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        虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用研究

        2010-02-27 05:53:30孫芳芳
        長春大學(xué)學(xué)報(bào) 2010年10期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)室用戶實(shí)驗(yàn)

        孫芳芳,楊 麗

        (蘇州科技學(xué)院 傳媒與視覺藝術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215009)

        虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用是國內(nèi)外教育技術(shù)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢之一,是繼網(wǎng)絡(luò)和多媒體以后的又一新的研究領(lǐng)域。相對于傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其沉浸性、交互性和想象性等無可比擬的特點(diǎn)使其在實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室,不僅可以節(jié)約實(shí)踐教學(xué)成本,突破時(shí)間和空間的限制,更有利于學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng),是計(jì)算機(jī)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向。

        1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

        虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)軟硬件技術(shù)構(gòu)造一種虛擬環(huán)境,實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。通過三維跟蹤傳感設(shè)備、立體顯示設(shè)備等虛擬現(xiàn)實(shí)專用設(shè)備的使用,用戶可以投入到虛擬環(huán)境中,使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)行考察或操作,并獲得視聽摸等多種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知。相對于傳統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)以下三個(gè)方面:

        1.1 沉浸感(Immersion)

        沉浸感又稱臨場感,是指用戶作為主角置身于計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中所感受到的真實(shí)程度,理想的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)使用戶難以辨別其場景是真實(shí)空間還是虛幻空間,將其融入虛擬場景中,由觀察者變?yōu)閰⑴c者,能夠全身心地投入。

        1.2 交互性(Interaction)

        交互性是指參與者對虛擬現(xiàn)實(shí)場景中物體的可操作程度以及從虛擬環(huán)境所得到的反饋的自然程度和實(shí)時(shí)性等。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就在于它與用戶的直接交互性,摒棄了傳統(tǒng)的“以計(jì)算機(jī)為主體”的思想,確立了人在信息環(huán)境中的主體地位。

        1.3 構(gòu)想性(Imagination)

        構(gòu)想性是指在虛擬現(xiàn)實(shí)世界如何開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用并尋找合適的場景和對象,以充分發(fā)揮人類的創(chuàng)造力和構(gòu)想性。

        虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的沉浸性、交互性和構(gòu)想性三大特性,為用戶提供了一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口,通過用戶與虛擬環(huán)境之間各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段,最大限度的方便用戶的操作,減輕用戶負(fù)擔(dān),使得參與者能在虛擬環(huán)境中做到沉浸其中,超越其上,突出體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。

        2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐中的優(yōu)勢

        近年來,社會(huì)對高校畢業(yè)生的要求更多的體現(xiàn)在實(shí)踐能力的職業(yè)化和技能化方面。為了適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求,各高校教學(xué)體系中也更突出了學(xué)生綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的培養(yǎng),實(shí)踐教學(xué)得到了高度重視。然而目前,國內(nèi)外的實(shí)踐類教學(xué)大多在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,既耗費(fèi)成本,又有時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)條件上的限制,缺乏靈活性,不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

        在此背景下,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)踐教學(xué)模式的完善和創(chuàng)新開創(chuàng)了新的契機(jī)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),不僅可以真實(shí)的展現(xiàn)三維空間信息,并提供視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等各種感官的反饋信息。同時(shí),它能使用戶與虛擬環(huán)境中的各種對象進(jìn)行直接自然地交互,以各種方式參與事件的發(fā)展變化過程,從而獲得最大的控制和操作整個(gè)環(huán)境的自由度。這種呈現(xiàn)多維度信息的虛擬學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)境,將為參與者以最直觀、最有效的方式掌握一門新知識(shí)、新技能提供前所未有的新途徑。在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:

        2.1 立體化、多視角呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容

        以往,教學(xué)信息多是以文字、圖片、視頻、動(dòng)畫等形式呈現(xiàn),學(xué)生受視角的限制,缺乏立體感且略顯單調(diào)、乏味。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維仿真特性,我們可以將教學(xué)內(nèi)容以三維模型的方式進(jìn)行立體化多視角的呈現(xiàn),使學(xué)生以真實(shí)世界的感受完成學(xué)習(xí),提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。以醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)為例:人體解剖圖譜一直是學(xué)習(xí)和識(shí)別人體特征結(jié)構(gòu)的主要工具。以往的人體解剖圖大多是以3D形式描繪的插圖或是一些實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)的圖片,而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成數(shù)字化的人體解剖圖譜,能讓使用者在沒有任何外界干擾的情況下自由地觀察和移動(dòng)解剖結(jié)構(gòu),更快捷地學(xué)習(xí)和了解解剖信息。

        2.2 彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件的不足,節(jié)約實(shí)踐教學(xué)成本

        在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對于一些需要貴重設(shè)備的實(shí)驗(yàn),購置及維護(hù)費(fèi)用是一筆不小的支出。甚至可能出現(xiàn)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴或者儀器老化沒有及時(shí)購置和補(bǔ)充等實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的原因而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法順利開展的情況,很大程度地影響了學(xué)生實(shí)踐操作能力的提高。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)可以很好的解決這一問題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)我們可以構(gòu)建數(shù)字虛擬設(shè)備供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn),從而大幅度的減少設(shè)備的購置和維護(hù)費(fèi)用,顯著節(jié)約實(shí)踐教學(xué)成本。

