虚拟现实技术及其应用

2023-03-28

第一篇：虚拟现实技术及其应用

虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术在教学中的应用主要集中在桌面虚拟现实和分布式虚拟现实,沉浸型虚拟现实由于所需设备昂贵,在教学中的应用较少。虚拟现实技术在远程教育中的应用主要有制作三维网络课件、开设网络实验课程和建构虚拟教室。

1.制作三维网络课件

在教学中,基于HTML的网络课件在不断地发展完善,但却始终不能摆脱二维平面的约束。在课件中加入虚拟现实技术,能挣脱这一枷锁。将虚拟现实和文字、声音、图片、视频等各种媒体有机结合,可以弥补二维平面课件的不足。如,用VRML设计各种三维的模型、物质结构等,可以让学生多角度地观察和学习,更好地理解学习内容。虚拟现实技术还可以再现现实生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程,为学生提供生动、逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点。如学习物理知识时,利用虚拟现实技术,向学生展示原子核裂变、半导体导电等复杂的物理现象,供学生观察学习。

2.开设网络实验课程

虚拟实验在网络教育中有着巨大的优势,它可以弥补远程教学条件的不足。虚拟现实实验环境的开发可以真正打破空间、时间的限制,促进网络实验课程的开展。利用虚拟现实技术,还可以建立各种虚拟实验室,如物理、化学、地理、生物等实验室,在“实验室”里,学生可以自由地做各种实验,获得真实的体验。学生还可以通过虚拟实验验证所学的各种理论知识,提出各种假设模型进行虚拟,并通过虚拟系统观察这一假设所产生的结果或效果。例如,在虚拟的化学系统中,学生可以按照自己的假设设计某一化学反应,通过虚拟实验,可以看到相应的反应现象。通过这种探索式的学习方式,可以培养学生的学习兴趣,有利于激发学生的创造性思维,培养学生的创新能力。

3.建构虚拟教室

目前,在网络教育中,学生大部分是通过网络课程来学习的。学习时,学生能在网页上看到课程的相关文字材料和一些静止的图片。当然,好一点的网络课程,还提供了教学视频。但是不管是文本还是视频,师生之间都缺乏一种灵活的交互。应用虚拟现实技术,构建虚拟教室,能使这个问题得到一定程度的解决。虚拟教室是指运用分布式虚拟现实技术构造的一个虚拟真实的教学环境,分布在各个不同地方的学生,可以通过网络参与到虚拟课堂中。虚拟教室模拟了真实多媒体教室的整个场景,是师生共同活动的一个空间,在这里,可以完成教学、答疑等各种教学活动。借助网络通讯技术,视音频采集、处理技术以及交互代理等技术,参与到课堂的各个对象可以看到彼此,学生可以看到老师的板书,听到他的讲解。教师也能看到学生的表情和动作,可以听到学生的提问,并随时解答。这种教学方式,可以增强师生之间的实时互动,激发学生的学习兴趣,提高教学效率。

第二篇：虚拟现实技术在安全工程中的应用

也就是说，在系统中，人们的目的是使计算机及其他传感器组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不很亲切的计算机系统。

虚拟现实技术在安全工程中应用的领域

综合虚拟现实技术的特点，笔者认为安全工程在以下方面可充分应用虚拟现实技术：

科学

研究、实验及计算机模拟结果的真实化再现

安全性能设计

任何社会产品(也包括安全产品)都应该有其自身的安全性。而人们在产品未生产出前，是无法真实感受其安全性的，而技术可以预先为其提供一种虚拟的真实产品模型，让设计者和使用者在产品付诸生产之前就能亲身感受到该产品的安全性能，从而为设计者提供改进的依据。

救灾指挥决策

发生事故时，救灾指挥者一方面需要准确掌握事故现场的情况，另一方面要了解事故可能的发展趋势，甚至有时需要进行远程指挥(如主要事故处理专家一时无法到达事故现场)，这时可以应用技术与其它模拟技术相结合的方式来完成。此外，还可以利用技术来模拟未发生的事故，进行对人员的训练工作。

