摘要： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育，既是虛擬現(xiàn)實(shí)自身發(fā)展的要求，也是教育發(fā)展的需要。文章介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其特點(diǎn)和分類，闡述了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展虛擬實(shí)驗(yàn)的意義，著重探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢以及構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室所用到的關(guān)鍵技術(shù)，并對虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題作了探討。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；高職教育；虛擬實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新

中圖分類號：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）10-2406-03

高職教育[1]肩負(fù)著培養(yǎng)具有組織、管理高新技術(shù)的生產(chǎn)，能夠操作、調(diào)試和維護(hù)高新技術(shù)設(shè)備，解決生產(chǎn)過程中遇到的各種實(shí)際問題的高素質(zhì)技能型人才的使命，提高學(xué)生職業(yè)素質(zhì)和專業(yè)能力是高職教育與普通高等教育的本質(zhì)區(qū)別。高職教育特別強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和實(shí)踐能力，這就需要教學(xué)內(nèi)容情景化、實(shí)時(shí)化，只有通過親身經(jīng)歷才能加深對知識的理解和鞏固所學(xué)的知識，而目前的教學(xué)手段很難滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際需要，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有效支撐，必將促進(jìn)高職實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹

國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究者對Virtual Reality的翻譯存在著幾種不同的觀點(diǎn)，綜合考慮虛擬現(xiàn)實(shí)各種定義中的要素，可以得到一個(gè)關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)比較貼切的定義。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[2]VR是利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境，并通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的新技術(shù)。

在很多學(xué)者的共同努力下，概括出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3個(gè)基本特征[3]：

1）沉浸性：可以調(diào)動學(xué)習(xí)者全部的感覺器官，全身心地投入到仿真的虛擬環(huán)境中。

2）交互性：學(xué)習(xí)者與虛擬環(huán)境的交互超越傳統(tǒng)意義的交互，從二維到三維，從單通道到多通道，引起了交互技術(shù)的革命。

3）構(gòu)想性：是指學(xué)習(xí)者沉浸在“真實(shí)的”的虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進(jìn)行了各種交互作用，從而獲得感性和理性的認(rèn)識。

根據(jù)用戶參與VR的不同形式以及沉浸程度的不同，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者對虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的研究成果和在教育領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)際情況，可以把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分為四類[4]：桌面型VR系統(tǒng)、沉浸型VR系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型VR系統(tǒng)和分布式VR系統(tǒng)。其中桌面型VR系統(tǒng)技術(shù)較簡單，需要投入的成本也不高，在教育領(lǐng)域內(nèi)可應(yīng)用的范圍很廣，推廣價(jià)值高。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在高職實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的意義和優(yōu)勢

由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室是集視覺、聽覺、觸覺等多種感覺信息于一體的系統(tǒng)環(huán)境，學(xué)習(xí)者能以多維的方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行全方位的交互作用，因此學(xué)習(xí)者能夠全身心地沉浸到虛擬環(huán)境中感受事件的發(fā)展變化過程，這是參與者以最直觀、最有效的方式掌握新知識、新技能的最有效的途徑。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，既可以豐富教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，又可以加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢[5-6]。

2.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，實(shí)現(xiàn)形象化教學(xué)

由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形、聲音和圖像創(chuàng)造逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)習(xí)者由觀察者轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c者，通過視覺、聽覺、觸覺等感覺器官的“真實(shí)”感受，完全沉浸于其中而無法將其與真實(shí)世界區(qū)分開來，給人們很好的臨場感和逼真感。例如學(xué)習(xí)歷史知識，學(xué)生們被帶到一個(gè)虛擬的考古環(huán)境中，逼真的場景，甚至聽到挖土的鐵鍬聲，使學(xué)生完全進(jìn)入角色；在組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中可以不必搭建真正的網(wǎng)絡(luò)，通過虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器來完成實(shí)驗(yàn)；通過虛擬的商務(wù)交易環(huán)境，學(xué)生可以親身體驗(yàn)到現(xiàn)場交易的氣氛和參與交易的過程；虛擬實(shí)驗(yàn)室還可以虛擬歷史人物、偉人、名人、教師、學(xué)生、醫(yī)生等各種人物形象，創(chuàng)設(shè)一個(gè)人性化的、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，徹底打破時(shí)間和空間的限制。

2.2 激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提供自主探索的平臺

虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)形式能使學(xué)生通過多種感官的刺激，通過觀察、聯(lián)想、探索來達(dá)到主動學(xué)習(xí)的效果，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不允許學(xué)生違規(guī)操作，否則會有安全問題，而在虛擬實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以大膽地進(jìn)行各種嘗試，例如可以反接電流表，進(jìn)而根據(jù)呈現(xiàn)的結(jié)果去探索、發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)，這樣有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富了學(xué)生的想象力，拓展了思維空間，為創(chuàng)新思維的培養(yǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。

