张茂华

(三明学院现代教育技术中心，福建 三明 365000)

基于虚拟现实技术的虚拟教学环境探索

张茂华

(三明学院现代教育技术中心，福建 三明 365000)

基于虚拟现实技术的虚拟教学环境是基于现实，又可超越现实、智能现实、预测将来的、突破传统教学定时定点为显著特征的虚拟教学情境。探求虚拟现实技术更合理地应用于教育教学中的理论，势必对数字化时代的现代化教学环境创设有着抛砖引玉的作用。

网络;虚拟现实;教育;教学环境

目前，在教育领域内除计算机网络技术、多媒体技术之外，虚拟现实技术成为了最具有前途及应用价值的“明星”技术。虚拟现实技术不仅将多媒体及传感器技术、计算机图形学技术、数字图像处理技术融合在一起，而且可以产生具有立体性的视觉效果及环境音效。基于虚拟技术的人与计算机的交流是和谐互动的。如何将虚拟现实技术应用于教育活动之中已经被我国专家学者提上日程。

一、虚拟教学环境概述

虚拟现实技术在教学环境中可以充当一种新的学习工具，它可以作为一种全新的教育知识载体为教学模式提供多元化选择、为教学的创新提供技术支持。基于计算机技术、运用高科技技术奖听觉、视觉、触觉融为一体的虚拟教学环境具有空间和时间特性的数字化多维信息空间，它是从计算机图形学派生出来的一项新技术，是虚拟现实技术与网络技术相结合的具体体现。真正优秀的虚拟现实技术是理性与感性、科学与艺术的融合，从其诞生之日起，该技术就强调用户以自然方式与虚拟世界中的对象进行实时交互，在虚拟的三维世界中以触觉和视觉的方式尽情体验感受。在虚拟现实技术所建立的教学环境中，教师与学生之间交流活动具有完全沉浸性。虚拟教学环境通过模拟合成使得教师和学生可以同存在于虚拟环境中的客体进行交流，从而使其产生身临其境的感受。鉴于此，虚拟教学环境应该是系统性、灵活性、开放性的教学系统，是基于现实，又可超越现实、智能现实、预测将来的、突破了面对面近距离的限制、地域的空间限制的教学交流环境。

二、虚拟教学环境的特点

在数字化时代下，教学环境模式的设计及创新成为了教育工作者所关注的课题。虚拟教学环境作为一种新的教学载体及模式对于现代课堂教学活动意义非凡。在国内，各类院校也充分意识到虚拟教学环境给传统教学模式带来翻天覆地的变化和潜在价值。例如，由中国科技大研究室研制的“几何光学实验设计平台”是我国第一个虚拟教学软件。这一软件将物理实验教学、虚拟教学技术、计算机网络技术集为一体，使物理实验教学课堂迈上了更高的台阶。另外，北京航天航空大学针对分布式飞行采用虚拟教学技术进行模拟;浙江大学针对虚拟规划、虚拟设计采用虚拟教学技术等。之所以虚拟教学环境应用能被越来越广泛的重视，不仅在于延伸了传统教学环境的优势，更重要的是突破了时间、空间限制，弥补了传统教学环境的缺陷。突出表现在以下几方面:

第一，虚拟教学环境可以弥补教学手段和条件的不足。现实中有些教学实践往往由于设备、经费、场地等不同原因而无法开展，虚拟教学环境通过对所需教学环境的模拟，弥补了这一不足，而且所模拟的教学环境具有实时性、广域性、开放性及互动性等特点，使教师和学生产生身临其境的感受。

第二，虚拟教学环境突破教学地域、教学资源、教学时间的界限。它将教学课堂这一有限的空间地域扩展为无限虚拟的赛伯空间，将教学环境空间进行了极大的延伸。同时，它可以将教学内容进行形象化、对教学资源进行无限拓展，利于学生更好的吸收理解新知识，激发学生的创新能力。另一方面，它可以使学生随时随地通过网络进行学习成为可能，针对某些需要较长时间跟踪观察才能得到结果的实验，虚拟教学环境中可以在较少的时间内观察到。

