基于虛擬現實技術的三維教學環境研究

袁博 張勝男

摘要：虛擬現實產品是向人們，尤其是青少年提供生動的課堂和娛樂手段的好途徑，它具有三維聲像效果，能進行交互操作。虛擬現實技術通常需要用到種種元素來構成三維空間體系，未來虛擬現實技術將會走進校園，進入課堂實踐教學中，并在教學中默默地改變學生的學習方式，在實訓教學中，打破傳統“滿堂灌”的教學模式，使學生化被動為主動，拓展交互體驗式教學空間，促進學生全面發展。

關鍵詞：網絡;虛擬現實;教育;教學環境

目前，在教育領域內除計算機網絡技術、多媒體技術之外，虛擬現實技術成為了最具有前途及應用價值的“明星”技術。虛擬現實技術不僅將多媒體及傳感器技術、計算機圖形學技術、數字圖像處理技術融合在一起，而且可以產生具有立體性的視覺效果及環境音效?；谔摂M技術的人與計算機的交流是和諧互動的。如何將虛擬現實技術應用于教育活動之中已經被我國專家學者提上日程。

一、虛擬教學環境概述

虛擬現實技術在教學環境中可以充當一種新的學習工具，它可以作為一種全新的教育知識載體為教學模式提供多元化選擇、為教學的創新提供技術支持?；谟嬎銠C技術、運用高科技技術獎聽覺、視覺、觸覺融為一體的虛擬教學環境具有空間和時間特性的數字化多維信息空間，它是從計算機圖形學派生出來的一項新技術，是虛擬現實技術與網絡技術相結合的具體體現。真正優秀的虛擬現實技術是理性與感性、科學與藝術的融合，從其誕生之日起，該技術就強調用戶以自然方式與虛擬世界中的對象進行實時交互，在虛擬的三維世界中以觸覺和視覺的方式盡情體驗感受[1]。在虛擬現實技術所建立的教學環境中，教師與學生之間交流活動具有完全沉浸性。虛擬教學環境通過模擬合成使得教師和學生可以同存在于虛擬環境中的客體進行交流，從而使其產生身臨其境的感受。鑒于此，虛擬教學環境應該是系統性、靈活性、開放性的教學系統，是基于現實，又可超越現實、智能現實、預測將來的、突破了面對面近距離的限制、地域的空間限制的教學交流環境。

二、虛擬教學環境的特點

在數字化時代下，教學環境模式的設計及創新成為了教育工作者所關注的課題。虛擬教學環境作為一種新的教學載體及模式對于現代課堂教學活動意義非凡。在國內，各類院校也充分意識到虛擬教學環境給傳統教學模式帶來翻天覆地的變化和潛在價值。例如，由中國科技大研究室研制的“幾何光學實驗設計平臺”是我國第一個虛擬教學軟件。這一軟件將物理實驗教學、虛擬教學技術、計算機網絡技術集為一體，使物理實驗教學課堂邁上了更高的臺階。另外，北京航天航空大學針對分布式飛行采用虛擬教學技術進行模擬;浙江大學針對虛擬規劃、虛擬設計采用虛擬教學技術等[2]。之所以虛擬教學環境應用能被越來越廣泛的重視，不僅在于延伸了傳統教學環境的優勢，更重要的是突破了時間、空間限制，彌補了傳統教學環境的缺陷。突出表現在以下幾方面：

第一，虛擬教學環境可以彌補教學手段和條件的不足?，F實中有些教學實踐往往由于設備、經費、場地等不同原因而無法開展，虛擬教學環境通過對所需教學環境的模擬，彌補了這一不足，而且所模擬的教學環境具有實時性、廣域性、開放性及互動性等特點，使教師和學生產生身臨其境的感受。

