虚拟现实技术在高校教育中的应用
发表于：2019-10-28 15:45 阅读：
虚拟现实, 英文为Virtual Reality, 简称VR。VR 是指利用三维图形生成技术、多传感交互技术、多媒体技术、人工智能技术、人机接口技术以及高分辨显示技术等高新技术, 生成三维逼真的虚拟环境,让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用, 用户从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识, 从而深化概念和建构新的构思和创意。
虚拟现实包括多感知性（Multi-Sensory）、沉浸感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）四个关键特性。它们强调了在虚拟现实环境中人所占据的主导地位。
所谓“多感知性”，是指视觉感知、听觉感知、触觉感知、力觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
所谓的“沉浸感”，是指用户在虚拟环境中所体会到的真实感程度。最佳的效果是使用者在体验过程中难辨真假。
所谓的“交互性”，指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
所谓的“构想性”，是指用户在使用虚拟现实系统过程中，结合各类信息及自身的行为，展开想象、联想、推理和逻辑判断等，从而习得更多的知识，达到更深层次的实践锻炼。
虚拟现实技术在国外教育领域的研究现状
目前在发达国家, VR在教育领域已得到了广泛的应用。早在1985 年, 美国国立医学图书馆(NLM )就开始人体解剖图像数字化研究, 并利用虚拟人体开展虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学；1992年，马克·英格里伯格和洛宾·比得迪提合作创建了一个虚拟物理实验室, 其目标是使它成为具有高度可操作性的实验环境, 以便学生们能够在此进行基础物理研究; 德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室; 西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室; 新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验；1995年, 在Internet上出现了“虚拟青蛙解剖”虚拟实验, “实验者”在网络上互相交流、发表自己的见解, 甚至可以在屏幕上亲自动手进行解剖, 用虚拟手术刀一层层地分离青蛙,观察它的肌肉和骨骼组织, 与真正的解剖实验几乎一样, 浏览者还能任意调整观察角度、缩放图像。
虚拟现实技术在国内教育领域的发展
在我国，虚拟现实技术的开发和研究与发达国家相比还有很大一段距离, 但已引起政府有关部门和科学家的高度重视。随着计算机系统工程、计算机图形学等技术的高速发展，虚拟现实技术已经引起我国各界人士的兴趣和重视。九五计划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR 列入了研究项目。国内的一些重点院校, 已积极开展了这个领域的研究工作。浙江大学、北京大学、上海交通大学等著名高校先后建立起虚拟校园。清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程检测实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育；但国内对虚拟现实技术的研究主要偏重于虚拟仪器实现、本机仿真、实验演示等方面。
虚拟现实技术在高校教育应用中的作用和优势
1、虚拟现实技术在教育应用中的作用
1）彻底打破空间和时间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。
2）节约成本，更新技术。采用虚拟现实技术进行教学，学校可以减少许多真实的配置，可以帮助相关专业建设必要的“设备”、“部件”或“虚拟”出现代化的实验实训基地。虚拟现实技术所用的仪器设备、原材料可以自动复原、无限使用，这样学校就大大节约了成本，降低了开支，也使实践训练及时跟上技术的发展。
3）安全便捷，创新发展。虚拟现实技术，能形象生动地表现教学内容，有效地营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，达到优化教学过程，提高教学质量的目的。虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。
2、虚拟现实技术在教育应用中的优势
1）虚拟现实技术的应用有利于促进学习主体心理上的愉悦和放松
基于虚拟现实技术的数字虚拟艺术带来了学习主体在心理体验上的泛化,带来了学习主体的心理上的愉悦和自我满足,增加了学生学习的信心和动力。在一些虚拟系统,如虚拟校园,虚拟世界以及一些虚拟游戏中,基于它们的数字虚拟艺术带给学习主体的体验已经扩张到人类所有精神领域和意识领域,甚至是单纯的学习主体的自我发泄体验. 这对学习主体是一种精神压力的释放。这种体验不强求深层的精神愉悦和灵魂净化,它不再追求传统的意境悠远和耐人寻味,而是关注当下身体的快活反应。
2）虚拟现实技术使得学习者能自我感知对知识的构建
与虚拟环境的零距离的接触使得学习者能以第一人称的方式参与知识的建构,通过它我们能感知知识的建构。马克·波斯特说:“在电子媒介的交流中,主体如今是在漂浮着,悬置于客体的种种不同位置之间,不同的构型使主体随着偶然情境的不定而相应地被一再地重新构建”。虚拟现实教育应用的最重要的一点就是提供给教育领域一面镜子来观察和分析我们如何感知和建构知识。
