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[摘要]虚拟现实技术是近年来十分活跃的技术研究领域，将虚拟现实技术应用于教育领域，可以为学习者营造一种自主学习的环境，从而实现对知识的主动构建。本文介绍了虚拟现实技术的概念以及虚拟现实技术在教育领域中应用的理论基础，并阐述了虚拟现实技术在教育领域中的实现意义，以“蒸气锅炉仿真与演练系统”为例，介绍了将虚拟现实技术应用于教育领域所用到的导航策略、交互功能等关键技术。
[关键词]虚拟现实技术 教育教学 交互操作
一、虚拟现实技术简介
虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，是多媒体技术发展的更高境界，它能给用户以逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界以及种种原因不便于直接观察的事物运动变化规律，提供了极大便利[1]。由于它的诱人前景，一经问世立即受到了人们的高度重视，在航空航天、军事、科学研究、工业生产、卫生医疗等领域已经得到了成功的应用，并取得了显著的经济效益。
将虚拟现实技术应用于教育领域，可以说是教育技术发展的一个飞跃。它营造了自主学习的环境，是一种学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。
二、虚拟现实技术在教育领域中应用的理论基础
（1）情境认知理论
情境认知理论从20世纪80年代兴起，90年代逐渐形成。作为一种能提供有意义学习，并促进知识向真实生活情境转化的重要学习理论，它从某种程度上改变和深化了人们对学习的认识，并促进了教育理论和实践领域的全面改革。它主张知识是情境性的，学习是在一定的情境下，借助其他人的帮助即通过人际间的协作互动而实现的意义建构过程[2]。依据情境认知理论，知识必须在真实情境中呈现，也就是说知识是具有情境性的，越接近真实的学习场景越能激发学习者的学习兴趣，促进知识的迁移和学习者对知识的主动构建。
（2）建构主义理论
建构主义理论作为国际教育改革的一种新的主流思想，已成为教育界的热门话题，它认为“学习不应该被看成是对于教师授予知识的被动接受，而是学习者以自身已有的知识和经验为基础主动的建构活动”。也就是说，学习者学习过程是在教师创设的情境下，借助已有的知识和经验，主动探索，积极交流，从而建立新的认知结构的过程。它强调了学习情境的重要性，认为学习者的学习是与真实的或类似真实的情境相联系的，是对真实情境的一种体验。学习者只有在这种情境下，利用必要的学习资源，才能有效地构建知识[3]。
虚拟现实技术正能很好的满足了这些理论要求：它能够提供反映知识在真实世界中运用方式的真实情境；能提供真实的活动；支持知识的合作建构；在恰当的时候提供指导和支撑；促进反思，以便有可能形成抽象；促进清晰表述，以便使缄默知识成为清晰的知识等等。
三、虚拟现实技术在教育领域中的实现意义
（1）丰富了授课内容
利用虚拟现实技术可以恰如其分的演示一些复杂的、抽象的、不便于直接观察的概念、过程以及现象，大到宇宙天体，小至原子粒子，学习者都可以进入这些物体的内部进行观察。一段需要几千年的进化过程，利用虚拟现实技术也可以在很短的时间内展示完成。这种对知识全方位、多角度的展示极大地丰富了课堂的授课内容。
（2）灵活的授课方式
利用虚拟现实技术模拟难以讲解的教学场景，使这些场景具有可视化和可参与性，这样一些枯燥的数字、程序、原理、流程等就变得生动而有趣，学习者通过与场景的互动，可以更加形象的掌握知识。另外不同的学生在同一个虚拟现实教学场景中会有不同的经历 ,也就是说同一个虚拟现实教学场景可以根据每个学生的不同情况进行仿真。这就为探索式学习、交互式学习提供了广阔的前景。
（3）节约了教学成本
利用虚拟现实技术可以虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实验室中进行，大多数技能也都可以在虚拟实训车间中进行训练，从而不必购置昂贵的实验实训设备。并且这些虚拟的训练系统没有任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本[4]。
四、虚拟现实技术在教学领域中的应用实例
本文将以蒸气锅炉的结构以及原理为例，介绍如何应用虚拟现实技术来阐述具体的教学实例。蒸气锅炉在实际生产中应用十分广泛，而其结构以及原理如果用传统的二维图片以及文字解释，则让学习者很难理解。这里，我们应用虚拟现实技术来阐述这个知识点，培养学习者的自主学习、合作学习以及探究学习的能力。
（一）导航策略的设计应用
