试述虚拟现实虚拟现实技术在教育教学中运用学位

论文导读：尤其为人们所关注。虚拟现实技术在教育领域的应用，必将带来教育教学方式、方法乃至理念的变化。诚如教育界一位专家所言：“崭新的技术，必将带给我们崭新的教育思维，解决我们以往所无法解决的问题。一些新技术的应用，必将给教育带来一系列的重大变革。这种变革不仅仅体现在教育方式、方法的多样化，更体现在教育理念的更新上”
摘要：本文介绍了虚拟现实技术的概念和基本特征，探讨了虚拟现实技术在教学中的应用。分析了虚拟实验系统在实验教学中的优势，构建了虚实结合的汽车仿真实验系统。
关键词：虚拟现实技术教育虚拟实验三维
1007-9416（2012）10-0108-03
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。
虚拟现实技术在很多方面都可以应用，但是其在教育领域的应用和研究尤其为人们所关注。虚拟现实技术在教育领域的应用，必将带来教育教学方式、方法乃至理念的变化。诚如教育界一位专家所言：“崭新的技术，必将带给我们崭新的教育思维，解决我们以往所无法解决的问题。一些新技术的应用，必将给教育带来一系列的重大变革。这种变革不仅仅体现在教育方式、方法的多样化，更体现在教育理念的更新上”。如今，虚拟现实技术就充当了这一崭新技术的角色。在教育领域，特别是在科学研究、虚拟仿真校园、虚拟教学、虚拟实验、教育娱乐等许多方面虚拟现实技术都有着广泛应用。

1、虚拟现实的组成和特点

1.1 虚拟现实系统的组成和功能

一个典型的虚拟现实系统主要包括以下五大组成部分：虚拟世界、计算机、虚拟现实软件、输入设备和输出设备（如图1所示）。与虚拟世界交互的过程大致是：参与者首先激活头盔、手套和话筒等输入设备为计算机提供输入信号，虚拟现实软件收到由和传感器送来的输入信号后加以解释，然后对虚拟环境数据库作必要的更新，调整当前的虚拟环境场景，并将这一新视点下的三维视觉图像以及其他（如声音、触觉、力反馈等）信息立即传送给相应的输出设备（头盔显示器、耳机、数据手套等），以便参与者及时获得多种感官上的虚拟效果（如图2所示）。

1.2 虚拟现实的特点

多感知性（Multi-Sensory）是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
浸没感（Immersion）又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
交互性（Interactivity）指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
构想性（Imagination）强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
由于浸没感、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，所以这三个特性又通常被统称为3I特性。一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。

2、虚拟现实技术在教育领域中的应用

虚拟现实技术在教育领域有着广泛的应用，尤其在科技研究、虚拟校园、虚拟教学（实验）、教育娱乐等方面。[3]

2.1 科技研究应用

当前许多高校都在积极研究虚拟现实技术及其应用，并相继建起了虚拟现实与系统仿真的研究室，将科研成果迅速转化实用技术，如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。有的研究室甚至已经具备独立承接大型虚拟现实项目的实力。 虚论文导读：
拟学习环境虚拟现实技术能够为学源于：硕士毕业论文www.7ctime.com
生提供生动、逼真的学习环境，如建造人体模型、电脑太空旅行、化合物分子结构显示等，在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动的灌输，有本质的差别。 虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等等，拥有传统实验室难以比拟的优势。

2.2 虚拟实训应用

利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以根据随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。包括军事作战技能、外科手术技能、教学技能、体育技能、汽车驾驶技能、果树栽培技、电器维修技能等各种职业技能的训练，由于虚拟的训练系统无任何危险，学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作控制设备，学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落，通过反复训练，达到熟练掌握驾驶技术的目的。

