3D虚拟现实技术在教育教学中的应用策略探析

第一篇：3D虚拟现实技术在教育教学中的应用策略探析

3D虚拟现实技术在教育教学中的应用策略探析

摘 要 3D虚拟现实技术通过虚实融合营造智慧教学环境，使学习者获得真实的情境体验。在教育教学中应用3D虚拟现实技术需要全新的理念和方法，需要深层次挖掘教学资源、推进教学模式创新，实现虚拟现实技术、课程资源、教学模式的深度融合，构建虚拟教学体系。

关键词 3D虚拟现实技术；教学资源；虚拟情境

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1671-489X（2016）06-0003-03

引言

3D虚拟现实技术概述 虚拟现实技术是虚拟仿真技术的一个重要方向，是集仿真技术、计算机图形学、多媒体技术、网络技术等多种技术的集合，包括模拟环境、感知和传感等方面。借助3D技术、多传感交互技术及3D显示技术等，生成生动逼真的虚拟环境，使用者戴上相应设备，就可以进入虚拟空间，成为虚拟环境中的角色，在虚拟环境中进行实时交互，操作各种虚拟对象，从而如身临其境一般，获得真实的感受。具有交互性、沉浸性、构想性的虚拟现实技术应用于教育，可以弥补传统网络教育缺乏亲身体验的缺陷，还可以帮助学生更好地理解所学的专业知识，让学生进行一些现实中难以展开的实验[1]。

3D虚拟现实技术在教育领域的应用现状 3D虚拟现实技术可以给学习者提供视觉、听觉等综合体验，让其身临其境地感受到数字化教学的魅力；可以突破时间和空间限制，创建真实感的学习环境、优化教学过程，提供创新的集成解决方案，已引起国内外学者的普遍关注。

本世纪初，国外开始研究3D技术在教育中的应用，处于领先地位。国内的研究相对起步较晚，正处于探索阶段[2]。3D相关项目在世界范围内正在推进中，并在诸多高等院校、中小学中得到推广，如美国许多州、学区、学校推广的TI公司的“3D投影机领航项目”，建设虚拟仿真教学环境已经成为越来越多教学机构的工作重点。美国德克萨斯大学建设了交互和计算机显示系统来进行数据处理和图像分析，印第安纳大学建设了可视化实验室来推动视觉技术的创新应用；沙特阿卜杜拉国王大学成立了3D立体显示数字化实验室；新加坡国际大学在智慧校园新领域推出3D校园全监控。一些科技公司也开发了3D相关系统和产品，如美国加州InfiniteZ公司拟将ZSpace产品推向高校，可以利用形象生动的3D全息投影技术增强学生学习效果，更好地进行教学科研[2]。国内的3D技术也发展迅速，全息投影、3D仿真等技术渐渐走入课堂，如：广西临桂远程教育建立了可以双向互动的智能化3D影院，为党员、群众提供了远程教育学习途径；兰州四中推出3D教室，集数字投影系统、声光电等立体模型于一体，增强学习效果；湖州职业技术学院成立虚拟仿真实训基地，探索全新交互式实践教学模式[3]。3D虚拟现实技术应用在教育上的优势

构建智慧校园，营造智慧教育环境 3D技术为教育领域创新提供了技术支撑，为教学、科研等提供了新平台、新工具，高校及基础教育可以广泛应用，构建智慧校园、智慧教室，为科研、教学提供崭新的平台。随着高校等教育机构中3D相关课程的启动，Blaxunn3D、Shout3D、Quest3D等3D建模绘图等工具不断涌现，在教学活动中广泛运用[2]。3D技术通过虚实融合营造智慧教学环境，通过虚拟校园、虚拟图书馆、虚拟实验室及虚拟仿真系统等，使学习者获得真实的情境体验，为智慧教育时代构建新环境。3D技术可以提供生动、交互的学习材料，提高学习者沉浸感和想象力，使学习的深度、广度有所增加，引导课程学习进入新境界[4]。

创建真实感学习情境，提高学习效率 3D技术可以构建真实感的学习环境，创设有利于学生主动参与、完整体验学习过程的情境。其呈现的立体化教学内容可以更好地吸引学生，使抽象的知识具体化，资源的情境性、震撼性有助于认知负荷的降低。这是一种沉浸体验式的学习环境，使学生较长时间保持注意力，并体验到更多学习的乐趣，在一定时间学到更多的内容，形成深刻的记忆。

3D技术展现的真实感和操作性相比传统的教学方式有很大的优势，学生能够主动探索、发现，全身心投入学习过程，可以互动学习、参与讨论，可以自由地发表自己的观点。学生在课堂上的参与度大大提高，有利于提高成绩和效率。3D技术构建的真实感学习情境，使学习者有身临其境的感觉，可以提高学生身心与大脑的参与度，成为真正的教学活动参与者，构建属于自己的知识体系[5]。与传统的2D教学资源相比，利用3D技术制作的教学资源在信息展示方面提供了更加逼真的效果，能够为学习者建立空间感和立体感，可以体验到课堂沉浸感。3D虚拟现实技术在教育上应用的途径

3D虚拟现实技术可以应用在虚拟仿真校园、虚拟教学科研、虚拟实验等方面，可实现集教学、体验、实践于一体的立体化教学，改革传统教学模式，创新教学方法，达到培养创新型、实用型人才的目的。美国的明尼苏达大学建立了计算机图形学实验室，采用3D触觉桌面、CAVE虚拟现实等技术，实现交互式实验效果；国内的浙江大学、上海交通大学等高校已经开始运行虚拟校园，北京师范大学等高校也建立了虚拟图书馆，虚拟社区、虚拟教学游戏、虚拟教学科研等研究项目也在逐步开展[2]。

