計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解析及其在高校教學(xué)中的應(yīng)用探究

李海成

文章編號(hào)：1672-5913(2009)06-0124-03

摘要：本文首先對(duì)計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了解釋分析，然后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用作了介紹，最后針對(duì)目前高校教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所存在的問(wèn)題及其解決方案闡述了個(gè)人觀(guān)點(diǎn)。

關(guān)鍵字：虛擬現(xiàn)實(shí)；高校教學(xué)；應(yīng)用；特征；問(wèn)題；方案

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

伴隨科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各類(lèi)教學(xué)媒體不斷涌現(xiàn)，如今，教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域又出現(xiàn)了一個(gè)新型教學(xué)媒體，它就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用三維圖形生成、多傳感交互及高分辨顯示等計(jì)算機(jī)技術(shù)生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而獲得身臨其境的感受和體會(huì)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新的教學(xué)媒體，它的出現(xiàn)無(wú)疑將對(duì)高校教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本文主要探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征以及它在高校教學(xué)應(yīng)用方面的相關(guān)問(wèn)題。

1計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征

虛擬現(xiàn)實(shí)可以表示為4個(gè)特征：沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、多感知性(Multi-Sensory)、構(gòu)想性 (Imagination) 。

(1) 沉浸性(Immersion)：這是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心，指使用戶(hù)投入到由計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景中的能力。用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中有“置身其中”之感。

(2) 交互性(Interaction)：指用戶(hù)與虛擬場(chǎng)景中各種對(duì)象相互作用的能力，它是人機(jī)和諧的關(guān)鍵性因素。

(3) 多感知性(Multi-Sensory)：由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得相應(yīng)的多種感知，從而達(dá)到身臨其境的感受。

(4) 構(gòu)想性(Imagination)：虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)用戶(hù)與終端的接口，更要使用戶(hù)沉浸在此環(huán)境中獲取新的知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。

基于以上特征，虛擬現(xiàn)實(shí)使操作者能夠真正進(jìn)入一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的交互式三維虛擬環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動(dòng)，進(jìn)行交流。通過(guò)參與者與仿真環(huán)境的相互作用，并借助人本身對(duì)所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取環(huán)境所蘊(yùn)含的各種空間信息和邏輯信息。

通過(guò)多種感知，獲得身臨其境的沉浸感和人機(jī)互動(dòng)的趣味性是虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)質(zhì)特征，對(duì)時(shí)空環(huán)境的現(xiàn)實(shí)構(gòu)想是虛擬現(xiàn)實(shí)的最終目的。

1.2計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)是多種技術(shù)的綜合，包括實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形、立體廣角顯示、用戶(hù) (頭、眼) 的跟蹤、立體聲、觸覺(jué)與力覺(jué)反饋、語(yǔ)音輸入輸出等技術(shù)。

(1) 實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)

此技術(shù)的關(guān)鍵在于“實(shí)時(shí)”。例如在力學(xué)模擬系統(tǒng)中，圖像的實(shí)時(shí)刷新相當(dāng)重要，同時(shí)對(duì)圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境，使虛擬現(xiàn)實(shí)就變得相當(dāng)困難。

(2) 立體廣角顯示

要達(dá)到立體廣角顯示，雙眼立體視覺(jué)起了很大作用，這是因?yàn)橛脩?hù)的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。當(dāng)然有的系統(tǒng)也采用單個(gè)顯示器，但用戶(hù)戴上特殊的眼鏡后，也可以造成視差從而產(chǎn)生立體感。

(3) 用戶(hù)(頭、眼)的跟蹤技術(shù)

在虛擬環(huán)境中，每個(gè)物體相對(duì)于系統(tǒng)的坐標(biāo)系都有一個(gè)位置與姿態(tài)，而用戶(hù)也是如此。用戶(hù)看到的景象是由用戶(hù)的位置和頭(眼)的方向來(lái)確定的。利用虛擬現(xiàn)實(shí)頭套跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)，可以根據(jù)頭部跟蹤來(lái)改變圖像的視角，用戶(hù)的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來(lái)。

(4) 立體聲

在水平方向上，我們靠聲音的“相位差”及“強(qiáng)差”來(lái)確定聲音的方向?，F(xiàn)實(shí)生活里，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聽(tīng)到的聲音的方向就會(huì)改變。但目前在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶(hù)頭部的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。

(5) 觸覺(jué)與力覺(jué)反饋

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶(hù)可以看到一支虛擬的鋼筆。你可以設(shè)法去握住它，但你的手卻感覺(jué)不出接觸到了它，并有可能穿過(guò)虛擬鋼筆的“筆桿”，而這在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的。解決這一問(wèn)題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動(dòng)的觸點(diǎn)來(lái)模擬觸覺(jué)。

(6) 語(yǔ)音輸入輸出

在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，語(yǔ)音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽(tīng)懂人的語(yǔ)言，并能與人實(shí)時(shí)交互。然而，讓計(jì)算機(jī)識(shí)別人的語(yǔ)音是相當(dāng)困難的，因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)和自然語(yǔ)言信號(hào)有其“多邊性”和復(fù)雜性。

