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自20世紀80年代以來，以多媒體技術(shù)、人機接口技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能等學(xué)科為支撐的虛擬現(xiàn)實技術(shù)迅猛發(fā)展，逐漸滲透到經(jīng)濟、文化、軍事以及人們生活等諸多方面，成為近年來國際科技界關(guān)注的一個熱點。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也以極快的速度滲入教學(xué)領(lǐng)域，為教育的發(fā)展提供了一個極好的契機。對于教育事業(yè)來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能將三維空間的意念清楚的表示出來，能使學(xué)習(xí)者直接、自然地與虛擬環(huán)境中的各種對象進行交互作用，并通過多種形式參與到事件的發(fā)展變化過程中去，從而獲得最大的控制和操作整個環(huán)境的自由度。因此，該項技術(shù)的發(fā)展在很多教育與培訓(xùn)領(lǐng)域，具有明顯的優(yōu)勢和特點。謀求虛擬現(xiàn)實技術(shù)更合理地應(yīng)用于教育教學(xué)，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建更和諧的教育環(huán)境已成為一個新興的教育研究課題。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的原則

(一)促學(xué)為本，實用為先

所謂虛擬現(xiàn)實技術(shù)(virtuaIReaIity，簡稱VR)，是指利用計算機生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術(shù)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)叮以讓用戶使用人的自然技能對世界中的物體進行考察或操作，同時提供視、聽、摸等多種直觀而又自然的實時感知。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)將以促進學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)為根本目的，先進的技術(shù)手段也將服務(wù)于教學(xué)需求。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)自身的發(fā)展，已出現(xiàn)了多層次化的發(fā)展趨勢，按其交互和浸入程度的不同可以被分為桌面式、沉浸式、疊加式和分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等四類。其中桌面式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過相對低廉的硬件產(chǎn)生較真實的效果，比較簡單，需要投入的成本也不高，在教育領(lǐng)域內(nèi)有著相當(dāng)?shù)陌l(fā)展遠景，易于普及。桌面式虛擬現(xiàn)實技術(shù)僅使用個人計算機和低級工作站，把計算機的屏幕作為參與者觀察虛擬環(huán)境的一個窗口，使用簡單的外部設(shè)備(如：鍵盤、鼠標(biāo)、力矩球、立體眼鏡等)來駕馭虛擬環(huán)境和操縱虛擬物體。使學(xué)習(xí)者能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這對他們的技能訓(xùn)練非常有利。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以進行例如軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、教學(xué)技能、體育技能、汽車駕駛技能、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練。由于這些虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險，學(xué)習(xí)者可以反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。像北京航空航天大學(xué)計算機系虛擬現(xiàn)實與可視化新技術(shù)研究室在國家863計劃支持下，作為集成單位，與國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、中科院軟件所和解放軍測繪學(xué)院等單位一起建立了一個用于虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究和應(yīng)用的分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺(DVENET)。在該平臺中可以實現(xiàn)包含遠程的數(shù)十個武器虛擬平臺在同一塊逼真地形下進行協(xié)同作業(yè)或?qū)寡菥殹⒀萑藛T(即用戶)可以通過不同的交互方式控制真實的或虛擬的武器仿真平臺在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中進行異地協(xié)同與對抗戰(zhàn)術(shù)演練。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了皮亞杰“把實驗室搬到課堂上去”的設(shè)想與實踐，也符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論關(guān)于“學(xué)習(xí)是一種真實情境的體驗”的觀點。

(二)樂用為本，適用為上

嘗試虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的運用，要求教師在教學(xué)設(shè)計中尋找到虛擬現(xiàn)實與教學(xué)的最佳結(jié)合點和切人點。虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于教學(xué)必須適當(dāng)。目前來講開發(fā)一個虛擬系統(tǒng)耗時費力，并不是件容易的事，而我們的教學(xué)也不是所有的內(nèi)容都需要運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以從時間效能上優(yōu)化選擇，適合用多媒體技術(shù)的用多媒體，適合用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的就用虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