虚拟校园 虚拟校园是利用3D虚拟现实技术、三维建模、数据库技术等创设出与实际校园情景一样的虚拟学习环境，将校园实体建筑乃至内部门窗、走廊、灯光等所有软硬件通过虚拟现实技术整合在计算机网络当中，场景中包括虚拟教室、虚拟实验室、虚拟图书馆、虚拟体育馆、虚拟宿舍、虚拟食堂等，学生可以在系统中进行教师、学生等任何角色的扮演。校园内的学习资源如书籍与报刊等，可以通过高清扫描仪扫描并数字化存储为电子书籍，学习者在进入虚拟图书馆的时候，可以任意浏览虚拟图书馆内所有资源，如现实中阅读书籍一般；也可以将自己感兴趣的电子书籍借阅到自己的虚拟图书室，在借阅期限内自由阅读[6]。

虚拟实验室 在传统教学活动中，很多需要操作的知识如果仅仅通过理论讲述，学习者很难理解掌握。通过3D虚拟现实技术可以创设虚拟教学情境，为学习者亲身实践提供了可能性。传统的实验教学基本都在学校开展，上课时间比较固定，时间和空间受到限制。部分实验设备价格昂贵，不能给学生全面使用和操作，在某些实验环节中存在安全隐患，学生无法直接参与，多数以演示为主，不能形成对该实验的感性认识。

虚拟实验室是利用虚拟现实技术创设的，如虚拟物理实验室、虚拟化学实验室等，打破传统教学中时间、空间等限制，学生只要在安装有虚拟实验室的设备上即可进行实验操作，在很大程度上提高了学习的自由度。在仿真环境下，借助Unity3D、Cult3D等软件来完成实验操作，避免在进行一些有安全隐患的危险实验时因操作不当造成的不可预料的后果，保障学习者的人身安全。美国杜克大学搭建的环境沉浸式虚拟环境，包括海啸、地震等灾害应急处理，可以进行武器部件、汽车驾驶的虚拟操作等。广西大学推出的无机实验虚拟仿真系统、成都理工大学建设的地质钻探虚拟实训系统等是通过建立三维环境图形库，增强学习者的临场感，增强实践效果[2]。具有交互功能的3D虚拟实验室能够表现出独特的优势，使学生做到足不出户做实验，不用考虑时间、地点及实验过程中各种危险对人造成的伤害，获得与现实中的实验一样的体验效果，提高对学习内容的感性认识，加深对实验教学内容的理解，培养学习兴趣。

虚拟教学资源 利用3D技术制作出的学习资源可以更加生动逼真，有利于情境渲染、模拟仿真，3D动画、视频、模型等多样化的学习资源具有良好的交互性，可以有效减少学习者的认知负荷。3D显示技术给人带来较好的真实感，计算机图形学中一个重要组成部分就是真实感显示技术，利用计算机、物理、数学等学科知识在相关设备上生成真实感的3D图形，将传统课堂中某些不利于理解的内容，通过3D显示技术形象表现出来，形成立体空间，让学习者更好地领悟教学内容，把握教学要点[5]。

网络教育虚拟教室 随着网络技术的飞速发展，传统的教学手段、模式发生巨大变化，网络教育因其独特灵活的优势，受到越来越多人的关注。然而网络教育也受到一些人的质疑，他们认为，面授是最好的教学手段，远比网络培训好。但是面授受到时间、地点、成本等多种限制，学员的互动需求也不能完全满足，这就体现出网络教育的优势。而网络教育一直无法解决非面对面教学带来的问题，单纯的网络教学，缺乏真实的学习氛围，教学效果也不会很理想。3D虚拟现实技术的出现则改善了两难境地，虚拟教室可以解决面授和网络教育遇到的问题，可以利用3D技术将授课教师直观形象地安排在网络虚拟教室，学习者可以选择教师、课程，进入指定教师的虚拟教室，实现虚拟“面对面”教学。在此情境中，学习者能够亲身体验到面对面学习的感受，实现网络教育所无法实现的教学效果[4]。3D虚拟现实技术应用于教育的难点及策略

构建虚拟教学体系，完善相关标准 在教育领域应用3D虚拟现实技术需要全新的理念、方法和途径，需要深层次挖掘教育资源、推进教学模式创新，构建虚拟教学体系，实现虚拟现实技术、课程资源、教学模式的深度融合。在信息化时代，3D技术作为基础性、战略性工具技术被广泛应用[7]。国内外对3D显示技术、3D打印技术等研究日益增多，但世界范围内3D显示技术和标准并不统一，美国、韩国和欧洲都在制定3D传输、压缩和编码方面的标准，国内3D标准也不完善，如无法向后兼容现存的视频编码标准，无法支持不同的3D显示器等。建设兼容2D视频、需要佩戴眼镜的3D视频、裸眼3D视频的编码、传输和显示的标准迫在眉睫。标准需要能够支持多个视频数据流，可以在传统的2D视频数据流上增加新的辅助信息，实现高效的3D制作及编码，可以在2D、3D两类数据流间自由切换，在2D架构之上引入3D视频，降低系统的重构成本，完善3D技术标准[8]。3D技术研究不仅需要关注技术，还应当注重教学设计等标准的问题，探讨和开发混合教学模式，制订资源应用、管理的可行性方案，制定资源开发规范和技术标准，使资源建设标准化、国际化。

推广3D技术，降低应用成本 3D相关产品的价格较为昂贵，其硬件一般包括3D影像投影仪、影像墙、3D眼镜和相应的3D资源，后续的管理及维修费用也比较高，普通的学校出于成本的考虑难以承受。进一步降低硬件成本，将是影响3D技术在教育领域普遍应用的重要因素。国内目前仅少数高校和部分发达地区的一些中小学配备了3D设备，在欠发达地区和边远地区，3D技术的推广和普及仍面临很大困难[2]。一种先进技术的普及不是一蹴而就的事情，需要一个过程。随着3D技术的大力推广和应用，成本一定会逐渐下降，越来越多的教育机构也将认识到3D技术的优势。