2.3 可以進(jìn)行高危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以揭示事物的現(xiàn)象和本質(zhì)、事物運(yùn)動的形式和規(guī)律、事物間的聯(lián)系和相互作用，避免開展真實(shí)的高危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)帶來的各種安全問題，充分發(fā)揮學(xué)生的各種感官作用，從而豐富感性認(rèn)識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。例如易爆炸的化學(xué)實(shí)驗(yàn)、風(fēng)險(xiǎn)性的外科手術(shù)、飛機(jī)駕駛等教學(xué)項(xiàng)目，都可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室而得以開展。時(shí)間方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將一些需要長時(shí)間的變化過程壓縮到可接受的時(shí)間里呈現(xiàn)給學(xué)生，也可以反過來將時(shí)間延長，以利于學(xué)生觀察學(xué)習(xí)，而且，虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源是數(shù)字化資源，方便擴(kuò)充和共享，教學(xué)資源虛擬化可以解決教學(xué)資源短缺、設(shè)備陳舊及更新緩慢等日益突出的問題，同時(shí)也是新技術(shù)下解決教育均衡發(fā)展的有效方式。

2.4 跟蹤實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)行智能診斷

虛擬實(shí)驗(yàn)是在軟件系統(tǒng)的控制下完成的，系統(tǒng)可以記錄每個(gè)學(xué)生的每一個(gè)操作步驟，并將其保存，如果在系統(tǒng)中加入診斷功能，就能對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行再現(xiàn)、和判斷，以便于作出合理的評價(jià)以及找出操作中存在的問題 。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[7]必須建立在模型的設(shè)計(jì)與交互功能的基礎(chǔ)上，可以歸納為計(jì)算機(jī)三維模型創(chuàng)建于三維模型交互開發(fā)的一個(gè)過程，因此構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室過程中所用到的主要關(guān)鍵技術(shù)包括三維建模技術(shù)和虛擬交互技術(shù)。

3.1 三維建模技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)中模型的建立是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的基礎(chǔ)，好的模型不僅能表現(xiàn)出三維效果，還能帶來強(qiáng)烈的視覺和感官沖擊力，因此三維建模技術(shù)是虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。三維實(shí)體是對現(xiàn)實(shí)世界中的物體進(jìn)行仿真，所以必須是客觀存在的，不能進(jìn)行不存在的虛擬，其次還要注意模型的精確性，否則會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。用于虛擬實(shí)驗(yàn)室建模的工具軟件根據(jù)系統(tǒng)需求可以有多種選擇，其中比較典型的有3Dmax、Maya、Open GVS等。

3.2 虛擬交互技術(shù)

近乎自然的交互方式是虛擬實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)顯著特征，使用者從鍵盤、鼠標(biāo)等傳統(tǒng)意義上的交互，發(fā)展成為通過一些特殊傳感器設(shè)備例如數(shù)據(jù)手套、特殊頭盔等進(jìn)行交互。因此交互技術(shù)也是直接影響虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建成功與否的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，我們主要利用開發(fā)軟件的特性來完成系統(tǒng)的交互效果，目前主流的技術(shù)主要有X3D、Viewpoint、Cult3D和Virtools等。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

4.1 虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的自主性太大容易偏離教學(xué)目標(biāo)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于學(xué)生主動探索、主動發(fā)現(xiàn)，有利于創(chuàng)造型人才的培養(yǎng)，這是其突出的優(yōu)點(diǎn)。但是這種教學(xué)模式過于強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性，往往忽視教師主導(dǎo)作用的發(fā)揮，當(dāng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的自由度過大時(shí)，容易偏離教學(xué)目標(biāo)的要求，這又是其不足之處。

4.2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境容易造成情感教育的缺失[8]

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，用單調(diào)乏味的虛擬教學(xué)代替了原本多姿多彩的課堂教學(xué)，那些富有人性化教學(xué)特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動，變成了機(jī)械的、冰冷的虛擬教學(xué)活動，使本來很直接的師生關(guān)系變得復(fù)雜，師生之間隔著冷冰冰的計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)終端，削弱了直接交流的情感教育。而且虛擬實(shí)驗(yàn)容易使學(xué)生失去真實(shí)的生活，缺少現(xiàn)實(shí)感和判斷力，虛擬實(shí)驗(yàn)容許出錯(cuò)和反復(fù)練習(xí)，雖然能夠提高技能，但也有輕視、麻木的隱患，容易在現(xiàn)實(shí)中隨性所欲、釀成大錯(cuò)。虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，但它無法代替教育領(lǐng)域內(nèi)人的全部活動，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用與教學(xué)時(shí)，不能忽視對學(xué)生的情感教育。

5 結(jié)束語

隨著三維建模技術(shù)、交互技術(shù)等虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。虛擬實(shí)驗(yàn)室作為傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)手段的有益的、必要的補(bǔ)充，將大大改善教學(xué)環(huán)境、提高教學(xué)效率。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還處于探索前進(jìn)與不斷完善階段，實(shí)際應(yīng)用中，還存在很多需要解決的理論與技術(shù)上的問題。但從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的特點(diǎn)、優(yōu)勢，我們堅(jiān)信它將對未來的教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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