2計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)在高校教學(xué)中主要表現(xiàn)在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面：

2.1課堂教學(xué)

課堂教學(xué)是教學(xué)的主要方式，也是虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)用于教學(xué)的主要戰(zhàn)場(chǎng)。根據(jù)學(xué)科的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)也發(fā)揮著不同的作用，主要有以下幾方面的應(yīng)用：

(1) 立體物體展示

在以往的教學(xué)環(huán)境中，為了更形象地使學(xué)生感受三維實(shí)物的信息，主要采用圖片展示、實(shí)物展示、軟件動(dòng)畫(huà)這樣一些方法，但這些都很難使學(xué)生更全面的了解其三維屬性。

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)，可以構(gòu)建一個(gè)與實(shí)物同樣的三維物體，如采用3dsMAX建模，存儲(chǔ)為VRML格式，然后利用VRML播放器可以得到很好的展示效果，輔助教師教學(xué)。

(2) 立體空間展示

立體空間是指在現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)存在或存在過(guò)的空間。教學(xué)中，有時(shí)需要向?qū)W生展示這些空間時(shí)，由于條件的限制，不可能讓學(xué)生進(jìn)入這些空間。

以往教學(xué)中，可能只能夠通過(guò)教師的描繪來(lái)激發(fā)學(xué)生的想象，在其頭腦中創(chuàng)建出這個(gè)虛擬的空間來(lái)。

使用虛擬現(xiàn)實(shí)，不僅能在學(xué)生頭腦中建立這些空間，而且可以使其看得見(jiàn)、聽(tīng)得見(jiàn)，甚至可以摸得著。比如：太空給我們呈現(xiàn)的是一個(gè)神秘而陌生的世界，如何感受身體在太空中的感覺(jué)是很多人夢(mèng)寐以求的事情。通過(guò)進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)制作的虛擬空間，我們可以感受宇宙里的奧妙，可以體會(huì)人體在失重狀態(tài)下的感受，也可以在月球上做鐵球和乒乓球同時(shí)著地的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證伽俐略的結(jié)論。

(3) 虛擬場(chǎng)景構(gòu)造

虛擬場(chǎng)景是指在現(xiàn)實(shí)生活中可能出現(xiàn)的一些場(chǎng)景，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同的時(shí)間或地點(diǎn)表示出來(lái)。

虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造在高校語(yǔ)言教學(xué)中應(yīng)用非常廣泛。以往教師只能通過(guò)言語(yǔ)的講述、圖片的展示或錄像的收看來(lái)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，學(xué)生只能被動(dòng)地接受。個(gè)別情境老師描繪的和學(xué)生理解的可能相去甚遠(yuǎn)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)，學(xué)生可以和國(guó)外友人親切交談，也可以感受美國(guó)總統(tǒng)競(jìng)選時(shí)演講的現(xiàn)場(chǎng)氣氛。這些場(chǎng)景都是常規(guī)課堂上所無(wú)法給予的。

2.2科學(xué)實(shí)驗(yàn)

高校一般在現(xiàn)有的條件下，許多實(shí)驗(yàn)是無(wú)法進(jìn)行的：

① 根本不可能做的實(shí)驗(yàn)，如核反應(yīng)、地震波傳播、火山噴發(fā)等實(shí)驗(yàn)。

② 不能讓學(xué)生做的實(shí)驗(yàn)，如涉及到放射性物質(zhì)或有毒物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。

③ 受實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)限制、實(shí)驗(yàn)成本昂貴而無(wú)法普及的實(shí)驗(yàn)，如著名的“風(fēng)洞”實(shí)驗(yàn) (2009年Volvo公司僅對(duì)建于1986年的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造就花費(fèi)了2億元人民幣)。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以走進(jìn)這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，身臨其境般的操作虛擬儀器，結(jié)果可以通過(guò)儀表顯示身體的感受反饋給學(xué)生。這種實(shí)驗(yàn)既不消耗器材，也不受場(chǎng)地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至得出滿(mǎn)意結(jié)果，有效地解決實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)效果之間的矛盾。

3目前高校教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所存在的問(wèn)題及其解決方案

3.1高校教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所存在的問(wèn)題

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已逐漸被高校教學(xué)廣泛應(yīng)用，但與此同時(shí)也暴露出了諸多問(wèn)題。

(1) 計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與高校教學(xué)實(shí)際需求脫節(jié)

目前的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)，多停留在設(shè)計(jì)人員和制作人員的主觀(guān)判斷和個(gè)人喜好上，沒(méi)有能夠深入到學(xué)生群體，對(duì)其知識(shí)結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)方法、興趣點(diǎn)等進(jìn)行深入調(diào)研。

(2) 開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，使用周期短，項(xiàng)目不能及時(shí)應(yīng)用到高校教學(xué)中