)日常安全教育与避灾训练

可以针对某些事故及一定区域建造事故模拟和训练的系统，让人们在真实的环境中接受事故预防的教育及事故抢险人员的操作训练，从而提高人们对事故的感知度及抢险人员的技术操作水平和战斗力。

安全工程虚拟现实系统结构

由于安全工程涉及范围广泛，所以对不同领域的安全工程系统的侧重面就可能有所不同。本文以大空间建筑火灾系统为例进行介绍。

中国科学技术大学和中国矿业大学合作，针对大空间建筑火灾的特点，建立了大空间建筑火灾系统。这是国内目前安全领域所建立的唯一系统。建筑火灾的系统主要有两个方面，一是要考虑建筑物本身的结构模型的真实性;二是火灾模拟的真实性。本文论述的大空间建筑火灾系统结构主要包括两个模型、两个接口及一套外围设备，即：

建筑物真实感三维立体模型系统;

火灾烟气及火焰模型系统;

三维模型运动及控制接口;

外围设备与两个模型的接口;

虚拟现实外围设备系统;

各部分关系，如图所示：

图大空间公用建筑火灾虚拟现实系统结构

使用者通过外围设备系统经由主计算机系统使用外围设备，例如：计算机鼠标、数据手套等操作设备，通过三维模型运动控制接口程序控制建筑物及火灾的运动。建筑物模型及火灾模型本身由专用三维处理程序建立，具有真实三维立体感。经过控制运动的两个模型，通过外围设备与模型接口程序，将结果显示输出到外围设备，例如：计算机显示器、立体眼睛等。操作者可以根据这一循环的结果，决定下一个循环的操作过程。从而经过不停地循环，达到真实模拟和实时控制的操作环境。

用户可以使用鼠标，控制人员在建筑物中漫游，例如：按动鼠标左键，然后移动鼠标可以沿各个方向运动;按动鼠标右键，左右移动鼠标，可以实现建筑物的左右旋转用上下光标键，可以上下移动建筑物。用户也可以使用数据手套拾取灭火器并对其进行开启操作，以实现灭火的操作;可以用大拇指按动模拟人对灭火器开关的操作，从而使人感觉到似乎是在真实地操作灭火器。而用户若通过立体眼睛观察时所得到的三维模型为具有极强的深度感的三维物体，即两个有前后距离的物体，看起来其间有一段真实的距离前边的物体似乎是在计算机屏幕外边。

系统软件支撑环境和硬件设备的选择

系统软件支撑环境选择是建立真实感模型及控制的关键。选择时，要考虑程序的使用范围。硬件设备的选择应根据经济条件来决定。

模型的建立，可采用专用的软件系统，例如：×、等，然后再使用专用的转换软件转换到所使用的三维开发环境中;还可以直接用三维开发环境进行开发，例如：、×及虚拟现实专用软件开发系统等。本系统采用开发语言，调用三维立体图形接口建立模型。是公司开发的三维图形绘制接口，它可以运行在多种系统中，因而具有应用范围广泛的特点。

选择计算机主系统时，应考虑系统的运行速度、显示卡的性能等指标。专业的系统可以采用专用的工作站。本系统采用机系统，系统为Ⅱ，内存为，显示卡采用，显示内存为。所采用的输入设备应考虑人员操作的方便及功能的多样性。如果只要完成基本的漫游功能，则

第三篇：虚拟现实技术在博物馆中的应用探讨

摘要：虚拟现实技术是利用计算机科技，将编辑好的三维数据通过各种不同的传输途径呈现在人们面前的新兴科技。博物馆是征集、典藏、陈列和研究代表自然和人类文化遗产的实物的场所，是对公众开放的非营利的，为社会发展提供服务，以学习、教育、娱乐为目的的永久性机构。本文将从虚拟现实技术的特点和博物馆应用方面探析二者的结合。关键词：虚拟现实技术;博物馆;技术应用

