一、虛擬現(xiàn)實(shí)
　　
　　虛擬現(xiàn)實(shí) (Virtual Reality)，簡(jiǎn)稱VR，是90年代在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域集合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、并行實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)、人工智能、仿真技術(shù)等多種技術(shù)的最新發(fā)展成果，生成的一種高技術(shù)模擬系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)交互性、多感知性、存在感和自主性等特征。
　　目前，虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有純軟件模擬和軟硬件結(jié)合兩種，均是以模擬方式為使用者創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖像環(huán)境，使參與者在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗(yàn)中，直接參與、探索虛擬對(duì)象在所處環(huán)境中的變化，從而產(chǎn)生置身于虛擬世界中的體驗(yàn)。
　　虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建的既非真實(shí)世界，也非簡(jiǎn)單的平面化的多媒體視覺(jué)效果，而是一種虛擬和現(xiàn)實(shí)相交織的環(huán)境。它的技術(shù)實(shí)質(zhì)在于提供了一種高級(jí)的人機(jī)接口，把抽象、復(fù)雜的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)空間表示為直觀的、用戶熟悉的事物，人們通過(guò)計(jì)算機(jī)的各種媒體進(jìn)入該環(huán)境中并與之交互。
　　目前，基于虛擬現(xiàn)實(shí)真三維實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)游戲很是火爆。由于虛擬現(xiàn)實(shí)帶來(lái)的強(qiáng)烈感官浸潤(rùn)感使得該類游戲迅速竄紅國(guó)內(nèi)外的游戲市場(chǎng)，并且日益成為主流游戲。以此對(duì)照，反觀我們的教育教學(xué)，目前中小學(xué)用于學(xué)習(xí)的教育軟件所采用的技術(shù)還相當(dāng)落后，大多數(shù)依然停留在圖片演示、幻燈片播放和簡(jiǎn)單的Flash動(dòng)畫模擬的基礎(chǔ)狀態(tài)。我們需要借助虛擬現(xiàn)實(shí)真三維實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的一臂之力，重新喚起大家對(duì)學(xué)習(xí)性教育軟件在技術(shù)層面的關(guān)注。所幸的是，以前在專用的圖形工作站上才能運(yùn)行與使用的虛擬現(xiàn)實(shí)真三維實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，已經(jīng)可以由一個(gè)高端的專用技術(shù)移植到普通的計(jì)算機(jī)上使用，技術(shù)門檻的降低使得中小學(xué)在課堂教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)成為一種可能。
　　應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)真三維實(shí)時(shí)渲染技術(shù)開發(fā)的教育軟件系統(tǒng)，能夠營(yíng)造逼真、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生沉浸在虛擬世界里對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察、交互、參與、實(shí)驗(yàn)、漫游等操作，將枯燥難懂的理論知識(shí)、晦澀不明的文學(xué)意境，以“身臨其境”的方式來(lái)感受和體會(huì)，使得學(xué)習(xí)處于一種準(zhǔn)“實(shí)踐”狀態(tài)，由被動(dòng)灌輸?shù)摹疤铠喪綄W(xué)習(xí)”成為一種主動(dòng)式和興趣式的學(xué)習(xí)探索。
　　
　　二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用
　　
　　目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在虛擬校園、虛擬環(huán)境創(chuàng)設(shè)、虛擬實(shí)驗(yàn)等方面。
　　隨著網(wǎng)絡(luò)教育的深入，人們已經(jīng)不滿足于對(duì)校園環(huán)境的瀏覽，基于教學(xué)、教務(wù)、校園生活的三維可視化虛擬校園呼之欲出。人們需要一個(gè)完整的虛擬校園體系。真實(shí)、互動(dòng)、情節(jié)化的特點(diǎn)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獨(dú)特的魅力所在，新技術(shù)必將引起教育方式的革命，讓我們感受到全新的校園文化。
　　親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說(shuō)教更具說(shuō)服力。主動(dòng)地去交互與被動(dòng)地接受灌輸，二者有本質(zhì)的差別。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，廣泛用于語(yǔ)文、歷史等課程領(lǐng)域中，提供給學(xué)生的是無(wú)限的虛擬體驗(yàn)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程。不難看出，虛擬學(xué)習(xí)表面上是創(chuàng)設(shè)了一種虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)則營(yíng)造的是一種“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之以學(xué)習(xí)者通過(guò)自身與信息環(huán)境的相互作用來(lái)得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式。例如，毛澤東的《沁園春·雪》，學(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤，暢游在“千里冰封，萬(wàn)里雪飄”的山脈上，也可以登上長(zhǎng)城俯瞰“長(zhǎng)城內(nèi)外”美景，一睹栩栩如生的“秦皇漢武”、“唐宗宋祖”、“一代天驕成吉思汗”的英姿，甚至還可以從不同視角瀏覽“江山如此多嬌”的壯觀景象，真正體會(huì)作者文中所表達(dá)的“數(shù)風(fēng)流人物，還看今朝”的深遠(yuǎn)意境。