培养专业人才，开发教学资源 3D教学不仅需要硬件设备，教学资源也非常重要。目前，国外的一些数字内容生产商如Promethean、Discovery Education等开发的3D教学资源已经为使用西语的校园提供服务；台湾地区采用引进国外资源翻译汉化的方式，在一定程度上满足课堂教学对3D教学资源的需求。国内的3D教学资源还十分缺乏，3D教学资源的建设将成为未来教学资源建设的热点，自主研发技术还不成熟，还需要一批懂技术、懂教育的复合型人才。目前3D技术人才短缺，体现在专业和层次结构不够合理、知识和技能不够匹配、职业素养有待提高、总体数量不足等几个方面[9]。培养既有专业知识又有实践经验的人才，以较低的成本开发出符合教学需求、满足正常审美需求的资源是当务之急。为了在质量、数量上保障教学资源能够满足教育发展日益增长的需要，相关部门应尽快发现和培养人才，打造精良的技术及教师梯队。

规范教学流程，保护学生健康 长期使用3D教学资源是否对学习效果具有长期正面影响，以及如何防范学生沉浸于虚拟世界带来的负效，也将是需要研究的重要课题。部分3D教学资源需要佩戴3D眼镜，而长期佩戴会引起视觉疲劳，如果消毒不彻底又会传染眼部疾病。多久是最佳时长，如何快速对眼镜进行无菌处理，怎样确保学生用眼健康等，都是要进一步研究的问题[5]。建立规范的教学流程，在确保学生身心健康的前提下，采用先进的3D教学手段增强学习效果势在必行。结语

3D虚拟现实技术为教学、科研等提供了新工具，为教育领域创新提供了技术支撑，在高校及基础教育都可以广泛应用，将为教育的改革与发展带来生机与活力。通过虚拟校园、虚拟实验室等，使学习者获得真实的情境体验。在教育领域应用3D虚拟现实技术需要全新的理念和方法，建立完善相关标准，构建虚拟教学体系，培养专业人才开发教学资源，保障教学资源满足教育行业日益增长的需要。

参考文献

[1]杨丽芳.云计算背景下的虚拟现实技术在远程教育中的应用研究[J].才智，2015（20）.[2]王娟，吴永和，段晔，等.3D技术教育应用创新透视[J].现代远程教育研究，2015（1）：62-71.[3]罗雨.3D视影仿真数字平台在旅游英语教学中的应用[J].宁波大学学报，2013（1）：99-102.[4]郑燕林，李卢一.技术支持的基于创造的学习：美国中小学创客教育的内涵、特征与实施途径[J].开放教育研究，2014（6）：42-49.[5]李蕾，王健，曹俊.3D影像资源在教育中的应用探析[J].中国电化教育，2011（2）：77-80.[6]腊国庆.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].宿州教育学院学报，2015（3）：93-94.[7]鲁君尚.3D技术：中国经济腾飞的难得机遇[N].光明日报，2010-01-11.[8]周毅.裸眼3D视频技术与节目制作[J].电视技术，2014，38（22）：5-6.[9]王晓飞.让3D 技术成为教育信息化的助推器[N].中国教育报，2010-01-12.

第二篇：虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术在教学中的应用主要集中在桌面虚拟现实和分布式虚拟现实,沉浸型虚拟现实由于所需设备昂贵,在教学中的应用较少。虚拟现实技术在远程教育中的应用主要有制作三维网络课件、开设网络实验课程和建构虚拟教室。

1.制作三维网络课件

在教学中,基于HTML的网络课件在不断地发展完善,但却始终不能摆脱二维平面的约束。在课件中加入虚拟现实技术,能挣脱这一枷锁。将虚拟现实和文字、声音、图片、视频等各种媒体有机结合,可以弥补二维平面课件的不足。如,用VRML设计各种三维的模型、物质结构等,可以让学生多角度地观察和学习,更好地理解学习内容。虚拟现实技术还可以再现现实生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程,为学生提供生动、逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点。如学习物理知识时,利用虚拟现实技术,向学生展示原子核裂变、半导体导电等复杂的物理现象,供学生观察学习。

2.开设网络实验课程

虚拟实验在网络教育中有着巨大的优势,它可以弥补远程教学条件的不足。虚拟现实实验环境的开发可以真正打破空间、时间的限制,促进网络实验课程的开展。利用虚拟现实技术,还可以建立各种虚拟实验室,如物理、化学、地理、生物等实验室,在“实验室”里,学生可以自由地做各种实验,获得真实的体验。学生还可以通过虚拟实验验证所学的各种理论知识,提出各种假设模型进行虚拟,并通过虚拟系统观察这一假设所产生的结果或效果。例如,在虚拟的化学系统中,学生可以按照自己的假设设计某一化学反应,通过虚拟实验,可以看到相应的反应现象。通过这种探索式的学习方式,可以培养学生的学习兴趣,有利于激发学生的创造性思维,培养学生的创新能力。

3.建构虚拟教室

目前,在网络教育中,学生大部分是通过网络课程来学习的。学习时,学生能在网页上看到课程的相关文字材料和一些静止的图片。当然,好一点的网络课程,还提供了教学视频。但是不管是文本还是视频,师生之间都缺乏一种灵活的交互。应用虚拟现实技术,构建虚拟教室,能使这个问题得到一定程度的解决。虚拟教室是指运用分布式虚拟现实技术构造的一个虚拟真实的教学环境,分布在各个不同地方的学生,可以通过网络参与到虚拟课堂中。虚拟教室模拟了真实多媒体教室的整个场景,是师生共同活动的一个空间,在这里,可以完成教学、答疑等各种教学活动。借助网络通讯技术,视音频采集、处理技术以及交互代理等技术,参与到课堂的各个对象可以看到彼此,学生可以看到老师的板书,听到他的讲解。教师也能看到学生的表情和动作,可以听到学生的提问,并随时解答。这种教学方式,可以增强师生之间的实时互动,激发学生的学习兴趣,提高教学效率。