一、虚拟现实技术

虚拟现实技术(简称VR)，又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。将编辑好的三维数据输入到虚拟现实软件的程序中，然后用直观的方式将信息展现到人们眼前，使人们能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，让人们可视、可知、可感，甚至是可嗅。

虚拟现实技术可跨越地域的限制，将人们无法亲临的景物呈现在人们的眼前，更可直观的剖析很多无法拆卸和展示的事物。使人们更深入的了解事物的本质和内涵。

二、虚拟现实技术的应用

虚拟现实技术已经广泛应用在我们生活的各个角落。应用在商业上，可以缩短开发周期，减少投资费用。应用在医学研究上，可以数字化人体结构，虚拟手术过程，很好的解决了人体实验对象资源匮乏的问题。应用在娱乐行业，虚拟滑雪场、4D电影等更是丰富了消费者的娱乐生活。

现在虚拟现实技术更进一步深入到了教育行业。虚拟校园、虚拟教学、虚拟博物馆的出现，改善了传统语言教学的略显枯燥的教育方式。使人们更直观、更深刻的获取知识信息。

三、虚拟现实技术在博物馆中的应用

博物馆是人们学习知识、参观文物、感受文化的地方，其社会意义强、教育功能直接，国家重视博物馆建设，主张更多的博物馆向社会开放。把虚拟现实技术应用到博物馆中，不仅能够加强博物馆的社会功能和教育功能，同时也为博物馆新的运作模式提供了可实践的方式，转变传统博物馆随走随看、走不到看不见的情况。故宫文化资产数字化应用研究所利用虚拟现实技术制作了四部大型虚拟现实作品，利用虚拟现实打造的互动展示、自主选取视角等技术，让人们感受到了虚拟现实博物馆的奇妙。

虚拟现实技术可以应用到博物馆数字技术的各个层面，它可用于馆内展品和古建筑的数字展示与数字保存、也可用于展品和古建筑的虚拟修复与文化遗产监测、还可用于博物馆展品随展以及博物馆之间的展览合作。虚拟现实技术应用到博物馆中意义重大，能够在保护文化遗产不受损害的同时，更好的满足观众和游人的参观游览需求。

(一).基于文物保护目的的虚拟现实技术应用

基于文物保护的目的，博物馆内的展品都收藏在展柜中，受到展柜空间的限制，观众无法近距离观看展品细节，也看不到文物被展柜遮挡的部分，虚拟现实技术解决了这一难题。它将文物的信息利用计算机数据化展示，逼真的呈现在观

众面前。更可外接感应终端，模拟文物形态、重量等外部特征。观众可通过对感应终端的操作，实现对虚拟文物的旋转、放大缩小等操作。从而实现了真实文物无法提供的新颖的交互式参观模式。

(二).基于古建筑保护与内部展示的虚拟现实技术应用

基于古建筑保护的目的，很多时候，观众只能在围栏外或者隔着玻璃参观古建筑内景，受到室内光线和参观距离的限制，室内陈设模糊不清，往往无法达到理想的参观效果。虚拟现实技术引入后，可将文物古迹用数字化形式展现给观众，故宫博物院出品的《天子的宫殿》系列大型虚拟现实作品可带领观众在太和殿、中和殿、保和殿、养心殿和倦勤斋等实际游览中无法进入的著名宫殿建筑中无忧畅游，让观众零距离观赏宫殿内部陈设和古建筑原貌，在保护文物古迹不被损伤的同时满足了人们的求知欲。

(三).基于文化内涵展示的虚拟现实技术应用内涵是指事物内部包含的实质和意义，在众多博物馆中文物古迹中蕴涵的是中华上下五千年的历史积淀。利用虚拟现实技术可以将文物古迹背后的历史背景、宗教文化、传统制作工艺等文化内涵传达给观众。利用虚拟现实技术的特点，将这些文化内涵形象化、具体化，并配合动画、解说等后期效果，带给观众超越视觉感受的文化体验。

