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虚拟现实在中学教学中的应用

【摘要】虚拟现实是运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到象真实存在的一种技术。本文结合虚拟现实的特征，提出了虚拟现实在中学课堂教学中，实验教学等中运用，在教学中具有开创性的意义。

【关键词】虚拟现实，教学，应用。

虚拟现实（VirtualReality）是把客观上存在的或并不存在的东西，通过运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到象真实存在的一种技术。虚拟现实技术是在综合计算机图形学、计算机动模拟与仿真、传感技术、显示技术等许多计算机学科的基础上发展起来的一种计算机应用新领域。

一、虚拟现实及其发展历史

有人认为，80年代是个人计算机时代，90年代是多媒体时代，21世纪初则是虚拟现实技术时代。而虚拟现实技术的诞生可以追溯到上个世纪的六十年代。

1965年，IvanSutherland在篇名为《TheUltimateDisplay》（终极的显示）的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。

1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器HMD的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。

1984年，WilliaGibson写了一本名为Neuro－mancer的书，书中幻想计算机用户可以把自己的脑神经络接入计算机，这样用户便可以神游于由计算机模拟成的虚拟世界中。他把这个世界称为“控制空间”（CyberSPace）。在这以后，人们又提出了“虚拟现实”。“人工现实”、”远程现场控制”等设想，统称为虚拟现实技术。

基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的VPL公司的创建者JaronLamer在80年代初最后确定以虚拟现实（VirtualReality）一词作为这一领域的专用术语。

80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。1984年，NASAAmes研究中心虚拟行星探测实验室的和博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。

1990年在美国Dallas召开的Siggraph的会议上，对VR技术进行了讨论，明确提出了VR技术的主要内容是：实时三维图形生成技木、多传感器交互技术，以及高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向。

近年来，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。同时，VR技术也逐渐从飞行仿真、战争应用到教育、科研、娱乐、建筑、医疗、工业等各个方面。

二、虚拟现实的种类及特征

1．虚拟现实的种类：

实际应用的虚拟现实系统大体可分为四类：1）桌面虚拟现实系统，也称窗口中的VR，它成本低，主要用于CAD／CAM、建筑设计、教育教学等领域；本文中所提及的虚拟现实主要指这种类型。2）沉浸虚拟现实系统，使用头盔显示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的错觉；3）分布式虚拟现实系统，它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真（distributedinteractionsimulation）的基础上；4）增强现实。

2．虚拟现实技术的特怔

虚拟现实的特征可以表示为3I特征（Immersion、Interaction、Imagination）

（l）投入（Immersion）：这是VR系统的核心，指使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力。用户在虚拟场景中有“身临其境”之感。

（2）交互性（Interaction）：指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，它是人机和谐的关键性因素。

（3）构想（Imagination）：虚拟现实不仅仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。

三、虚拟现实在教学中的应用

虚拟现实应用于中学教学主要表现在以下两个方面：课堂教学中，实验教学。

1．课堂教学

课堂教学是教学的主要方式，也是虚拟现实运用于教学的主要战场。根据不同的学科，虚拟现实发挥着不同的作用，主要有以下方面的应用：立体物体的或英语在教学过程中经常采用情境教学法。在以往，学习情境的创设只能通过教师的言语，图片的展示，或者一些录像。学生大多只能被动地接受，对于一些情境，老师描绘的和学生理解的可能相去甚远。如在介绍《回声》一课时，虽然教师对“四声谷”、回音壁、三音石和圆丘等介绍了许多，或者也提供了图片或录象，但学生的理解还是有一定的困难。如果采用虚拟现实，让学生进入虚拟故宫（:s:///apac/gb/virtualcity），让学生自己动手，去游览一番回音壁、三音石，然后再对照课文，我想效果一定会很好的。如果有条件，采用沉浸的虚拟现实，让学生戴上头盔，面对虚拟的“四声谷”、回音壁、三音石和圆丘，进行声音反射试验，从而加深对这种奇妙的声学现象的理解。

在英语语言学习的环境创设上，科学技术先后为语言教学提供了音像视听、计算机辅助教学、多媒体、络远程教学等多种方法、手段和设备。随着科学技术的飞速发展，可以预言，在本世纪具有梦幻般魅力的虚拟现实技术将成为英语语言教学的重要手段。通过虚拟现实，学生可以和国外友人亲切交谈，也可以感受美国总统竞选时演讲的现场气氛。在由学生进行角色扮演时，虚拟现实也可以起到创设特定情境的作用。以往学生的角色扮演只能在教室里进行，所进行的表演带有很强的为表演而表演的成分，采用虚拟现实，可以使学生完全沉浸到教学所需要的环境中去，这对提高学生的外语综合能力无疑是一个很大的突破。如在指导学生进行shopping扮演时，可以利用虚拟现实创设特定的情境，如零售店或大型商场，这些场景都是课堂上所无法给予的。

2．科学实验

一般学校现有的条件下，有许多实验是根本不可能做的，如核反应实验，还有些实验是不能让学生做的，如涉及到放射性物质或有毒物质的部分。利用VR技术，可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。在教学中，许多昂贵的实验、培训器材，由于受价格的限制而无法普及。如果利用VR技术，在多媒体计算机上建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，操作结果可以通过仪表显示身体的感受反馈给学生，来判断操作是否正确。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。VR实验室的一大优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成人身事故。

四、虚拟现实在教学中应用的展望

随着计算机技术的发展，虚拟现实正掀开其神秘的面纱，逐渐走进教学。但在目前，完全沉浸虚拟现实