第三篇：虚拟现实技术在景观教学中的应用

虚拟现实技术在景观教学中的应用

由于虚拟现实技术能够满足学习媒体的情景化及自然交互性的要求,从而在风景园林教学领域内有着极其广阔的应用前景。利用虚拟现实技术可以改变高校景观建筑设计专业传统的教学模式,改善实验环境,解决高校普遍存在的教学资源不足的问题,优化教学过程及培养具有创新意识和创新能力的人才。随着教育改革的深入和虚拟现实技术理论的不断完善和发展,虚拟现实技术在景观建筑设计专业中的应用也将不断的拓展。

(一)促进教学观念的变化

传统的教学观念主要是“传道、授业、解惑”,它决定了教学组织形式和教学方法,即以教为主,教师是教学的中心,由教师决定教学内容、结构、教学方法及教学进度,而学生始终处于被动的学习环境中。现代化的教学方法追求教与学的合作化,以讲授引导思维,以教导激发创新,并赋予学生学习的主动性。虚拟现实教学有利于创造这样的环境,以教师为中心的授课形式将会被改变,以学生为中心的个性化教学、合作化教学和虚拟现实环境中的自我探究得以真正实现。虚拟现实正是在现代教育思想指导下,使用新技术改进教学方法的尝试。把虚拟现实技术引入到教学中,从多媒体虚拟现实系统的组织形式看,虚拟现实是非线性的网络结构,逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能,在这个基础上教学内容的组织安排将特别强调由学生主动参与来构建知识结构,变学生的“被动听讲”为“主动学习”,由“要我学”转变为“我要学”。在这种情况下,教材的意义也将由传统的“教材控制”转变为“学习者控制”,教学内容外在形式的生动化与内在结构的科学化将更紧密地结合起来,这种环境将极大地促进教学观念发生变化。

(二)促进教学内容的变化

教学内容是教学过程中传递的教学信息,是学生获取知识、掌握技术、发展能力的主要源泉。多媒体虚拟现实技术的引入使教学内容无论是外在形式还是内在结构都产生了很大的变化。

1.教学内容外在形式的变化

学生的技术水平和动手能力是在实验、实训中培养出来的,在传统的实践教学中,实验课内容主要是学科性的理论验证和学会使用设备、仪器,并从中归纳、总结出规律。这些年来,随着教育技术的发展,从原来只是用录音、录像来辅助文字教材进行教学的方式发展为使用具有人机交互的多媒体技术。多媒体的信息类型有静态的、运动的、超级链接的视觉和听觉信息,媒体信息形式通过计算机的集成处理,提供了超文本、图形、图像、图表、音频、视频和动画。多媒体信息表现形式多样,对于抽象的、概括的概念和原理,除了用文字和语音协同描述以外,还可以用三维实景虚拟现实过程,对于不可视的变化、无法触摸的物体或有危险的场所,甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件,也可以通过虚拟现实技术去展现。多媒体技术存贮信息量大,教学内容可以用最有效的方式来表现;而且,同一教学内容还可以用多种信息形式来表现,这就有利于克服单一媒体表现及难以协同表现的弊端。虚拟现实所提供的人机交互的特点尤其适用于个性化教育,因人施教、因材施教,培养高素质的综合型景观设计人才。

2.教学内容内在结构的变化

虚拟现实的应用将带来教学内容结构的变化。教学内容的内在结构就是学科知识结构设计,知识结构是学科知识间的逻辑关系,是学科内含智力因素的信息源。传统的教材及实验指导材料都是以线性结构来组织学科知识结构的,知识内容的结构及顺序都是以教为主,教学顺序性很强,学生只能在教师的讲授下获得正确的概念、原理及逻辑关系。这种形式的学习,学生对教师的依赖性很大,教材也只是一种教授材料,学生利用它学习的自由度不大,灵活性不强,难以促使学生从已建立的知识结构向新知识结构迁移。使用虚拟现实技术以后,多种媒体的信息通过网络化超链接,就可以接近人类认知特点的方式去组织和展示教学内容、构建知识结构,这种网状的信息组织方式是一种非线性结构,链是知识之间的层级逻辑关系。虚拟现实与普通多媒体是多媒体信息处理的高度集成,把信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性结合起来,为学生提供了一种动态、开放的结构化认知形式,它既包括了学科的基本内容,又包括了学科内容之间的逻辑关系,既注重知识的形成过程,又注重知识的结构,凭借视觉、听觉、触觉信息的协调作用使教学内容的统一与灵活性得到了完善的结合。虚拟现实的这种非线性结构有利于学生进行扩散思维,联想原有的知识,获得新知识。

(三)促进教学手段的变化

1.互动启发式教学

虚拟现实有助于启发式教学的开展,在演示教学内容方面能以一种直接的信息传递方式,通过亲临其境的、自主控制的人机交互,由视觉、听觉、触觉获取“外界”的反应,提供生动活泼的直观形象思维材料、展现学生不能直接观察到的事物等,形成知识点。学生则从思维、情感和行为3个方面参与教学活动。

2.发现式教学

发现式教学是以解决问题为中心的教学形式,虚拟现实在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境,有针对性地建构虚拟情景,引导学生进行探究。虚拟现实教学提供良好的人机交互,还允许学生出错时,自行了解错误的根由及后果,发现解决问题的方法。