第二，虛擬教學環境突破教學地域、教學資源、教學時間的界限。它將教學課堂這一有限的空間地域擴展為無限虛擬的賽伯空間，將教學環境空間進行了極大的延伸。同時，它可以將教學內容進行形象化、對教學資源進行無限拓展，利于學生更好的吸收理解新知識，激發學生的創新能力。另一方面，它可以使學生隨時隨地通過網絡進行學習成為可能，針對某些需要較長時間跟蹤觀察才能得到結果的實驗，虛擬教學環境中可以在較少的時間內觀察到。

第三，現實實驗操作中可能產生的危險可以通過虛擬教學環境來避免。通過實物仿真、虛擬現實技術、多媒體技術結合，對生物、化學、物理等實驗進行模擬，所建造的實驗室因具有虛擬性，內部設備也都是虛擬不存在的，所以在學生進行操作時有逼真的感覺，但是可以不考慮操作帶來的危險。

第四，優化教學方式，避免傳統的、單一的課堂教學，克服被動接受知識。目前，教學模式僅僅依靠于教科書及教師的教學。而虛擬教學環境突破了一傳統，它基于虛擬環境人機交互特性，模擬出逼真而且生動形象的學習環境，學生在這種聽覺、視覺、觸覺一體式的虛擬環境中，自然的與教師及其他學生進行交流，可以更好的學習教學內容、完成預定的教學目標。

三、虛擬教學環境的構成

1.虛擬教師模塊。虛擬教師是一種設備或技術，它是學習環境的一部分，作為學習環境的補充，有助于學習者操作技能的獲得。虛擬教師的概念經過不斷演變，其內涵越來越豐富，更人性化、具彈性，涉及的實現技術也變得更智能、更加復雜。

2.虛擬實驗模塊。所謂虛擬試驗就是基于虛擬現實、多媒體、仿真等技術，利用數字化模型代替實物原型，在計算機上模擬代替傳統試驗過程中的硬件環境，然后進行試驗分析。學生可以在逼真的環境下完成實驗操作，虛擬實驗所得到的效果并不遜色于現實試驗中的實驗效果。

3.虛擬圖書館模塊。隨著現代信息與網絡技術的發展推動，圖書館的管理工作及所涉及的服務范圍、服務方式已發生根本性的變革。建立一個內容豐富、查詢快捷方便的資源庫在虛擬教學中是非常必要的的。虛擬圖書館技術領域不僅涉及到數字信息的組織問題、而且包括了網絡技術的研究與應用。虛擬圖書館作為一個方便、大眾化的信息查詢應用系統，是一個集智能化、數字化為一體的信息系統[3]。

4.虛擬管理模塊。在各門學科技術的不斷發展推動下，在教育活動中應用虛擬教學將成為一個潮流。在虛擬現實技術與網絡技術、人工智能技術有機結合后，虛擬學在應用過程中更具有智能性、規范性、交互性、信息性、。因此，在虛擬教學環境中，建立統一的管理模塊顯得十分必要（諸如對學生的登入、注冊查詢課程、及資源庫進行管理），對學習者學習活動進行分過程管理。這些模塊必須涵蓋系統管理模塊、用戶管理模塊、內容管理模塊及學生對學習過程進行自主管理等不同模塊。

5.協作學習模塊。在教學活動中，師生之間和學生之間的互相交流溝通是必不可少的。對于虛擬教學環境，這種交流具更有近乎自然性。它可以使師生和學生之間以實時或者非實時的方式進行對話交流。虛擬教學環境下，用戶可以得到與現實類似或者完全相同的觸覺、聽覺、視覺等不同主觀感受。

四、虛擬教學環境中的學習模式

在網絡實時交互技術的基礎上，虛擬教學達到了教學環境和學生統一的效果，實現了學生與教學環境、教師、學生之間的自然、實時交流，對教學的質量的提高、學習內容的拓展起到了重要的作用。在計算機網絡、信息化快速發展的時代大環境下，虛擬教學環境是在融合學習管理系統、學習資源及標準化學習系統的基礎上建立的一個可供多用戶共同學習的網絡平臺。它彌補了傳統教學活動條件及設備的不足、豐富了教學形式及解決了教學效果不理想等問題。

