教育中虚拟现实技术的应用研究
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摘要：教育技术未来的发展趋势之一将会是虚拟现实技术，其交互性、沉浸性和构想性是未来计算机在各领域中应用的理想因素。基于虚拟现实技术的教育、学习环境是实现对现实教学方法、思维方式、感知行为和控制手段等的模拟。本文通过国内外大量前沿应用实例，介绍并总结了虚拟现实技术在教育应用领域中的特点、应用和发展前景。
关键词：虚拟现实技术；教育技术；虚拟现实建模语言；三维
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)20-30301-02
Application of Based on Virtual Reality Technology for Education
YE Su1, WANG Hao-peng2
(1. Educational Technology Center, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China; 2. Department of Computer, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)
Abstract: Virtual Reality technology is one of an important application for education technology in the future. The characters of Interaction, Immersion and Imagination are the ideal factors for computer application in all kind of fields. Educational and learning environment simulate learning methods, thoughts methods, sensorial behaviors and control methods base on Virtual Reality. The paper discussed and summarized the characters, application and development of education application both at home and abroad in the future with some typical examples.
Key words: Virtual reality technology; Educational technology; Virtual Reality Modeling Language; 3D
1 引言
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），也称灵境技术，人工环境或赛博空间，最初于20世纪80年代由美国国际计算机科学院高级研究科学家Jaron Lanier提出。VR技术是利用计算机系统、多种虚拟现实专用设备和软件构成的一种虚拟环境，实现人与虚拟环境直接进行自然交互和沟通的技术。人在虚拟现实环境中可以获得与在自然环境中相同的感受，真实体验视觉、听觉、触觉及智能感知的直观、自然的效果。21世纪初，VR技术处于多元化的迅猛发展时期。一方面，借助计算机技术、网络技术、多媒体技术等得到高速发展；另一方面，与专业技术（如数字地球、虚拟机械装配、军事与航空航天、农业与专家系统、医学应用、教育等）的融合，使VR技术得到更广泛应用。
对教育领域现今的教学方式，不再是单纯的依靠书本、教师授课的形式。计算机辅助教学的引入，弥补了传统教学所不能达到的许多方面。通过VR技术，在表现一些空间立体化的知识，如微观世界的运动、分解、结合过程，机械运动模拟再现等，这些表现形式使学习过程形象化，学生更容易接受和掌握。特别是将网络技术与虚拟现实技术的融合，开发实时性、交互性更强的计算机远程教育系统，将是VR技术在未来中的重要应用方向。
2 虚拟现实在教育中的应用
教学媒体可分为文字（Text）、图形（Graphics）、声音（Sound）、影像（Image）、动画（Animation）和影片（Video）等，透过VR技术能给信息化教育技术带来全新的面貌和效能，应用VR制作科研、教学软件，使文字、图形、声音、影像、动画、影片和交互功能联系在一起，构成一个完美的教学系统。VR在教育中的具体应用主要在以下几个方面：
2.1 科技研究应用
当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化为实用技术，如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。
基于VR技术的虚拟学习环境能够为学生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示（如图1所示）等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。
2.2虚拟实验教学应用
虚拟实验利用VR技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等，拥有传统实验室难以比拟的优势：
第一，节省成本。由于设备、场地、经费等硬件的限制，许多实验都无法进行。而利用虚拟现实系统，学生足不出户便可以做各种实验，获得与真实实验一样的体会。在保证教学效果的前提下，极大的节省了成本。
第二，规避风险。真实实验或操作往往会带来各种危险，利用VR技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的实验。例如：在进行电化学实验科目，可免除学员操作失误而造成意外伤害、事故（如图2所示）。
第三，打破空间、时间的限制。利用VR技术，可以彻底打破时间与空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过VR技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。
2.3 虚拟实训教学应用
虚拟实训基地是利用VR技术建立起来的训练基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。同时，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，非常有利于学生的技能训练。比如，军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技、电器维修技能等各种职业技能的训练等。由于虚拟的训练系统无任何危险，受训者可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，受训者可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。
2.4 虚拟仿真校园应用
今年来，教育部在一系列相关的文件中，多次涉及到了虚拟校园，阐明了虚拟校园的地位和作用。虚拟校园也是VR技术在教育培训中最早的具体应用，它由浅至深有三个应用层面，分别适应学校不同程度的需求：
（1）简单的虚拟校园环境供游客浏览（如图3所示）；
（2）基于教学、教务、校园生活，功能相对完整的三维可视化虚拟校园；
（3）以学生为中心，加入一系列人性化的功能，以VR技术作为远程教育基础平台。
2.5虚拟远程教育应用
基于VR技术的虚拟远程教育可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所。通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网作为校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。
3 总结
随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，虚拟现实技术在科技研究、虚拟仿真校园，虚拟教学、虚拟实验，教育娱乐等方面的应用更为广泛性，推动了计算机及其前沿技术在教育领域中的深入应用与融合。虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，最终在教育培训领域广泛应用并发挥其重要作用。
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