一個重要組成部分，但是隨著社會的發展，當前傳統的成人教學模式已經不能很好的滿足社會發展的要求，成人教育改革勢在必行。該文根據成人教育的特點將虛擬現實技術應用于成人教學模式，能夠有效的提高成人學員的教學質量。

關鍵詞：成人高校；虛擬現實；QuickTime VR；VRML

1 虛擬現實技術概述

1.1 虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology），又稱靈境技術，以下簡稱VR技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，它利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶通過使用各種交互設備，同虛擬環境中的實體相互作用，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數字化人機接口技術。它涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，借助它人們可以完全置身于由計算機創造的虛擬世界中。將虛擬現實技術應用于計算機系統形成人們常說的VR 系統，即虛擬現實系統[1]。

1.2 虛擬現實技術特征

1993年Burdea G在Electro 93國際會議上發表的“Virtual Reality System and Application（虛擬現實系統與應用）”一文中，提出了VR技術三個特征，即：沉浸感、交互性、想象性。

沉浸感（immersion）：參與者全身心的沉浸與計算機所生成的三維虛擬環境，并產生身臨其境的感覺。用戶在虛擬場景中有“身歷其境”之感。它所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，完全與真實環境中感受的一樣。它是虛擬現實系統的核心。

交互性（interaction）：參與者可以利用各種感官功能及人類自然技能虛擬環境進行交互考察與操作。它是人機和諧的關鍵性因素。如拿起虛擬環境中的一個籃球，你可以感受到球的重量，將球扔在地上它還可以彈跳等。交互性還包含對象的可操作程度及用戶從環境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據物理學定律運動的程度等，例如，當物體受到力的作用時，物體會沿著力的方向移動、翻到或者從桌面落到地面等。

構想性（imagination）：參與者借助VR系統給出逼真視聽觸覺信號而產生的對虛擬空間的想象。因此，虛擬現實不僅僅是一個用戶與終端的接口，而且可以使用戶沉浸于此環境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。這種構思結果輸入到系統中去，系統會將處理后的狀態實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。如此反復，這是一個學習→創造→再學習→再創造的過程，因而可以說，VR技術是一種啟發人的創造性思維的技術。

1.3 虛擬現實系統的構成

虛擬現實系統的模型如圖1 所示。用戶通過傳感裝置直接對虛擬環境進行操作，得到實時三維顯示和其他反饋信息（如觸覺、視覺、力反饋等）。當系統與真實世界通過傳感裝置構成反饋閉環時，在用戶的控制下，用戶與虛擬環境間的交互可以對真實世界產生作用。

圖1 虛擬現實系統模型

虛擬現實系統主要由3個部分構成：（1）用戶接口：用戶與虛擬現實系統信息交流的通道，并通過傳感器模塊作用與虛擬環境。（2）虛擬環境系統：真實世界的計算機表示，它是真實世界的虛擬表示。（3）虛實感應模塊：一方面接受來自用戶的操作命令，并將其作用與虛擬環境。另一方面將操作后產生的結果以各種反饋的形式提供給用戶。

1.4 虛擬現實技術的應用前景

VR技術的應用極為廣泛，Helsel與Doherty在1993年對全世界范圍內已經進行的805項VR研究項目作了統計，結果表明：目前在娛樂、教育及藝術方面的應用占據主流，達21.4%，其次是軍事與航空達12.7%，醫學方面達6.13%，機器人方面占6.21%，商業方面占4.96%，另外在可視化計算、制造業等方面也有相當的比重。

醫學

VR在醫學方面的應用具有十分重要的現實意義。在虛擬環境中，可以建立虛擬的人體模型，借助于跟蹤球、頭戴式可視設備、感覺手套，學生可以很容易了解人體內部各器官結構，這比現有的采用教科書的方式要有效得多。

Pieper及Satara等研究者在90年代初基于兩個SGI工作站建立了一個虛擬外科手術訓練器，用于腿部及腹部外科手術模擬。這個虛擬的環境包括虛擬的手術臺與手術燈，虛擬的外科工具（如手術刀、注射器、手術鉗等），虛擬的人體模型與器官等。借助于頭戴式可視設備及感覺手套，使用者可以對虛擬的人體模型進行手術。但該系統有待進一步改進，如需提高環境的真實感，增加網絡功能，使其能同時培訓多個使用者，或可在外地專家的指導下工作等。

