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浅谈虚拟现实技术在教育领域的应用 东北师范大学计算机学院 2014级教育技术系 王鹏 2014012016 【摘要】本文旨在简要介绍虚拟现实技术（含增强现实等分支技术）的定义及其发展现状，通过理论陈述、历史发展及部分实例进行分析，着手于软硬件两方面，结合其他领域中已有的优秀实例，对虚拟现实技术在教育领域的应用提出部分建议。 【关键词】虚拟现实 增强现实 三维技术 教育 软件开发 现代社会的电子信息技术自从计算机诞生以来就得到了飞速发展，人们不满足于二维平面等级的人机交互界面，开发了一系列帮助人们进行多元化人机交互的辅助工具。输入设备从最传统的键盘、鼠标，发展到今天的触摸板、眼球测位仪、语音识别，输出设备也从简单的显示屏、扬声器发展出各种形态。在硬件设备进化的同时，人机交互的“内容”即软件与信息层面也发生着急速变化。从最初的二进制数字到后来的命令提示符字符串，再到后来的桌面化操作系统及多媒体声像，时至今日人们已经掌握了足够顶层的技术以使用计算机来模拟日常所见的真实场景，而这种技术的代表作之一、同样也是未来信息技术领域最有发展前景的技术之一，就是虚拟现实技术。 一 虚拟现实综述 虚拟现实（Virtual Reality，后文或简称VR）的定义目前为止依然众说纷纭，笔者较为认可的定义如下：一种可供创建并体验高度拟真的虚拟世界的计算机仿真系统。用来实现VR系统的技术被称为VR技术。何谓高度仿真呢？目前为止在技术层面能达到的、符合人们日常生活中实际体验的标准包括如下几个方面： 1 真实性 真实性是VR技术的主要目标。VR旨在用计算机构建真实世界以让用户获得拟真体验，生成的虚拟物件一般要高度仿照真实世界的尺寸、材质等，能够做到静物的“以假乱真”，相应的运动规律也要按照真实世界设置参数，如重力加速度或化学反应速率等，使得它们在变化时看起来仍不失真。 2 交互性 一般来说，交互性是指用户对虚拟世界中物体的可操作程度，和从自然环境中得到信息反馈的程度。计算机系统中生成的虚拟世界不可能仅接受工作人员输入的基本建模参数，也应当接受来自用户的实时输入信息，并给出相应的反馈。例如，用户可以通过特殊的控制器（如摇杆、特制键盘）、体感装置（如传感服、眼球测位仪）以及语音等向系统发送指令，相应地也就要求系统为用户提供多元化的输入接口，输入模式也应当尽可能贴近人类的自然活动。 3 沉浸性 沉浸性是指，用户在体验虚拟世界的时候，不光要体验到场景及运动规律的真实感，也应当同时意识到自己能够沉浸到虚拟世界中，而非一个世界之外的控制者、操作者。理想的VR系统应当以用户为第一视角构建，并能让用户产生真假难辨的感觉。 通过以上几种特征不难看出，想要真正实现虚拟世界的构建和用户体验，涉及到的技术是多种多样的。目前普遍应用在VR中的技术包括计算机图形学、激光或回声测位、声音合成及混响、传感器及触觉模拟等。 二 虚拟现实在教育领域的应用 不难看出VR技术在传递信息方面是多媒体技术的一大突破。VR所传递的信息不仅仅是简单的图形、声音或者超文本，而是一系列实时生成的拟真声像信息、触觉和运动感知（未来还要加上嗅觉和味觉）等。VR最大的特点就是“身临其境”，这和教育原理中的“情景构建”理论不谋而合，因此将VR应用到教育领域也成为一个较为热门的研究方向。 早期的探索中，人们可以利用VR技术构建虚拟场景及理想实验，在输入参数后运行就可以观察演化过程，美国就曾有利用3D场景复现推翻传统火灾救援理论的实例，且成本相比真实的火灾实验大为降低。而在现在，VR技术由于其高度拟真和不受时空限制的特性，可以为学习者提供各种各样的虚拟场景供他们细致观察，甚至投入其中进行实验或操作。 下面列举了几种典型的VR在教育领域的应用： 1 VR训练场和实验台 顾名思义，VR训练场和实验台就是在虚拟世界中构建出实验场所来供学习者进行活动与操作。由于操作对象从实际存在的物体变成了虚拟世界中的模型，允许操作方式会随着教学设计者的设计精细程度而增加或者减少（一般是减少），设计者可以给出较为精简的操作流程提示告知学习者应当怎样控制和处理“眼前”的对象。同时，即使学习者由于失误导致实验失败，也不会造成实际的财产损毁甚至生命危险，是一种相对安全的训练方法。例如，我们可以在3D实验室中进行制造TNT并试爆的化学实验。由于真实世界中的一些操作要根据操作对象的力的反馈（严格来说是除声光形式以外的反馈）获取信息，对硬件就提出了一定要求。现在已经投入应用的力反馈装置包括内置振动器的手套、外形仿真的笔等装置。 2 科技研究与模拟观测 这种应用主要是上一种应用的改版。相比高度的可操作性，科技研究与实验观测更注重让用户观察到更多更精确的有效数据以供后续分析或使用。因此，这种应用重在以高度拟真的方式，将一些难以观测的现象放到虚拟世界中，让用户以更