3.协同工作式教学

虚拟现实教学不受空间位置和相互距离的限制,可让远距离的师生或位置分散的学生共处于一个虚拟空间中,通过共同参与,且必须具备协同操作能力才能完成某些项目的设计或训练。

4.情境式教学

虚拟现实技术具有动画虚拟现实的能力,能够把教学中的抽象概念原理、真实的实验过程等形象生动地表现出来,给学生创设真实的学习情境,帮助学生获得示范性的知识,把握概念原理的实质。

（四）实际使用

虚拟现实技术最大的优势在于场景的模拟与再现，一旦场景建成，不再受地理空间、时间的限制。可以随时随地调取已有场景信息。运用在景观教学上，主要可以用在:

一、古建、古典园林教学板块（适用课程中西方古典园林史、西方现代景观的理论与实践）

实用意义

中国古典园林是中国传统园林的精髓，分布广泛，各有各自的特色。包括北方园林，南方园林、岭南园林、皇家园林、等众多形式。但是由于地域原因、实地考察学习是一件非常困难的任务。费时费力费钱，并不是所有人都有机会实地考察，也不是所有人一次考察就能体会到精髓。

软件功能构造

通过虚拟现实模拟可以

1）模拟现场建筑、植物、四时、季相变化，现场实际模拟出全部景观。

2）顶视图搭配结构分析、交通分析、功能分区、区域划分、建筑名称分布等。3）同时软件搭配讲解功能，讲解现场石材、建筑由来、古建结构、园林造景手法讲解（全面展示园林造景中的借景、透镜、框景、障景等）、现场全景图展示等。4）使用者可以通过各个角度，各个方向进行观赏。实际使用过程中所观赏不到的地方（比如鸟瞰、四时变化、）

优势分析

1）可以经常性的游览园内场景，体会古典园林的造景手法（以往讲解仅仅局限于图片展示，我们可以模拟现场实际景观，感受体量关系）

2）模拟现场的四季，实时变化。感受阴晴雨雪、感受植物生长对整个环境空间带来的改变。

3）恢复已被破坏的景观，提高人们的参与性，提高可到达性。使人们不仅仅局限在人视点的观察。

4）形象生动的讲述平时口述难以讲清的课程内容。如古建中的斗拱形式，就可以简单生动的展示给学生。

5）提高学生的接受程度、提高课程兴趣、提高学生的参与度。

二、景观案例学习

实用意义：

现代景观大师有相当一部分具有代表性的经典案例，而以往我们对这些案例的学习仅仅局限于平面图、CAD、以及部分的效果图。很难感受到实际的比例关系、尺度、景观效果。更感受不到一个方案从其设计构思、到场地周边环境分析、到基地分析、功能分区、再到方案形成的整个过程。软件功能构造：

1）将完整的方案信息进行展示，以二维或者三维的方式。介绍场地周围的大环境。同时可通过文字或者动画形式展示整个方案的历史环境，政治背景、以及其历史意义。2）将整个设计的骨架信息一层一层展现，包括道路、水体、节点、植物、功能分等。让学生更深入的了解。

3）方案经典介绍。将方案的经典之处进行展示与介绍。同时进行季相、时间变化。4）让学生自行进行设计，之后与经典案例进行比较。优势分析：

1）将经典案例通过三维方式进行展示，直观形象。

2）整合资料，将案例周边环境、历史环境进行详细叙述。3）深入的剖析方案的设计构思与形式。加深理解。

三、植物认知

1）通过动画形式对植物的基础知识进行介绍，包括树叶、树皮、树干形式名称介绍。2）建立植物库，模拟植物的的生长过程，対植物的科属，生长习性，搭配方式进行详细介绍。

3）对不同科属的植物进行分类，以便植物认知。

4）按照季相分类，常绿，落叶，观花、观果等进行详细分类。以便植物认识学习，同时便于设计中随时调取使用。

四、通过增强现实技术辅助设计

1）在设计领域，虚拟现实技术作为一种独特的技术手段，可以有效的解决抽象思维与其所产生的实体间的联系问题。设计师不仅能够充分发挥其艺术想象力，更能够在前期设计阶段就与实际相结合，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。虚拟现实技术可应用于建筑和艺术信息模型项目全生命周期的信息化管理。

2）协助设计师科学准确分析设计信息可快速获取复杂建筑模型进行分析，为建筑师提供全局、客观的设计信息理解。

3）辅助设计在设计过程中，会提出不同的设计方案，对未来的设计形象做多种设想，利用虚拟现实技术建立一个全面、直观、可交互、如实反映设计的三维虚拟模型，便于设计者更直观、全面了解设计，也方便设计师对某个设计细节作局部修改，并实时地与修改前的方案进行分析比较。

2.探索学习

是指通过虚拟现实技术对学生在学习过程中所提出的各种假设进行模拟,直接观察到这一假设所产生的结果或效果。这有利于激发学生的创造性思维,培养学生的创新能力。例如,利用虚拟技术,学生还可以进行温室效应的探索学习,从而分析城市建设对周边环境以及园林绿地和水体对城市小气候的相互影响,探索景观建筑设计新的研究方向。

3.实验实训

是指利用虚拟现实技术建立数字城市与风景园林技术平台,进而方便地创建如规划、建筑、照明、水景、工程机械等各种虚拟实验室,方便师生实验实训。

在虚拟景观建筑实验室里,学生可以对自己设计的景观建筑进行反复的修改和论证,并研究加入“时间因素”后的四维模拟,真实感受时间的艺术,也可以进行建筑环境的分析以及建筑物对周边环境影响的研究。在虚拟照明实验室里,学生可以研究不同电光源在不同配光方式和投光方法下的照明和景观效果,进行道路、广场、建筑、庭院、水景、树木、雕塑、溶洞等各种照明实验。在虚拟的水景工程实验室里,学生可以组装水循环系统,了解工艺流程,研究不同流量和扬程下各种喷头组合的水型效果以及配上灯光后的夜景效果。