另外，在遠距離遙控外科手術，復雜手術的計劃安排，手術過程的信息指導，手術后果預測及改善殘疾人生活狀況，乃至新型藥物的研制等方面，VR技術都有十分重要的意義。

娛樂、藝術與教育

豐富的感覺能力與3D顯示環境使得VR成為理想的視頻游戲工具。由于在娛樂方面對VR的真實感要求不是太高，故近些年來VR在該方面發展最為迅猛。如Chicago（芝加哥）開放了世界上第一臺大型可供多人使用的VR娛樂系統，其主題是關于3025年的一場未來戰爭；英國開發的稱為“Virtuality”的VR游戲系統，配有頭戴式可視設備，大大增強了真實感；1992年的一臺稱為“Legeal Qust”的系統由于增加了人工智能功能，使計算機具備了自學習功能，大大增強了趣味性及難度，使該系統獲該年度VR產品獎。另外在家庭娛樂方面VR也顯示出了很好的前景。

作為傳輸顯示信息的媒體，VR在未來藝術領域方面所具有的潛在應用能力也不可低估。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外，VR提高了藝術表現能力，如一個虛擬的音樂家可以演奏各種各樣的樂器，手足不便的人或遠在外地的人可以在他生活的居室中去虛擬的音樂廳欣賞音樂會等等。

對藝術的潛在應用價值同樣適用于教育，如在解釋一些復雜的系統抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，Lofin等人在1993年建立了一個“虛擬的物理實驗室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等。

軍事與航天工業

模擬訓練一直是軍事與航天工業中的一個重要課題，這為VR提供了廣闊的應用前景。美國國防部高級研究計劃局DARPA自80年代起一直致力于研究稱為SIMNET的虛擬戰場系統，以提供坦克協同訓練，該系統可聯結200多臺模擬器。另外利用VR技術，可模擬零重力環境，以代替現在非標準的水下訓練宇航員的方法。

管理工程

VR在管理工程方面也顯示出了無與倫比的優越性。如設計一棟新型建筑物時，可以在建筑物動工之前用VR技術顯示一下，節省整個工程的設計或施工成本，更能夠節省施工時間；當財政發生危機時，它也可以幫助分析大量的股票、債券等方面的數據以尋找對策，規避風險等等。

2 虛擬現實技術在成人高等教育中的應用

2.1 當前成人高校教學模式存在的問題

教學模式是在一定的教育思想、教學理論和學習理論指導下。為完成特定的教學目標和內容而圍繞某一主題形成的，比較穩定且簡明的教學結構理論框架及其具體可操作的教學活動方式[2]。

當前，成人高等教育的教學模式主要以集中式面授教學為主。集中式面授學習是以教師為中心的教學模式，強調教師的主導作用。成人教育教學中的集中式面授學習類似于普通高校的學習形式。集中式面授學習在成人教育中有其優點，如易于發揮教師的主導作用，便于教師組織、監控整個教學活動的進程；有利于教學管理；有利于理論知識的學習；有利于學生之間以及師生之間的情感交流。但它在成人教育的教學活動中存在的弊端仍也十分明顯，大學的很多知識都比較抽象，成人學員往往很難理解。而且隨著成人學生“工學矛盾”的日益凸顯，集中式面授學習的方式很難使成人學員真正掌握知識的精髓，加之沒有實踐機會，使學到的知識不能學以致用，“上課懂，下課忘”的現象已不再是個案。出現這些問題的主要原因是集中式面授教學模式弱化或缺乏實踐環節，使理論知識無法在第一時間與實踐相結合。導致成人學員在學校學到的知識無法舒暢地應用于工作實踐。同時這也是造成大部分成人學員普遍實踐能力較差的一個最根本原因。而要解決這一問題只能通過學校聯系校外實踐基地或自己建設實踐基地。聯系實踐基地的方式出于組織、安全以及實踐場地針對性不強等因素制約很難達成。自己建設實踐基地基于場地、初建費用和維護費用較高等方面的因素不利于實踐基地的可持續性應用。如何能夠既解決學員實踐問題，又能夠減少建設和維護費用成為困擾各成人高校的主要問題。

