淺談虛擬現實技術在計算機教學中的應用

王靜蕾

（鄭州旅游職業學院，河南 鄭州 450009）

一、計算機實驗教學中存在的問題

計算機專業是一個既注重理論知識又注重實踐經驗的專業,此專業的學生既要學習好理論知識，還要加強自身動手實踐能力的培養。然而在筆者多年的計算機教學實踐中發現，計算機實驗教學中普遍存在的一些問題。主要表現在以下幾個方面：

第一，計算機實驗涉及很多抽象的原理、定義和協議的知識。這些知識學生們學習起來比較困難，要準確掌握它們的動態運行過程更是難上加難。在傳統的計算機實驗中，往往是以教師為中心來實施的。教師講解理論知識在做實驗展示，學生們看教師把課本上的實驗步驟演示一遍，再在課下把這一實驗過程按部就班地寫成實驗報告。在這個過程中，學生們既沒有和教師互動的環節，也沒有自己動手的機會。

第二，計算機實驗教學中必須的實驗設備缺乏或不能及時更新。由于計算機實驗中所需要的設備一般價格都比較昂貴，或者一些網絡技術和產品更新換代的周期比較短，比如說網絡協議分析和路由器等這些實驗設備價格就比較高。由于學校往往出現經費不足的現象，學校不能及時更新換代一些技術和產品，從而導致計算機實驗所必需的硬件和軟件缺失。

第三，管理計算機實驗環境的工作比較繁重。由于計算機實驗過程中需要不同的軟件和操作系統，因此學生們在進行實驗時需要不斷地設置和修改系統。一些非故意的操作錯誤就會對系統產生不同程度的破壞或對實驗環境造成一定的影響，這都會進一步導致維護和管理計算機實驗的工作量增加。

第四，學生不能靈活掌握計算機實驗的時間和空間。由于計算機實驗一般都要在傳統機房中進行，學生們必須按照課程安排才能進入機房，并且不能隨便改動機房中的軟硬件設備，這就不能滿足計算機這門學科對學生們動手能力的要求。教師在講授計算機實驗過程中，有時需要學生們進行重新裝置系統的練習，有時需要他們格式化分區，有時需要練習路由器設置等等。一旦學生們私自改動，就會破壞實驗環境的秩序，而這種不靈活的傳統實驗環境不利于提高學生的學習的積極性和主動性，限制了學生的動手能力和創新思維的培養。不得不直視的是，這個矛盾在大部分高職院校中都普遍存在。

第五，學生們在進行計算機實驗過程中存在著一些安全隱患。安全是各個院校在教學工作中的重中之重，是每位操作者和學生不可忽視的問題。然而，在計算機網絡實驗的過程中往往會存在一些不可避免的安全隱患，這些隱患一旦發生，就會帶來不可逆轉的重大損失。

因此，高職院校應該引進新的計算機實驗教學模式。隨著科學技術的不斷進步和發展，計算機技術和網絡與教育的關系越來越緊密，為發展現代教育也帶來了機遇和挑戰。虛擬現實技術就是這樣的一種新的計算機實驗教學模式，它象征著信息化教育的發展方向和前景，為計算機教學帶來了美好的發展未來。

二、虛擬現實技術

1.虛擬現實技術

所謂“虛擬機”，就是將虛擬技術應用到計算機上所模擬出來的具有相對獨立性的邏輯計算機。這種邏輯計算機和物理計算機具備相似的屬性，它完全是由軟件模擬創造，又能完全實現物理計算機的各項功能。每臺虛擬機不僅擁有一套完備的硬件裝置，而且還有互相獨立的應用程序和操作系統，每臺虛擬機可以單獨運行系統而不被其他機器所干擾。學生們可以在虛擬機上像在計算機上一樣進行格式化練習，安裝軟件和系統等操作。在虛擬系統失效后，可以直接將其刪除而不對本機系統產生影響，同樣本機系統失效后可以通過重裝來恢復以前的虛擬系統。不同的操作系統可以通過虛擬機在同一臺電腦上使用，甚至多個虛擬機也可以在同一臺電腦上運行。

2.虛擬現實技術的特征

和傳統的物理計算機相比較，虛擬現實技術的特征主要表現在以下幾個方面：有“身臨其境”的體驗感；有“置身其中”的感知性；有友好的人機互動性；有引發人聯想的構想性。

基于虛擬現實技術的上述特征，使用者可以將虛擬系統和仿真的環境進行順暢的互動。操作者可結合自身對事物的認知管理和感知能力，充分發揮想象力和動手能力，在虛擬系統中充分地練習計算機教材中的內容。

3.虛擬現實技術的分類

根據虛擬現實技術的不同功能，可以開發出不同的虛擬系統。主要有桌面式虛擬系統、沉浸式虛擬系統、分布式虛擬系統這三個類型。在高職計算機教學中使用最多的是桌面式虛擬系統。

桌面式虛擬系統是通過軟件的編程在計算機顯示器上展現一個三維的場景，學生們可以用鼠標、鍵盤燈設備和這個虛擬的場景進行互動。這一系統的優點在于，其成本比較低、結構比較簡單，學習和使用起來比較容易。更為重要的是，它可以突破傳統計算機實驗教學在時間和空間上的限制，拓展計算機實驗的廣度和深度，避免操作者和學生在計算機實驗過程中可能造成的傷害，也減少對計算機實驗環境和實驗設備造成的損失；而其缺點在于，由于學生們要通過屏幕和顯示器上的虛擬世界進行互動，所以因受到外部環境的影響而不能全身心地投入其中，從而影響學習效率。

