**篇 基础理论篇
数字资源不仅要满足课堂教学的需要，更要满足信息时代育人全过程的需求。国家高度重视数字教育资源建设，要求探索虚拟现实、增强现实、混合现实等新型数字资源的建设思路和开发路径，扩大优质数字资源的有效供给，构建以个性化、智能化教学应用为核心的资源服务体系。
第1章 虚拟现实教学软件概述
【学习目标】
1. 了解虚拟现实教学软件的概念
2. 知道虚拟现实教学软件的特征与分类
3. 知道产生虚拟现实教学软件的教学应用
虚拟现实教学软件是指以促进学习为目标，以构建可互动的沉浸式学习环境为手段，能反映一定教学策略的计算机程序。它可以用来传递教学信息、增强人机互动、评价学习结果。本章主要介绍虚拟现实教学软件的特征、分类，以及教学应用等内容。
1.1 特征与分类
虚拟现实（virtual reality，VR）也称为“沉浸式多媒体”或“计算机模拟现实”，被认为是21世纪能对人类生活产生深刻影响的重要技术之一。虚拟现实综合运用计算机图形学、人机接口、传感器以及人工智能等多领域成果，目标是提高人机交互的功能，达到真实的视觉、触觉、听觉和嗅觉体验效果。虚拟现实教学软件的开发和应用可追溯到20世纪60年代，当时主要用于美国军事航空训练。到20世纪80年代，虚拟现实技术开始应用于飞行员、船长、工程技术人员等职业教育和培训。20世纪90年代开始，虚拟现实逐步从实验室研究转向更广泛的应用，涉及教育培训、军事训练、工程模拟与仿真、医学、商业仿真、商业展演、艺术与娱乐等多个领域。2016年以后，各大巨头公司纷纷将目光转向虚拟现实技术的开发和推广，虚拟现实技术进入全面发展阶段。2020年以来，Meta公司、微软公司等信息技术（information technology，IT）巨头纷纷宣布向世界提供工作、娱乐和社交的元宇宙服务，虚拟现实教学应用进入新阶段。
1.1.1 虚拟现实教学软件的特征
虚拟现实教学软件的应用目标是促进学生进行轻松（easy）、投入（engaged）、有效（efficient）的学习，而能达成此目标是由于它具备3I特征，即沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination）。
1. 沉浸性
沉浸性，也称为临场感（presence），是虚拟现实*主要的特征，就是让用户成为并感受到自己是计算机系统所创造环境中的一部分，虚拟现实技术的沉浸性取决于用户的感知系统，当使用者感知到虚拟世界的刺激时，包括触觉、味觉、嗅觉、运动感知等，便会产生思维共鸣，造成心理沉浸，感觉如同进入真实世界。
2. 交互性
交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，使用者进入虚拟空间，相应的技术让使用者与环境产生相互作用，当使用者进行某种操作时，周围的环境也会做出某种反应。例如，使用者接触到虚拟空间中的物体，那么使用者手上应该能够感受到；如果使用者与物体产生交互动作，那么物体的位置和状态也应相应改变。
3. 构想性
构想性也称想象性，用户在虚拟空间中，可以与周围物体进行互动，可以拓宽认知范围，创造客观世界不存在的场景或不可能发生的环境。构想可以理解为使用者进入虚拟空间，根据自己的感觉与认知能力吸收知识，发散拓宽思维，创立新的概念和环境。
1.1.2 虚拟现实教学软件的分类
一般认为，虚拟现实系统包括沉浸式虚拟现实（immersive VR）、桌面式虚拟现实（desktop VR）和移动式虚拟现实（mobile VR）三种类型。这三种类型的虚拟现实均需要一定的硬件和与之匹配的软件支撑才能协同工作。
1. 沉浸式虚拟现实
沉浸式虚拟现实是指基于头盔式虚拟现实设备（HTC Vive、Oculus、Hololens等）构建起来的具有较强沉浸性的虚拟现实系统。该系统使用手柄、数据手套等输入设备提供瞬移、抓取、发射射线、用户界面（user interface，UI）等交互方式，综合调动用户的视觉、听觉和触觉，让学习者产生一种身临其境的感觉。以此构建的虚拟博物馆、虚拟实验室等教学软件就属于沉浸式虚拟现实教学软件。