近年來，隨著VR技術的發展與民用化，一些成人高校開始通過這一技術嘗試著解決成人學員在學習中的無法進行實踐的問題。虛擬現實的沉浸感、交互性、構想性的特點為成人教育提供了新的思路，沉浸感可以讓學生身臨其境的聽老師講課，交互性可以讓學生在虛擬課堂中與老師交流、進行實踐性課程等，提高學生的實踐能力。構想性可以讓學生對所學的知識進一步升華，通過自己的奇思妙想，活用自己的理論知識解決現實問題，更可以提高學員的創新能力。

2.2 虛擬現實教學環境

若要將VR技術應用于成人教學就要打造虛擬現實教學環境。虛擬現實教學環境是指利用計算機設備，創造出一個可以感知的、和現實教學環境相似的、具備現實教學環境基本功能和大多數延伸功能的、運用虛擬現實技術表現的一種教學環境。換言之，基于VR技術的成人教學環境，就是將實踐基地這個真實的地理空間設計成一個虛擬的場所，在這個場所中，教學思想、教學策略、教學內容都固化在虛擬環境中，學習者置身于這樣的環境當中，能夠自然地與環境（包括通過網絡相連的其他學員、教師）進行實時的交互，全身心地投入到學習與實踐中?；赩R技術的教學環境應實現如下功能：能為學員提供具有情境感的實踐環境；實踐或學習環境是學習資源的承載者；學員能感受到自身在環境中的存在；學員對環境的刺激和環境對學員的反應應該具有實時性且使學員如在真實環境中一樣。

2.3 虛擬現實教學環境的創建與應用

創建虛擬現實教學環境的方法很多在此只介紹應用最多的幾種方法。

2.3.1 Quick Time VR

QuickTime VR是QuickTime Virtual Reality的簡稱。它是美國蘋果公司在QuickTime技術基礎之上開發的新一代VR技術。概括的說它是一種基于靜態圖象處理的，在計算機平臺上能夠實現的初級的桌面虛擬現實技術，具有圖片級的細節分辨率，真實性很強。它不需要數據手套、頭盔式顯示器等特殊的硬件設備，它的出現使得以往專業實驗室中成本昂貴的虛擬現實技術在教育領域的普及和應用有了廣闊的前景[3]。

要理解QuickTime VR技術，我們可以假設在一個室內空間進行觀察，室內空間一般有六個表面，如果我們獲取了這六個表面的許多不同距離，不同方位的實景照片并將他們按照相互的關系有機連接起來就可以在視覺上形成這個房間。在觀察時，我們可以任意的轉動觀看角度，也可以改變觀察位置，或是走近仔細觀看，或360度觀察，由于這些照片是相互連接的，所以只要照片足夠精細、連接得緊密正確，我們就可以獲得出于室內的感覺。同樣無論我們是在野外，還是在復雜如迷宮的博物館、辦公室或其他大型建筑物內，通過這種方法就可以實現虛擬參觀，如果再輔以聲音、隨意觀察或交互訪問等效果，就會獲得更逼真的身臨其境的享受。這就是QuickTime VR的基本原理[4]。

利用QuickTime VR技術我們可以為學員在計算機中創建一間逼真的虛擬現實實驗室，如圖 2所示。當學員通過鼠標或鍵盤控制自己的虛擬替身在實驗室中移動時（例如向左或向右，朝上看或朝下看，遠看或近看等），被觀察的場景仍能正確保持并能使學員產生“身臨其境”的真實幻覺。與此同時，實驗室中的各種虛擬出的物理實體（如計算機、網絡設備、各類實驗用工具等等）都可以用鼠標任意拾取并進行操縱（例如打開計算機主機機箱，以便從不同角度進行觀察機箱內部的各類板卡，并且還可以使用各類工具對機箱中的板卡進行拆裝等）。更令人難以置信的是，由于使用先進的高壓縮比數據壓縮技術，在QuickTime VR系統中，用來表征實驗室全景的360度高質量照片集的存儲容量僅有不到10MB左右，很容易將這種技術應用于低帶寬網絡環境。

