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(guò)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(lèi)號(hào):G43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(kāi)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(tái),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(yíng)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(pán)、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(duì)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(duì)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(shí),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(lái)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(duì)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?,虛擬現(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(shì)。
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(lèi)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(duì)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(chǎng)景中從不同的視角觀察一個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)鼠標(biāo)的選擇或者拖曳操作便可完成與虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)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(tái)是多媒體或是虛擬化的環(huán)境,后臺(tái)是實(shí)時(shí)仿真的過(guò)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(kāi)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(lái)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(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)大致采用以下幾種方法 :
1.使用JAVA+VRML進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Java目前已經(jīng)成為跨平臺(tái)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的一種規(guī)范,主要討論對(duì)象行為。VRML 是一種虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言,著重于虛擬場(chǎng)景中對(duì)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(chǎng)景控制等高級(jí)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(zhuān)業(yè)的設(shè)備(如頭盔、觸覺(jué)手套等),附加成本較高,并且運(yùn)行VRML對(duì)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(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程中,代碼復(fù)用性對(duì)于持續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)發(fā)工具來(lái)進(jìn)行ActiveX控件的開(kāi)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(kāi)發(fā)。QuickTime VR(簡(jiǎn)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(lái)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(jiǎn)單、周期較短、可控性也很強(qiáng),對(duì)開(kāi)發(fā)一些簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)的最佳平臺(tái)。
(三)功能模塊設(shè)計(jì)
無(wú)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(guò)網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)個(gè)人信息并經(jīng)過(guò)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(lái)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,設(shè)計(jì)出用于測(cè)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(kù)、判別實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)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(kù)。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(yǔ)
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(guò)程,達(dá)到更好的教學(xué)效果。
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作者簡(jiǎn)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。