虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新型的教學(xué)媒體已廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域，并發(fā)揮了重要作用。本文從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用出發(fā)，闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的作用，重點(diǎn)論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 教育教學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的類型

1.1 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

一種在普通PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的綜合立體圖形、人機(jī)交互等技術(shù)，以構(gòu)造與現(xiàn)實(shí)環(huán)境類似的逼真虛擬環(huán)境的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶通過計(jì)算機(jī)屏幕觀察虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時(shí)用戶會(huì)受到周圍現(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾，不能獲得完全的沉浸感，但由于其成本也相對較低，應(yīng)用面仍比較廣。

1.2 投入型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

這種高級虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)給用戶提供完全投入的功能，使用戶產(chǎn)生一種置身于虛擬境界之中的感覺。通常利用頭盔式顯示器和數(shù)據(jù)手套等其它設(shè)備，把用戶的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個(gè)虛擬的感覺空間，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境、沉浸其中的感覺。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征

2.1 沉浸感

沉浸感指的是虛擬環(huán)境的真實(shí)程度，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供以假亂真的環(huán)境，使用戶投入到由計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景中，與虛擬環(huán)境中的各種對象相互作用，用戶所看到的、聽到的、嗅到的、觸摸到的，與真實(shí)環(huán)境中感受到的一樣。

2.2 交互性

反映的是用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，是人機(jī)和諧的關(guān)鍵因素。用戶可以利用鍵盤、鼠標(biāo)及其它傳感裝置與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能根據(jù)用戶的語言或身體運(yùn)動(dòng)，調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像和聲音。

2.3 多感知性

指除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所呈現(xiàn)的視覺感知之外，還能呈現(xiàn)聽覺感知、觸覺感知、味覺感知、嗅覺感知等，從多方面充分調(diào)動(dòng)各種感官的積極性，使用戶具有“真實(shí)”的體驗(yàn)。

2.4 構(gòu)想性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)造客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。使用戶在體驗(yàn)中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而萌發(fā)新意，產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的飛躍。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 輔助課堂教學(xué)

計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的實(shí)踐性和邏輯性都很強(qiáng)，很多知識(shí)單純地在書本上描述難免會(huì)給學(xué)生的理解帶來困難。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)的交互式三維課件可以用來解釋一些復(fù)雜的、抽象的概念，是一種非常有效的工具。

用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以建立出虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的虛擬體驗(yàn)，從而促進(jìn)和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程。親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動(dòng)地去交互學(xué)習(xí)與被動(dòng)的灌輸，有本質(zhì)的差別。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以制作出三維的、交互的、具有沉浸感的內(nèi)容，讓學(xué)生從各角度來觀察和學(xué)習(xí)，更好地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。通過制作VRML課件，可以對學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)模型進(jìn)行虛擬，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。例如在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中，部分內(nèi)容具有抽象性、關(guān)聯(lián)性和層次性等特點(diǎn)，造成學(xué)生理解困難。比如信息的存儲(chǔ)、指令的執(zhí)行等知識(shí)非常抽象，可以利用VR課件制作出動(dòng)態(tài)的畫面，直觀地呈現(xiàn)出程序的流程、指令的執(zhí)行過程等內(nèi)容，將枯燥難懂的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得生動(dòng)、一目了然，便于學(xué)生理解。在介紹計(jì)算機(jī)組件知識(shí)的時(shí)候，利用VRML造型設(shè)計(jì)和動(dòng)畫創(chuàng)建出一個(gè)可視化的三維環(huán)境，模擬出組裝計(jì)算機(jī)所需的主要硬件設(shè)備，學(xué)生可以從各個(gè)角度觀察計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)。

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作課件來輔助課堂教學(xué)，為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)媒體素材和環(huán)境，使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容直觀化、形象化，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，提高學(xué)習(xí)的積極性。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，虛擬實(shí)驗(yàn)室擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢。首先可以有效地節(jié)省成本，通常我們由于設(shè)備、場地、經(jīng)費(fèi)等硬件的限制，許多實(shí)驗(yàn)都無法進(jìn)行。而有了虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生便可以做各種實(shí)驗(yàn)，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)。在保證教學(xué)效果的前提下，極大地節(jié)省了成本。

其次，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來的虛擬實(shí)驗(yàn)室，其中的“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以根據(jù)教學(xué)需要隨時(shí)生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。

在常用的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以虛擬出各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)環(huán)境和操作過程，使大多數(shù)課程的實(shí)訓(xùn)都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，而不必購置昂貴的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備?？梢越鉀Q在教學(xué)中因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等各方面的原因而無法進(jìn)行的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)還可以避免實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞、訓(xùn)練材料的消耗等問題，有效節(jié)約教育成本。例如《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)中實(shí)驗(yàn)大都涉及交換機(jī)或路由器之間的物理線路連接，學(xué)生在接線過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)線路故障，并且頻繁斷電重啟或熱插拔端口，容易造成設(shè)備損壞，由于學(xué)生排除故障的能力較差，物理設(shè)備的某些故障使得其糾纏于設(shè)備的細(xì)節(jié)，不能按要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過虛擬技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境既可以模擬路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置、分析，又不會(huì)造成教學(xué)資源的浪費(fèi)，同時(shí)也不需要考慮物理線路的連接故障，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效手段。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很大的經(jīng)濟(jì)性和方便性。使用虛擬的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以在自己現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，花費(fèi)較少的資金就能給大量學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)環(huán)境。并且學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可以反復(fù)操作，強(qiáng)化鞏固基本操作技能，提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.3 虛擬校園的應(yīng)用

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬（VR）可利用Web3D技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建三維虛擬世界、虛擬校園及虛擬課堂。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺(tái)，可為高校遠(yuǎn)程教育教學(xué)點(diǎn)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場所，通過交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程資源和學(xué)習(xí)平臺(tái)，對各個(gè)終端提供開放性的、遠(yuǎn)距離的持續(xù)教育，還可為社會(huì)提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用給教育，特別是遠(yuǎn)程教育帶來了巨大的推動(dòng)力，這種新型的教學(xué)媒體必將廣泛應(yīng)用于教學(xué)中，發(fā)揮其重要作用。

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