近几十年,科学技术迅速发展,电子技术、信息技术、空间技术已广泛应用于现代生产。人类社会从工业化社会转入以电脑为核心的信息化社会,使我们的劳动方式、生活方式、思维方式不断变化。计算机作为现代科技的产物,其发展速度更是日新月异,如果说八十年代是个人计算机的时代,九十年代则是多媒体计算机的时代,那么二十一世纪将是虚拟现实(VIRTUAL REALLTY)的时代。

沉浸式虚拟现实体验

虚拟现实技术实现了人——机对话的又一次飞跃,使信息的通讯、呈现方式更趋近于人类的生活技能和自然环境,此项技术目前已被应用于宇航员培训、医学实习、军事模拟训练等领域。随着技术的日臻成熟,将广泛应用于教育领域,创设良好的学习环境,提供自由、灵活的教学方式,为培养修改全面和谐发展的学生起到积极的促进作用。

一、虚拟现实的概念和人机交互特性

虚拟现实是依靠计算机,构建设计于人类的生理、心理特点之上,运用计算机对实景进行仿真和模拟的人工媒体空间,是一种新型的人——机界面方式。利用计算机仿真技术的虚拟现实系统为用户提供了临境的、多感官通道的体验,尽管环境是虚拟的,但用户通过参与模拟环境获得真实的感受。用户采用头盔、数据手套等设备进入虚拟空间,并作为环境中的一员与环境中的虚拟人物进行交谈、游戏,并能通过视觉、听觉、触觉、动觉对系统提供的信息进行感知、获取。虚拟现实系统中的人——机交互界面距离减少到最小,用户操纵自由度进一步扩大,系统可根据用户的状态和要求自动调整信息的呈现方式、内容和细节。虚拟现实中客观事物的运动变化呈现为立体全息图。

虚拟现实系统与一般的计算机系统相比,有它自己的特性(如下表),归纳起来主要体现以下几个方面:

1.临境性:在虚拟现实系统中,学习者由观察者转变为参与者,学习者融入虚拟现实系统中成为系统的一部分。日常生活中,人们处在三维自然空间中,双眼视网膜像差在大脑视皮质中混合后形成立体深度视觉,到达两耳声音刺激的强度差,时间差能帮助人们判断声音的方位和距离,虚拟现实技术根据人类的视听觉线索,利用头盔显示器将用户的视听封闭起来,在左右眼显示器中呈现不断运动变化的图象,且呈现的信息稍有差别,形成具有立体深度的视觉场景,同时利用虚拟声音系统产生具有强度、深度及方位变化的声音信号,形成三维的自然声音感觉,利用数据手套产生触觉反馈,各种跟踪器、反应器、探测器产生动觉感觉,调整信息再现内容,从而使操作者犹如身临其境,产生临境的错觉。

2.交互性:虚拟现实系统的交互性不同与一般计算机系统的交互性,一般计算机系统的交互作用体现在对操作者的每一次操作作出相应的反应。而虚拟现实系统的交互性不仅能对操作者的操作进行反应,更重要的是,它能够通过数据手套、各种跟踪器、反应器、探测器自动采集反馈信息,调整系统呈现的图象、声音内容,操作者的手、头、眼、身体的运动信息,声音的内容都是虚拟现实系统作出反应的依据。心理学的研究认为“若某一信息系统输出信息的方式、数量和人的思维过程相吻合,阅读、分析、判断则进行的顺利,人们容易吸收,理解信息,信息系统则存在友好的界面”。虚拟现实系统的交互方式是人们直接参与到虚拟环境中,通过多感官接收信息,向系统提供反馈信息。在虚拟环境中,人们如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的人物、事物发生交互关系,从而使人——机交互达到了一个全新的境界。

3.充分发挥人的主动性:虚拟现实中的学习内容从一般计算机系统对真实环境的模拟发展为对真实环境的虚拟和仿真,呈现的是更接近自然、社会、生活的三维虚拟空间场景,虚拟环境提供的所有信息内容由学习者的语言和形体运动信息进行控制,学习者必须不断作出反应才能使学习过程进行下去。学习者得到的一切信息不在是被动的接收,而是主动的寻求探索。

4.共享性:计算机媒体的发展趋势是网络化、综合化、智能化,虚拟现实系统作为计算机媒体的一种特殊形式,虚拟现实系统的网络化使其在应用中有着更广阔的前景。在虚拟现实网络中,多个学习教员可共处于一个虚拟环境中进行学习,探讨。虚拟现实系统中的资源共享。虚拟现实软件的开发目前已涉及到人文、地理、自然等各个学科。在发达国家,虚拟现实系统已逐步进入实用时期。

