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1、盐城师范毕业设计报告盐城师范学院毕业论文 信息科学与技术学院计算机科学与技术（师范）专业班级 091 学号 09261130 课题名称国内外虚拟现实技术的发展及其在教育中的应用研究 学生姓名 强跃 指导教师 张德成 摘要：目前虚拟现实技术在航空航天、医学实习、建筑设计、军事训练、娱乐游戏等许多领域有着广泛的运用，而在教育领域，虚拟现实技术作用的影响更加的广泛。本篇文章主要是主要探讨虚拟现实技术的基本特征和中国和美国两国之间的差异以及在教学方面的应用。以期指导关键字： 虚拟现实技术 ； 教育应用； 比较；前景 Abstract: at present， the virtual reality t
2、echnology in the aerospace， medicine， architecture， military training， entertainment and many other fields are widely used， and in the field of education， the virtual reality technology effect more widely. This article is mainly focused on the virtual reality technology and the basic characteristics
3、 of China and the United States the difference between two and the application in teaching.Keywords: virtual reality; education; China; the United States of america;随着科学技术的进步，虚拟现实技术的应用也越来越广泛。虚拟现实技术凭借着它的沉浸感、交互性、想象力、多感知性等特点在未来的教育领域中拥有着广阔的发展前景。笔者主要通过对美国虚拟现实技术在政策、经济、科技、教育上的优势的研究，以期对我国虚拟现实技术的发展有所帮助，并对虚拟现
4、实技术的未来进行了展望。1 虚拟现实技术的概念及特性虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）是一项综合性技术1，它的出现是计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等交叉与综合的结果。它利用计算机生成逼真的三维视觉、听觉、嗅觉等各种感觉，使用户通过一定装置，自然的对虚拟现实世界进行体验和交互作用。简单地说，虚拟现实技术就是用计算机创造现实世界。虚拟现实技术主要有四个特性：（1）沉浸感：主要是指让计算机产生一种虚拟的环境，让参与到其中的人有一种和现实世界一样的感觉，就如身临其境一般2。（2）交互性：主要是指用户对计算机模拟出的虚拟环境中的物体
5、具有可操作性和从虚拟环境中的物体上得到的反馈。（3）想象力：主要是指虚拟现实技术它具有很广阔的想象空间，不仅可以模拟出现实存在的世界，而且还可以模拟出不存在的环境。（4）多感知性：主要是指这项技术不仅能够让我们感受到视觉和听觉这俩种一般计算机就可以给我们的感觉外，还可以给我们运动感觉，味觉等一般计算机难以模拟出的感觉。2 美国虚拟现实技术的研究现状2.1 美国虚拟现实技术的发展概述 美国是虚拟现实技术的发源地,他在虚拟现实技术方面的技术是世界上最先进的。由于虚拟现实技术具有很高的学科综合性，所以在美国研究虚拟现实技术的机构很多。比如：国家科学基金会（NSF），美国航空航天局（NASA），美国国
6、防部（DOD）还有美国卫生与福利部（HHS）等。国家科学基金会( NSF) 成立于1950 年，是美国科技体系中一个最主要的组织。它主要由7个部门组成,VR技术项目最多的部门是计算机、信息科学和工程学部。工程学部中与VR技术关系最为密切的是人机互动计划( HCI)。人机互动计划支持对人机互动系统的设计和评估研究。美国国家航空航天局( NASA) 成立于1958 年，在当今的空间开发机构中规模是最大的。NASA已经建立了航空、VR 教育系统等各种有关VR技术的系统。NASA 一共由10个部门组成，其中对VR 技术研发贡献最多的是艾姆斯研究中心( ARC) 。美国国防部( DOD) 主要研究的是美
7、国的国防技术。美国国防部对VR 技术的研发和应用非常的重视。在美国军方的科研活动中占据重要地位的是国防高级研究计划署( DARPA)。进入21世纪以后，DARPA启动DARWARS项目，加速新一代训练系统的研发和部署。事实上推动美国的虚拟现实技术进步的最重要的力量是美国的各所知名高校。最早也是最著名研究虚拟现实技术的是北卡罗来纳大学，他们运用计算机图形和VR技术首创了VR儿科治疗法。同时他在外科手术仿真，建筑仿真3方面也有着领先的地位。而在人工智能机器人等方面的先锋则是美国著名大学麻省理工学院。他们建立了BOLIO环境，虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统就是基于这个环境。在新概念的研究中，华盛顿
8、大学的人机界面技术实验室也有着领先的地位。乔治梅森大学通过对VR技术的研究研制出了一套在动态虚拟环境中的流体实时房展系统。2.2 美国虚拟现实技术产品在教育方面的应用2.2.1 以技能培训为目标的应用美国的国防科研主要靠的是美国的国防部。在第二次世界大战后，国防科技在美国的科技创新体系中长期占据主导地位，联邦政府科研经费的50%左右4是拨给了国防科技。虚拟现实技术在美国国防部十分的受重视。VR技术在武器系统性能评价、武器操纵训练及指挥大规模军事演习等方面都发挥着重要的作用。 美国空军正在构建一个新的由虚拟现实技术支撑的虚拟现实基地圣安东尼奥联合基地。建设这个基地是一个非常大的工程。而这个基地最
