虛擬現實技術在實踐中的應用研究

孫芳芳，楊 麗

(蘇州科技學院 傳媒與視覺藝術學院，江蘇 蘇州 215009)

虛擬現實技術在教學中的應用是國內外教育技術學領域的研究熱點和發展趨勢之一，是繼網絡和多媒體以后的又一新的研究領域。相對于傳統的實踐教學模式，虛擬現實技術以其沉浸性、交互性和想象性等無可比擬的特點使其在實踐教學應用中有著得天獨厚的優勢。利用虛擬現實技術創建虛擬實驗室，不僅可以節約實踐教學成本，突破時間和空間的限制，更有利于學生實踐技能和創新能力的培養，是計算機技術在實踐教學中應用的一個重要發展方向。

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術是指利用計算機系統及相關軟硬件技術構造一種虛擬環境，實現用戶與虛擬環境直接進行自然交互的技術。通過三維跟蹤傳感設備、立體顯示設備等虛擬現實專用設備的使用，用戶可以投入到虛擬環境中，使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察或操作，并獲得視聽摸等多種直觀而又自然的實時感知。相對于傳統的人機交互技術，虛擬現實技術的特點主要體現以下三個方面:

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算機虛擬環境中所感受到的真實程度，理想的虛擬現實環境應使用戶難以辨別其場景是真實空間還是虛幻空間，將其融入虛擬場景中，由觀察者變為參與者，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實場景中物體的可操作程度以及從虛擬環境所得到的反饋的自然程度和實時性等。虛擬現實系統的最大特點就在于它與用戶的直接交互性，摒棄了傳統的“以計算機為主體”的思想，確立了人在信息環境中的主體地位。

1.3 構想性(Imagination)

構想性是指在虛擬現實世界如何開發虛擬現實的應用并尋找合適的場景和對象，以充分發揮人類的創造力和構想性。

虛擬現實技術所具有的沉浸性、交互性和構想性三大特性，為用戶提供了一種先進的計算機用戶接口，通過用戶與虛擬環境之間各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度的方便用戶的操作，減輕用戶負擔，使得參與者能在虛擬環境中做到沉浸其中，超越其上，突出體現了“以人為本”的設計理念。

2 虛擬現實技術在實踐中的優勢

近年來，社會對高校畢業生的要求更多的體現在實踐能力的職業化和技能化方面。為了適應社會的發展需求，各高校教學體系中也更突出了學生綜合素質和實踐能力的培養，實踐教學得到了高度重視。然而目前，國內外的實踐類教學大多在實驗室進行，既耗費成本，又有時間、空間和實驗條件上的限制，缺乏靈活性，不利于激發學生的學習熱情。

在此背景下，虛擬現實技術的出現為實踐教學模式的完善和創新開創了新的契機。利用虛擬現實技術，不僅可以真實的展現三維空間信息，并提供視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等各種感官的反饋信息。同時，它能使用戶與虛擬環境中的各種對象進行直接自然地交互，以各種方式參與事件的發展變化過程，從而獲得最大的控制和操作整個環境的自由度。這種呈現多維度信息的虛擬學習和實踐環境，將為參與者以最直觀、最有效的方式掌握一門新知識、新技能提供前所未有的新途徑。在實踐教學中應用虛擬現實技術，其優勢主要體現在:

2.1 立體化、多視角呈現教學內容

以往，教學信息多是以文字、圖片、視頻、動畫等形式呈現，學生受視角的限制，缺乏立體感且略顯單調、乏味。而利用虛擬現實技術的三維仿真特性，我們可以將教學內容以三維模型的方式進行立體化多視角的呈現，使學生以真實世界的感受完成學習，提高學習質量。以醫學實驗為例:人體解剖圖譜一直是學習和識別人體特征結構的主要工具。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際解剖結構的圖片，而利用虛擬現實技術生成數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解剖結構，更快捷地學習和了解解剖信息。

2.2 彌補實踐教學條件的不足，節約實踐教學成本

在實驗教學中，對于一些需要貴重設備的實驗，購置及維護費用是一筆不小的支出。甚至可能出現因為實驗設備價格昂貴或者儀器老化沒有及時購置和補充等實驗經費不足的原因而導致實驗無法順利開展的情況，很大程度地影響了學生實踐操作能力的提高。而虛擬現實技術的出現可以很好的解決這一問題。利用虛擬現實技術我們可以構建數字虛擬設備供學生進行實驗，從而大幅度的減少設備的購置和維護費用，顯著節約實踐教學成本。

