淺析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的運(yùn)用

耿　彧

[摘要]在教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但能有效的提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還能提升教學(xué)過程中的科技含量。闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的重要作用，重點(diǎn)探討在各基礎(chǔ)學(xué)科中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號：G43文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0510123－01

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)從前沿的航天、軍事領(lǐng)域開始進(jìn)入教育領(lǐng)域，并涉及高等教育的各個(gè)學(xué)科。計(jì)算機(jī)變成實(shí)驗(yàn)臺，軟件變成儀器，網(wǎng)絡(luò)變成實(shí)驗(yàn)室的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能形象生動(dòng)地表現(xiàn)各個(gè)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容， 有效地營造隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高教學(xué)質(zhì)量。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及顯示技術(shù)，生成三維的虛擬環(huán)境，介入者利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，或者帶上頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)入虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，并且能夠感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對象，獲得身臨其境的感受和體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸感、交互性和想象力三個(gè)基本特征。在具體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以作為主角存在于虛擬環(huán)境中，對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體進(jìn)行操作并從環(huán)境中得到自然的反饋，而且當(dāng)學(xué)生沉浸在多維信息空間中時(shí)，能夠主動(dòng)地獲取知識，尋求解答，形成新的概念。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其諸多的優(yōu)點(diǎn)決定了它在教育領(lǐng)域中的重要作用。一是避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來的各種危險(xiǎn)并降低真實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)用品損耗；二是在虛擬實(shí)驗(yàn)中可以獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的學(xué)習(xí)效果，還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展需求“引入”新設(shè)備，不斷對新設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。三是徹底打破空間與時(shí)間的限制?？傊摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，能提高實(shí)驗(yàn)效果與效率，充分發(fā)揮教學(xué)優(yōu)勢。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對象以及實(shí)驗(yàn)信息資源等。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生能夠在計(jì)算機(jī)建立的三維的模擬實(shí)驗(yàn)場景中從不同的視角觀察一個(gè)實(shí)驗(yàn)對象，通過鼠標(biāo)的選擇或者拖曳操作便可完成與虛擬實(shí)驗(yàn)對象之間的交互。

（一）仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)際上就是數(shù)字化的仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，一個(gè)真正的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的前臺是多媒體或是虛擬化的環(huán)境，后臺是實(shí)時(shí)仿真的過程。

目前的仿真軟件很多，如EASY-T、VT-LINK3.3、SPW、Cadance、Mentor、MatLab、Protel2004、LabView、OpenGL、MultiGen等。在構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體需求，選擇合適的開發(fā)工具。如何將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬化的儀器或多媒體環(huán)境有機(jī)的結(jié)合起來是虛擬實(shí)驗(yàn)室建立的關(guān)鍵和核心技術(shù)。

（二）支持技術(shù)

目前國內(nèi)外對虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)大致采用以下幾種方法 ：

1．使用JAVA+VRML進(jìn)行開發(fā)。Java目前已經(jīng)成為跨平臺應(yīng)用軟件開發(fā)的一種規(guī)范，主要討論對象行為。VRML 是一種虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，著重于虛擬場景中對象的特征。采用JAVA+VRML混合編程是實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜動(dòng)態(tài)場景控制等高級交互功能的有效方法。但基于VRML虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)在制作上較復(fù)雜，客戶端需要有大量的專業(yè)的設(shè)備（如頭盔、觸覺手套等），附加成本較高，并且運(yùn)行VRML對客戶端計(jì)算機(jī)的性能要求也很高。

2．使用ActiveX控件進(jìn)行開發(fā)。ActiveX技術(shù)是Microsoft為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要而將OLE技術(shù)在Internet上的重定義。在虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)過程中，代碼復(fù)用性對于持續(xù)開發(fā)過程尤為重要。可以利用VB、VC++、Delphi、Builder等任何一種支持COM規(guī)范的開發(fā)工具來進(jìn)行ActiveX控件的開發(fā)。由于ActiveX控件只能運(yùn)行在基于Microsoft Windows的操作系統(tǒng)，因而移植性和通用性較差。

3．使用QuickTime VR進(jìn)行開發(fā)。QuickTime VR（簡稱QTVR）是新一代的、基于靜態(tài)圖像處理的實(shí)景建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。QTVR可以應(yīng)用照片、錄像或數(shù)字圖像等離散數(shù)據(jù)來創(chuàng)建虛擬環(huán)境，完成三維空間及三維物體的造型，并實(shí)現(xiàn)全方位觀察。具有更高的真實(shí)感、更豐富的圖像和更鮮明的細(xì)節(jié)特征。QTVR制作簡單、周期較短、可控性也很強(qiáng)，對開發(fā)一些簡單的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的難度不大。

4．使用FLASH進(jìn)行開發(fā)。FLASH是一種基于矢量的圖形系統(tǒng)，具有短小精悍、任意縮放、兼容性良好、嵌入ActionScript腳本功能等特點(diǎn)。而且Flash中的工作組功能極為強(qiáng)大，包含一套新的工作流程，可自動(dòng)更新Flash網(wǎng)站的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，從而大大節(jié)約了開發(fā)者的時(shí)間。因此，F(xiàn)lashActionScript是網(wǎng)上教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的最佳平臺。

（三）功能模塊設(shè)計(jì)

無論建設(shè)哪個(gè)學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從功能模塊上均可劃分為三個(gè)部分。

1．網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。用戶可通過網(wǎng)絡(luò)注冊個(gè)人信息并經(jīng)過驗(yàn)證后登錄虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。登錄該系統(tǒng)后學(xué)生可自主選擇將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際需要獲得相關(guān)的指導(dǎo)。

2．仿真實(shí)驗(yàn)。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)計(jì)出用于測試的虛擬儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)線路或回路、實(shí)驗(yàn)元器件或構(gòu)件庫、判別實(shí)驗(yàn)效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。用戶選擇相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)以后，根據(jù)提示進(jìn)行相關(guān)的操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3．?dāng)?shù)據(jù)庫。為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)。維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息及用戶的相關(guān)權(quán)限，為仿真實(shí)驗(yàn)提供支持。

四、結(jié)束語

如何將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)很好地運(yùn)用于教學(xué)中是目前教育領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)新熱點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。虛擬實(shí)驗(yàn)的普及能更好的提高教學(xué)效率，優(yōu)化教學(xué)過程，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

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作者簡介：

耿彧，碩士，遼寧醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)教育。