虚拟现实与虚拟仿真在教育教学中的应用

三、虚拟现实与虚拟仿真在教育教学中的应用

1.虚拟现实与虚拟仿真应用的理论基础

行为主义学习理论的“刺激—反应”代表人物桑代克认为，学习是一座渐进的尝试与错误的过程。随着错误反应逐渐减少，正确反应逐渐增加，最终可以形成稳固的刺激—反应的联结。根据这一理论，针对那些具有危害性并需要试误的尝试性操作的知识、现象不易显现的知识却需要必须发现的知识、以及抽象的知识，都可以采用虚拟现实和虚拟仿真的方法，为学习者创设虚拟情境、让学习者置身于虚拟仿真系统中，完成学习。同时布鲁纳的认知—发现学说认为发现学习过程中的直觉思维同他的“行为把握—图像把握—符合把握”的认知发展阶段理论紧密联系在一起，这恰恰是虚拟现实与虚拟仿真可以做到的。建构主义理论强调以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。“情境、协作、会话和意义建构”是建构主义理论的四大要素。虚拟现实与虚拟仿真可以有效地实现情境创设、沉浸与交互，符合建构主义理论以学为中心的思想。同时，从虚拟现实与虚拟仿真两个概念的定义中不难看出，“直观、生动、形象”是虚拟现实仿真系统的特点。而“直观、生动、形象”又是描述教学过程中知识呈现特征的词汇。直观、生动、形象的知识在提高学习者学习兴趣的同时，不仅可以有效促进学习效果的提升和学习绩效的提高，更有助于学习动力的提升。

2.虚拟现实与虚拟仿真在教育教学中的应用

目前，虚拟现实与虚拟仿真在教育教学上具体应用形式表现为：虚拟训练、虚拟学习环境、虚拟实验室、虚拟仿真校园等。

我国许多高校都建立了国家实验室，其中北京航天大学建立了虚拟现实技术国家教育实验室，浙江大学也有计算机辅助设计和图形学（CAD/CG）国家重点实验室；清华大学、西安大学等高校也对虚拟现实与虚拟仿真有着深入的研究。

国外的虚拟现实与虚拟仿真的应用数美国最早，如：休斯顿大学建立的“虚拟物理实验室”能使学生完成包括万有引力定律在内的各种实验，做到了实验可控、现象可观察、参数可改变等仿真结果。北卡罗来纳大学研制的可以让学生用手操纵分子运动的化学虚拟现实系统，可以使分子按某种方式结合在一起。

3.虚拟现实在体育领域应用举例

由北京工业大学体育部李岩老师团队开发的《24式太极拳数字仿真教学系统》是基于虚拟现实技术，设计和开发具有交互式训练功能的“太极拳教学仿真系统”，该系统具有演示性操控和自主性操控两种操控模式（如图9—4所示）。系统根据太极拳教学的特点，将虚拟现实技术应用到传统教学中，以达到自主化学习，提高教学质量的目的。

图9—4　24式太极拳数字仿真教学系统

24式太极拳教学仿真系统是一个大型多媒体系统，其项目开发过程包含界面设计、人物场景设计、功能模块设计、场景数据制作、虚拟人物数据制作、三维交互程序开发、其他程序模块开发等。这里简单介绍一下虚拟人物建模和运动数据采集基本过程。

（1）虚拟人物建模。人体的外形主要是由人体骨骼结构和附着在骨骼上的骨肉运动决定的，在人体运动过程中，皮肤的形变随着骨骼的弯曲和骨肉的伸展与收缩而变化。一般情况下，根据应用目标的不同，人体可以在三个层次上进行构造：骨架、骨肉和皮肤。在医学研究上人体是一个复杂的运动结构，并且人体的构造是基于解剖学的，因而在建立虚拟人体时，采用骨架和皮肤两个层次。而在人机系统的设计评价中所使用的虚拟人体则忽略了人体的内部肌肉组织结构，重点利用皮肤模型来描述人体的外部形状，同时通过关节的运动描述来控制虚拟人体的动作。所以，人体建模方法的研究分为人体建模理论和人体运动控制两部分。人物建模基本过程包括：绘制人物贴图、构建人体骨骼、制作人物模型、绑定标记物体触发器、骨骼蒙皮、设置表情控制物体等。

（2）运动数据采集。针对太极拳的运动数据进行采集，挑选最优秀的武术运动员（比如全国武术冠军）作为武术运动数据的样本，再由武术权威专家来认定其运动数据的规范标准，达到运动数据的客观标准化。利用光学原理进行三维动作捕捉的过程，是使用多个光学摄像机拍摄身穿安装了反射标记衣服的运动员动作（如图9—5所示），然后动作捕捉系统将多个摄像机拍摄的镜头用数学的方式绘制出每个反射标记的三维坐标。这些标记或者被连接到一个计算机生成的人物身上对应的解剖点，或者被用于算出可以进行动画的连接角度或旋转。这些三维空间坐标被传送到动画软件，如Alias/Waterfront Maya、Online、Prism、Nichimen Graphics和3DStudioMAX。由于这些坐标来自演员真实的动作，动画看起来非常逼真自然。

从应用角度来看，表演动画系统主要有表情捕捉和身体运动捕捉两类；从实时性来看，可分为实时捕捉系统和非实时捕捉系统两种；而从原理上说又可分为机械式、声学式、电磁式和光学式。其中，光学式动作捕捉系统是最精确、最方便也是最昂贵的动作捕捉系统。

图9—5　太极拳动作捕捉过程

光学式运动捕捉的优点是表演者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采样速率很高，测量数据非常准确，可以满足高速运动和复杂运动的测量需要。由于武术虚拟现实系统对虚拟环境中的人物动作标准程度要求较高，如果用普通的方法建模，全部用算法生成运动数据，整个过程需要耗费巨大的工作量，且技术动作的标准性不能够达到高标准。将运动捕捉技术用于系统的制作当中，可极大地提高模拟人体运动的真实程度，提高以人体运动为主的虚拟现实系统制作效率，降低了成本，而且使人体动作过程更为连贯、直观，效果更为生动。随着技术的进一步成熟，其在虚拟现实技术的实际制作中会有更广泛的应用。

太极拳数字仿真教学系统运用动作捕捉技术采集人体运动数据和3D实时渲染技术，使软件具备了互动操作、全方位观摩以及运动辅助教学、动作技术分析等功能。虚拟现实技术的应用对于深化体育课程改革，提高教学与学习者的效率大有帮助。虚拟现实技术在竞技体育仿真中也有应用，比如运动训练的科学监控，体育训练信息采集、分析，先进训练技术综合应用示范，训练比赛及其器材研制，各种体操的编排等。