(四).基于博物馆合作的虚拟现实技术应用随着我国国际地位的提升，越来越多的外国友人了解并痴迷于中国的传统文化。我国各大博物馆也与许多国际知名博物馆建立了友好的往来关系。在共同探讨研究相关文物保护知识，交换展览展示经验的同时，博物馆之间会定期举办专题性的借展展览，以此来满足广大观众对异国文化的渴望。但是受到时间、距离以及相关条例的限制，每次参展的文物等级和数量都受到严格的控制，大型展品和宫殿建筑更是无法参展。虚拟现实技术挣脱上述种种束缚，它能将不可移动的宫殿建筑带到展览现场，也可以把宫殿建筑的建造过程和文物的制造工艺以交互式方式传递给观众。虚拟现实技术在随展中的应用丰富了借展内容，把更多的知识信息带给观众，吸引了更多参观者，更好的完成了博物馆文化传播的社会职能。

(五).基于文物虚拟修复与数据保存的虚拟现实技术应用

光阴荏苒，博物馆中的大量文物古迹都出现脆化、脱色、剥落等现象。保护和修复这些文物古迹也是博物馆日常工作的重中之重。利用虚拟现实技术可以数字化记录文物古迹的现实状态，跟踪监测受损程度，还可以制定出相应的虚拟修复方案，预先模拟修复过程，检验修复技术和手段的可行性，从而避免直接人工操作带来的不必要的文物损伤。同时，这些高精度的数据可以保持起来，以便日后开展更精密的研究工作。总结：

虚拟现实技术的发展前景十分乐观，它在博物馆界的应用也会越来越广泛，越来越深入。它能更好的发挥博物馆的社会功能和教育功能，不断为博物馆的发展注入新的活力。参考文献：

[1]吕晓刚.从文化遗产地的表象还原到内涵表达[J].中国传媒大学出版社，2012 [2]姜学智，李忠华. 国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2004(23)

第四篇：虚拟现实技术在会展实验教学中的应用研究

【摘要】虚拟现实技术所具有的沉浸性、交互性、构想性和全息性，使它在实验教学领域显示出独特的优势。将虚拟现实技术应用在会展实验教学中，改变了传统会展实验教学的模式，给教学过程带来划时代的变革，这为培养专业的会展应用型人才起到了重要的促进作用。

【关键词】虚拟现实会展实验教学

【基金项目】广西高等教育教学改革工程项目(项目编号:2013JGA292);桂林旅游高等专科学校重点项目(项目编号:2013JGA292)。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2014)05-0225-02

一、引言

会展专业是一门实践性和应用性较强的专业，会展实验教学是会展专业教学的重要组成部分。目前，除一些教学条件较好的高校拥有自己的会展实训室外，很多高校的会展实验教学还只是局限于教师讲解、幻灯片演示、视频播放和实地参观的教学模式，很难发挥学生的主观能动性。当前我国会展业发展迅速，对会展专业人才需求迫切，而会展业的竞争对会展从业人员的质量会提出更高的要求，现阶段高校中的会展专业学生都偏重于书本知识，学生的实践能力相对欠缺。如何更大、更好地发挥会展实验教学的作用，提高学生的实践能力，使知识积累和实践能力相结合，培养出真正的会展专业应用型人才，满足会展业发展的需要，是今后会展实验教学的改革和发展方向。

随着信息技术的飞速发展，虚拟现实技术得到不断成熟和完善，这是一门利用计算机对真实世界进行仿真的一项技术，用户借助一些专业设备就可以利用虚拟现实系统融入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象。虚拟现实技术的出现改变了以往一些教学观念和教学方式，对现代教育产生了深远的影响。它打破了时间和空间的限制，使用学生处于一种虚拟的环境之中，使之成为课堂主角，发挥主观能动性，学生在虚拟的多信息的环境中主动探索，能够真正培养他们的实践能力[1]。

