前 言

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，新的教學手段不斷涌現，繼多媒體技術之后，教學技術領域又出現一種新型教學媒體，它就是虛擬現實技術。虛擬現實技術是近幾年來國內外科技界關注的一個熱點，它的興起，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領域，為各類工程的大規(guī)模數據可視化提供了新的描述方法。

目前，虛擬現實技術已廣泛應用于航空航天、醫(yī)學實習、軍事訓練、建筑設計、教育培訓等眾多領域。以計算機仿真和數控加工技術為基礎，利用計算機來模仿真實的數控設備工作環(huán)境，形成了虛擬數控技術，如將其應用于數控技術教學上，必將對整個教學產生深遠的影響。

1 虛擬現實技術簡述

虛擬現實技術，簡單地說，就是借助于計算機技術及硬件設備，實現一種人們可以通過視、聽、觸、嗅等手段所感受到的虛擬幻境。虛擬現實作為一項尖端科技，它集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，由計算機圖形構成三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，提供給人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式。虛擬現實的最大特點是用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效地擴展了人們的認知手段和領域。

2 虛擬現實系統的基本類型

根據用戶參與虛擬現實的不同形式，可把虛擬現實系統劃分成四類：

3.1桌面式虛擬現實系統

桌面式虛擬現實系統也稱為簡易型虛擬現實系統，它是利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，使用者通過鍵盤、鼠標便可與虛擬環(huán)境進行交互。這種系統的特點是結構簡單、價格低廉，因此應用比較廣泛，是一套經濟實用的系統。但桌面式虛擬現實系統會受到周圍現實環(huán)境的干擾，參與者缺少完全的沉浸，缺乏真實的現實體驗。

3.2沉浸式虛擬現實系統

沉浸式虛擬現實系統是一種高級的虛擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數據手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。沉浸式虛擬系統是一套比較復雜的系統，它的優(yōu)點是用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統設備價格昂貴，難以普及推廣。

3.3增強式虛擬現實系統

增強式虛擬現實系統是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統，它既允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界的虛擬對象，這種系統既可減少對構成復雜真實環(huán)境的計算，又可對實際物體進行操作，真正達到亦真亦幻的境界。

3.4分布式虛擬現實系統

分布式虛擬現實系統是利用遠程網絡，將異地的不同用戶聯結起來，多個用戶通過網絡同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷，對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協同工作的目的，從而將虛擬現實的應用提升到了一個更高的境界。

3. 虛擬現實技術的基本特征

虛擬現實技術具有以下四個基本特征:

沉浸性——指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。虛擬現實技術是根據人類的視覺，聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。

交互性——指用戶對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤，鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔，數據手套等傳感設備進行交互。

多感知性——是指除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。由于虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，從而達到身臨其境的感。

構想性——是指虛擬現實技術具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類的認知范圍，不僅可再現真實存在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境，它不僅可實現實物虛化，還可實現虛物實化等處理。

4 虛擬現實技術在教育教學中的實現意義

隨著計算機、信息、網絡等相關技術的發(fā)展，計算機作為一種高效能的信息傳播工具，在教育教學過程中得到越來越廣泛的應用，如果將虛擬現實技術作為一種新興的教學媒體應用到教育教學中，這種嶄新的技術會帶給我們嶄新的教育思維，解決我們以前無法解決的問題。

4.1虛擬現實技術開創(chuàng)了全新的學習場景——徹底打破空間、時間的限制

利用虛擬現實技術，可以徹底打破空間的限制，學生可以進入物體的內部進行觀察，如學生可以進入虛擬的分子、原子、航天工作站等內部，考察物體內部的工作情況。虛擬技術還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。虛擬制造技術還可以應用計算機、交互外設及軟件來構建一個虛擬的生產環(huán)境，使學生能如同在制造現場一樣，與熒屏上出現的制造過程進行自由交流?；诰W絡的虛擬現實技術為學習者提供了全新的學習場景，構造出開放性的教學環(huán)境。

4.2虛擬現實技術提供了嶄新的教學手段——構建實物虛化、虛物實化的方法

通過虛擬現實、多媒體、網絡等技術的綜合應用，可在課堂和實驗室中展現在傳統的教學模式中無法實現的教學過程。虛擬現實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬和虛物實化，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。虛擬現實系統可以進行實物虛化，虛擬各種人物，創(chuàng)建虛擬課堂，在虛擬的課堂氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流討論，開展啟發(fā)式教學。運用虛擬現實技術，還可以使學生通過在虛擬場景的身臨其境和自主控制的人機交互，由視、聽、觸、覺獲取外界的反應，通過學生自我組織，制定并執(zhí)行學習計劃，進行自我評價，開展適應式學習。還可通過小組或團隊的形式，組織學生進行學習，成員間共享成果，開展協作式教學。