三维虚拟学习环境中的虚拟场景为学习者提供了一个自由的空间，一方面符合了建构主义以“学”为主的教育观点，可以充分调动学习者的积极性和主动性，促进其对知识结构的积极构建。另一方面，学习者在自由的空间中极易迷失航向，变得不知所措。学习者的操作很容易偏离设计者的意图，为了对学习者的行为进行恰当的引导，我们在软件的设计过程中采用了导航策略，以确保实现最佳的教学效果。常用的导航策略可以分为以下几种：
（1）平面信息导航
这种导航是以平面结构的方式表现出来，具体信息可繁可简，主要取决于场景所展示信息的复杂程度。例如，在“蒸气锅炉仿真与演练”的虚拟场景中，如图1所示，在展示界面的右侧提供了平面导航按钮，这些导航按钮都与虚拟场景中的某个事件直接相关，点击链接便可以与场景进行交互。
图1：“蒸气锅炉仿真与演练”的虚拟场景中平面信息导航
（2）视点切换导航
当学习者对虚拟场景进行观察和操作时，利用视点切换导航可以迅速切换观察者在三维虚拟环境中的位置、视点方向以及视野宽度等。利用视点切换进行导航，非常适合于要求学习者多角度、多侧面进行观察、探索的场景。在本系统中，学习者可以通过控制键盘上的相应按键，来实现视点的切换，相应的键盘按键映射及其映射解释如表1所示。
表1:“蒸气锅炉仿真与演练”系统按键映射及其解释
(二）预置动画演示
在三维虚拟学习环境中，除了提供虚拟场景外，实际案例中还可以根据需要设计相关的三维教学动画，对实际中较难理解的结构、原理等进行仿真与模拟，帮助学习者构建认知情境，加快对知识的理解。在本实例中，动画部分主要是通过3ds Max以及虚拟实境编辑软件Virtools完成的。例如，利用3ds Max以及Virtools将蒸气锅炉的原理以动画的形式表现出来，当学习者需要学习这方面的知识时，点击相应的链接即可以进入动画的播放界面，从而欣赏和学习相关的知识。图2所示为蒸气锅炉原理三维动画演示的部分截图。
图2：蒸气锅炉原理三维动画演示截图
（三）虚拟场景中交互功能的设计实现
交互性是三维虚拟环境的一个重要特色，也是三维虚拟技术作为一种新的媒体形式应用与教学的主要优势，交互性行为的设计实现在三维虚拟学习环境中具有举足轻重的地位。
在本系统中，虚拟场景的交互性主要体现在以下两个方面：
（1）利用3ds Max以及Virtools构建了一个可以探索的三维虚拟环境，程序运行时，学习者可以在场景中进行任意方向与角度的漫游。
（2）学习者可以与所构建的虚拟场景中的物体进行交互操作，而场景中的物体也会根据学习者的不同动作做出实时放映，例如，用鼠标点击场景中的门把手，门把手便会旋转，进而实现开门的动作响应。图3 所示的为蒸气锅炉的组装以及启动操作时的部分场景截图。
图3：蒸气锅炉组装及启动操作时部分场景截图
五、虚拟现实技术在教学领域应用的过程中存在的问题以及展望
可以预测，随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术将广泛地应用于教育教学领域。但是，目前将虚拟现实技术应用于教育领域仍然存在一些的问题，如：
（1）三维虚拟环境与真实环境间的差异
学习者在虚拟的三维环境中学习，与在真实的环境中训练毕竟不同，如果仅考虑交互的真实性，那么无论如何身临其境，真正动手操作机器的效果要强于任何媒体教学。因此，虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作，它只能在一定程度上代替某些实验，而不能完全代替实践教学，尤其不能代替有创造性目的的试验。
（2）硬件设备的限制
要构建一个高质量的三维虚拟环境，需要昂贵的外部设备，无论是用于呈现给学习者的视觉、听觉、触觉感受的显示设备，还是用于获取移动对象实时位置和方向等信息的识别设备，都是价格不菲的。其次，为完成复杂场景的实时渲染，还需要高性能的图形工作站以及相应的软件，这些都成为了限制虚拟现实技术在教育领域中应用发展的障碍和瓶颈。
虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体和手段，目前已引起教育界的极大关注。随着计算机技术的发展，虚拟现实的硬件与软件成本的逐渐降低，这种新的教学媒体必将广泛应用于教育教学中，最终在现代教育领域中发挥其重要作用[5-6]。
[参考文献]
[1]李长山，刘小明.虚拟现实技术及其应用[M].石油工业出版社，2006
[2]王旭红.情境认知理论及其在教学中的应用[J].当代教育论坛，2008
[3]袁志远.用建构主义理论构建英语教学模式[J].教书育人，2007
[4]单美贤.虚拟实验原理与教学应用[M].教育科学出版社，2005
[5]George Siemens. Connectivism:A Learning Theory for the Digital Age[J].International Journal of Instructional Technology& Distance Learning，2005
