3D虚拟现实技术在教育教学中的应用策略探析
摘 要 3D虚拟现实技术通过虚实融合营造智慧教学环境，使学习者获得真实的情境体验。在教育教学中应用3D虚拟现实技术需要全新的理念和方法，需要深层次挖掘教学资源、推进教学模式创新，实现虚拟现实技术、课程资源、教学模式的深度融合，构建虚拟教学体系。
关键词 3D虚拟现实技术；教学资源；虚拟情境
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1671-489X（2016）06-0003-03
1 引言
3D虚拟现实技术概述 虚拟现实技术是虚拟仿真技术的一个重要方向，是集仿真技术、计算机图形学、多媒体技术、网络技术等多种技术的集合，包括模拟环境、感知和传感等方面。借助3D技术、多传感交互技术及3D显示技术等，生成生动逼真的虚拟环境，使用者戴上相应设备，就可以进入虚拟空间，成为虚拟环境中的角色，在虚拟环境中进行实时交互，操作各种虚拟对象，从而如身临其境一般，获得真实的感受。具有交互性、沉浸性、构想性的虚拟现实技术应用于教育，可以弥补传统网络教育缺乏亲身体验的缺陷，还可以帮助学生更好地理解所学的专业知识，让学生进行一些现实中难以展开的实验[1]。
3D虚拟现实技术在教育领域的应用现状 3D虚拟现实技术可以给学习者提供视觉、听觉等综合体验，让其身临其境地感受到数字化教学的魅力；可以突破时间和空间限制，创建真实感的学习环境、优化教学过程，提供创新的集成解决方案，已引起国内外学者的普遍关注。
本世纪初，国外开始研究3D技术在教育中的应用，处于领先地位。国内的研究相对起步较晚，正处于探索阶段[2]。3D相关项目在世界范围内正在推进中，并在诸多高等院校、中小学中得到推广，如美国许多州、学区、学校推广的TI公司的“3D投影机领航项目”，建设虚拟仿真教学环境已经成为越来越多教学机构的工作重点。美国德克萨斯大学建设了交互和计算机显示系统来进行数据处理和图像分析，印第安纳大学建设了可视化实验室来推动视觉技术的创新应用；沙特阿卜杜拉国王大学成立了3D立体显示数字化实验室；新加坡国际大学在智慧校园新领域推出3D校园全监控。一些科技公司也开发了3D相关系统和产品，如美国加州InfiniteZ公司拟将ZSpace产品推向高校，可以利用形象生动的3D全息投影技术增强学生学习效果，更好地进行教学科研[2]。国内的3D技术也发展迅速，全息投影、3D仿真等技术渐渐走入课堂，如：广西临桂远程教育建立了可以双向互动的智能化3D影院，为党员、群众提供了远程教育学习途径；兰州四中推出3D教室，集数字投影系统、声光电等立体模型于一体，增强学习效果；湖州职业技术学院成立虚拟仿真实训基地，探索全新交互式实践教学模式[3]。
2 3D虚拟现实技术应用在教育上的优势
构建智慧校园，营造智慧教育环境 3D技术为教育领域创新提供了技术支撑，为教学、科研等提供了新平台、新工具，高校及基础教育可以广泛应用，构建智慧校园、智慧教室，为科研、教学提供崭新的平台。随着高校等教育机构中3D相关课程的启动，Blaxunn3D、Shout3D、Quest3D等3D建模绘图等工具不断涌现，在教学活动中广泛运用[2]。3D技术通过虚实融合营造智慧教学环境，通过虚拟校园、虚拟图书馆、虚拟实验室及虚拟仿真系统等，使学习者获得真实的情境体验，为智慧教育时代构建新环境。3D技术可以提供生动、交互的学习材料，提高学习者沉浸感和想象力，使学习的深度、广度有所增加，引导课程学习进入新境界[4]。
创建真实感学习情境，提高学习效率 3D技术可以构建真实感的学习环境，创设有利于学生主动参与、完整体验学习过程的情境。其呈现的立体化教学内容可以更好地吸引学生，使抽象的知识具体化，资源的情境性、震撼性有助于认知负荷的降低。这是一种沉浸体验式的学习环境，使学生较长时间保持注意力，并体验到更多学习的乐趣，在一定时间学到更多的内容，形成深刻的记忆。
