虚拟现实技术在中学教学的运用初探
惠州市惠东中学 杨宇翔
虚拟现实技术（Virtual Reality, 简写为 \"VR\"）,又称灵境技术,是二十世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。这种技术生成的视觉是彩色全景的、音响是环绕立体的，人机交互是自然和谐的，因此给用户产生一种身临其境、亲手操纵的虚拟现实环境。此境，既可以是一种对现实世界的计算机仿真，也可以是超越我们所处时空之外的虚构环境。
虚拟现实技术具有\"3I\"的重要特点：沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）。其中，沉浸感和交互性是虚拟现实的两个基本特征，它们强调了人在虚拟现实系统的主导作用，使得参与者在虚拟现实环境中做到沉浸其中，超越其上、进出自如和交互自由。构想性则是更上一层的特征，提供了一个发挥人的想象力和创造性，建构新事物的平台。正是VR的“3I”，虚拟现实技术被广泛应用于工业产品与建筑设计、科学研究、航空航天、军事训练、医学实习、娱乐游戏等许多领域,如利用构想性开发新产品、设计高楼大廈，能省时高效；又如构造一种虚拟战场，让士兵练习使用坦克、飞机、导弹等武器，让将军进行兵棋推演、运筹帷幄，就能获得真实战场的效果而又安全、节能及环保。
可是虚拟现实技术在中学教学上用得很少,原因是成本太高,在虚拟现实系统的设备清单中动辄是高性能计算机、头盔显示器、数据手套、数据衣…，令人望而止步。实际上, 虚拟现实技术按虚拟环境的逼真程度可以分为好几类，其中逼真程度较低的是桌面虚拟现实系统，它成本低，考虑到中学的实际，可以采用这种类型虚拟现实技术来辅助教学，只需配备性能较好的多媒体电脑和局域网，最好还能发挥师生的智慧，加入一些传感器、模数转换器及相关接口技术的小发明小革新，就能基本满足系统对硬件设备的要求。
根据以上对虚拟现实技术的基本认识，我们不难看到VR在中学教学里,既有实用价值性,又有实际可行性。那么，怎样把虚拟现实技术具体地运用到教学之中，发挥好\"3I\"对教学的强大辅助效能?可以通过以下的虚拟漫游、虚拟实验等四种方式来组织进行。
一、虚拟漫游
虚拟漫游是指用户借助鼠标、键盘、或其它设备，在计算机虚拟场景中交互地游览、参观，在此过程，用户可以自主地决定游览的方向和路径；自如地选择
1 观察的距离和角度；而且能随时启动一个“事件”，例如碰到一个物体，会发出碰撞声，遇到一扇门，可以亲手把它打开。
教学上的虚拟漫游非常适合辅导学生学习有关景观、流程、结构等方面的知识，它的虚拟场景与教材内容相关, 比如,语文的故宫博物院、桂林山水等数码场景，历史的三国赤壁古战场；生物科的数字人体，一个能看得见心脏在跳动、肠胃在蠕动、两片肺叶一舒一张地工作着„„的全景虚拟人体；以及物理学中的原子各种模型结构、核电站构造、电磁场想象图景等等，这些场景有的是现实世界的映像，或在此基础上作艺术处理，如把极大或极微小的物体，以适当的规模体现，把极快或极慢的现象, 以适当的速度呈现；有的则是通过超越时空的想象，用模拟比喻的方式，把抽象无形的概念性东西，形象化为某种场景。
虚拟场景及漫游的获得有两条途径，一是向专业公司定购或者从网上、资源库中共享得到。二是自己动手制作，自制方式之一，利用QuickTime Virtual Reality、漫游大师等专门软件来做；自制方式之二，是通过编写程序来实现，主要采用OpenGL技术、DirectX技术，及在WEB上广泛使用的VRML、Java 3D技术。其步骤，首先，运用全景拍摄、3D studio MAX或AutoCAD的三维造型、贴图、局像拼接等手段，来建构模型和布置舞台；然后，使用Visual C++、OpenGL、Java 3D等工具进行编程，实现三维景象的实时绘制和渲染，最终获得交互式漫游的效果。
有了虚拟漫游的教件，学生就可以游览海底、遨游太空、观摩故宫博物院，甚至深入原子内部观察电子的运动轨道和体验爱因斯坦的相对论世界„„，当对数字人体进行视察时，学生能自如进入血液循环系统，乘着小舟，观察心脏的两个心房和两个心室如何精巧地配合工作，看血红细胞怎样与氧气结合。如此的学习过程，学生沉浸于学习内容的环境中，身临其境地感受和体验学习对象，肯定会产生高效率的学习效果，而且，此时的学习活动就像在观光旅游，令学生愉快、感兴趣，是一种快乐学习。
二、虚拟实验