嘗試在教學(xué)中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)必須適度，教學(xué)內(nèi)容和表現(xiàn)形式必須統(tǒng)一，還要注意給學(xué)習(xí)者留下足夠的思考空間，運用不適當(dāng)反而會使學(xué)習(xí)者沉浸在虛幻的世界中，難以自控。虛擬現(xiàn)實有其二重性：對于人的感官來說，它是真實存在的；對于所構(gòu)造的物體來說，它又是不存在的。因此，能利用這一技術(shù)模仿許多高成本的、對人有危險的、或目前尚未出現(xiàn)的真實環(huán)境是極有價值的。例如，“仿真物理實驗室”系統(tǒng)中，就使學(xué)生可以通過親身實踐——做、看、聽的方式來學(xué)習(xí)。使用該系統(tǒng)，學(xué)生們可以停止時間的推移，以便仔細觀察彈簧振子在關(guān)鍵點的運動軌跡隨時間的變化過程；可以很容易的演示和控制物體的平拋運動的運動；還可以通過交互式數(shù)據(jù)模擬“讓小車沿長木板勻速運動”等各種實驗，從而較深刻地理解物理概念和定律。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)是一項全新的課題，沒有多少現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒。但正因為沒有經(jīng)驗，正因為困難重重，這個課題所擁有的創(chuàng)造空間必然是空前廣闊的。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于教學(xué)的功能優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機產(chǎn)生一種人為的空闖環(huán)境，通過多種專用設(shè)備讓用戶在視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多種感官上產(chǎn)生一種沉浸于虛擬環(huán)境的感覺。與傳統(tǒng)的人機交互技術(shù)相比，虛擬現(xiàn)實具有三個最突出的特征：交互性、沉浸感和想象性。這些特征應(yīng)用于教育中主要有以下方面突出的優(yōu)勢。

(一)創(chuàng)設(shè)交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于促進學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變

《新課程標(biāo)準》強調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，積極倡導(dǎo)自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式，重視學(xué)生主動積極的參與意識和精神。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)計算機生成的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設(shè)備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和互動。這種技術(shù)方法不僅僅局限于常規(guī)的屏幕顯示設(shè)備，而是多通道的人機交互模式，讓學(xué)習(xí)者感覺似乎離開了自身所處的外部真實環(huán)境，已經(jīng)沉浸在虛擬世界中，成為系統(tǒng)的組成部分。此時學(xué)習(xí)主要不是依賴教師的講授，而是依靠學(xué)習(xí)者與環(huán)境的互動由學(xué)習(xí)者通過自身的感受，經(jīng)過大腦思考和分析，形成目標(biāo)實施策略，通過界面操作，系統(tǒng)接收信號，智能化地進行反饋，達到真正意義上的交互。這種探索性的學(xué)習(xí)，更有利于學(xué)習(xí)者進行自主的建構(gòu)式學(xué)習(xí)。使人有可能從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中得到感性和理性的認識，進而深化概念、產(chǎn)生新意和構(gòu)想，主動地尋求、探索和接受信息。這一學(xué)習(xí)方式和原來的接受型、被動型的學(xué)習(xí)方式從本質(zhì)上是不同的。學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變不僅僅是學(xué)習(xí)方法的轉(zhuǎn)變，還涉及學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)意識、學(xué)習(xí)品質(zhì)等心理因素和心理力量。