3）虚拟现实技术可以虚拟现实中存在或者不存在的环境和角色、物体等
虚拟现实技术的教育应用发展了课堂教学,弥补了教学中的不足。 这一点的明显应用就是虚拟试验,对于那些对条件要求高,在现实中做不了的实验,或者是危险性高的试验,就可以采用虚拟实验的方式。
虚拟现实技术在高校教育中的应用方向
1、虚拟现实技术在计算机教学中的应用
教学媒体可分为文字、图形、声音、影像、动画和影片等，通过虚拟现实技术能给计算机教学带来全新的应用，使文字、图形、声音、影像、动画、影片和交互功能联系在一起，构成一个完美的教学系统。计算机网络系列课程的实验、考试，可方便地使用网络进行教学与管理，把与课程相关的实验教学大纲、实验指导、参考文献等放在网上并免费下载，学生可不受时间和空间的限制进行网络实验。学生的实验报告和成绩都通过网络进行归档、评阅、查询和管理。在很大程度上刺激了学生学习的积极性。
2虚拟现实技术在经济管理教学中的应用
经济管理课程实验存在理论偏多、实践较少，理论和实践有脱节现象。通过虚拟现实技术可以构建与经济管理类课程相关的虚拟试验系统，包括市场营销、电子商务、人力资源开发、股票交易、财务、旅游场景等各种虚拟实验系统，把现实环境中无法全面实现的教学过程通过虚拟试验系统进行完美的展现和操作。例如，电子商务模拟试验系统可以建立商店、银行、商品等相应的模型，实验者可以模拟商品的选择、支付、配送等过程。
3、虚拟现实技术在化工教学中的应用
虚拟现实技术对化工原理中流体阻力、泵性能、过滤、传热、吸收、精馏、干燥等实验过程进行了动态模拟，模拟效果生动形象，非常有助于学生从原理和操作两个层次理解、记忆实验过程，提高了学习效率，解决了学生在学习过程中实践少、练习少的问题，提升了专业技能，减轻了实验设备数量较少的约束。虚拟现实技术的运用，还可以解决不可视、不可触、不可进及危险性场所的实训等问题，学生可以直接地参与危险的或对人体健康有危害的实验操作，并组织学生进行特种器械模拟操作、模拟装备的开发，锻炼学生利用虚拟现实技术，设计工业产品的能力，满足技术发展的要求。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。
4、虚拟现实技术在汽车专业课程教学中的应用
学生利用虚拟现实技术替代或补充传统学习，通过计算机和网络游历汽车博物馆，进入发动机内部，观察机构的工作原理，观察机械部件的磨损形成和油路的流程，这样，很好地为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。例如，学习加速度概念时，通过虚拟演示，让学生观察当改变物体的重力大小及方向时，加速度的变化情况，使学生加深对加速度概念的理解。
虚拟现实发展前景十分诱人，而与网络通信的完美结合，更是人们所梦寐以求的。虚拟现实技术在教育领域的应用优点十分明显，同时作为一门新兴的技术,它的发展还有待完善,配套软硬件还在不断发展之中，但是我们相信虚拟现实技术作为一个新型的教育教学媒体和手段，必定是未来教育信息化发展的趋势，并且在教育领域应用中发挥更加重要的作用。
虚拟现实包括多感知性（Multi-Sensory）、沉浸感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）四个关键特性。它们强调了在虚拟现实环境中人所占据的主导地位。
所谓“多感知性”，是指视觉感知、听觉感知、触觉感知、力觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。
所谓的“沉浸感”，是指用户在虚拟环境中所体会到的真实感程度。最佳的效果是使用者在体验过程中难辨真假。
所谓的“交互性”，指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。
所谓的“构想性”，是指用户在使用虚拟现实系统过程中，结合各类信息及自身的行为，展开想象、联想、推理和逻辑判断等，从而习得更多的知识，达到更深层次的实践锻炼。
虚拟现实技术在国外教育领域的研究现状
目前在发达国家, VR在教育领域已得到了广泛的应用。早在1985 年, 美国国立医学图书馆(NLM )就开始人体解剖图像数字化研究, 并利用虚拟人体开展虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学；1992年，马克·英格里伯格和洛宾·比得迪提合作创建了一个虚拟物理实验室, 其目标是使它成为具有高度可操作性的实验环境, 以便学生们能够在此进行基础物理研究; 德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室; 西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室; 新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验；1995年, 在Internet上出现了“虚拟青蛙解剖”虚拟实验, “实验者”在网络上互相交流、发表自己的见解, 甚至可以在屏幕上亲自动手进行解剖, 用虚拟手术刀一层层地分离青蛙,观察它的肌肉和骨骼组织, 与真正的解剖实验几乎一样, 浏览者还能任意调整观察角度、缩放图像。
虚拟现实技术在国内教育领域的发展
