试论虚拟现实的交互式数字教学模式研究

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[论文摘要]以虚拟现实技术为发展趋势的信息技术日新月异,当它被应用到教育领域时,能够提供逼真的实验环境和事件场景,内容组织安排特别强调学生主动参与来构建知识结构,使学生由“被动听讲”转变为“主动学习”,教与学之间能产生更好更强的互动,是信息时代教学模式的主要发展趋势。文章旨在分析探索以虚拟现实技术为基础、以交互式为导向的数字教学模式,并从教学资源、师资队伍、个性化教学及整合网络教育平台四个方面详细阐释了基于虚拟现实技术的交互式数字教学模式的构建。

[论文关键词]数字教学 虚拟现实技术 交互式 教学模式

随着国家发展“大学科”及交叉学科的教育建设思想的推进,现代教育要求不仅掌握知识、学习能力和方法,更要进行必要的人文主义教育,交互式教学法实现了教师与学生以及学生之间的交互。虚拟现实技术的发展和应用,使人机交互更好地与日常生活经验相契合,为交互式的教学方法提供了技术支持。本研究旨在通过研究人的行为,运用交互式的教学方法,探究以虚拟现实技术为代表的先进技术在未来数字教学模式中的应用。

一、基于虚拟现实的交互式数字教学方法研究与分析

1.人机交互。人机交互过程是指人通过人机界面向计算机输入指令,计算机处理后把输出结果呈现给用户的过程。人机交互的发展历史,是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展史,它经历了几个阶段。

人机交互的方式可以分为数据交互、图像交互、语音交互和行为交互四类,其中行为交互是当今社会研究的重点,它是指通过身体的姿态和动作来表达意思。行为交互是计算机通过定位和识别人类,跟踪人类肢体运动和表情特征,从而理解人类的动作和行为,并作出相应的智能反馈过程,它将带来全新的、最自然的交互方式。计算机通过用户行为能够预测用户想要做什么,并以此来满足用户的需求。比如,计算机通过跟踪人们的视线,就能预测用户的意图,是想要浏览什么网站还是需要打电话等,它有助于形成更适合未来数字教育的交互方式。现代教学,教的内容趋于多样化,学生的需求也趋于多样化、多层次,每个学生的个体差异也更为突出,怎么针对这些新的特征,利用更好的交互技术,使教与学的内容在数字化的平台上,更好地照顾学生的个性化特征和需要,更好地实现教师个体与学生个体之间以及学生群体之间的相互交流、互动学习就变得尤为重要。

前面提到,人机交互需要由相应的人机界面来使之形象化。人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口,凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面,它是人机双向信息交互的支持软件和硬件,也是进行交互设计最终展现给用户的结果,所以,对人机界面的充分了解对分析数字教学中的交互设计不可或缺。

2.虚拟现实技术。要实现上面所述的自然交互过程,需要运用高科技手段,比如近几年逐渐成熟的虚拟现实技术,利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界,集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,提供使用者视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身临其境一般,及时、无限制地观察三度空间内的事物。在教学中,它运用于实验模拟、场景再现,可以把枯燥繁琐的文字知识形象地进行转化,帮助学生主动地思考、学习,是既有意思又是符合未来教育模式的一种技术。

虚拟现实具有三“i”的基本特征,即immersion-interaction-imagination(沉浸—交互—构想),强调虚拟系统中人的主导作用。沉浸感指用户沉浸于计算机生成的虚拟环境中,有身临其境之感。交互性指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力,是人机和谐的关键性因素。想象力则是用户从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识,从而可以深化概念,萌发新颖的认识。