對于變革傳統課堂教學方法，虛擬現實技術同樣起著重要的作用。為適應現代社會的發展，有必要開發基于WEB的虛擬教學環境，使學生通過網絡進行虛擬學習成為可能，自主合理地選擇所需的學習內容。它可以忽視了時空的限制，極大地擴展地域及時間，只需要可連接網絡的計算機即可實現。虛擬教學環境的學習模式分為以下幾種：協作討論模式、同步模式、個別輔導模式、異步模式、練習模式、測試模式等。

五、虛擬教學環境的發展趨勢

虛擬教學環境不僅實現了為學生提供豐富、逼真的學習環境、資源的快速查詢獲取，而且也代表著數字化時代下學習環境的創新發展潮流，能夠跨越空間、時間的界限及時準確傳遞知識，具有更好的經濟性?；诰W絡技術、虛擬現實技術的結合，讓計算機虛擬教學環境具有更高的交互性、實時性將成為重要發展方向。鑒此，可以把它的主要發展趨勢簡單歸納為：

1.環境的人文化。學者馬斯洛認為網絡學習可以滿足人們的安全、生理、愛與隸屬、受人尊重、自我實現和求知等六大需求。但是隨著對網絡環境認識的不斷豐富深化，網絡環境的負面因素對學生所帶來的不良影響也不容忽視，這一點我們需要給予充分重視。只有保證網絡環境的凈化及良好的人文化，才能使學習者準確地尋求到虛擬網絡環境與現實環境之間的平衡點，不僅能夠對虛擬網絡學習所具有的優點加以充分利用，而且能夠使學生不脫離現實的生活，結合實際及虛擬學習，不斷提高自身能力。

2.環境的智能化。虛擬教學環境的正常運行及信息的準確、快速及時無損的傳遞都需要人工智能的發展來進行保證。人工智能可以對學生的知識層次、認知水平及學習能力進行充分的了解，并且基于學生的特色及能力選擇針對性的教學方法和內容，輔助以適當的指導。虛擬環境的高智能化可以實現人與計算機的直接對話，監督學生的學習過程并做出準確的判斷評價，充當教師的角色。

3.環境的沉浸化。在虛擬現實技術基礎上，它能夠提供逼真、形象的學習環境，用戶使用之后的感受直接影響著虛擬教學環境的成功與否。虛擬教學環境的沉浸化特點通過調節大腦與各種主觀感官的結合促進學生的學習，在沒有約束的情況下進行學習活動，為學習者提供充分的想象空間和體驗。另一方面，沉浸式的虛擬教學環境可以鍛煉學習者的發散思維，使學生更具有洞察力，提高觀察、解決問題的能力，充分調動積極性，促進學習者的全面發展和進步。

六、結語

綜上所述，基于虛擬現實技術的虛擬教學環境是基于現實，又可超越現實、智能現實、預測將來的、突破傳統教學定時定點為顯著特征的虛擬教學情境。探求虛擬現實技術更合理地應用于教育教學中的理論，勢必對數字化時代的現代化教學環境創設有著拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]鄒永新，陳曉瑩.基于虛擬現實技術的場景設計可視化建模研究[J].現代電子技術，2021，4401：83-87.

[2]楊青，鐘書華.國外“虛擬現實技術發展及演化趨勢”研究綜述[J].自然辯證法通訊，2021，4303：97-106.

[3]宋志鵬.計算機虛擬現實技術的教學應用與軟件開發研究[J].信息記錄材料，2021，2208：135-137.

作者簡介：袁博，出生年月：1990年5月，性別：男，民族：漢族，籍貫：遼寧省沈陽市，單位：個人，身份證號碼210104199005225219，學位：碩士，研究方向： 虛擬現實，平面視覺設計，

作者：袁博1，張勝男2，單位，個人，身份證號碼，1 身份證號碼210104199005225219，2 身份證號碼210112199006180649。