　　虛擬實(shí)驗(yàn)是依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，在?shí)驗(yàn)的本體逼真性、應(yīng)用普適性，以及給予實(shí)驗(yàn)者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)感受和實(shí)驗(yàn)效果等方面，是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)所無(wú)法比擬的。具體而言，其優(yōu)勢(shì)在于：（1）節(jié)省成本。由于設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等硬件條件的限制，在很多學(xué)校里許多實(shí)驗(yàn)都無(wú)法正常進(jìn)行。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)，足不出戶便可以做各種實(shí)驗(yàn)，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)，在保證教學(xué)效果的前提下，極大地節(jié)省了成本。（2）打破空間、時(shí)間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生可以“自由”進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察；有些需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過(guò)程，也可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生。例如，生物中著名的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實(shí)驗(yàn)往往需要幾個(gè)月的時(shí)間，而虛擬實(shí)驗(yàn)在一堂課內(nèi)就可以完成。（3）規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作有時(shí)候會(huì)帶來(lái)各種危險(xiǎn)，而虛擬實(shí)驗(yàn)不但能模擬、再現(xiàn)這些現(xiàn)象或過(guò)程，而且教師也不用擔(dān)心會(huì)對(duì)學(xué)生造成傷害。與此同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行包括軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、體育技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練——學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至完全掌握操作技能。
　　虛擬實(shí)驗(yàn)一般是在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。所謂虛擬實(shí)驗(yàn)室，是指由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及實(shí)驗(yàn)信息資源等。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以是某一現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)再現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想成的實(shí)驗(yàn)室。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)者有逼真的感覺(jué)，似乎是在真正的現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室里近距離進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作。但是，遺憾的是目前我們所見到的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是在高等教育領(lǐng)域得到一些應(yīng)用，在中小學(xué)基礎(chǔ)教育軟件中基本“難覓身影”。
　　
　　三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)分析
　　
　　在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)三代資源庫(kù)的建設(shè)過(guò)程中，可以采取“分而治之”的原則，將開發(fā)過(guò)程中的大量工作分為不同的部分，以解決開發(fā)過(guò)程中工作量過(guò)大的問(wèn)題。在實(shí)際的開發(fā)中，目前所采用的最為流行的一種方法就是先開發(fā)出一套獨(dú)立的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，再根據(jù)這套引擎提供的功能完成學(xué)習(xí)或?qū)嶒?yàn)的虛擬場(chǎng)景。引擎提供的通常是虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)世界運(yùn)行最基本的內(nèi)核程序，就像是汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。但是光有發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車也是無(wú)法行駛的，同樣，只有引擎沒(méi)有模型、角色動(dòng)畫、場(chǎng)景，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)語(yǔ)文課文場(chǎng)景中的虛擬漫游、物理和化學(xué)課程中的實(shí)驗(yàn)操作、生物課程中果蠅和白鼠等生物體的解剖。簡(jiǎn)言之，虛擬現(xiàn)實(shí)引擎是實(shí)現(xiàn)模型或場(chǎng)景的本體光學(xué)、物理、音效模擬真實(shí)的表現(xiàn)效果或者互相作用效果的程序集合；而模型（非生物體）、場(chǎng)景或角色（生物體）是類似制作電影級(jí)別的三維模型造型師進(jìn)行制作，再將制作出來(lái)的模型（非生物體）、場(chǎng)景或角色（生物體）文件導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)。
　　目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育軟件和資源開發(fā)方面，需要克服的技術(shù)難題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，實(shí)時(shí)渲染玻璃、毛發(fā)、面部表情及其他需要解決的實(shí)時(shí)材質(zhì)的問(wèn)題。在物理、化學(xué)、生物等學(xué)科教學(xué)中涉及到大量的玻璃儀器，儀器的造型雖然較角色模型容易，但是展現(xiàn)極富真實(shí)感的玻璃材質(zhì)是目前必須要解決的緊要問(wèn)題之一。語(yǔ)文課、歷史課中角色人物的毛發(fā)、面部表情，也需要相關(guān)算法的研制進(jìn)行配合。其二，由于沒(méi)有高分辨率照片，要盡可能真實(shí)地再現(xiàn)語(yǔ)文課本中的近現(xiàn)代歷史人物，也是亟需解決的問(wèn)題之一。
　　應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)的軟件與資源將大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，降低教師教學(xué)難度，對(duì)于目前學(xué)生交互式操作的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及面向中高考的實(shí)驗(yàn)考試部分也將有章可循，解決因教育環(huán)境差異而無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的考試難點(diǎn)，同時(shí)作為形成“虛擬世界學(xué)習(xí)”的一個(gè)重要組成部分，同樣具有很好的教育應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
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