按照用户参与的形式以及沉浸程度,虚拟现实可以分为桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实性的虚拟现实和分布式虚拟现实系统四类。虚拟现实系统强调的是人与虚拟环境之间的交互作用,或是两者相互作用,从而反映出虚拟环境所提供的各种感官刺激信号以及人对虚拟环境做出的各种反应动作。虚拟环境给人提供的各种感官刺激包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、力觉、身体感觉及前庭感觉,在物理、化学及设计类课程的互动教学中应用前景广阔,虚拟环境能够逼真模拟物理中的力觉与触觉,生物化学中的嗅觉和味觉,而各种设计类课程中的大量视觉图像图形的动态信息也能够更好地呈现出来,在教学中起到很好的演示作用。另外,虚拟现实的技术能够较好地调动学生的学习积极性,使枯燥的内容更形象化呈现出来,同时教师也可以应用虚拟现实的仿真模拟技术,将逻辑思维较强的教学内容,通过仿真模拟的方式,预测到由于公式及参数的改变而可能产生的预期结果,并科学地呈现出视觉、听觉、触觉、力觉等多种感知的结果,加深学生的感性认知,“上手(Hands-on)”和“交互式”的教学能够引发更多的积极的注意力,帮助学生更透彻地理解抽象的原理。

3.现代教育与数字教学。数字教学是指教师和学习者在数字化的教学环境中,遵循现代教育理论和规律,运用数字化的教学资源,以数字教学模式培养适应新世纪需要的具有创新意识和创新能力的复合型人才的教学活动。随着计算机和互联网技术的日益发展及应用,数字教学模式主要应用于多媒体教学和网络教学领域,并逐渐深入到学习的方方面面。

但现阶段的数字教学仍然存在缺陷。首先,计算机无法对学生的情绪变化作出相应反馈,而且它也无法取代教师在教学过程中一些暗示性的语言所起到的微妙效果。其次,在教学的许多领域中,计算机无能为力,特别是非逻辑判断方面。最后,教学课件在实际使用中存在着局限性。这一系列的问题,相信通过运用交互设计的方法,结合虚拟现实技术的应用,都会被逐一解决。 "

二、交互式数字教学模式构建

基于虚拟现实技术的交互式数字教学模式,能够通过虚拟现实技术,以文本、图片、影像、声音、数据采集及感应技术、影像及数字感知内容为主要交互媒体,以自然式的交互方式,配合可互动操作的动态信息、仿真模拟、各种感觉与知觉的数字反馈技术,多维度、多媒体、多人互动式地展示IM及时通讯、留言板、互联网上的博客、Tag、SNS、RSS、Wiki等多种形式的数字内容,以教学的核心内容为课程组织的基础,构建适应当下以数字信息为主要教学内容的互动式教学模式。基于虚拟现实技术的交互式教学模式的构建主要从以下几个方面入手:

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1.提供多维度的丰富教学资源。有效传播多种媒体的多样化信息,提高学生对于教学内容的注意力。虚拟现实的技术能够为交互式数字教学模式设计立体的教学模式效果,将课堂理论教学、实验室教学、企业基地等实地教学相结合,理论专题研讨、案例教学、技术实践小组协作等多种教学方法交叉,利用虚拟现实技术呈现理论公式,如化学课中的元素周期表,可以将分子、原子等抽象的结构可视化表现出来,还可将复杂的实验通过虚拟现实技术模拟出来,如用虚拟现实模拟火山喷发,模拟火箭的发射过程,模拟汽车内引擎的工作原理,模拟复杂机构之间的关系和相互作用,智能地调配物流情况,模拟资金流及相关的经济问题等,还可运用CAVE计算机辅助虚拟现实环境技术,模拟汽车的设计、装配等实践教学环境,运用虚拟现实技术搭建在企业基地等实地教学的内容,实现教学的开放性、时效性、针对性和实战性,提供多维度的丰富的教学资源。

2.构建多学科交叉的综合型师资队伍。随着信息社会的迅猛发展,围绕信息社会的人文、技术、经济等各种交叉学科领域,发展数字内容的交互式教学模式需要培训一支具有综合学科背景的师资力量。而虚拟现实等先进的信息技术,能够整合各学校的优秀师资力量,通过构建虚拟代理、虚拟名师等方式,将各高校、研究机构及企业社会的优秀师资集合起来,通过虚拟代理人的名师角色,远程指导或虚拟地呈现其学术内容与教学思想,有效地弥补师资力量不足的问题,随时更新名师提供的动态电子教材,提供多学科交叉的综合型教学内容与综合型师资队伍。