計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)是一個(gè)大的工程，需要很多專(zhuān)業(yè)技術(shù)的整合。因此，其制作周期往往比較長(zhǎng)。

隨著知識(shí)更新和信息刷新速度的加快，出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象：一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)在最需要它的時(shí)候，制作沒(méi)有完成；等制作完成了，它的很多內(nèi)容、數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)時(shí)了，或者教授它的設(shè)備已經(jīng)換代了。這樣，由于開(kāi)發(fā)周期控制不好，就導(dǎo)致了人力和資源的浪費(fèi)，導(dǎo)致本來(lái)很好的教學(xué)系統(tǒng)錯(cuò)過(guò)了發(fā)揮作用的時(shí)機(jī)。

(3) 開(kāi)發(fā)隊(duì)伍不完善，阻滯計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)在高校教學(xué)中的使用

高校目前的虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)制作中，開(kāi)發(fā)隊(duì)伍往往是由軟件設(shè)計(jì)編程人員組成，或由他們?yōu)橹黧w，而其他專(zhuān)業(yè)人員卻不完備。這些人員受工作特點(diǎn)影響，側(cè)重于用編程方式實(shí)現(xiàn)效果，在界面設(shè)計(jì)、圖像處理、模型建構(gòu)等諸多方面缺乏專(zhuān)業(yè)技能，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)制作周期大幅度延長(zhǎng)，同時(shí)為制作過(guò)程增加了很多不必要的困難。

3.2問(wèn)題的具體解決方案

針對(duì)上述問(wèn)題，我們可以從以下幾方面著手來(lái)解決：

(1) 充分調(diào)研，從學(xué)生角度進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)

充分的調(diào)研是項(xiàng)目成功的前提，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員要深入到學(xué)生群體中，了解他們需要什么樣的教學(xué)系統(tǒng)，主要包括：現(xiàn)有文化程度、曾經(jīng)用過(guò)什么學(xué)習(xí)系統(tǒng)、對(duì)哪些功能滿(mǎn)意或不滿(mǎn)意、希望有什么樣的學(xué)習(xí)過(guò)程、喜歡什么樣的交互方式等。通過(guò)一定的調(diào)查研究，就可以針對(duì)學(xué)生各方面特點(diǎn)對(duì)項(xiàng)目的整體形式、結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2) 模塊化設(shè)計(jì)、開(kāi)放性系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)本身特點(diǎn)，導(dǎo)致其項(xiàng)目制作難度大、制作周期較長(zhǎng)，這就要求設(shè)計(jì)人員要盡可能縮短制作周期、延長(zhǎng)使用周期?，F(xiàn)今知識(shí)的更新周期越來(lái)越短，要保證教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容能夠適時(shí)跟上知識(shí)的更替，就必須實(shí)行模塊化、開(kāi)放性系統(tǒng)制作思路。

模塊化就是將項(xiàng)目的各部分劃分為多級(jí)子模塊，將任務(wù)由整化零，分成各模塊并行完成，從而縮短制作周期；每一模塊自成整體，擁有統(tǒng)一規(guī)范的接口，方便今后根據(jù)需要對(duì)模塊進(jìn)行局部升級(jí)，延長(zhǎng)其使用周期。

開(kāi)放性系統(tǒng)是指給用戶(hù)提供簡(jiǎn)單的更新功能，預(yù)留給教師專(zhuān)供今后更新的模塊，以便在一些可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)變化的地方，教師可以根據(jù)需要自行更新，同樣也延長(zhǎng)了項(xiàng)目的使用周期。

(3) 統(tǒng)籌規(guī)劃，建立完善的開(kāi)發(fā)思路和制作群體

在制作之初，就必須建立完備的制作群體。任命專(zhuān)門(mén)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)制定完備的計(jì)劃，并在以后的項(xiàng)目制作過(guò)程中協(xié)調(diào)各專(zhuān)業(yè)制作人員；具有一批相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家負(fù)責(zé)為項(xiàng)目設(shè)計(jì)情景和任務(wù)；擁有一批滿(mǎn)足特殊要求的制作人員，以編程人員為主，再配備必要數(shù)目的動(dòng)畫(huà)、美工、音頻處理人員。這些人員要了解虛擬系統(tǒng)對(duì)各方面素材的特殊要求，各司其職，互相協(xié)同，互相交流，專(zhuān)業(yè)整合，發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)從而保障任務(wù)的順利完成。

4結(jié)束語(yǔ)

由于高校中虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的實(shí)踐性和創(chuàng)造性，為學(xué)生提供了一個(gè)自主、交互和直觀(guān)的學(xué)習(xí)環(huán)境，為教學(xué)的創(chuàng)新提供了新的空間、平臺(tái)和可能性，豐富了教學(xué)的實(shí)踐形式和多樣性。我們相信，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高校教學(xué)的不斷整合，必將更好地服務(wù)于教學(xué)，使教學(xué)效果達(dá)到質(zhì)的飛躍，這將對(duì)高教事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。

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