(二)提供多元化認知工具，有利于促進師生角色的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)教學(xué)中，教師往往直接掌握教學(xué)活動，學(xué)生的主體地位受到很大的限制，學(xué)生合作少，探索性、創(chuàng)造性不易發(fā)揮。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使教師的角色由傳統(tǒng)意義上知識的傳授者、控制者，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)活動的引導(dǎo)者、促進者和支持者。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以從三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等多途徑，讓學(xué)習(xí)者感覺自己融合在虛擬環(huán)境中，這不僅意味著把學(xué)習(xí)的主動權(quán)重新交給了學(xué)生，更意味著教師教的方式產(chǎn)生了根本的轉(zhuǎn)變：由灌輸變?yōu)閱l(fā)、由領(lǐng)導(dǎo)變?yōu)檎T導(dǎo)、由命令變?yōu)閹椭亩挂越處煘橹行模瑢W(xué)生圍著老師轉(zhuǎn)的教學(xué)模式變成以學(xué)生為中心，老師為學(xué)生學(xué)習(xí)提供支持。這種支持可能是直接面對面的幫助，也可能是通過環(huán)境變量的控制進行的間接的幫助。由學(xué)生自己決定學(xué)什么，怎么學(xué)。

(三)虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于教學(xué)的價值取向

1．從關(guān)注運用新興技術(shù)到關(guān)注教學(xué)內(nèi)涵和效果

在教學(xué)中，新技術(shù)的使用都是為了提高教學(xué)效果。有時看似新鮮的技術(shù)反而阻礙了老師的創(chuàng)造思維，更改了原來的優(yōu)秀教學(xué)計劃，固然使課堂活躍了、使學(xué)生活躍了，但這卻是以課堂內(nèi)涵和教學(xué)效果的弱化為代價的。表面上看是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于教學(xué)了，實際上卻違背了教學(xué)的宗旨。在不斷的實踐中更多地關(guān)注運用新技術(shù)后，是否提升了課堂的內(nèi)涵，是否優(yōu)化了教學(xué)效果，是否有利于促進學(xué)生發(fā)展?并且逐漸提高每次課堂教學(xué)、每個教學(xué)環(huán)節(jié)的效率的意識。

2．從關(guān)注少數(shù)學(xué)生到關(guān)注更廣泛的學(xué)習(xí)群體受到班級集體授課形式的制約

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中．教師對學(xué)生群體的關(guān)注往往不夠廣泛，往往只是比較積極的一部分同學(xué)活躍在教師的視野之內(nèi)，而缺乏學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動機的學(xué)生往往保持沉默。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學(xué)的整合中，教師可以運用虛擬技術(shù)手段，盡可能使每一個學(xué)習(xí)者都身臨其境，感受學(xué)習(xí)氛圍，調(diào)動每位學(xué)習(xí)者的積極性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動機。

3．從關(guān)注知識的傳授與獲得到關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與方法

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到教學(xué)的探索中，若很多教師依然如往常一樣將教學(xué)活動的重點放在相關(guān)知識的傳授和相關(guān)結(jié)論的告知上，虛擬現(xiàn)實技術(shù)所起的作用僅僅是輔助教師教學(xué)的工具，其啟發(fā)學(xué)習(xí)者思考、促進發(fā)展的內(nèi)在功能并沒有被激發(fā)出來。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)不僅意味著是他接受了多少知識或結(jié)論，更是一個發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的動態(tài)過程，如果沒有學(xué)習(xí)者的質(zhì)疑、判斷、比較、選擇、分析、綜合，沒有多種觀點的碰撞和論爭，學(xué)習(xí)者很難學(xué)會獲得知識的方法。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用的過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注自己的學(xué)習(xí)過程，引導(dǎo)學(xué)生反思自己在學(xué)習(xí)過程中所采用的方法，從而使學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和成熟，它將更準確地模擬和表現(xiàn)那些在現(xiàn)實中存在的，但在課堂教學(xué)環(huán)境下用別的方法很難做到或者要花費很大代價才能顯現(xiàn)的各種事物。利用其交互性、沉浸性和操作性的特點來表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的主動性和創(chuàng)造性，解決教學(xué)中的重點和難點，促進學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)素材的探索，提高教育教學(xué)的效能。我們相信虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一個新型的教育媒體，能使真實問題通過虛擬手段獲得認知，解決以前無法解決的問題，將給教育帶來一系列的重大變革，并逐漸受到教育工作者的重視和青睞，最終在現(xiàn)代教育領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用，營造一個更和諧、更有效的教育環(huán)境。