第三，现实实验操作中可能产生的危险可以通过虚拟教学环境来避免。通过实物仿真、虚拟现实技术、多媒体技术结合，对生物、化学、物理等实验进行模拟，所建造的实验室因具有虚拟性，内部设备也都是虚拟不存在的，所以在学生进行操作时有逼真的感觉，但是可以不考虑操作带来的危险。

第四，优化教学方式，避免传统的、单一的课堂教学，克服被动接受知识。目前，教学模式仅仅依靠于教科书及教师的教学。而虚拟教学环境突破了一传统，它基于虚拟环境人机交互特性，模拟出逼真而且生动形象的学习环境，学生在这种听觉、视觉、触觉一体式的虚拟环境中，自然的与教师及其他学生进行交流，可以更好的学习教学内容、完成预定的教学目标。

三、虚拟教学环境的构成

1.虚拟教师模块。虚拟教师是一种设备或技术，它是学习环境的一部分，作为学习环境的补充，有助于学习者操作技能的获得。虚拟教师的概念经过不断演变，其内涵越来越丰富，更人性化、具弹性，涉及的实现技术也变得更智能、更加复杂。

2.虚拟实验模块。所谓虚拟试验就是基于虚拟现实、多媒体、仿真等技术，利用数字化模型代替实物原型，在计算机上模拟代替传统试验过程中的硬件环境，然后进行试验分析。学生可以在逼真的环境下完成实验操作，虚拟实验所得到的效果并不逊色于现实试验中的实验效果。

3.虚拟图书馆模块。随着现代信息与网络技术的发展推动，图书馆的管理工作及所涉及的服务范围、服务方式已发生根本性的变革。建立一个内容丰富、查询快捷方便的资源库在虚拟教学中是非常必要的的。虚拟图书馆技术领域不仅涉及到数字信息的组织问题、而且包括了网络技术的研究与应用。虚拟图书馆作为一个方便、大众化的信息查询应用系统，是一个集智能化、数字化为一体的信息系统。

4.虚拟管理模块。在各门学科技术的不断发展推动下，在教育活动中应用虚拟教学将成为一个潮流。在虚拟现实技术与网络技术、人工智能技术有机结合后，虚拟教学在应用过程中更具有智能性、规范性、交互性、信息性、。因此，在虚拟教学环境中，建立统一的管理模块显得十分必要(诸如对学生的登入、注册查询课程、及资源库进行管理)，对学习者学习活动进行分过程管理。这些模块必须涵盖系统管理模块、用户管理模块、内容管理模块及学生对学习过程进行自主管理等不同模块。

5.协作学习模块。在教学活动中，师生之间和学生之间的互相交流沟通是必不可少的。对于虚拟教学环境，这种交流具更有近乎自然性。它可以使师生和学生之间以实时或者非实时的方式进行对话交流。虚拟教学环境下，用户可以得到与现实类似或者完全相同的触觉、听觉、视觉等不同主观感受。

四、虚拟教学环境中的学习模式

在网络实时交互技术的基础上，虚拟教学达到了教学环境和学生统一的效果，实现了学生与教学环境、教师、学生之间的自然、实时交流，对教学的质量的提高、学习内容的拓展起到了重要的作用。在计算机网络、信息化快速发展的时代大环境下，虚拟教学环境是在融合学习管理系统、学习资源及标准化学习系统的基础上建立的一个可供多用户共同学习的网络平台。它弥补了传统教学活动条件及设备的不足、丰富了教学形式及解决了教学效果不理想等问题。