        2.3 突破時(shí)間和空間的限制

        傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,需要實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)備等支撐,同時(shí),在時(shí)間和空間上有很大程度的限制,由于時(shí)間沖突和空間限制等條件,使得實(shí)踐教學(xué)不能隨意進(jìn)行,故而會(huì)影響實(shí)踐教學(xué)效果。如果使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室則可以徹底打破時(shí)間和空間的限制,提高實(shí)踐教學(xué)效果。如在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中學(xué)生可以深入觀察宇宙天體的結(jié)構(gòu),還可以將一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程,通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生觀察。例如,生物中的孟德爾遺傳定律,生活中用果蠅做實(shí)驗(yàn)往往需要數(shù)月,然而使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在一堂課內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)。

        2.4 遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)傷害,降低安全隱患

        在傳統(tǒng)的實(shí)踐模式中,往往采用播放電視錄像的方式來代替一些危險(xiǎn)的或者可能危害到人體健康的實(shí)驗(yàn)。這種方式下學(xué)生無法通過直接參與實(shí)驗(yàn)來獲得感性認(rèn)知。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn),學(xué)生則可以免除這種顧慮,在計(jì)算機(jī)所構(gòu)建的虛擬才場景中放心地完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì),從而豐富感性認(rèn)識(shí),加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。例如:虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn),可以避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒和爆炸對人類所造成的傷害。

        2.5 創(chuàng)設(shè)人性化學(xué)習(xí)情境,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

        虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)決定了其更注重用戶與虛擬環(huán)境之間的相互作用,在實(shí)踐中,它可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境,同時(shí)虛擬技術(shù)提供的優(yōu)良的交互性使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供必要的反饋。學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中是一個(gè)主動(dòng)的觀察者,他可以通過不斷進(jìn)行探索、分析、判斷和總結(jié)等思維活動(dòng)與虛擬環(huán)境之間進(jìn)行交流與溝通來獲得認(rèn)知,為學(xué)生提供通過自身與信息和環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,加強(qiáng)其在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的思考和創(chuàng)新能力。

        3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用

        “多媒體計(jì)算機(jī)的構(gòu)成與組裝”教學(xué)內(nèi)容專業(yè)性極強(qiáng),對于教育技術(shù)或計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來講是必備的知識(shí)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)一般采取兩種方法進(jìn)行:其一,把計(jì)算機(jī)硬件拿到課堂上展示;其二,讓學(xué)生以小組形式在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件的認(rèn)識(shí)與組裝實(shí)驗(yàn)。上述兩種方法都存在弊端:第一種方法硬件展示缺少立體感,學(xué)生受視角的限制,不能全方位了解硬件;第二種方法耗費(fèi)資源,受教學(xué)單位實(shí)驗(yàn)資源的限制嚴(yán)重。針對上述傳統(tǒng)教學(xué)存在的弊端,我們研發(fā)了多媒體計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),如圖1所示。

        在多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中我們對顯示器、機(jī)箱、外設(shè)等設(shè)備進(jìn)行了三維建模,用戶可以使用在場景中使用W鍵(應(yīng)向前走)、A鍵(向左轉(zhuǎn))、S鍵(向后走)、D鍵(向右轉(zhuǎn))進(jìn)行漫游。在漫游過程中,通過用鼠標(biāo)點(diǎn)選擺放的設(shè)備可以查看該設(shè)備對應(yīng)的模型,如圖2所示。建模過程是基于3dsmax技術(shù),將實(shí)際的硬件設(shè)備按比例縮放進(jìn)行的。模型應(yīng)用了高光,金屬材質(zhì),渲染貼圖等大量特效,使模型看上去更加的真實(shí)和直觀,使用戶體驗(yàn)到一個(gè)高仿真的虛擬環(huán)境。

        圖1 多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)室

        圖2 主板模型

        同時(shí),系統(tǒng)中我們設(shè)置了游戲教學(xué)模塊,本游戲設(shè)置了5道游戲關(guān)卡,分別是正確識(shí)別多媒體計(jì)算機(jī)硬件;為每種硬件選擇正確的功能解釋;將正確硬件模型拖放到其相應(yīng)的功能說明處;在主板上正確插入各種硬件;完成多媒體計(jì)算機(jī)組裝。通過這5道由易到難的游戲關(guān)卡設(shè)置加深學(xué)生對于多媒體計(jì)算機(jī)的硬件及其功能的了解,同時(shí)幫助學(xué)生熟練掌握多媒體計(jì)算機(jī)的組裝過程。

        在多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi),不僅學(xué)生可以多角度、全方位審視計(jì)算機(jī)硬件,同時(shí)還可以以游戲的方式組裝多媒體計(jì)算機(jī),不僅增強(qiáng)了教學(xué)效果,節(jié)約了教學(xué)成本,更實(shí)現(xiàn)了寓教于樂的教學(xué)境界,極大程度上激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性,提升了實(shí)踐教學(xué)品質(zhì)。

        綜上所述,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐中有著極其廣闊的應(yīng)用前景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善,以及硬件設(shè)備價(jià)格的不斷降低,我們有理由相信,與多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并駕齊驅(qū)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種全新的交互媒體,必將以其自身強(qiáng)大的優(yōu)勢和潛力在實(shí)踐教學(xué)中受到越來越多的重視和青睞。

        [1]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2005.

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