2. 桌面式虚拟现实
桌面式虚拟现实是指能够在个人计算机或工作站上运行，用计算机屏幕呈现三维虚拟环境，通过鼠标、手柄等进行交互的虚拟现实系统。该系统能够提供三维空间感和较强的视听感受，但沉浸效果一般。与硬件系统匹配的软件，可以称为桌面式虚拟现实教学软件。有的系统还引入三维（three dimension，3D）立体眼镜、触控笔等外部设备，如zSpace系统，也被归入桌面式虚拟现实。以此构建的青蛙解剖软件，就是一款典型的桌面式虚拟现实教学软件。
3. 移动式虚拟现实
移动式虚拟现实是指以手机或平板电脑等移动设备作为运行终端的虚拟现实系统。该系统以移动终端的屏幕作为显示设备和输入设备，能够提供一定的沉浸性，移动特性较为突出。与之相匹配的教学软件，可以称为移动式虚拟现实教学软件，以此构建的在手机或平板电脑上运行的电子书就属于移动式虚拟现实教学软件。
1.2 教学应用
目前，虚拟现实技术在教育领域还处于起步阶段，尚未大规模地引入课堂教学。但是，由于其3I特征，在学科教学中将具有广泛的应用前景。从已有的案例来看，虚拟现实可作为探究学习工具、操作练习工具、自主学习工具、教学演示工具和情境创设工具。在实际应用中，这些不同的教学应用之间并不互相排斥，而是可以在同一个虚拟学习环境中结合使用。
1.2.1 作为探究学习工具
在探究学习中，虚拟现实教学软件可以呈现三维场景，随着故事不断发展逐渐出现相关知识内容或者提示性问题，让学生能够在高度仿真的情境中自主探究事物的发展规律。例如，沈阳师范大学开发的“在园幼儿气道异物阻塞急救处理虚拟仿真实验教学项目”（www.ilab-x.com/details?id=3146），呈现了幼儿园的学习情境，随着一名儿童喉咙被食物卡住，软件逐渐出现幼儿急救处理知识或提示性的问题，幼教专业的学生可以利用此情境进行探究性学习，学习保育知识，提升保育能力，如图1-1所示。
图1-1 在园幼儿气道异物阻塞急救处理虚拟仿真实验教学项目
1.2.2 作为操作练习工具
操作练习对于帮助学生巩固新授知识具有重要作用。在传统的教学中，学生经常会对操作练习失去兴趣，将其认为是学习过程中的一个负担。虚拟现实教学软件可以为操作、练习等活动赋予一定的娱教性和情境性，以有效地维持学生的学习动力；同时，还可以实现对练习的及时反馈，为学生及时了解自己的学习情况提供依据。例如，大连理工大学开发的“土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验”（www.ilab-x.com/details?id=3118），土木工程专业的学生可以利用此系统进行操作练习，不仅可以有效地维持学习动力，同时还可以实现及时反馈，如图1-2所示。
图1-2 土体力学性质研究的三轴虚拟仿真实验
1.2.3 作为自主学习工具
自主学习是学生在学习活动中自我决定、自我选择、自我调控、自我评价反思、发展自身主体性的过程，具有能动性、*立性和异步性三个基本特点。自主学习充分尊重学生的个体差异，使学生在了解自身学习基础和学习特点的客观规律基础上，能够开展*立的学习活动，而这种学习活动需要借助必要的学习资源和学习工具。虚拟现实教学软件不仅可以为学生提供不同媒体类型的资源，还可以提供涉及不同层次、不同难度的知识信息，学生在此基础上开展适合自己的学习活动。由南京林业大学开发的“银杏嫩枝扦插育苗虚拟仿真实验”（www.ilab-x.com/details/v4?id=3999）通过仿真技术构建了完整的扦插育苗实验体系，使学生能够突破时空限制，随时开展实验，能够自主学习，提升学习效率，培养科研创新能力，如图1-3所示。
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