2.3 虚拟仿真校园应用

虚拟校园是虚拟现实技术最早的具体应用。如天津大学早在1996年，就基于国际标准在SGI硬件平台上最早开发了虚拟校园。那时国际互联网刚刚进入中国，网络教育还未开始，己有如此的杰作，实在难得。随着网络时代的来临，网络教育迅猛发展，先后有浙江大学、上海交通大学、北京大学、西南交通大学等著名高校，采用虚拟现实技术建成了虚拟校园。虚拟校园对虚拟现实技术与教育的结合，起到了很好的推广、促进作用，基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校园是下一个发展方向。虚拟现实为高校扩大招生后设置的分校区和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，使资源由一校"独占"变为多校区"共享"。解决因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行的问题。利用虚拟现实系统，使学生通过校园网络便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解，提高教学效果。

3、虚拟现实技术在汽车专业实践教学中的应用

3.1 虚拟实验室的优势

虚拟现实技术可以使枯燥的实践教学内容变得生动而有趣，而且虚拟实验能将若干知识点串联起来，起到汇总和系统化的作用。虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的。与现实的实验室相比，虚拟实验室有以下优势：（1）教学内容视觉化，利用虚拟现实技术实现数控教学仪器、设备、加工产品的立体展示。传统教学中，学生都是通过书本来察看各种教学仪器设备的平面图形，或在现场观察实际的教学设备外形来获得各种感性认识。平面的图形限制了学生的空间想象能力，实际现场教学又增加了学校的投入。采用虚拟现实技术，可以构建一个与实物同样的三维物体，将各种教学仪器、设备和产品进行实物虚化，将这些物体以立体形式存放在虚拟教室中，只要进入这个虚拟空间，就可随时随地地认识这些仪器设备，而且可观察到设备内部的结构，可辅助数控技术教学的学习过程，增强理解能力，提高学习效果。[4]（2）学习中的交互性好，系统可以根据学习者的情况，提供选择菜单和按钮，确保学习互动性；沉浸感真实感强，系统提供高逼真模拟环境，让学习者能够感受真实环境，沉迷学习环境。（3）提高学生学习效率，减轻教师教学负担。采用各种平台开发的虚拟现实技术可以使枯燥表格、数字和程序、实验实习、安装流程等变得生动而有趣；（4）节省教学成本，提高教学效率。由于设备、场地、经费等硬件的限制，导致一些实训项目无法进行。而利用虚拟现实系统，学生在实训室可以进行虚拟仿真，获得与真实实践一样的体验。在保证教学效果的前提下，极大的节省了成本。（5）效果好。由于有丰富的虚拟电子元器件和虚拟仪器仪表，从根本上克服了出于实验室的仪器仪表在品种、规格、数量上的限制，可以在虚拟实验室实现验证型、测试型、设计型、纠错型、创新型等多种实验和实践。有条件的学生，只要拥有一台计算机，就拥有了一个虚拟实验室。（6）降低教学风险，确保人身和设备安全。教学中许多昂贵的实验、培训器材，由于受的限制而无法普及或有许多实验摘自：学士论文导读：制，该程序涉及3D文件的管理、虚拟场景的管理、数据库的调用等等，使该项目成为一个完整的系统体系。系统采用高性能计算机处理大规模虚拟场景和复杂装备三维模型，保证虚拟训练系统运行稳定、可靠。3.3虚拟现实技术应用于实验教学中的几点不足虚拟现实技术在实验教学中的实现快速、方便、简洁，非常逼真地模拟了整个实
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是根本不可能做的，但是利用虚拟现实技术，建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，如进行各种虚拟的数控系统的连接与组装。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。虚拟实验室的另一优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成机器磨损及人身伤害。（7）打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，学生可以在在单机操作实训项目，甚至可以彻底打破时间与空间的限制；此外，虚拟现实系统同时还可为远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，由局域网或英特网作虚拟实验室或校园的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。[5]