9、主要的功能就是培训所需要的相关人员。比如这个基地可以培训飞行员，它可以给需要培训的飞行员们生成一个和真实环境一样的虚拟环境。让学员们感觉到他们身处的环境正是飞机操作的环境。利用虚拟现实技术可以让飞行员们减少飞行中的意外，而且可以节省经费，将更多的国防支出用在其他项目的研究上面。2.2.2 以知识学习为目标的应用在美国许多大学都使用虚拟现实技术进行教学活动，他们通过虚拟现实技术去营造一个跟随技术发展的教学环境，这样能够提高学生们掌握知识、技能的效率，从而使教学过程得到优化，教学质量得到提高。虚拟现实技术在美国对教育产生的影响体现在很多方面。首先，虚拟现实技术开创了一个与以往不同的学习场景，彻彻底
10、底的打破了我们所知道的空间、时间的限制。学生们通过虚拟现实技术，就可以超越空间的限制，进入到他们想要观察的物体的内部进行观察。比如学生们学习胚胎发育的整个过程，他们可以突破空间上的限制直接进入胚胎内部进行观察。他们也可以突破时间上的限制，因为胚胎的发育要经历很长的时间，但是通过虚拟现实技术，在很短的时间内就可以呈现出来给学生们观察。 2.2.3 以情感体验为目标的应用第二人生（Second Life）是当今世界上最大的基于虚拟现实技术的虚拟现实游戏。它的总部位于旧金山的林登实验室，它于2003年推出的一款以“合作、交融和开放”为特色的大型3D模拟现实网络游戏。在这个游戏中，每个人可以建立自己的
11、一个虚拟的“第二人生”，与同在这个虚拟世界中的其他人发生各种各样的关系，实现自己在第一人生中没能实现的梦想。“第二人生”有以下三个特点：（1）独特性：我们不可以只是简单的把“第二人生”看作是一款游戏，它与普通的网络游戏有很多的不同。它完全和我们的现实生活是一样的，有的时候它甚至比我们的现实生活还要的丰富多彩。在游戏里面玩家们可以随意的去创造自己喜欢的东西，里面的房屋、桌子、汽车等许多我们生活中常见的东西都是由玩家自己自由的去创造。（2）可交易性：与其他的网络游戏最大的不同之处在于“第二人生”中所使用的货币“林登元”可以通过交易系统兑换成为真正的美元。随着游戏受到越来越多的人的欢迎，“第二人生”
12、似乎超越了一个游戏的范畴，现实社会中各种不同职业的人都会来到这里开拓一块属于自己的领地。他们很多人把在虚拟社区里所做的生意当作了他们现实生活中的一部分来经营了。“第二人生”让许多普通人成百万富翁的梦想得以实现。（3）玩家多元化：由于第二人生自身技术的日趋完善，越来越多的玩家加入到了游戏中，这同时也吸引了许多的商家机构入驻到其中。英国最早的也是最大的通讯社路透社也加入到了其中。他们的目的是将现实世界中的东西带入到游戏中，再将“第二人生”带入到真实的世界中，他们要在这个社会中担任一个积极的角色。全球最大的信息技术和业务解决公司IBM更是将“第二人生”当作新事业在经营。IBM在游戏里面购买了一块属于
13、自己的领地，用于推销他们的产品。而美国最大的网络在线书店亚马逊也将自己的业务拓展到了“第二人生”中，他们在游戏中开设了自己的书店，以方便众多的网友来购买书籍5。2.3 美国虚拟现实技术的优势2.3.1 资金优势 美国之所以在虚拟现实技术方面都有着巨大的优势。首先就是在于它的经济优势，截止2012年4月17日美国的GDP总量已经达到了令人瞠目结舌的150940.30亿元，其总量是排名第二的中国72981.47亿美元的2倍还要多6。他的人均GDP也是稳居世界前列，正是由于庞大的财力的支撑，美国政府才可以投入如此多的资金用于科学技术的研究。2.3.2 政策优势克林顿政府早在1993年的时候为了确保美
14、国在未来的时间里在信息技术研究7上的领导地位，就颁布实施了“国家信息基础设施”，正是这个计划为美国在分布式虚拟现实技术的研究上奠定了重要的基础。布什政府时期，对信息技术的发展支持的力度更加的大，每年达到24亿美元8，而奥巴马在担任总统后，他就任命了查普拉为国家首席技术官，而查普拉的主要职责就是让美国政府更好的利用信息技术，使信息技术在美国的经济和国家竞争力9中占很重要的位置。2.3.3 技术优势美国有这世界上最为强大的国防工业体系。由于美国孤悬海外，所以拥有相对独立和平的环境，在工业革命时期抓住了第二次科技革命，在1884年就成为了当时世界上的头号工业强国一直延续到现在。美国在国防科技领域对于
15、创新能力是非常的重视的。美国研究机构一心致力于创新。每年的国防科学和技术计划都会被美国国防部都滚动发布，主要是为了吸引规模不是很大但是具有高科技的公司为他们工作。2.3.4 教育优势 还有我们不得不提的就是其他国家望尘莫及的强大的教育优势，美国有着许多世界上著名的大学，比如哈佛大学，耶鲁大学，普林斯顿大学等等，这些大学在许多科学研究领域都有这很强的竞争力，他们当中的许多学生都会成为社会中的精英。他在高等教育方面的优势是其他的国家无可比拟的，据最新的统计美国拥有3600多所大学，7660万人正在接受着教育10。其教育的普及率之高也是推动科技发展的一大动力。而现在美国正在逐步深化他在这方面的优势，继续加强教育。3 我国虚拟现实技术的研究现状3.1我国虚拟现实技术的发展概述我国正式研究VR技术是在80年代末90年代初，由于我国虚拟现实技术的起步比较的晚，所以我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比差距还是比较大的，但是随着我国科学技术的迅速发展，虚拟现实技术已经得到了非常高的重视，许多的知名企业都表示了对它的兴趣和关注11。我国国家科委国防工委部已经将虚拟现实技术的研究发展作为国家重点项目，而在我们国内也有许多高校也对虚拟现实技术进行了研究，并取得了一些不