在我国，虚拟现实技术的开发和研究与发达国家相比还有很大一段距离, 但已引起政府有关部门和科学家的高度重视。随着计算机系统工程、计算机图形学等技术的高速发展，虚拟现实技术已经引起我国各界人士的兴趣和重视。九五计划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR 列入了研究项目。国内的一些重点院校, 已积极开展了这个领域的研究工作。浙江大学、北京大学、上海交通大学等著名高校先后建立起虚拟校园。清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程检测实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育；但国内对虚拟现实技术的研究主要偏重于虚拟仪器实现、本机仿真、实验演示等方面。
虚拟现实技术在高校教育应用中的作用和优势
1、虚拟现实技术在教育应用中的作用
1）彻底打破空间和时间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。
2）节约成本，更新技术。采用虚拟现实技术进行教学，学校可以减少许多真实的配置，可以帮助相关专业建设必要的“设备”、“部件”或“虚拟”出现代化的实验实训基地。虚拟现实技术所用的仪器设备、原材料可以自动复原、无限使用，这样学校就大大节约了成本，降低了开支，也使实践训练及时跟上技术的发展。
3）安全便捷，创新发展。虚拟现实技术，能形象生动地表现教学内容，有效地营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，达到优化教学过程，提高教学质量的目的。虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。
2、虚拟现实技术在教育应用中的优势
1）虚拟现实技术的应用有利于促进学习主体心理上的愉悦和放松
基于虚拟现实技术的数字虚拟艺术带来了学习主体在心理体验上的泛化,带来了学习主体的心理上的愉悦和自我满足,增加了学生学习的信心和动力。在一些虚拟系统,如虚拟校园,虚拟世界以及一些虚拟游戏中,基于它们的数字虚拟艺术带给学习主体的体验已经扩张到人类所有精神领域和意识领域,甚至是单纯的学习主体的自我发泄体验. 这对学习主体是一种精神压力的释放。这种体验不强求深层的精神愉悦和灵魂净化,它不再追求传统的意境悠远和耐人寻味,而是关注当下身体的快活反应。
2）虚拟现实技术使得学习者能自我感知对知识的构建
与虚拟环境的零距离的接触使得学习者能以第一人称的方式参与知识的建构,通过它我们能感知知识的建构。马克·波斯特说:“在电子媒介的交流中,主体如今是在漂浮着,悬置于客体的种种不同位置之间,不同的构型使主体随着偶然情境的不定而相应地被一再地重新构建”。虚拟现实教育应用的最重要的一点就是提供给教育领域一面镜子来观察和分析我们如何感知和建构知识。
3）虚拟现实技术可以虚拟现实中存在或者不存在的环境和角色、物体等
虚拟现实技术的教育应用发展了课堂教学,弥补了教学中的不足。 这一点的明显应用就是虚拟试验,对于那些对条件要求高,在现实中做不了的实验,或者是危险性高的试验,就可以采用虚拟实验的方式。
虚拟现实技术在高校教育中的应用方向
1、虚拟现实技术在计算机教学中的应用
教学媒体可分为文字、图形、声音、影像、动画和影片等，通过虚拟现实技术能给计算机教学带来全新的应用，使文字、图形、声音、影像、动画、影片和交互功能联系在一起，构成一个完美的教学系统。计算机网络系列课程的实验、考试，可方便地使用网络进行教学与管理，把与课程相关的实验教学大纲、实验指导、参考文献等放在网上并免费下载，学生可不受时间和空间的限制进行网络实验。学生的实验报告和成绩都通过网络进行归档、评阅、查询和管理。在很大程度上刺激了学生学习的积极性。
2虚拟现实技术在经济管理教学中的应用
经济管理课程实验存在理论偏多、实践较少，理论和实践有脱节现象。通过虚拟现实技术可以构建与经济管理类课程相关的虚拟试验系统，包括市场营销、电子商务、人力资源开发、股票交易、财务、旅游场景等各种虚拟实验系统，把现实环境中无法全面实现的教学过程通过虚拟试验系统进行完美的展现和操作。例如，电子商务模拟试验系统可以建立商店、银行、商品等相应的模型，实验者可以模拟商品的选择、支付、配送等过程。
3、虚拟现实技术在化工教学中的应用
虚拟现实技术对化工原理中流体阻力、泵性能、过滤、传热、吸收、精馏、干燥等实验过程进行了动态模拟，模拟效果生动形象，非常有助于学生从原理和操作两个层次理解、记忆实验过程，提高了学习效率，解决了学生在学习过程中实践少、练习少的问题，提升了专业技能，减轻了实验设备数量较少的约束。虚拟现实技术的运用，还可以解决不可视、不可触、不可进及危险性场所的实训等问题，学生可以直接地参与危险的或对人体健康有危害的实验操作，并组织学生进行特种器械模拟操作、模拟装备的开发，锻炼学生利用虚拟现实技术，设计工业产品的能力，满足技术发展的要求。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。
4、虚拟现实技术在汽车专业课程教学中的应用
学生利用虚拟现实技术替代或补充传统学习，通过计算机和网络游历汽车博物馆，进入发动机内部，观察机构的工作原理，观察机械部件的磨损形成和油路的流程，这样，很好地为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。例如，学习加速度概念时，通过虚拟演示，让学生观察当改变物体的重力大小及方向时，加速度的变化情况，使学生加深对加速度概念的理解。
虚拟现实发展前景十分诱人，而与网络通信的完美结合，更是人们所梦寐以求的。虚拟现实技术在教育领域的应用优点十分明显，同时作为一门新兴的技术,它的发展还有待完善,配套软硬件还在不断发展之中，但是我们相信虚拟现实技术作为一个新型的教育教学媒体和手段，必定是未来教育信息化发展的趋势，并且在教育领域应用中发挥更加重要的作用。
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