三、虛擬現實技術的應用

1.虛擬技術在計算機實驗中的應用

虛擬技術在計算機實驗中的應用主要表現在以下幾個方面：

（1）基礎系統實驗：比如說BIOS設置、分區格式化、DOS命令；Windows、Unix等操作系統的使用和配置等以及使用、安裝和測試不同的應用程序。

（2）信息安全實驗：Windows中基本的安全實驗；木馬、病毒等攻防類的實驗、掃描端口和漏洞等。其中包括操作查找病毒的工具、殺毒防火墻的軟件等實驗等。

（3）計算機網絡實驗：配置局域網，如控制桌面遠程和共享、共享不同操作系統之間的資源；配置服務器，如訪問和配置文件服務器的實驗、訪問和配飾DNS服務器的實驗、訪問和配置Web和FTP的實驗等。

（4）配置網絡設備的實驗：測試盒配置交換機，劃分交換機上的VLAN，測試盒配置交換機上的VTP、VLAN等參數；操作路由器的實驗；遠程訪問等基本實驗等。

虛擬現實技術還可以虛擬學生在學習過程中提出的各種假設模型，將他們假設的效果和結果在虛擬系統中直接地展現出來，便于他們修改和觀察。通過虛擬現實技術在計算機實驗以上幾個方面的運用，可以有效提高學生們的創造能力，并激發他們的創造性思維。

運用虛擬現實技術進行計算機實驗，可以大大減少實驗的時間，學生們通過虛擬實驗對抽象的原理結構和不可重組的精密裝備進行仿真實驗，既有利于獲得真實直觀的使用效果，又有利于減少真實實驗的損失。另外，虛擬實驗具有很大的共享性和科學性，使得教學項目的改變較容易，實驗技術和教學內容能夠及時更新。但是，計算機虛擬實驗并不能完全取代真實的計算機實驗，因為虛擬實驗畢竟是虛擬的實驗，學生們在操作的過程中缺乏實物感。就像在網上看書和看真實的書一樣，人們一般會感覺看真書更有實在感。在虛擬實驗中，學生們雖然可以進行基礎系統實驗、信息安全實驗、計算機網絡實驗、配置網絡設備實驗等多個方面的實驗練習。但在現實生活中他們接觸到這些設備時往往還有力不從心的感覺，不知該從何處下手。因此在具體的計算機實驗教學過程中，教師應引導學生虛實相結合，并有目的地安排學生在真實環境中進行計算機實驗。只有對實驗的設備有親身的體會，才能加深他們對實驗的記憶，從而提高計算機實驗教學的實效性。

2.虛擬技術在計算機教學上的應用

（1）將計算機課堂上抽象的原理、定義形象化

計算機這門學科本身就擁有邏輯性強和實踐性強的特征，學生們對教材上的知識點理解起來比較困難。因此，授課教師可以用3D虛擬技術來準備課件，從而很好解決學生們難理解這一問題。

比如說，在講授《計算機組裝與維護》時，這一部分內容的難點和重點是讓學生們了解計算機內部各個組件的結構并熟悉組裝計算機的過程。在傳統的教學過程中，教師往往一邊講解教學內容一邊播放資料圖片，這種方法直觀性比較差，學生們往往只記住了某個硬件設備的側面，而不能完全呈現整個計算機組裝的動態過程。有的教師還會用實物來進行講解，然而這種教學方法忽略了培養學生們實際動手的能力，甚至坐在后排的學生無法完全看到教師的實物展示過程。有的教師用播放視頻的方式來進行教學，然而在整個視頻播放過程中，學生和教師互動的機會比較少。因此，教師可以3D虛擬技術準備課件，將動畫、聲音、圖片等表現形式有機結合起來，設計出互動性強、生動形象且富有感染力的課件，提高學生學習的主動性和積極性，滿足學生提高實踐能力的需求。

又比如說，在講授《數據結構》這一個部分內容時，由于計算常用數據結構的算法比較抽象，學生學習和理解起來比較困難。教師就可以利用3D虛擬技術將一部分內容制作成直觀形象、容易理解的課件。如遞歸算法需要用函數或子過程來實現，學生們理解起來比較困難。3D虛擬技術就可以把這一內部情況形象、直觀、動態的表現出來，這樣學生們理解起來就比較容易了。另外，教師在講解樹和圖的遍歷這一部分的內容時，也可以通過3D虛擬技術從可視的角度來引導學生們觀察遍歷的順序，讓學生們對這一過程有更生動的觀察，從而加深對這一內容的記憶。Hanoi塔、樹和二叉樹概念的區別等問題都可以通過虛擬現實技術將其更形象生動地展現出來，從而有利于教師的講解和學生們的理解和記憶。運用3D虛擬技術不僅能使得計算機教學工作變得輕松有趣，而且有利于提高計算機課堂的實效性。

（2）為計算機實驗教學提供便利

上文中提到傳統的計算機實驗中往往存在必需的實驗設備缺乏或不能及時更新、管理計算機實驗環境的工作比較繁重、學生能不能靈活掌握計算機實驗的時間和空間等方面的弊端。而虛擬現實技術在計算機實驗中的廣泛應用，可以在很大程度上緩解以上難題。

比如說，機房管理人員或者教師可以將虛擬技術安裝到實驗室的計算機上，或者指導學生們將虛擬程序安裝在學生個人電腦上。當學生們再需要進行電腦重組、格式化分區、路由器安裝等練習時，可以用安裝在計算機上的虛擬程序來取代實物練習，或者學生可以根據自己的時間安排在自己的計算機上進行練習。虛擬現實技術在計算機實驗教學中的應用，既減少了學校實驗和管理成本，又提高了學生們計算機實驗學習效率。

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