虚拟现实技术在教学中的应用研究

魏宝臣，韩娟娟

(牡丹江大学，黑龙江 牡丹江 157011)

0 引言

一直以来，学生在学习过程中只是借助于书本、黑板以及教师讲解来获取知识的，但这种传统的教学方式已经越来越难以适应时代的发展，而且许多教学内容仅通过讲解，仍旧很难帮助学生理解这些知识。虚拟现实技术的出现，为现代教学工作提供了一种新的思路，能够对教学内容中的许多抽象概念及原理进行虚拟化展示，从而使其从看不见、摸不到的抽象化知识转变为可以看、可以听甚至可以摸的真实事物，这无疑能够在很大程度上加深了对知识的理解，并且也能更加充分地调动学生的学习积极性与主动性。可以说，将虚拟现实应用于现代教育工作中，能够在很大程度上加快教学手段的革新，使教学成效得以进一步提高。

1 虚拟现实及其衍生技术的概念及特征分析

1.1 虚拟现实(VR)技术

所谓虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术是一种将仿真技术、计算机技术以及传感技术进行结合应用的新兴技术，利用VR技术，能够构建一种具有沉浸式的虚拟化交互环境，在此过程中，计算机会依据人体感官，将人类的视觉、触觉和听觉进行一体化融合，以此生成相应的虚拟环境，在该虚拟环境中，用户能够借助于设备来实现和虚拟环境中各种对象的有效交互，并且这些虚拟对象还会对用户带来影响，从而给用户带来一种身临其境的感受与体验。对于虚拟现实而言，其具有三大主要特性，分别是沉浸性(Immersion)、构想性(Imagination)以及交互性(Interaction)，虚拟现实技术实现了多学科的综合交叉，通过和人工智能技术及其他相关领域技术进行结合应用，还能使虚拟现实进一步具备自我演进与智能化特征。

1.2 增强现实(AR)技术

增强现实技术是虚拟现实技术的一种新兴衍生技术，增强现实技术的英文简称为AR技术，这种技术是通过计算机进行显示与交互，并通过网络来实现跟踪和定位功能。增强现实技术能够将计算机生成的虚拟化事物或产品与现实场景进行叠加，从而起到一种补充现实的作用，进而在一定程度上增强了人体视觉、触觉和听觉等感官对现实世界的体验感。对于增强现实技术而言，其同样有3个主要特征，即虚实结合、三维配准以及实时交互。这种技术的显示方式共包括3种，即以视距远近为依据的手持式、头载式以及空间展示。在许多领域中，已经开始广泛应用增强现实技术，例如在教育工作中，通过增强现实技术的应用，能够将全息图像、虚拟环境以及虚拟实验展示给学生，而在旅游行业中，则能够为游客的游玩提供有效帮助，使游客能够通过虚拟影像了解到不同景区中所分布的人文景观信息、历史人物及事迹、发展历史等。由此可见，增强现实技术的应用前景是非常广阔的[1]。

1.3 混合现实(MR)技术

混合现实(Mix Reality，MR)技术同样是虚拟现实技术在不断发展中形成的一种衍生技术，通过该技术能够将虚拟化的场景信息在现实场景中进行呈现，从而使用户、虚拟世界以及现实世界能够建立紧密的联系，实现信息在三者之间的有效交互和反馈，进而使用户获得更加真实的体验感。对于混合现实技术而言，其兼顾了虚拟现实和增强现实这两种技术的应用优势。相比于增强现实技术而言，混合现实技术的区别是利用摄像头使用户能够看到用肉眼无法看到的现实，而增强现实技术则只是负责对虚拟现境进行叠加，但却不会对现实自身进行考虑。

1.4 扩展现实(ER)技术

在虚拟现实技术不断发展中，其必将进入一种高级的发展阶段，而在该阶段中必然衍生出一种新型技术，即扩展现实(Extent Reality，ER)技术，这种技术是将物联网与人联网进行整合而形成的，通过这种技术，能够使现实与虚拟之间的边界进一步模糊，从而使虚拟现实得以进一步在现实中扩展，在那时人们将无法对现实世界与虚拟世界进行准确地分辨[2]。

2 虚拟现实在教学中的应用研究

在教学领域中，虚拟现实技术拥有巨大的应用潜力，通过虚拟现实及增强现实技术的应用，可以激发学生的学习兴趣，同时学生的学习也能打破时空的局限性。虚拟现实技术的应用，使教育工作者能够将其作为一种新型的教学工具，进而使学生能够在虚拟现实设备中获得学习体验。利用虚拟现实技术，使原有的“以教促学”学习方式转变成由学生采用现代化工具来对知识与技能进行高效获取的新型学习方式。以下便深入研究虚拟现实相关设备在教学工作中的应用[3]。