二、虚拟现实与未来教育

虚拟现实系统作为一种全新意义上的教学媒体应用于教育,将促使教育形态、教育环境、教学过程的基本要素及相互关系发生重大变化。使教学过程中的教师、学生、媒体之间的地位、作用、关系形成新的结构。

(一)虚拟现实系统中的教育主体

传统的教育过程中学生处于消极、被动地位,直接或间接地服从来自教育权威的指令,被“批量加工”成“标准化产品”。学生做为学习主体的积极性、创造性,主动性被压抑,教师是知识的传授者,在对学生管理的过程中扮演了“家长”的角色,教师是绝对权威的,师生关系为管理与服从的关系。当虚拟现实技术真正统一于教育体系并与教育主体发生联系时,教育活动的主体——教师和学生,由人-人关系发展为人-机-人的关系,教育主体的观念、职能、活动方式等都将随之发生变化。

1.教师角色的多元化发展趋势

A.教师成为教学过程的设计者:教师在虚拟现实系统中对教学内容进行选择、设计、对已存入的信息进行加工处理和即时演示,随时采集各种媒体信息,根据教学需要,设计新的学习软件,同时对教学程序,教学方式,教学目标进行设计。在这个意义上教师的职能体现在软件的设计、制作与改进的过程中,体现在软件的知识结构与逻辑结构之中。
B.教师是学生学习过程的帮助者、辅导者:教师的主要职能由传授知识转向帮助学生确定学习策略,引导学生掌握获取信息,加工信息的方法。帮助学生组织知识结构,提供咨询,辅导服务。
C.教师是学生学习过程中合作者:在虚拟现实系统中,教师与学生同时以学习者的身份进入虚拟现实学习环境。在虚拟环境中,师生不在是知识的传授者与接受者的关系,双方为了同一个目标共同协调学习、工作,师生之间是平等、互动的合作关系,教学、教养活动在和谐的关系基础上完成。教师要诱发学生进行学习,以人格的榜样力量影响教育学生进行学习,使其形成高度独立自主的学习品质。体现在同虚拟现实系统中的教师合作,共同完成教学任务。

2.学生由被动学习者转化为学习的主人学生在虚拟现实系统中进行学习具有以下几方面的特点:

A.学习可独立、自主地进行:虚拟现实系统为学生提供了更大的学习空间,获得了更多的自由,不仅可以进行新知识、技能的学习,还可进行补偿式学习,兴趣性学习,验证性学习等。学生能够根据自己的能力、爱好、需要选择学习内容,学习上自定步调。
B.学生个性全面和谐地发展:学生借助头盔、数据手套、操纵杆等设备进入虚拟系统进行学习,调动多感官参与学习活动。利用人的自然技能,全身心的协调运动进行学习。通过故事化、案例化、虚拟化的内容学习,充分发挥学生的想象力。靠个体的意向创造性完成学习过程,加强了社会实践机会,参与了集体与人际关系,在认知、情感、社会性、价值观等方面全面得到训练。
C.和教师结为更为密切的关系:学生学习通过人-机界面及教师的辅导进行,很多学习活动不是面对面进行的,但由于时空的扩大,教学方式的灵活、多样。师生更象共处同一工作环境,师生之间沟通、交往的频率加大,关系更为密切。虚拟现实技术的真实性能在学生和虚拟教师之间建立富有人性化的交流关系。

(二)虚拟现实系统为教育创设良好的学习环境

以往学校的教育目标为优先获取知识,以学会学习,学会生存为目标。现代教育目标的人文价值取向为学会做人,学会关心,突出行为养成。学生在学校不仅要获得谋生的手段,为择业作准备,更重要的是丰富自己的个性与内涵。传统的学校教育环境很难达到这一目标。国外出现了小型化学校,以其灵活,宽松的环境取得了良好的教学效果。未来的教育环境将是一种“自由学习环境”——学生随时随地运用计算机进行学习,通过相互合作,交流,讨论学得知识、技能,新的教学媒体为学校教育、远距离教育提供了更有利的学习环境。教育环境有了更广泛的涵义。