[6] 韦有双.虚拟现实与系统仿真[M].国防工业出版社，2004
（作者单位：东北石油大学 软件学院）
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[关键词]虚拟现实技术 教育教学 交互操作
一、虚拟现实技术简介
虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，是多媒体技术发展的更高境界，它能给用户以逼真的体验，为人们探索宏观世界和微观世界以及种种原因不便于直接观察的事物运动变化规律，提供了极大便利[1]。由于它的诱人前景，一经问世立即受到了人们的高度重视，在航空航天、军事、科学研究、工业生产、卫生医疗等领域已经得到了成功的应用，并取得了显著的经济效益。
将虚拟现实技术应用于教育领域，可以说是教育技术发展的一个飞跃。它营造了自主学习的环境，是一种学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。
二、虚拟现实技术在教育领域中应用的理论基础
（1）情境认知理论
情境认知理论从20世纪80年代兴起，90年代逐渐形成。作为一种能提供有意义学习，并促进知识向真实生活情境转化的重要学习理论，它从某种程度上改变和深化了人们对学习的认识，并促进了教育理论和实践领域的全面改革。它主张知识是情境性的，学习是在一定的情境下，借助其他人的帮助即通过人际间的协作互动而实现的意义建构过程[2]。依据情境认知理论，知识必须在真实情境中呈现，也就是说知识是具有情境性的，越接近真实的学习场景越能激发学习者的学习兴趣，促进知识的迁移和学习者对知识的主动构建。
（2）建构主义理论
建构主义理论作为国际教育改革的一种新的主流思想，已成为教育界的热门话题，它认为“学习不应该被看成是对于教师授予知识的被动接受，而是学习者以自身已有的知识和经验为基础主动的建构活动”。也就是说，学习者学习过程是在教师创设的情境下，借助已有的知识和经验，主动探索，积极交流，从而建立新的认知结构的过程。它强调了学习情境的重要性，认为学习者的学习是与真实的或类似真实的情境相联系的，是对真实情境的一种体验。学习者只有在这种情境下，利用必要的学习资源，才能有效地构建知识[3]。
虚拟现实技术正能很好的满足了这些理论要求：它能够提供反映知识在真实世界中运用方式的真实情境；能提供真实的活动；支持知识的合作建构；在恰当的时候提供指导和支撑；促进反思，以便有可能形成抽象；促进清晰表述，以便使缄默知识成为清晰的知识等等。
三、虚拟现实技术在教育领域中的实现意义
（1）丰富了授课内容
利用虚拟现实技术可以恰如其分的演示一些复杂的、抽象的、不便于直接观察的概念、过程以及现象，大到宇宙天体，小至原子粒子，学习者都可以进入这些物体的内部进行观察。一段需要几千年的进化过程，利用虚拟现实技术也可以在很短的时间内展示完成。这种对知识全方位、多角度的展示极大地丰富了课堂的授课内容。
（2）灵活的授课方式
利用虚拟现实技术模拟难以讲解的教学场景，使这些场景具有可视化和可参与性，这样一些枯燥的数字、程序、原理、流程等就变得生动而有趣，学习者通过与场景的互动，可以更加形象的掌握知识。另外不同的学生在同一个虚拟现实教学场景中会有不同的经历 ,也就是说同一个虚拟现实教学场景可以根据每个学生的不同情况进行仿真。这就为探索式学习、交互式学习提供了广阔的前景。
（3）节约了教学成本
利用虚拟现实技术可以虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实验室中进行，大多数技能也都可以在虚拟实训车间中进行训练，从而不必购置昂贵的实验实训设备。并且这些虚拟的训练系统没有任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本[4]。
四、虚拟现实技术在教学领域中的应用实例
本文将以蒸气锅炉的结构以及原理为例，介绍如何应用虚拟现实技术来阐述具体的教学实例。蒸气锅炉在实际生产中应用十分广泛，而其结构以及原理如果用传统的二维图片以及文字解释，则让学习者很难理解。这里，我们应用虚拟现实技术来阐述这个知识点，培养学习者的自主学习、合作学习以及探究学习的能力。
（一）导航策略的设计应用
三维虚拟学习环境中的虚拟场景为学习者提供了一个自由的空间，一方面符合了建构主义以“学”为主的教育观点，可以充分调动学习者的积极性和主动性，促进其对知识结构的积极构建。另一方面，学习者在自由的空间中极易迷失航向，变得不知所措。学习者的操作很容易偏离设计者的意图，为了对学习者的行为进行恰当的引导，我们在软件的设计过程中采用了导航策略，以确保实现最佳的教学效果。常用的导航策略可以分为以下几种：