对于变革传统课堂教学方法，虚拟现实技术同样起着重要的作用。为适应现代社会的发展，有必要开发基于WEB的虚拟教学环境，使学生通过网络进行虚拟学习成为可能，自主合理地选择所需的学习内容。它可以忽视了时空的限制，极大地扩展地域及时间，只需要可连接网络的计算机即可实现。虚拟教学环境的学习模式分为以下几种:协作讨论模式、同步模式、个别辅导模式、异步模式、练习模式、测试模式等。

五、虚拟教学环境的发展趋势

虚拟教学环境不仅实现了为学生提供丰富、逼真的学习环境、资源的快速查询获取，而且也代表着数字化时代下学习环境的创新发展潮流，能够跨越空间、时间的界限及时准确传递知识，具有更好的经济性。基于网络技术、虚拟现实技术的结合，让计算机虚拟教学环境具有更高的交互性、实时性将成为重要发展方向。鉴此，可以把它的主要发展趋势简单归纳为:

1.环境的人文化。学者马斯洛认为网络学习可以满足人们的安全、生理、爱与隶属、受人尊重、自我实现和求知等六大需求。但是随着对网络环境认识的不断丰富及深化，网络环境的负面因素对学生所带来的不良影响也不容忽视，这一点我们需要给予充分重视。只有保证网络环境的净化及良好的人文化，才能使学习者准确地寻求到虚拟网络环境与现实环境之间的平衡点，不仅能够对虚拟网络学习所具有的优点加以充分利用，而且能够使学生不脱离现实的生活，结合实际及虚拟学习，不断提高自身能力。

2.环境的智能化。虚拟教学环境的正常运行及信息的准确、快速及时无损的传递都需要人工智能的发展来进行保证。人工智能可以对学生的知识层次、认知水平及学习能力进行充分的了解，并且基于学生的特色及能力选择针对性的教学方法和内容，辅助以适当的指导。虚拟环境的高智能化可以实现人与计算机的直接对话，监督学生的学习过程并做出准确的判断评价，充当教师的角色。

3.环境的沉浸化。在虚拟现实技术基础上，它能够提供逼真、形象的学习环境，用户使用之后的感受直接影响着虚拟教学环境的成功与否。虚拟教学环境的沉浸化特点通过调节大脑与各种主观感官的结合促进学生的学习，在没有约束的情况下进行学习活动，为学习者提供充分的想象空间和体验。另一方面，沉浸式的虚拟教学环境可以锻炼学习者的发散思维，使学生更具有洞察力，提高观察、解决问题的能力，充分调动积极性，促进学习者的全面发展和进步。

［1］叶小英.虚拟实验教学系统在远程教育中的应用与评价研究［Z］.北京邮电大学，2011:硕士:15-21.

［2］汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用［M］.北京:科学出版社，2007:30-60.

［3］罗明朗.交互式远程教学系统的设计与实现［D］.上海:上海交通大学，2007:20-30.

［4］王国权.虚拟试验技术［M］.北京:工业出版社，2006:15-19.

［5］孙燕莲，文福安.虚拟实验教学的探索与实践［J］.现代教育技术，2009(4):131-132.

［6］唐远东.基于Virtools和DWR技术的虚拟实验教学监控系统的设计与开发［Z］.吉林大学，2009:硕士:20-25.

［7］何正刚.网络环境下虚拟实验教学系统的功能扩展［Z］.华中科技大学，2008:硕士:30-31.

［8］刘小玲.一种基于VA模型的虚拟教学实验系统研究［Z］.华中科技大学，2007:硕士:22-25.

［9］罗虹，王士勇.基于Virtools技术的虚拟教学系统的设计与实现［J］.现代教育技术，2007(10):57-60.

［10］王存祥.虚拟机技术在计算机教学中的应用［J］.现代教育技术，2006(5):70-72.

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1008—3340(2012)02—0022—02

2012-01-10

张茂华(1974-)，男，福州福清人，大学本科，三明学院现代教育技术中心中级实验师，1996年毕业于福建师范大学现代教育技术专业，长期从事教育技术、视频技术等相关研究。