二、虚拟现实技术概念及特点

(一)概念

虚拟现实技术最早由美国学者J.anier提出，他将虚拟现实定义为：用计算机运算生成一个逼真的鼠标、键盘等设备“进入”虚拟世界，在“虚拟世界”中浏览和交互。虚拟现实技术是融合计算机图形学、智能接口技术、传感器技术、模式识别、多媒体技术和网络技术等综合性高新技术，虚拟现实系统应具备与用户交互、实时反映所交互的结果等功能[2]。虚拟现实技术是一项计算机图形技术、人机接口技术、传感技术、显示技术、心理学及人工智能等技术相结合的综合技术。

(二)虚拟现实技术的特点

1.沉浸性

沉浸性是虚拟现实技术的最主要特点，是指使用者利用交互设备能够沉浸到计算机所创造的虚拟环境中，所体验到的真实程度。在虚拟环境中用户不但能够听到和看到，还可以触到及嗅到这个虚拟环境中所发生的一切，如同真实的世界一样，这是虚拟现实的最主要特点。

2.交互性

交互性是指用户与计算机构建的虚拟场景进行交互，产生一种参与感。在虚拟世界中用户可以使用鼠标、键盘、立体显示头盔、数据手套、立体眼镜、嗅觉传感器等设备进行交互，依据用户的头、手、脚等身体的动作和语言的变化，虚拟现实系统能够给用户呈现出不同的声音与图像，同时用户通过调节自身动作和语言，就可以轻松实现对虚拟世界中各种物体的观察与操作。

3.构想性

构想性是指用户借助虚拟现实技术，能够在虚拟世界中感知使抽象概念具像化的程度。例如在要建造一座体育场馆或博物馆，那么首先在设计阶段要对外形和内部结构进行详细的构思，如果让一般的外行人来读懂复杂的设计图纸是非常困难的，借助虚拟现实技术人们可以直观的看到建筑的外形以及内部结构，这比看图纸更加形象和生动。

4.全息性

全息性是指虚拟现实系统能提供的感觉通道和获取信息的广度和深度。虚拟现实旨在提供多维感觉通道和类似现实的全面的信息，让参与者通过全息传感及反应装置，在虚拟环境中获得视觉、听觉、触觉及嗅觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。全息性是人们全身心沉浸到虚拟现实最基本的前提条件和技术基础[3]。

三、虚拟现实技术在会展实验中的应用形式

(一)构建了虚拟会展知识学习系统

虚拟会展知识学习系统是指在利用虚拟现实技术所构建虚拟环境中，学生进行会展相关知识学习的系统。该系统为学生提供了网上学习的服务技能，学生可在任何一台联网的计算机上进行课程学习，可帮助学生进行课前预习和课后的分析检验，课上实践不了的内容可在课下通过网络继续完成。

(二)构建了虚拟会展实验教学系统

虚拟现实技术构建了虚拟的实验场所，学生可以通过网络“走进”会展中心、会议中心和展览馆，使学生产生身临其境的效果;同时学生可以像在现实中一样，与虚拟世界中的各种对象进行交互;教师可以像在真实的场景里上课一样，进行课程的讲解和布置作业。不受空间和时间的限制，而更好地完成实验教学。

四、虚拟现实技术在会展实验教学中的应用优势

(一)节省教学成本

实验教学最重要的目的是让学生能够亲自实践，这样才能对理论知识有深刻体会，达到理论与实践相结合，从而为学生在今后的工作中能够快速进入角色，尽快适应工作岗位打下基础。在以往的会展实验教学中，教师必须要带领学生到会展中心、会议中心和展览馆等去实地上课，但受到教学经费，以及各种天气、安全等条件的限制，不可能多次上这样的实验课，特别是外地以及外国的会展中心等场所那更加是不能去的，这严重制约了会展实验课的教学效果。而虚拟现实技术构建的虚拟教学环境，可以突破时间和空间的限制，让教师和学生足不出户，随时随地通过网络走便可以“走进”会展中心、会议中心和展览馆，在虚拟的教学环境中，虚拟的场地和虚拟的设备可以重复使用，而不会产生损耗，虚拟的实验地点可以随意前往，这最大程度上节省了教学成本。