（1）平面信息导航
这种导航是以平面结构的方式表现出来，具体信息可繁可简，主要取决于场景所展示信息的复杂程度。例如，在“蒸气锅炉仿真与演练”的虚拟场景中，如图1所示，在展示界面的右侧提供了平面导航按钮，这些导航按钮都与虚拟场景中的某个事件直接相关，点击链接便可以与场景进行交互。
图1：“蒸气锅炉仿真与演练”的虚拟场景中平面信息导航
（2）视点切换导航
当学习者对虚拟场景进行观察和操作时，利用视点切换导航可以迅速切换观察者在三维虚拟环境中的位置、视点方向以及视野宽度等。利用视点切换进行导航，非常适合于要求学习者多角度、多侧面进行观察、探索的场景。在本系统中，学习者可以通过控制键盘上的相应按键，来实现视点的切换，相应的键盘按键映射及其映射解释如表1所示。
表1:“蒸气锅炉仿真与演练”系统按键映射及其解释
(二）预置动画演示
在三维虚拟学习环境中，除了提供虚拟场景外，实际案例中还可以根据需要设计相关的三维教学动画，对实际中较难理解的结构、原理等进行仿真与模拟，帮助学习者构建认知情境，加快对知识的理解。在本实例中，动画部分主要是通过3ds Max以及虚拟实境编辑软件Virtools完成的。例如，利用3ds Max以及Virtools将蒸气锅炉的原理以动画的形式表现出来，当学习者需要学习这方面的知识时，点击相应的链接即可以进入动画的播放界面，从而欣赏和学习相关的知识。图2所示为蒸气锅炉原理三维动画演示的部分截图。
图2：蒸气锅炉原理三维动画演示截图
（三）虚拟场景中交互功能的设计实现
交互性是三维虚拟环境的一个重要特色，也是三维虚拟技术作为一种新的媒体形式应用与教学的主要优势，交互性行为的设计实现在三维虚拟学习环境中具有举足轻重的地位。
在本系统中，虚拟场景的交互性主要体现在以下两个方面：
（1）利用3ds Max以及Virtools构建了一个可以探索的三维虚拟环境，程序运行时，学习者可以在场景中进行任意方向与角度的漫游。
（2）学习者可以与所构建的虚拟场景中的物体进行交互操作，而场景中的物体也会根据学习者的不同动作做出实时放映，例如，用鼠标点击场景中的门把手，门把手便会旋转，进而实现开门的动作响应。图3 所示的为蒸气锅炉的组装以及启动操作时的部分场景截图。
图3：蒸气锅炉组装及启动操作时部分场景截图
五、虚拟现实技术在教学领域应用的过程中存在的问题以及展望
可以预测，随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术将广泛地应用于教育教学领域。但是，目前将虚拟现实技术应用于教育领域仍然存在一些的问题，如：
（1）三维虚拟环境与真实环境间的差异
学习者在虚拟的三维环境中学习，与在真实的环境中训练毕竟不同，如果仅考虑交互的真实性，那么无论如何身临其境，真正动手操作机器的效果要强于任何媒体教学。因此，虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作，它只能在一定程度上代替某些实验，而不能完全代替实践教学，尤其不能代替有创造性目的的试验。
（2）硬件设备的限制
要构建一个高质量的三维虚拟环境，需要昂贵的外部设备，无论是用于呈现给学习者的视觉、听觉、触觉感受的显示设备，还是用于获取移动对象实时位置和方向等信息的识别设备，都是价格不菲的。其次，为完成复杂场景的实时渲染，还需要高性能的图形工作站以及相应的软件，这些都成为了限制虚拟现实技术在教育领域中应用发展的障碍和瓶颈。
虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体和手段，目前已引起教育界的极大关注。随着计算机技术的发展，虚拟现实的硬件与软件成本的逐渐降低，这种新的教学媒体必将广泛应用于教育教学中，最终在现代教育领域中发挥其重要作用[5-6]。
[参考文献]
[1]李长山，刘小明.虚拟现实技术及其应用[M].石油工业出版社，2006
[2]王旭红.情境认知理论及其在教学中的应用[J].当代教育论坛，2008
[3]袁志远.用建构主义理论构建英语教学模式[J].教书育人，2007
[4]单美贤.虚拟实验原理与教学应用[M].教育科学出版社，2005
[5]George Siemens. Connectivism:A Learning Theory for the Digital Age[J].International Journal of Instructional Technology& Distance Learning，2005
[6] 韦有双.虚拟现实与系统仿真[M].国防工业出版社，2004
（作者单位：东北石油大学 软件学院）
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”