2.3 突破時間和空間的限制

傳統的實踐教學在實驗室進行，需要實驗器材、設備等支撐，同時，在時間和空間上有很大程度的限制，由于時間沖突和空間限制等條件，使得實踐教學不能隨意進行，故而會影響實踐教學效果。如果使用虛擬現實技術創建數字實驗系統來代替傳統實驗室則可以徹底打破時間和空間的限制，提高實踐教學效果。如在虛擬實驗系統中學生可以深入觀察宇宙天體的結構，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，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，生活中用果蠅做實驗往往需要數月，然而使用虛擬現實技術在一堂課內就可以實現。

2.4 遠離實驗傷害，降低安全隱患

在傳統的實踐模式中，往往采用播放電視錄像的方式來代替一些危險的或者可能危害到人體健康的實驗。這種方式下學生無法通過直接參與實驗來獲得感性認知。而利用虛擬現實技術進行虛擬實驗，學生則可以免除這種顧慮，在計算機所構建的虛擬才場景中放心地完成實驗項目，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。例如:虛擬的化學實驗，可以避免化學反應所產生的燃燒和爆炸對人類所造成的傷害。

2.5 創設人性化學習情境，激發學生學習熱情

虛擬現實技術的特點決定了其更注重用戶與虛擬環境之間的相互作用，在實踐中，它可以為學生創設一個人性化的學習環境，同時虛擬技術提供的優良的交互性使虛擬現實系統能夠為學生提供必要的反饋。學生在虛擬現實環境中是一個主動的觀察者，他可以通過不斷進行探索、分析、判斷和總結等思維活動與虛擬環境之間進行交流與溝通來獲得認知，為學生提供通過自身與信息和環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式，激發學生學習的積極性，加強其在學習活動中的思考和創新能力。

3 虛擬現實技術在實踐中的應用

“多媒體計算機的構成與組裝”教學內容專業性極強，對于教育技術或計算機相關專業的學生來講是必備的知識。傳統的課堂教學一般采取兩種方法進行:其一，把計算機硬件拿到課堂上展示;其二，讓學生以小組形式在實驗室進行硬件的認識與組裝實驗。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，學生受視角的限制，不能全方位了解硬件;第二種方法耗費資源，受教學單位實驗資源的限制嚴重。針對上述傳統教學存在的弊端，我們研發了多媒體計算機的虛擬實驗室系統，如圖1所示。

在多媒體虛擬實驗室系統中我們對顯示器、機箱、外設等設備進行了三維建模，用戶可以使用在場景中使用W鍵(應向前走)、A鍵(向左轉)、S鍵(向后走)、D鍵(向右轉)進行漫游。在漫游過程中，通過用鼠標點選擺放的設備可以查看該設備對應的模型，如圖2所示。建模過程是基于3dsmax技術，將實際的硬件設備按比例縮放進行的。模型應用了高光，金屬材質，渲染貼圖等大量特效，使模型看上去更加的真實和直觀，使用戶體驗到一個高仿真的虛擬環境。

圖1 多媒體虛擬實驗室

圖2 主板模型

同時，系統中我們設置了游戲教學模塊，本游戲設置了5道游戲關卡，分別是正確識別多媒體計算機硬件;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的功能說明處;在主板上正確插入各種硬件;完成多媒體計算機組裝。通過這5道由易到難的游戲關卡設置加深學生對于多媒體計算機的硬件及其功能的了解，同時幫助學生熟練掌握多媒體計算機的組裝過程。

在多媒體虛擬實驗室內，不僅學生可以多角度、全方位審視計算機硬件，同時還可以以游戲的方式組裝多媒體計算機，不僅增強了教學效果，節約了教學成本，更實現了寓教于樂的教學境界，極大程度上激發了學生學習的熱情和積極性，提升了實踐教學品質。

綜上所述，虛擬現實技術在實踐中有著極其廣闊的應用前景。隨著虛擬現實技術的進一步發展和完善，以及硬件設備價格的不斷降低，我們有理由相信，與多媒體技術、網絡技術并駕齊驅的虛擬現實技術作為一種全新的交互媒體，必將以其自身強大的優勢和潛力在實踐教學中受到越來越多的重視和青睞。

［1］胡小強.虛擬現實技術［M］.北京:北京郵電大學出版社，2005.

［2］郭鳳英.虛擬現實技術在網絡教學中的應用［J］.北京聯合大學學報，2004(9):77－79.

［3］張枝軍.教學實踐中虛擬現實的實現途徑［J］.商業職業技術學院學報，2005(1):71－73.

［4］郭天太.虛擬現實技術在高等教育中的應用及其意義［J］.寧波大學學報，2006，25(1):103－106.

［5］賈皓麗，宋端智，馮雪君.網絡虛擬實驗室應用研究［J］.計算機工程與科學，2002(1):46－48.

［6］金麗娜.計算機網絡攻擊圖的生成研究與探索［J］.長春大學學報，2009(12):73－75.

［7］楊光.計算機機房管理Ghost網絡應用實踐［J］長春大學學報，2007(6):56－58.