1.虚拟现实提供自由、灵活的学习环境

由计算机、头盔、数据手套等设备构成的虚拟现实系统,可以在学校、家庭、计算机网络系统等各种场合与方式下为学生提供学习环境。它既适合于个别化学习,又可进行协作学习,远距离学习。学习可在任何时间进行,满足于各层次学生的学习需要。网络化、智能化的学习环境为人们进行继续学习、终身学习提供了保证。

2.虚拟现实系统提供情景化、虚拟化学习环境

虚拟现实系统多维度呈现信息,学习者学习时调动了视觉、听觉、动觉等多感官的参与。人-机界面距离减少至最小,学习者获得了最大的控制、操作整个环境的自由度。学生在真实的情境中习得的知识经验,有利于知识技能的掌握、运用,体现了知识技能在真实环境中的意义和价值,化解了学习难点。有意记忆、无意记忆谐调并用,学习过程轻松、愉快。

3.创设了跨文化、跨国际交流的合作性学习环境

现代通讯技术和手段缩小了地域的界线,跨国际、跨文化交流越来越频繁,为了提高学生的应变能力、适应能力、学生的语言能力、交际能力成为基本的素质要求。虚拟现实系统创设的合作性学习的教育氛围,使不同国界、不同年龄的人共同协作学习。语言学习可通过与所学语种的环境进行交互学习,学习过程轻松、活泼。学生在知识、能力、人性方面都得到相应的发展,不仅继承了人类已有的文明成果,同时在合作化的学习中创造性地解决所面临的困难和问题,积累了人际交往经验,语言能力、交际能力、应变能力得到培养。

(三)虚拟现实系统在教学中的作用

虚拟现实系统在教育中的应用,在知识学习、技能训练等方面将起到积极的作用,从目前虚拟现实系统的发展水平与应用程度来看,其在教学中的应用主要在以下二个方面:

1.知识性学习

虚拟现实系统的最大特性在于临境性和多感官的共同参与性,知识性学习系统主要用于再现在现实生活中无法观察到,或无法用简单方法再现的事件与过程,以及对知识学习所必须的客观世界环境的模拟,而这些事件与过程是学习知识所需的重要内容。例如:我国的虚拟故宫、美国的虚拟太空飞行、虚拟发电厂等各种内容的虚拟现实系统为学习者提供了临境的学习环境。学习者能够在环境中学习关于历史、航空等有关科学知识。

2.技能性学习

对学习者而言知识的学习与技能的学习是同等重要的,但知识与技能的学习有着重要的区别,知识带有“有或无”的性质,而技能则是随着经验和练习得以培养的。技能的学习主要包括:认知技能、动作技能、反应技能和交互技能。现有的教学形式对培养学生的技能而言存在较大的缺陷,它无法提供事件发生现场的教学环境。即使能够通过电视等媒体再现某些重大事件或事物的发展变化过程,但学习者只能是被动的看,而不能在事件过程扮演任何角色。虚拟现实系统通过构建事物发展变化的虚拟环境,使学习教学在系统中得到身临其境的感受,更重要的是学生能够以各种形式参与到事件的发展变化过程中去,在事件的发展变化过程中扮演角色,而学习者的行为将影响事件的发展方向。例如:美国开发的用于培训医生的虚拟现实教学系统,学习者通过头盔中的左右眼液晶屏获得三维图象,通过新型的声音系统获得具有强度、深度、方位变化的声音,通过数据手套、胸、臂等感应器获得触觉和动觉感知。学习者的运动反馈信息则通过头眼及身体各部分的跟踪器、摄像机、数据手套输入计算机,计算机则根据这些信息调整图象再现的内容。在这个系统中,学习者作为虚拟现实系统中的一员参与整个手术过程,他可以与系统中的虚拟医生进行交谈,给他们下达命令,他可以操作虚拟系统中的手术刀等各种器械,他的动作变化会导致系统呈现环境与内容的变化,在这个系统中学习者能够获得真实手术过程中的各种感受。在虚拟现实系统中学习者的认知、动作、反应及交互技能都能够得到良好的训练。虚拟现实技术作为多媒体技术发展的高级阶段,其在教学中的应用将促使目前教学过程中的教师、学生、媒体之间的关系与地位发生重大变化。在对学生进行知识传播、技能训练等方面会得到显著的教学效果。特别是随着计算机网络化的进程,虚拟网络的建设,这一新的教学媒体将在个别化教学、学校教学、远距离教学及终身教育中展示巨大的应用前景。

>>相关产品