3.实现交互式因材施教的个性化教学。参与式教学的交互教学模式能够充分调动学生的积极性,构建虚拟现实的实验学习环境,根据每个学生的个性特点及专长,搭建适合学生的个性化教学实验环节,模拟搭建实验环境,让学生充分展开想象,模拟仿真其实验效果,预演实验结果,有助于提高学生对于课程内容的参与度和认知程度。另外,学生还可根据自身的兴趣点,专项选择适合自己发展特点的学习内容,个性化地定制学习内容。教师可根据每个学生的学习情况,跟踪分析其学习结果,对症安排辅导及进一步深入学习的内容,提高学习效率,增强交互式学习的效力。麻省理工学院媒体实验室在1993年推出了实体交互设计的数字教学产品,它整合了个人空间和共享学习工作空间,能让两位用户在个人空间和共享空间之间实现轻松的转换。这种交互式的教学产品是一种电子白板,产品使用生活中自然的互动交流方式,如教学过程中交流双方各自的头部动作,双方眼神的交流和凝视方向等,这些交流的姿势能够被3D摄像头等装置识别出来,并通过计算机进行智能判断,根据计算机图形、图像识别技术,判断教学双方用户姿势的变化,同时和姿势所代表的含义进行映射匹配。这种交互式的教学电子白板的隐喻是“让用户自由地交流,使用电子白板进行交流的时候就像在巨大的透明玻璃板上画画一样自然”。经实践证明,这种交互式的电子白板增强了教学双方用户的 “凝视注意力”,能够使用户看到使用电子白板的同伴的凝视方向,从而进一步了解对方关注的内容,达到更加自然的互动式交流。教学双方在对话中可以更加轻松和准确地说出交流的对方在看哪一个屏幕对象,甚至比在普通的白板交流环境中更容易。这种虚拟现实技术的交互式教学方式能够以学生为教学中心,尊重学生个体差异,有效提高教师与学生及学生之间的交流效果,调动学生的主动参与性。

4.建设富有特色的网络教学平台,提供丰富多彩的专题知识和扩展的学习资源。由于当前各学科发展变化都比较大,各学科间相互交叉,学生的知识涉及面也越来越广泛,综合性强,新兴交叉学科与原有学科之间的传承变化都面临着很大的挑战。由于教学的具体内容和对象变化非常迅速,很多问题在课堂上只能点到为止。因此,充分利用虚拟现实的技术,搭建交互式的数字教学平台,可以有效管理丰富多样与不断发展变化的教学资源,为学生提供进一步了解相关知识的课余辅导材料,有效整合、分享国内外各名校的免费教学资源,提供学校各学科教师间、各届学生间以及校企之间的有效沟通平台,形成分享式与定制式结合的学习资源库。随着三网合一以及云计算等信息技术的发展成熟,基于虚拟现实的网络学习资源库也变得更为可行。专题知识由各教师提供最新的相关领域的理论、实践方法等内容,并要随时更新。这些资源库能够有效地传承文化,整合教学资源,为师生及校企、社会提供帮助。

三、小结

“大学科”强调组建跨学科、多层次、高起点的学科群及科学的教学系统工程,同时社会对于人才的需求也向专业化、综合型、多样性方向发展,如何借助虚拟现实等先进的信息技术,有效改进教学环境,改善教学效果,是我们发展交互式数字教学模式重点关注的问题。文章详细阐释了交互式现代数字教学和虚拟现实的特点,并结合案例详细阐述了基于虚拟现实技术的交互式数字教学模式的特点及构建,试图借助虚拟现实的技术,开发一种更加自然与高效的交互式数字教学模式,更好地把现代信息技术运用到教育中,为日后形成更加适应现代化社会发展需求的数字教学模式做参考。