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虛擬現(xiàn)實(shí)在中學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
【摘要】 虛擬現(xiàn)實(shí)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在用戶眼前生成一個(gè)虛擬的環(huán)境，使人感到象真實(shí)存在的一種技術(shù)。本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的特征，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)在中學(xué)課堂教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)等中運(yùn)用，在教學(xué)中具有開(kāi)創(chuàng)性的意義。【關(guān)鍵詞】 虛擬現(xiàn)實(shí)，教學(xué)，應(yīng)用。
虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是把客觀上存在的或并不存在的東西，通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在用戶眼前生成一個(gè)虛擬的環(huán)境，使人感到象真實(shí)存在的一種技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)動(dòng)模擬與仿真、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等許多計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用新領(lǐng)域。
一、虛擬現(xiàn)實(shí)及其發(fā)展歷史
有人認(rèn)為，80年代是個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)代，90年代是多媒體時(shí)代，21世紀(jì)初則是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)代。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的誕生可以追溯到上個(gè)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(shí)系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開(kāi)始了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究探索歷程。
1966年，美國(guó)MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室正式開(kāi)始了頭盔式顯示器HMD的研制工作。在這第一個(gè)HMD的樣機(jī)完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺(jué)的力反饋裝置加入到這個(gè)系統(tǒng)中。1970年，出現(xiàn)了第一個(gè)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(jì)算機(jī)用戶可以把自己的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接入計(jì)算機(jī)，這樣用戶便可以神游于由計(jì)算機(jī)模擬成的虛擬世界中。他把這個(gè)世界稱為“控制空間”（CyberSPace）。在這以后，人們又提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)”�！叭斯がF(xiàn)實(shí)”、”遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)控制”等設(shè)想，統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。
基于從60年代以來(lái)所取得的一系列成就，美國(guó)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(shí)（Virtual Reality）一詞作為這一領(lǐng)域的專用術(shù)語(yǔ)。
80年代，美國(guó)宇航局（NASA）及美國(guó)國(guó)防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)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(cè)實(shí)驗(yàn)室的M.McGreevy 和J.Humphries博士組織開(kāi)發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬環(huán)境視覺(jué)顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，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(guó)Dallas召開(kāi)的Siggraph的會(huì)議上，對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行了討論，明確提出了VR技術(shù)的主要內(nèi)容是：實(shí)時(shí)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(lái)，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)動(dòng)畫制作成為可能；人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，新穎、實(shí)用的輸入輸出設(shè)備不斷地進(jìn)入市場(chǎng)。而這些都為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，VR技術(shù)也逐漸從飛行仿真、戰(zhàn)爭(zhēng)應(yīng)用到教育、科研、娛樂(lè)、建筑、醫(yī)療、工業(yè)等各個(gè)方面。
二、虛擬現(xiàn)實(shí)的種類及特征
1．虛擬現(xiàn)實(shí)的種類：
實(shí)際應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體可分為四類：1）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)、教育教學(xué)等領(lǐng)域；本文中所提及的虛擬現(xiàn)實(shí)主要指這種類型。2）沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使用頭盔顯示器把用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及其他感覺(jué)封閉起來(lái)，產(chǎn)生一種身臨其境的錯(cuò)覺(jué)；3）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它建立在沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式交互仿真（distributed interaction simulation）的基礎(chǔ)上；4）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。
2．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特怔
虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景中的能力。用戶在虛擬場(chǎng)景中有“身臨其境”之感。
（2）交互性（Interaction）：指用戶與虛擬場(chǎng)景中各種對(duì)象相互作用的能力，它是人機(jī)和諧的關(guān)鍵性因素。
（3）構(gòu)想（Imagination）：虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)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(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。
三、虛擬現(xiàn)實(shí)在教學(xué)中的應(yīng)用
虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于中學(xué)教學(xué)主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：課堂教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)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(shí)運(yùn)用于教學(xué)的主要戰(zhàn)場(chǎng)。根據(jù)不同的學(xué)科，虛擬現(xiàn)實(shí)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(yíng)造與構(gòu)建，虛擬場(chǎng)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(shí)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(guò)投影儀展示。但這種展示只能提供立體物體的某一個(gè)視角或者某幾個(gè)視角，學(xué)生無(wú)法見(jiàn)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(shí)物展示：這是一個(gè)很古老而且是很實(shí)用的方法，但它存在的一個(gè)比較嚴(yán)重的缺點(diǎn)是由于各個(gè)學(xué)生所處的位置不同，雖然教師拿的是同一個(gè)實(shí)物，但在不同位置學(xué)生的眼中，視角都不盡相同。而且實(shí)物不可能做得很大，后面的學(xué)生可能就無(wú)法觀測(cè)清楚。3）通過(guò)計(jì)算機(jī)三維造型及動(dòng)畫軟件，如3dsMAX等，建立一個(gè)與實(shí)物基本相同的模型，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)展示各個(gè)視角，可以說(shuō)這是一種比較理想的方法，但它也存在一個(gè)嚴(yán)重的不足。因?yàn)閯?dòng)畫是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的過(guò)程，學(xué)生在使用時(shí)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(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)，我們可以構(gòu)建一個(gè)與實(shí)物同樣的三維物體，如采用3dsMAX建模，存儲(chǔ)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(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn)。這時(shí)我們?nèi)绻肰RML語(yǔ)言畫出題目中的這幾條線，然后讓學(xué)生在各個(gè)視覺(jué)去觀察，一則省卻了實(shí)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(shí)來(lái)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(shí)世界中存在的或者根據(jù)歷史資料在歷史中曾經(jīng)真實(shí)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(jìn)入這些空間，在以往教學(xué)中，可能只能夠通過(guò)教師的描繪來(lái)激發(fā)學(xué)生的想象，在學(xué)生的頭腦中創(chuàng)建出這個(gè)虛擬的空間來(lái)。使用虛擬現(xiàn)實(shí)，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(jiàn)、聽(tīng)得見(jiàn)，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(guó)文明介紹給學(xué)生，使他們進(jìn)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(guó)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(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)用非常準(zhǔn)確和現(xiàn)實(shí)主義的手法重新構(gòu)造了如今的數(shù)字化的奧古斯都時(shí)代的古羅馬（公元前50年～公元14年）。
進(jìn)入這個(gè)完全虛擬的世界，學(xué)生會(huì)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(yǔ)或英語(yǔ)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(duì)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(huì)當(dāng)時(shí)的人文環(huán)境，觀察古羅馬的各種建筑特點(diǎn)，比較對(duì)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(tīng)詩(shī)人的講演。無(wú)疑這種虛擬情景的教育是獨(dú)一無(wú)二的，是對(duì)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(shí)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(shí)，我們就可以直接進(jìn)入這個(gè)網(wǎng)站，在虛擬的故宮里暢游一番，既可以獲得知識(shí)，又可以免費(fèi)游覽一趟紫禁城。省卻了旅途之勞累和費(fèi)用之昂貴。
（3）展品的介紹