3.2 汽车专业实践教学虚拟技术的实现

采用虚拟仿真技术后，改变了传统汽车教学现场作业的方式。“专用车虚拟仿真系统”就是在计算机上提供一个实时的三维的虚拟环境，通过生动的视觉、听觉等效果，使人获得身临其境的感觉，用虚拟的方法来实施汽车的构造教学、模拟分解、模拟装配、模拟调整等教学。
基于VR/UG虚拟仿真技术的“专用车虚拟仿真系统”主要实现以下功能，第一可以动态、实时展示三维虚拟总部件，学生通过将观察视角切换至动力装置、底盘（传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统）、液压系统等部位，采用和剖分等效果，将操作动作和零部件内部动作紧密的联系在一起，在操作的过程中对零部件内部工作过程有一个直观形象的理解。（如图3所示）。[6]
第二，对整车及各部件进行逐步分解和装配调整对专用车拆装维修和调整过程进行虚拟模拟，学生可以按照技术规范和步骤要求将整车或部件成一步步地分解开，或按照技术规范和步骤要求将分散的零件组装成一辆整车（如图4所示）。通过拆卸与装配操作，熟练掌握重要零部件的组成结构和特点以及拆卸装配顺序和注意事项，通过反复训练提高学生组装能力。
第三，自动演示整车及各总成部件的分解和装配过程，可以先观看整车、各部件的模拟分解和装配过程的演示（如图5所示），使用者可以选择不同的视角、不同的部位，并可以不同的速度来学习。
虚拟现实技术的实现过程整体上是按照三维模拟造型、虚拟场景建造、建立数据库、编写应用程序这四个步骤进行。首先是实施全车的三维模拟造型，可以采用的造型软件有3D MAX、UG和PROE 等专业三维造型软件。造型完毕后，采用先进的VIRTOOLS虚拟引擎，利用3D MAX构建三维场景，实现模拟交互。采用SQL SERVER和ACCESS建立网络和单机版数据库。最后，编写各项管理控制，该程序涉及3D文件的管理、虚拟场景的管理、数据库的调用等等，使该项目成为一个完整的系统体系。系统采用高性能计算机处理大规模虚拟场景和复杂装备三维模型，保证虚拟训练系统运行稳定、可靠。

3.3 虚拟现实技术应用于实验教学中的几点不足

虚拟现实技术在实验教学中的实现快速、方便、简洁，非常逼真地模拟了整个实验的过程。但是与实际实验手段相比存在一些不足之处。[7]虚拟现实技术的缺陷如下：（1）缺少“实物感”。例如学生在实验中，通常用的实验器具、实验设备等只是一个虚幻的东西，只能看到，并不能摸到，从而缺少一种实物感。（2）虚拟技术很难完全反映现实实验教学的复杂性。如在化学实验中遇到的一些特殊的现象、反应的一系列变化等，学生难以真正学到其中的复杂变化及积累这方面的知识。（3）学生在实际的实验中，即便操作正确，也有可能存在一些其他的现象，这些现象在虚拟教学实验中绝对不会出现。实际实验过程中问题的出现可以锻炼学生自己分析问题、解决问题的能力，从而明显提高学生的动手实践能力。
4、结语
虚拟现实实验教学可以弥补了传统实验教学的一些不足，学生处于三维立体的虚拟实验环境中，体验真实实验环境中的感觉，促进学生自主思考、主动参与程度较高，与传统实验教学手段相比具有新颖性。将虚拟现实技术应用于汽车类课程的教学具有传统教学方式无可比拟的优势，但是，虚拟现实技术也存在一些不足。虚拟环境是一个理想化的环境，它没有也不可能充分考虑到汽车实际运行时所碰到的所有问题。因此，虚拟技术还必须与实物实验、制作及调试传统的教学方式相结合，通过优势互补，才能达到完美的教学效果。
参考文献
孙丽，刘宏论文导读：
，邓向辉.虚拟现实技术在教育领域的应用研究[J].科技风，2011（21）：122.
王艳丽，王彩峰，路晓亚.虚拟现实技术简述[J].福建电脑，2011（02）：79-81.
[3]叶愫，王昊鹏.教育中虚拟现实技术的应用研究[J].电脑知识与技术，2008（20）：301-302.
[4]张志鸣.现代模具设计与制造教学实训中虚拟现实技术的应用[J].模具制造，2012（03）：87-89.
[5]周玉海.先进制造技术中虚拟现实技术的应用与开发研究[J].南方职业教育学刊，2012（02）：23-26.
[6]杨文.仿真技术在汽车维修教学中的应用[J].汽车维修，2010（01）：21-23.
[7]苏珉.虚拟现实技术在高校实验教学中的应用研究[J].中国教育信息化，2011（07）：66-67.