虚拟实验是在虚拟的实验室里，虚拟的实验台上，用虚拟的仪器和工具，做虚拟的实验，但它的实验效果和结果却跟真实的基本一样。
虚拟实验有两种情形，一种情形是实验在计算机显示器里只呈现部分，通常是实验结果的那部分。有一种模拟开车的游戏机，汽车模型前面摆上一面显示器，用于模拟显示驾驶员眼前所见到的，当转动方向盘，你会发现汽车沿着公路拐弯；
2 当踩下油门踏板，你会感到汽车加速前进，感觉似乎在驾驶着真的汽车。这其实就是一种虚拟实验，实验结果大部分在显示器里呈现出来。它用于教学，适合作为学生修习《通用技术》的开车实验。与此类似的有很多，比如，我们可以这样做水波干涉实验，准备两个电动振子，调节它们振动频率和相位，在显示器屏幕上观察实验结果，看到清楚的水面振动情况和干涉图样。此外，把计算机仿真成示波器、频谱仪等设备，现实一机多用，也属于该类型的虚拟实验。另一种虚拟实验是实验的全部都在计算机显示器中表现出，计算机里要准备有虚拟实验室、虚拟实验台；配备有烧杯、天平、电源、电流表等虚拟仪器、工具，通过键盘、鼠标、触摸屏，去操作实验，完成实验。
虚拟实验的好处是显而易见的：1）节省实验经费，虚拟物品不会被消耗，虚拟仪器不会被损坏、也不变旧。除了要花点电费，不用增加开支就可以重复多遍地做实验；2）能够做各种实验，因为经济、设备复杂庞大、危险等原因，一般学校无法做的实验，现在由于采用了虚拟的主法而能进行；3）虚拟实验的构想性，方便了学生运用知识，发挥想象力和创造力，自行地设计实验，制作模型。
三、虚拟人物
我们早就知道\"人机对弈\"，即人与计算机下象棋，此时的计算机可以看作是位虚拟人物——虚拟棋手。虚拟棋手的\"大脑\"贮存大量经典棋谱，并能进行快速、高效的\"思维\"，它与人棋手对弈，有助人棋手获得各种锻炼机会，迅速提高棋艺。可见，虚拟人物很早就应用在某些方面的教学培训当中。
中学教学的任务是使学生全面发展：既要培养智商，又要提高情商；既要掌握知识、技能，又要具备不惧困难、百折不挠的品质。在实现目标的过程，良师与益友、榜样与偶像的影响作用是很大的，应该发挥虚拟人物超时空、超现实的特点，把具有优秀影响力的\"人物\"介绍给学生，它们可以是能力超强的科学家；知识渊博的老师；品学兼优的同学、朋友；远古的孔子、诸葛亮；也可以是人物化的动物，如唐老鸭和米老鼠；甚至是神话中的哪吒、孙悟空等等，让\"数学专家\"指导学生解题；\"外籍老师\"与同学们用英语交谈；孔子给我们讲《论语》；孙悟空带大家去探险；„„。这一切不是幻想，而是虚拟现实。
电视作品《蓝猫》中的那只蓝猫，是个准虚拟人物（因为没有交互性，所以把它称为准虚拟人物）。它聪明、淘气、勇于探索、善于使用工具进行学习，给了小朋友们一个很有益的影响，并深受小朋友的喜爱。这正体现了虚拟人物在教学运用中的作用与价值。
四、虚拟校园
这里所讲的虚拟校园是虚拟学习小组、虚拟班级、虚拟研究组、虚拟学校等的泛称。它综合前面提到的虚拟漫游、虚拟实验、虚拟人物的内容和技术，给学生提供一个非常好的教育场所。比如，在一个基于网络的虚拟环境，同学们互相配合、分工合作，共同设计一个实验；或建造一个模型；或研究一个课题，在互相配合工作的过程，学生们主动地掌握了知识，同时还培养了他们的团队意识、合作精神。又比如，设置知识竞赛、实验比赛、制作比赛等这类虚拟环境，使学生在比赛过程中，磨练意志、提高心理素质、培养竞争意识。再比如，搞一个这样的虚拟园区，学生可以虚拟任职——假如你是班长，你怎么样管理；假如你是教师，你怎么样教学；假如你是校长，你怎么样领导。由此来锻炼学生的工作能力、增长学生的阅历，也使学生能设身处地考虑事情，提高合作的自觉性。各种各样的案例就不一一列举，总之，建设虚拟校园的指导思想是把科学的学习方法、先进的教学理念、及校园文化来浸透我们的虚拟教学楼、实验楼、图书馆；去贯穿我们的虚拟老师与同学、同学与同学之间的关系和互动，让校园的一草一木，每一次活动无不潜移默化地影响着同学们的成长与进步。
虚拟现实技术是一门崭新信息技术，有广阔的发展前景，把这项技术应用到我们的教学上，一定能给学生的学习注入强大的推动力。尤其是虚拟现实技术的三个特征：沉浸感、交互性和构想性，为学生进行主动学习、探究性学习创造有利条件；它对于培养学生的学习兴趣、实验能力、创新意识、合作与竞赛精神，具有非常大的优势。因此可见，虚拟现实技术很符合新教改的要求，可以作为新教改的工具之一。
新世纪的教育需要有新的教学手段，可以预见虚拟现实技术不久将会广泛地应用于教学，我们既要有思想准备，又要有技术准备，迎接教学的新方法。