3D技术展现的真实感和操作性相比传统的教学方式有很大的优势，学生能够主动探索、发现，全身心投入学习过程，可以互动学习、参与讨论，可以自由地发表自己的观点。学生在课堂上的参与度大大提高，有利于提高成绩和效率。3D技术构建的真实感学习情境，使学习者有身临其境的感觉，可以提高学生身心与大脑的参与度，成为真正的教学活动参与者，构建属于自己的知识体系[5]。与传统的2D教学资源相比，利用3D技术制作的教学资源在信息展示方面提供了更加逼真的效果，能够为学习者建立空间感和立体感，可以体验到课堂沉浸感。
3 3D虚拟现实技术在教育上应用的途径
3D虚拟现实技术可以应用在虚拟仿真校园、虚拟教学科研、虚拟实验等方面，可实现集教学、体验、实践于一体的立体化教学，改革传统教学模式，创新教学方法，达到培养创新型、实用型人才的目的。美国的明尼苏达大学建立了计算机图形学实验室，采用3D触觉桌面、CAVE虚拟现实等技术，实现交互式实验效果；国内的浙江大学、上海交通大学等高校已经开始运行虚拟校园，北京师范大学等高校也建立了虚拟图书馆，虚拟社区、虚拟教学游戏、虚拟教学科研等研究项目也在逐步开展[2]。
虚拟校园 虚拟校园是利用3D虚拟现实技术、三维建模、数据库技术等创设出与实际校园情景一样的虚拟学习环境，将校园实体建筑乃至内部门窗、走廊、灯光等所有软硬件通过虚拟现实技术整合在计算机网络当中，场景中包括虚拟教室、虚拟实验室、虚拟图书馆、虚拟体育馆、虚拟宿舍、虚拟食堂等，学生可以在系统中进行教师、学生等任何角色的扮演。校园内的学习资源如书籍与报刊等，可以通过高清扫描仪扫描并数字化存储为电子书籍，学习者在进入虚拟图书馆的时候，可以任意浏览虚拟图书馆内所有资源，如现实中阅读书籍一般；也可以将自己感兴趣的电子书籍借阅到自己的虚拟图书室，在借阅期限内自由阅读[6]。
虚拟实验室 在传统教学活动中，很多需要操作的知识如果仅仅通过理论讲述，学习者很难理解掌握。通过3D虚拟现实技术可以创设虚拟教学情境，为学习者亲身实践提供了可能性。传统的实验教学基本都在学校开展，上课时间比较固定，时间和空间受到限制。部分实验设备价格昂贵，不能给学生全面使用和操作，在某些实验环节中存在安全隐患，学生无法直接参与，多数以演示为主，不能形成对该实验的感性认识。
虚拟实验室是利用虚拟现实技术创设的，如虚拟物理实验室、虚拟化学实验室等，打破传统教学中时间、空间等限制，学生只要在安装有虚拟实验室的设备上即可进行实验操作，在很大程度上提高了学习的自由度。在仿真环境下，借助Unity3D、Cult3D等软件来完成实验操作，避免在进行一些有安全隐患的危险实验时因操作不当造成的不可预料的后果，保障学习者的人身安全。美国杜克大学搭建的环境沉浸式虚拟环境，包括海啸、地震等灾害应急处理，可以进行武器部件、汽车驾驶的虚拟操作等。广西大学推出的无机实验虚拟仿真系统、成都理工大学建设的地质钻探虚拟实训系统等是通过建立三维环境图形库，增强学习者的临场感，增强实践效果[2]。具有交互功能的3D虚拟实验室能够表现出独特的优势，使学生做到足不出户做实验，不用考虑时间、地点及实验过程中各种危险对人造成的伤害，获得与现实中的实验一样的体验效果，提高对学习内容的感性认识，加深对实验教学内容的理解，培养学习兴趣。
虚拟教学资源 利用3D技术制作出的学习资源可以更加生动逼真，有利于情境渲染、模拟仿真，3D动画、视频、模型等多样化的学习资源具有良好的交互性，可以有效减少学习者的认知负荷。3D显示技术给人带来较好的真实感，计算机图形学中一个重要组成部分就是真实感显示技术，利用计算机、物理、数学等学科知识在相关设备上生成真实感的3D图形，将传统课堂中某些不利于理解的内容，通过3D显示技术形象表现出来，形成立体空间，让学习者更好地领悟教学内容，把握教学要点[5]。
网络教育虚拟教室 随着网络技术的飞速发展，传统的教学手段、模式发生巨大变化，网络教育因其独特灵活的优势，受到越来越多人的关注。然而网络教育也受到一些人的质疑，他们认为，面授是最好的教学手段，远比网络培训好。但是面授受到时间、地点、成本等多种限制，学员的互动需求也不能完全满足，这就体现出网络教育的优势。而网络教育一直无法解决非面对面教学带来的问题，单纯的网络教学，缺乏真实的学习氛围，教学效果也不会很理想。3D虚拟现实技术的出现则改善了两难境地，虚拟教室可以解决面授和网络教育遇到的问题，可以利用3D技术将授课教师直观形象地安排在网络虚拟教室，学习者可以选择教师、课程，进入指定教师的虚拟教室，实现虚拟“面对面”教学。在此情境中，学习者能够亲身体验到面对面学习的感受，实现网络教育所无法实现的教学效果[4]。