在人類發(fā)展的歷史長(zhǎng)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(qiáng)的欣賞價(jià)值，也是生動(dòng)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(wú)價(jià)之寶，更是保護(hù)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(jī)會(huì)一睹其光彩，但大多數(shù)的人只能通過(guò)一些圖片來(lái)了解。對(duì)于一些名畫來(lái)說(shuō)，可能利用圖片就可以很好地體會(huì)其藝術(shù)魅力，但對(duì)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(gè)方位去看都是那么的美麗、勻稱。但我們不可能都有機(jī)會(huì)去法國(guó)盧浮宮去欣賞這件珍品。利用虛擬現(xiàn)實(shí)，我們不用走出家門就可以在各個(gè)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(gè)網(wǎng)站提供了英語(yǔ)、西班牙、法語(yǔ)、日語(yǔ)四種語(yǔ)言。選擇合適的語(yǔ)言種類進(jìn)入，點(diǎn)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(jìn)入盧浮宮的虛擬現(xiàn)實(shí)世界。在Greek Etruscan and Roman Antiquities Galleries展廳，我們?nèi)绻c(diǎn)擊進(jìn)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(gè)神秘而陌生的世界，如何感受身體在太空中的感覺(jué)是很多人夢(mèng)寐以求的事情。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)制作的虛擬空間，我們可以進(jìn)入這個(gè)虛擬的空間去感受宇宙里的奧妙，可以體會(huì)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(shí)著地的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(yáng)系中各個(gè)行星的面貌和運(yùn)動(dòng)情況。
（4）虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造
虛擬場(chǎng)景是指在現(xiàn)實(shí)生活中可能出現(xiàn)的一些場(chǎng)景，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)在不同的時(shí)間或地點(diǎn)表示出來(lái)。這在中學(xué)語(yǔ)言教學(xué)中應(yīng)用非常廣泛。作為語(yǔ)言學(xué)科的語(yǔ)文或英語(yǔ)在教學(xué)過(guò)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(guò)教師的言語(yǔ)，圖片的展示，或者一些錄像。學(xué)生大多只能被動(dòng)地接受，對(duì)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(shí)，雖然教師對(duì)“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(shí)，讓學(xué)生進(jìn)入虛擬故宮（http://www.intel.com/apac/gb/virtualcity），讓學(xué)生自己動(dòng)手，去游覽一番回音壁、三音石，然后再對(duì)照課文，我想效果一定會(huì)很好的。如果有條件，采用沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)，讓學(xué)生戴上頭盔，面對(duì)虛擬的“四聲谷”、回音壁、三音石和圓丘，進(jìn)行聲音反射試驗(yàn)，從而加深對(duì)這種奇妙的聲學(xué)現(xiàn)象的理解。
在英語(yǔ)語(yǔ)言學(xué)習(xí)的環(huán)境創(chuàng)設(shè)上，科學(xué)技術(shù)先后為語(yǔ)言教學(xué)提供了音像視聽(tīng)、計(jì)算機(jī)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(mèng)幻般魅力的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為英語(yǔ)語(yǔ)言教學(xué)的重要手段[3]。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)，學(xué)生可以和國(guó)外友人親切交談，也可以感受美國(guó)總統(tǒng)競(jìng)選時(shí)演講的現(xiàn)場(chǎng)氣氛。在由學(xué)生進(jìn)行角色扮演時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)行，所進(jìn)行的表演帶有很強(qiáng)的為表演而表演的成分，采用虛擬現(xiàn)實(shí)，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(duì)提高學(xué)生的外語(yǔ)綜合能力無(wú)疑是一個(gè)很大的突破。如在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行shopping扮演時(shí)，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)設(shè)特定的情境，如零售店或大型商場(chǎng)，這些場(chǎng)景都是課堂上所無(wú)法給予的。
2．科學(xué)實(shí)驗(yàn)
一般學(xué)�，F(xiàn)有的條件下，有許多實(shí)驗(yàn)是根本不可能做的，如核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，還有些實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)效果之間的矛盾。在教學(xué)中，許多昂貴的實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)器材，由于受價(jià)格的限制而無(wú)法普及。如果利用VR技術(shù)，在多媒體計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)者便可以走進(jìn)這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，身臨其境般的操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以通過(guò)儀表顯示身體的感受反饋給學(xué)生，來(lái)判斷操作是否正確。這種實(shí)驗(yàn)既不消耗器材，也不受場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室的一大優(yōu)點(diǎn)還在于其絕對(duì)的安全性，不會(huì)因操作失誤而造成人身事故。
四、虛擬現(xiàn)實(shí)在教學(xué)中應(yīng)用的展望
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)正掀開(kāi)其神秘的面紗，逐漸走進(jìn)教學(xué)。但在目前，完全沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)施仍然是價(jià)格昂貴，這也制約了虛擬現(xiàn)實(shí)在教學(xué)中的普及。但桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用也為教學(xué)媒體的應(yīng)用開(kāi)辟了一條新的道路。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的價(jià)格不斷下降，軟件的適用不斷增強(qiáng)，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(gè)別化教學(xué)真正成為可能，當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)在教學(xué)中普及時(shí)，教學(xué)方式一定會(huì)隨之發(fā)生巨大的變化。
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