虚拟现实的沉浸性和交互性,使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色,全身心地投入到学习环境中去,这非常有利于诸如园林工程机械操作、园林栽培和修剪等各种职业技能的训练。例如,在虚拟的园林起重机训练系统中,学员可以反复操作仿真控制设备,练习在各种用地环境下操作园林起重机的驾驶、起吊和准确落点等,达到熟练掌握相关技能的目的。而虚拟修剪系统也可以低成本地模拟修剪,掌握各类植物修剪的关键,并可直观地评价修剪后的效果。

虚拟现实技术在规划设计领域的运用已得到国内外学者的重视,在景观规划设计方面,国内研究主要集中在景观建模、可视化表达以及技术运用的介绍性研究成果。在历史文化景观再现研究中,景观所包含的历史和文化的内涵,最终都通过人们的感知而传递。作为一种利用人们的感知和构想,具有三维表现力并且富于交互性,从而可以很好地模拟现实的技术,虚拟现实技术在历史文化景观中的应用将会是激动人心的。

虚拟现实技术改变了人们只能从现实生活中获得感知的方式,通过计算机模拟人类的感知,从而制造一个虚拟世界。如果说虚拟现实技术拓展了人们的感知能力,这样一个虚拟世界则增加了人们的生存空间,改变了人们的生活方式。虚拟现实技术还提供了一种超越时间和空间约束,提供人们逼真体验的手段。从时间上说,虚拟现实技术不仅可以模拟现在存在的,再现以前有而现在不存在的,而且可以通过构想,模拟以后可能有的,甚至可以构造现实生活中不可能有的现象和体验。而从空间上来说,虚拟现实可以在甲地模拟乙地的风景,从而用户在甲地就可以体验到身处乙地的感受。这使得人们生活的空间扩大,可以得到的实践和体验增加,如果说人生的价值在于一种实践和体验,这无疑增加了人生所具有的价值。虚拟现实技术还提供了一种超越时空进行信息传递的方式,分布式虚拟现实中,人们可以与来自地球另外一端的用户相遇在一个虚拟世界中,看到彼此的表情和动作,相互进行语言沟通等。

一虚拟现实与虚拟世界 一个虚拟现实系统具有以下三个基本特征,通常称为虚拟现实的特征:(1)沉浸感(Immersion);(2)交互性(Interaction);(3)构想性(Imagination)。根据虚拟现实系统所倾向的特征的不同,虚拟现实系统一般分为四类:桌面虚拟现实系统,沉浸式虚拟现实系统,增强现实系统及分布式虚拟现实系统。虚拟现实技术主要提供给用户一个直观并具有很强交互性的与计算机系统交互的界面。所以其本质是一种人机界面技术,它使人们与计算机打交道的方式产生了革命性变化,使人们的生活方式随之发生变革,它同时是一种影响了或即将影响普通用户生活的特殊文化现象。

第四篇：虚拟现实技术及其教学应用

虚拟现实技术及其教学应用

2011-04-07 10:17:55 作者：李志刚 张超

摘 要 本文对虚拟现实技术的定义及特征进行了描述，对虚拟现实技术应用于教学的作用意义进行了分析探讨。

关键词 虚拟现实；教育技术；教学应用

2010年的上海世博会，参观人数超过7200万，创历届世博会参观人数之最，而同时推出的上海世博会的网上展馆，则创出了2.8亿次的点击访问量。网上世博会和电影《阿凡达》让虚拟现实技术展示了巨大的吸引力，正如澳大利亚新南威尔士大学教授罗伯特·路易斯(Robert Louise)所说:“它的作用远不只展示和娱乐”，虚拟现实技术的触角已经渗入到了人类生活的方方面面。

一、虚拟现实技术简述

虚拟现实(VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。

虚拟现实技术具有多感知性（Multi-Sensory）、交互性（Interactivity）、浸没感（Immersion）和构想性（Imagination）四个重要特征。

所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

浸没感又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。构想性强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

如今，虚拟现实技术的应用已大步走进军事航天、工业仿真、游戏动漫、教育培训、城市规划、医疗救治等领域。虚拟现实技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索客观世界规律的三大手段。

二、虚拟现实技术的教学应用

在以往的教育中，学习者始终生活在两个世界的时空环境中，一个是经验世界（实践中学习），另一个是语言文字的世界（书本中学习），两者往往相互脱节，即理论脱离实际。而由多媒体与仿真技术相结合产生的虚拟现实技术，创造出了第三个世界-----虚拟现实世界，它将成为沟通前两个世界的重要桥梁。我国学者桑新民教授在探索信息化环境下高校学习新模式的过程中，率先提出：必须把“三个世界”的学习经验综合起来，促成三者的有机结合。指出要充分利用虚拟现实情境之独特优势，去引导和促进学习者在经验世界和语言文字世界中实现学习活动与学习经验的整合，不断激励和提高学习者在“三个世界”中学习的自主性、协作性和创造性。

⒈拓宽视野，激发学习热情

通过虚拟现实技术，一方面可以再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学习者提供生动、逼真的感性学习材料，使抽象的概念理论直观化、形象化，方便学习者对抽象概念的理解；另一方面虚拟现实技术使学习者能够按自己的需要来进行实时的交互式学习，主动地获取所需要的知识，由被动式的接受转化为主动式的发现。虚拟现实技术还可让学习者学习到和体验到现实生活中具有微观性、瞬变性、危险性、长期性且用别的方法很难观察和验证的各种事物，从而提高这类特殊知识的可接受性。在课堂上，教员可以陪同学习者一起经历虚拟境界，一边观察一边讲解；也可以让学习者自己利用虚拟景物、虚拟环境等进行仔细观察自主学习进而理解有关的概念及知识。通过这种对虚拟景物和虚拟环境的交互式学习，能有效发挥学习者的主观能动性，使学习者真正参与到教学活动中去，成为学习过程中的主体，变被动为主动，并激发出较高的学习热情和空间想象力。