2.1 教学中头戴式虚拟现实设备的应用

在虚拟现实技术中，头戴式设备主要包括数据手套、头戴式显示器、位置跟踪装置以及相关配套设备，对于头戴式设备来说，可将其分为分体式头盔与移动式头盔。在头戴式虚拟现实设备应用中，学生通过佩戴头盔设备来获得虚拟现实体验，从而使其能够置身于虚拟环境中进行学习，并从学习过程中获得由虚拟环境所提供的沉浸式体验。这无疑能够在很大程度上提高学生的学习主动性。在头戴式虚拟现实设备中，其硬件包括光学投影系统、全息处理单元、存储部分、摄像头与传感器以及麦克风、耳机等附件，学生在应用头戴式虚拟现实设备进行学习后，便不需要使用电脑与手机，只需利用双手进行操作即可，这使得学生能够按照学习要求来进行相应的操作，从而更加高效地完成学习任务。[4]

2.2 教学中桌面式虚拟现实设备的应用

在虚拟现实技术中，除了头戴式设备以外，还有桌面式虚拟现实产品，该产品是由美国zSpace企业所研发的，早在2013年美国便已使用该产品，并对该产品进行了更新换代。在桌面式虚拟现实设备中，还对学科课件进行了开发，这使得教师能够通过桌面式虚拟现实平台中所具有的课件来进行教学，此外还可对新课件进行自主开发。对于桌面式虚拟现实设备来说，除了能够作为教学工具进行使用，还有非常丰富的教学素材和学习资源，此外其平台系统还配置了课件资源开发工具，教师能够在平台中导入相应格式的3D模型文件，并为其附上声音、文字、图片及视频等，以此实现课件资源的自行开发与制作，在此过程中，教师还可自由地对课件资源进行修改，这些功能无疑能够大幅提升教学针对性，使教学工作得以更加高效的开展。

2.3 教学中手持式虚拟现实设备的应用

虚拟现实技术还可通过手持式设备来进行教学，手持式虚拟现实设备将APP软件和移动设备进行了有机结合，其中APP主要有4D书城、视视AR、幻视等，此外还配备了与增强现实图书进行配套的多种APP，例如恐龙争霸赛来了、实验跑出来了等，这些APP的原理是通过手机摄像头对现实影像进行获取，然后借助于手机将虚拟形象叠加于现实世界中，从而增强现实显示效果。在一些APP内还有很多教育资源，例如各种益智类游戏、安全教育、识物卡片等，这使其非常适用于对幼儿及儿童进行教育。在应用过程中，可将APP和配套图书进行共同使用，由手机摄像头对图书内容进行扫描，以此对该内容进行虚拟现实演示。此外还可通过下载APP中的资源来叠加至外界实景中。借助于虚拟现实所衍生出的AR技术，可获得逼真的现实特效，并可通过APP来学习，从而使学习活动变得更加富有沉浸感和真实感，进而激发学生的学习兴趣，使教学能够达到寓教于乐的目的[5]。

3 虚拟现实在教学中的应用优势

在教学领域中，虚拟现实及其衍生技术在应用过程中具有以下应用优势：(1)学生能够随时随地的利用虚拟现实设备来自主学习这些教学资源，并且通过虚拟现实还可实现微课教学，而教师则不需进行繁重的重复性讲解；(2)虚拟现实技术能够使学生的学习获得更加真实的体验，在一些教学中，需要对教学内容进行立体化展示，学生只需佩戴虚拟现实设备，即可在虚拟化环境中对这些内容进行不同角度的观察和学习，从而使学习变得更加真实；(3)虚拟现实及其衍生技术可激发学生的学习兴趣，利用AR，VR技术，能够将学生的视觉、触觉和听觉等感官进行一体化结合，以使学生获得真实的情境体验，并从中感受到交互的乐趣，学习内容变得可以感知、可以互动甚至可以触摸，从而有效摆脱了以往枯燥乏味的学习氛围。虚拟现实技术还能使我国的教育资源分布变得更加均衡，由于经济水平的差异，使得不同地区所具有的教育资源有着明显的差距，通过VR技术、AR技术等，则使教育资源在更大范围内共享，进而使教育资源不受地理位置的限制，使更多优质的教育资源能够向农村地区进行倾斜。

4 结语

随着虚拟现实技术的发展与兴起，其在教学领域中的应用范围将进一步扩大，同时其给教学工作也将带来更为深远的影响。在不久的将来，虚拟现实技术在教学工作中已不再只是一种平台或工具，而是改变教师教学与学生学习方式的推动力量。对于学校来说，必须要对虚拟现实技术的相关特性进行深入研究，并结合自身教育定位及实际需求，积极探索虚拟现实在教育教学等方面的深化应用，这样才能使我国的教育改革工作迎来更加美好的明天。