(二)实现体验式教学

目前国内高校会展专业实验教学中，大多还是采用单一的图像、视频展示和走访参观的教学手段，而虚拟现实技术的应用，使教学手段向互动启发式教学、发现式教学和协同工作式教学发展，从而推动了教学手段的科学化和智能化。采用虚拟现实技术可以使学生完全沉浸到教学所需要的会展场馆和会议室中去，实现“体验式”学习，身临其境地熟悉整个会展场馆和会议室其周围环境，从而可以针对具体的内容进行体验学习。虚拟现实技术通过逼真的声音、图像构建真实的学习场景，从而帮助学生获得示范性知识、把握概念原理的实质，展现了学生不能直接观察到的事物[4]。

如图1所示，在模拟回旋式会议室与课桌式会议室布置中，学生可以全角度、全方位地了解两种会议室的区别，不仅能在学生头脑中建立这两种会议室的构成，而且可以让学生看得见、听得见，从而全方位地了解两种会议室中桌子和椅子摆设的位置等。这种类似于游戏式的沉浸感会使学生对相关知识点记忆深刻。体验式的教学方式完全区别于传统的授课方式，是一种教学方式的革新，适合其他学科领域推广。

(三)实现互动式教学

虚拟现实技术的沉浸性、交互性、构想性和全息性等特征，可以使学生融入到虚拟的世界中，实现教师、学生与计算机的互动、教师和学生的互动以及学生与学生之间的互动。

图2特装展台

在如图2中所示的特装展台布置课中，通常情况下，老师只能告诉学生如何布置展台，但在虚拟现实中，学生可以根据身临其境的体验，自行设计布置展台，然后在计算机上共享，教师和同学之间还可以就此方案进行讨论。在这样实验教学环境中，从而充分激发与调动每一位学生学习的热情和主动性。

五、结束语

虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，将虚拟现实技术应用于会展实验教学，是对传统教学的有力补充，虚拟现实技术将展览馆、会议室等“搬进”了教室，实现学生足不出户就能体验实景的效果，大大提高了学生的实践能力，节省了教学成本。目前已有一些院校将虚拟现实技术应用于会展实验教学，并取得了不错的效果，这为培养专业的会展应用型人才起到了重要的促进作用。

参考文献：

[1]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京:科学出版社,2007.

[2]高瞩;吉晓民.基于虚拟现实技术的工业设计方法论的探寻[J].机电产品开发与创新,2009(1).

[3]丛海勃.浅析虚拟现实技术在旅游实验教学中的应用[J].辽宁教育行政学院学报,2013(1).

[4]张玉茹,杨镜.虚拟现实技术在实验教学中的应用[J].软件导刊,2013(2).

作者简介：

董彦佼(1980-)，男，广西桂林人，硕士研究生，讲师，研究方向：会展信息化。

第五篇：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

[1]杨丽芳.云计算背景下的虚拟现实技术在远程教育中的应用研究[J].才智，2015(20).

[2]王娟，吴永和，段晔，等.3D技术教育应用创新透视[J].现代远程教育研究，2015(1)：62-71.

[3]罗雨.3D视影仿真数字平台在旅游英语教学中的应用[J].宁波大学学报，2013(1)：99-102.

[4]郑燕林，李卢一.技术支持的基于创造的学习：美国中小学创客教育的内涵、特征与实施途径[J].开放教育研究，2014(6)：42-49.

[5]李蕾，王健，曹俊.3D影像资源在教育中的应用探析[J].中国电化教育，2011(2)：77-80.

[6]腊国庆.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].宿州教育学院学报，2015(3)：93-94.

[7]鲁君尚.3D技术：中国经济腾飞的难得机遇[N].光明日报，2010-01-11.

[8]周毅.裸眼3D视频技术与节目制作[J].电视技术，2014，38(22)：5-6.

[9]王晓飞.让3D 技术成为教育信息化的助推器[N].中国教育报，2010-01-12.

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