4 3D虚拟现实技术应用于教育的难点及策略
构建虚拟教学体系，完善相关标准 在教育领域应用3D虚拟现实技术需要全新的理念、方法和途径，需要深层次挖掘教育资源、推进教学模式创新，构建虚拟教学体系，实现虚拟现实技术、课程资源、教学模式的深度融合。在信息化时代，3D技术作为基础性、战略性工具技术被广泛应用[7]。国内外对3D显示技术、3D打印技术等研究日益增多，但世界范围内3D显示技术和标准并不统一，美国、韩国和欧洲都在制定3D传输、压缩和编码方面的标准，国内3D标准也不完善，如无法向后兼容现存的视频编码标准，无法支持不同的3D显示器等。建设兼容2D视频、需要佩戴眼镜的3D视频、裸眼3D视频的编码、传输和显示的标准迫在眉睫。标准需要能够支持多个视频数据流，可以在传统的2D视频数据流上增加新的辅助信息，实现高效的3D制作及编码，可以在2D、3D两类数据流间自由切换，在2D架构之上引入3D视频，降低系统的重构成本，完善3D技术标准[8]。3D技术研究不仅需要关注技术，还应当注重教学设计等标准的问题，探讨和开发混合教学模式，制订资源应用、管理的可行性方案，制定资源开发规范和技术标准，使资源建设标准化、国际化。
推广3D技术，降低应用成本 3D相关产品的价格较为昂贵，其硬件一般包括3D影像投影仪、影像墙、3D眼镜和相应的3D资源，后续的管理及维修费用也比较高，普通的学校出于成本的考虑难以承受。进一步降低硬件成本，将是影响3D技术在教育领域普遍应用的重要因素。国内目前仅少数高校和部分发达地区的一些中小学配备了3D设备，在欠发达地区和边远地区，3D技术的推广和普及仍面临很大困难[2]。一种先进技术的普及不是一蹴而就的事情，需要一个过程。随着3D技术的大力推广和应用，成本一定会逐渐下降，越来越多的教育机构也将认识到3D技术的优势。
培养专业人才，开发教学资源 3D教学不仅需要硬件设备，教学资源也非常重要。目前，国外的一些数字内容生产商如Promethean、Discovery Education等开发的3D教学资源已经为使用西语的校园提供服务；台湾地区采用引进国外资源翻译汉化的方式，在一定程度上满足课堂教学对3D教学资源的需求。国内的3D教学资源还十分缺乏，3D教学资源的建设将成为未来教学资源建设的热点，自主研发技术还不成熟，还需要一批懂技术、懂教育的复合型人才。目前3D技术人才短缺，体现在专业和层次结构不够合理、知识和技能不够匹配、职业素养有待提高、总体数量不足等几个方面[9]。培养既有专业知识又有实践经验的人才，以较低的成本开发出符合教学需求、满足正常审美需求的资源是当务之急。为了在质量、数量上保障教学资源能够满足教育发展日益增长的需要，相关部门应尽快发现和培养人才，打造精良的技术及教师梯队。
规范教学流程，保护学生健康 长期使用3D教学资源是否对学习效果具有长期正面影响，以及如何防范学生沉浸于虚拟世界带来的负效，也将是需要研究的重要课题。部分3D教学资源需要佩戴3D眼镜，而长期佩戴会引起视觉疲劳，如果消毒不彻底又会传染眼部疾病。多久是最佳时长，如何快速对眼镜进行无菌处理，怎样确保学生用眼健康等，都是要进一步研究的问题[5]。建立规范的教学流程，在确保学生身心健康的前提下，采用先进的3D教学手段增强学习效果势在必行。
5 结语
3D虚拟现实技术为教学、科研等提供了新工具，为教育领域创新提供了技术支撑，在高校及基础教育都可以广泛应用，将为教育的改革与发展带来生机与活力。通过虚拟校园、虚拟实验室等，使学习者获得真实的情境体验。在教育领域应用3D虚拟现实技术需要全新的理念和方法，建立完善相关标准，构建虚拟教学体系，培养专业人才开发教学资源，保障教学资源满足教育行业日益增长的需要。
参考文献
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