2.3.2 VRML2.0語言

VRML（Virtual Reality Modeling Language）語言即虛擬現實建模語言，可以在低帶寬異構網絡環境中實時進行三維信息的遠程傳輸和遠程指令的接受，是一種專門用于在互聯網上實現虛擬現實的計算機語言。VRML2.0語言出現以前，WWW上的內容大都是二維的平面結構，用戶與環境的動態交互非常有限。隨著VRML語言的誕生，特別是到了VRML2.0之后，在互聯網上看到了實現真實三維參與的美好前景。它創造了一個可以進入，可參與的生動、逼真的立體世界?？梢栽谄渲凶杂傻腻塾?，可以走進虛擬的教室，與同學交流，聽老師講課，體驗真實的社會生活。VRML2.0通過Script節點聯系場景和外部行為，用傳感器來實現虛擬世界的動態行為。在這一系統中，分布在不同位置的用戶能保持場景的一致，也能感知其他用戶的狀態。用戶在虛擬場景中的沉浸感可以通過用戶標識來實現。VRML語言所創建的立體世界不需要復雜的硬件支持，產生的數據量比其他環境建模工具要小的多，因此它特別適合一般用戶通過網絡進行瀏覽。但需要較大的網絡帶寬，非常適合在計算機機房進行的教學活動使用。

在教學過程中使用CAI（Computer Assisted Instruction，計算機輔助教學）課件能夠激發學生的學習興趣，提高教學質量[5]。目前的CAI教學軟件多為簡單的二維演示，缺少具有真實感的三維教學場景，從而影響了CAI課件的實際教學效果。而VRML語言是用于描述三維場景與交互環境的虛擬現實建模語言，是在Internet上建立三維多媒體和共享虛擬世界的開放標準。因而使用VRML能有效解決CAI課件的交互性差和真實感差等問題。室內設計是一門藝術與技術相結合的學科，運用一定的物質與技術手段。對內部空間進行創造與安排布置，形成滿足人們物質功能的需求與精神文化需求的舒適環境。室內設計表現是指室內設計表現過程中所有的表現手法，它的主要作用在于：設計師的設計方案在沒有施工前。必須通過室內設計表現技法來呈現在客戶的面前，用來表達設計的設計方案。通過VRML語言在計算機上實現的虛擬現實室內設計課件有很多優勢，如圖 3所示，這是傳統的集中式面授教學方式所無法比擬的，主要體現在：更好地將教師所講授的內容以可視化的形式展示給學員，讓學員以最直接的視覺方式接受知識；節約教師制作實物課件的成本；學員通過親身操作，可以更快地掌握所學的知識，并融會貫通，提高學員的實踐能力。

3 結束語

本文提出了借助于虛擬現實技術在成人高等教育中的應用，能夠產生很好的教學效果，可以解決當前成人教育中存在的主要問題，并且將虛擬現實技術融入到成人教學中可以增加課程的趣味性，調動學生學習的積極性，能有效的提高學生動手能力，完善學生的知識結構。但是當前VR技術還不成熟、不完善，虛擬現實設備價格較高，限制了這種教學模式的效果和推廣。隨著虛擬現實技術的發展，虛擬現實設備將越來越成熟，實現成本也將會大大降低，最終這種教學模式必將代替當前的集中式面授的成人教學模式，成為成人教育教學的發展新方向。

參考文獻：

[1] 邢雪峰，曹靖，程超，曾曉寧.虛擬現實技術及其在教學中的應用[J] .重慶科技學院學報. 2008（6）

[2] 孫蓓蓓.成人高?！懊媸凇苯虒W模式與“面授+網絡”教學模式異同對比研究[J].新課程研究. 2010（8）

[3] 古樂聲.基于QTVR和Internet的現代遠程多媒體教育應用[A].第七屆全球華人計算機教育應用大會論文集[C]. 2003（11）

[4] 楊躍杰，王權，辛冰等.QuickTime VR技術在客車造型設計中的應用[J].客車技術與研究，2010（12）

[5] 羅梓元.基于Web的CAI課件的設計研究[J].微機發展.2002，12（1）