⒉便于探究，培养创新能力

虚拟现实技术允许学习者对模拟的环境可交互、可操纵、可建构，可直观地观察到学习过程中所提出的各种假设所产生的结果或效果，适合开展探究性的学习。例如，有一个名叫“电子工作台”(Electronic Workbench;EWB)的软件系统，允许学习者利用它提供的元件构造各种模拟电路和数字电路，并能动态测试电路的性能；还有一个名叫“交互性物理”(Interactive Physics;IP)的软件系统，允许学习者构造属于经典力学系统的大部分实验；在虚拟的化学系统中，学习者可以按照自己的假设，将不同的分子组合在一起，电脑便虚拟出组合的物质来。利用虚拟现实技术进行探究性学习，更有利于激发学习者的创造性思维，培养学习者的创新能力。⒊突破瓶颈，提高实验效益

利用虚拟现实技术进行虚拟实验教学，可以有效地突破时间、空间、经费和危险性等现实条件的制约，大到宇宙天体，小至原子粒子，学习者都可以进入其内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以很快地呈现出来。例如生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟现实技术在一堂实验课内就可实现。在虚拟实验室里，学习者通过各种感觉（视觉、听觉、动觉和触觉等）与虚拟的学习情境相互联系并交互作用，进一步加深了对事物现象和规律的认识，有效地促进了学习者在经验世界和语言文字世界中实现学习活动与学习经验的整合，大大提高了学习者的学习兴趣和学习效果。

⒋模拟训练，轻松掌握技能

虚拟现实的沉浸性和交互性，使学习者能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，并全身心地投入到该学习环境中去，这非常有利于学习者达到动作技能类教学目标要求。例如空军某学院研制的Su27驾驶模拟器，采用多通道图形生成技术，建立了大视野视景环境，配合接近实物的驾驶舱，使学习者可以完成基本驾驶技术、编队飞行以及部分空战战术的训练；澳大利亚新南威尔士大学模拟出矿坑内的常见问题，让矿工们针对瓦斯管理、煤层自燃、危险预警、隔离程序、自主逃生等各种环节进行训练等等。在这些既与现实条件相符又无任何危险的虚拟训练系统中，学习者可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。⒌携手网络，改革教学结构

随着网络技术和虚拟现实技术的日趋成熟，教学活动不再局限于有形的教室中，而向虚拟课堂、虚拟大学、虚拟学习社区发展，基于网络的虚拟化学习，将会成为未来教育的一种全新的教学方式。虚拟现实技术不仅能向学习者提供一种可在实际生活中找到的情境和经验，还可以再现特定的环境。利用虚拟现实技术与网络结合，可以打破时间和空间的限制，进行交互式的、图文并茂的、智能型的、分布式的教学，并通过网络传输逼真的教学和学习环境，从而使学习方式由传统的“独学”变为“群学”，使学习结构从“封闭”变为“开放”，最终可以使教学从“知识传授”转变为“知识建构”。例如，在基于共享型虚拟现实系统设置的网上协同实验室中，身处不同位置的学习者组成一个个学习小组，所有学习小组构成一个学习型社区。他们一起设计实验，并通过模拟软件观看实验结果，直到认为方案成熟，才转移到真实实验环境中去完成实验。教师在整个实验过程中监控每一个成员的表现并及时进行个别化的辅导。

虚拟现实技术应用于教学的最成功案例，莫过于哈佛大学克里斯·德迪博士率领开展的一项为期十年的基于多用户虚拟环境（Multi—User Virtuai Environment, MUVE）的中学科学教育项目：River City。正如德迪博士在2009年《科学》杂志上对River City总结的那样，与传统教学相比，大部分学生在这种沉浸式的模拟环境中都获得了更多的关于科学探究的知识和技能；学生能够形成一种深度参与，非常有利于发现复杂问题的技能与发展；有利于那些成绩差的学生建立起学业上的自信。River City在北美地区产生了广泛影响，被作为新型数字化学习及评价方式的典型选入美国《2010年教育技术规划》，也受到了具有“数字未来学家”之称的唐·泰普斯科特的推崇。

由于虚拟现实所依托的软硬件技术科技含量和开发费用高、技术复杂、实现难度大等原因，目前在教育领域还只是运用于少数的教学、培训、实验、参观等方面，且尚没有形成完善的运用模式。然而虚拟现实技术作为一种新涌现的教育技术，具有令人鼓舞的美好前景。有远见的教育工作者把虚拟现实看做是基于计算机的教学系统的下一个合乎逻辑的发展步骤。人们必将应用虚拟现实技术来进一步改进学习过程和创造新的学习系统。

参考文献：

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[4]曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海交通大学出版社.1997 [5]梁林梅,李晓华.让技术为学生提供更强大的参与经验[J].中国电化教育,2010.9 关键词：虚拟现实技术及其

第五篇：虚拟现实技术在博物馆中的应用探讨

虚拟现实技术在博物馆中的应用探讨

摘要：虚拟现实技术是利用计算机科技，将编辑好的三维数据通过各种不同的传输途径呈现在人们面前的新兴科技。博物馆是征集、典藏、陈列和研究代表自然和人类文化遗产的实物的场所，是对公众开放的非营利的，为社会发展提供服务，以学习、教育、娱乐为目的的永久性机构。本文将从虚拟现实技术的特点和博物馆应用方面探析二者的结合。关键词：虚拟现实技术；博物馆；技术应用

一、虚拟现实技术

虚拟现实技术（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。将编辑好的三维数据输入到虚拟现实软件的程序中，然后用直观的方式将信息展现到人们眼前，使人们能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，让人们可视、可知、可感，甚至是可嗅。

虚拟现实技术可跨越地域的限制，将人们无法亲临的景物呈现在人们的眼前，更可直观的剖析很多无法拆卸和展示的事物。使人们更深入的了解事物的本质和内涵。

二、虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术已经广泛应用在我们生活的各个角落。应用在商业上，可以缩短开发周期，减少投资费用。应用在医学研究上，可以数字化人体结构，虚拟手术过程，很好的解决了人体实验对象资源匮乏的问题。应用在娱乐行业，虚拟滑雪场、4D电影等更是丰富了消费者的娱乐生活。

现在虚拟现实技术更进一步深入到了教育行业。虚拟校园、虚拟教学、虚拟博物馆的出现，改善了传统语言教学的略显枯燥的教育方式。使人们更直观、更深刻的获取知识信息。

三、虚拟现实技术在博物馆中的应用

博物馆是人们学习知识、参观文物、感受文化的地方，其社会意义强、教育功能直接，国家重视博物馆建设，主张更多的博物馆向社会开放。把虚拟现实技术应用到博物馆中，不仅能够加强博物馆的社会功能和教育功能，同时也为博物馆新的运作模式提供了可实践的方式，转变传统博物馆随走随看、走不到看不见的情况。故宫文化资产数字化应用研究所利用虚拟现实技术制作了四部大型虚拟现实作品，利用虚拟现实打造的互动展示、自主选取视角等技术，让人们感受到了虚拟现实博物馆的奇妙。

虚拟现实技术可以应用到博物馆数字技术的各个层面，它可用于馆内展品和古建筑的数字展示与数字保存、也可用于展品和古建筑的虚拟修复与文化遗产监测、还可用于博物馆展品随展以及博物馆之间的展览合作。虚拟现实技术应用到博物馆中意义重大，能够在保护文化遗产不受损害的同时，更好的满足观众和游人的参观游览需求。

（一）.基于文物保护目的的虚拟现实技术应用

基于文物保护的目的，博物馆内的展品都收藏在展柜中，受到展柜空间的限制，观众无法近距离观看展品细节，也看不到文物被展柜遮挡的部分，虚拟现实技术解决了这一难题。它将文物的信息利用计算机数据化展示，逼真的呈现在观

众面前。更可外接感应终端，模拟文物形态、重量等外部特征。观众可通过对感应终端的操作，实现对虚拟文物的旋转、放大缩小等操作。从而实现了真实文物无法提供的新颖的交互式参观模式。

（二）.基于古建筑保护与内部展示的虚拟现实技术应用

基于古建筑保护的目的，很多时候，观众只能在围栏外或者隔着玻璃参观古建筑内景，受到室内光线和参观距离的限制，室内陈设模糊不清，往往无法达到理想的参观效果。虚拟现实技术引入后，可将文物古迹用数字化形式展现给观众，故宫博物院出品的《天子的宫殿》系列大型虚拟现实作品可带领观众在太和殿、中和殿、保和殿、养心殿和倦勤斋等实际游览中无法进入的著名宫殿建筑中无忧畅游，让观众零距离观赏宫殿内部陈设和古建筑原貌，在保护文物古迹不被损伤的同时满足了人们的求知欲。

（三）.基于文化内涵展示的虚拟现实技术应用 内涵是指事物内部包含的实质和意义，在众多博物馆中文物古迹中蕴涵的是中华上下五千年的历史积淀。利用虚拟现实技术可以将文物古迹背后的历史背景、宗教文化、传统制作工艺等文化内涵传达给观众。利用虚拟现实技术的特点，将这些文化内涵形象化、具体化，并配合动画、解说等后期效果，带给观众超越视觉感受的文化体验。

（四）.基于博物馆合作的虚拟现实技术应用 随着我国国际地位的提升，越来越多的外国友人了解并痴迷于中国的传统文化。我国各大博物馆也与许多国际知名博物馆建立了友好的往来关系。在共同探讨研究相关文物保护知识，交换展览展示经验的同时，博物馆之间会定期举办专题性的借展展览，以此来满足广大观众对异国文化的渴望。但是受到时间、距离以及相关条例的限制，每次参展的文物等级和数量都受到严格的控制，大型展品和宫殿建筑更是无法参展。虚拟现实技术挣脱上述种种束缚，它能将不可移动的宫殿建筑带到展览现场，也可以把宫殿建筑的建造过程和文物的制造工艺以交互式方式传递给观众。虚拟现实技术在随展中的应用丰富了借展内容，把更多的知识信息带给观众，吸引了更多参观者，更好的完成了博物馆文化传播的社会职能。

（五）.基于文物虚拟修复与数据保存的虚拟现实技术应用

光阴荏苒，博物馆中的大量文物古迹都出现脆化、脱色、剥落等现象。保护和修复这些文物古迹也是博物馆日常工作的重中之重。利用虚拟现实技术可以数字化记录文物古迹的现实状态，跟踪监测受损程度，还可以制定出相应的虚拟修复方案，预先模拟修复过程，检验修复技术和手段的可行性，从而避免直接人工操作带来的不必要的文物损伤。同时，这些高精度的数据可以保持起来，以便日后开展更精密的研究工作。总结：

虚拟现实技术的发展前景十分乐观，它在博物馆界的应用也会越来越广泛，越来越深入。它能更好的发挥博物馆的社会功能和教育功能，不断为博物馆的发展注入新的活力。参考文献：

[1]吕晓刚.从文化遗产地的表象还原到内涵表达[J].中国传媒大学出版社，2012 [2]姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2004(23)