虛擬現實技術在計算機專業教學中的應用思考

黃金棟 吳學會 李小紅 常振云（天津天獅學院 天津 301700）

虛擬現實技術在計算機專業教學中的應用思考

黃金棟 吳學會 李小紅 常振云
（天津天獅學院 天津 301700）

作為信息技術領域的一項新技術，虛擬現實技術已經被人們逐漸接受，并應用到很多領域，特別是教育領域。本文通過對虛擬現實技術及其在計算機專業教學中應用的幾點思考，力求為計算機專業的教育教學模式改革與發展提供新的思路，更好地將教學的主體讓位給學生。

虛擬現實技術；計算機專業教學；教學應用；信息技術

計算機技術是信息技術領域的重要分支。計算機技術專業教育教學長期以來沿用傳統的教育教學模式——教師課堂教授、學生當堂聽受，課后輔以必要的練習和實踐，學生在整個教學過程中常常處于被動地位，對課堂的參與度、對知識的心理認知、對內容的選擇以及對學習時間和空間的掌控程度都大大受限。

隨著當代信息技術的飛速發展，計算機圖形學、多媒體、網絡以及人工智能等技術的發展與融合為現代教育發展帶來了新的機遇與挑戰?，F代教育技術的應用已不再停留于圖文聲像等媒體形式在課堂中以常規模式應用的層次上，而是朝著多媒體化、網絡化、智能化、教育應用模式多樣化和遠程教育普及化的趨勢發展。特別是基于虛擬現實技術的虛擬教學形式，是一種新近出現的教學模式，具有廣闊的發展前景，代表了教育信息化的未來和發展方向。

虛擬現實技術概觀

（一）什么是虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），又稱為靈境技術，它匯集了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、傳感器技術、網絡技術，以及人體行為學等多項技術，是計算機技術的綜合應用。具體而言，就是采用以計算機技術為核心的綜合技術手段生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的設備，以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用，相互影響，從而產生如同處于真實環境的感受和體驗。盡管該環境并不真實存在，但它作為一個逼真的三維環境，使用戶“沉浸”其中。

（二）虛擬現實技術的特征

1993年，美國科學家伯迪（G Burdea）和考菲特（P Coiffet）在世界電子年會上發表的 “Virtual Reality System and Application”一文中提出了虛擬現實技術的三角形特征，即三“I”特征：沉浸感 （Immersion）、交互性 （Interactivity）、想象力（Imagination）。

沉浸感 VR的沉浸感又稱臨場感，是指用戶感到作為主角存在于虛擬環境中的真實程度，即讓用戶由觀察者變為參與者，覺得自己是計算機系統所創建的虛擬環境的一部分，并能全身心地沉浸于虛擬實踐中。沉浸感被認為是VR最主要特征，導致這種沉浸感的原因是用戶對計算機環境中的虛擬物體產生了類似于面對現實物體時才有的意識或幻覺。

交互性 VR的交互性是指用戶對虛擬環境中對象的可操作程度和從虛擬環境中得到反饋的自然程度。主要借助于各種專用設備（如頭盔顯示器、數據手套等）產生，從而使用戶以自然方式如手勢、體勢、語言等，如同在真實世界中一樣考察和操作虛擬環境中的對象。

想象力 VR的想象力是指用戶在虛擬世界中根據所獲取的多種信息和自身在系統中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯想等思維過程，隨著系統的運行狀態變化而對其未來進展進行想象的能力。對適當的應用對象加上虛擬現實的創意和想象力，可以大幅度提高生產效率、減輕勞動強度、提高產品開發質量。

（三）虛擬現實系統的類型

虛擬現實技術按其功能，可分為以下幾種類型，其中能夠在教學中普及推廣的主要是桌面式VR系統。

沉浸式VR系統 沉浸式VR系統是利用頭盔顯示器、數據手套、三維鼠標等傳感跟蹤裝置與虛擬世界進行交互。由于這種系統把人的視覺、聽覺和其他感覺封閉在虛擬的感覺空間，能使人全身心投入并沉浸其中。不足之處在于專用設備復雜而且昂貴，難以在教育行業普及推廣。

桌面式VR系統 桌面式VR系統是運用軟件編程的方法在顯示器上顯示三維場景。用戶通過鍵盤、鼠標等簡單的設備與虛擬場景進行交互。這種系統的缺點是由于用戶坐在顯示器前，通過屏幕觀察虛擬世界并與之交互，往往會受到周圍環境的影響，難以做到完全投入，但是它結構簡單、成本較低，易于普及推廣，因此，也是教學中運用最多的一種VR系統。

分布式VR系統 分布式VR系統是指基于網絡構建的虛擬環境，將位于不同物理位置的多個用戶或多個虛擬環境通過網絡相連接并共享信息，從而使用戶的協同工作達到一個更高的境界。主要被應用于遠程虛擬會議、虛擬醫學會診、多人網絡游戲、虛擬戰爭演習等領域。

增強式VR系統 增強現實性的虛擬現實系統不僅是利用虛擬現實技術來模擬現實世界、仿真現實世界，而且要將虛擬圖像疊加在真實物理對象之上，來增強參與者對真實環境的感受，也就是增強現實中無法產生的感受。目前主要應用于軍用飛機導航、醫學可視化、儀器設備的安裝與修理以及輔助產品設計等領域。

虛擬現實技術應用于計算機專業教學的思考

（一）輔助課堂教學

計算機專業課程實踐性和邏輯性都很強，很多知識在書本上描述難免會給學生的理解帶來困難。利用虛擬現實技術制作的課件則能夠很好地解決這一問題。

例如，在計算機基礎課程中介紹計算機各個組件的結構和講解計算機組裝的過程時，書本的文字和圖片都難以直觀地、真實地讓學生了解組件結構和組裝的過程。教師普遍采取的教學方法就是到微機組裝實驗室結合實物講解、操作與指導，這種方法固然在一定程度上解決了學生對真實感的需求，但是教師不太可能實時地手把手指導每一位學生，現在的學生普遍具備個性化特征，也未必都喜歡照教師的思路去學習和感知。為解決這一問題，我們不妨利用虛擬現實技術將文字、聲音、圖片、動畫等幾種媒體表現形式有機結合，設計出生動活潑、極具交互性和沉浸感的教學課件，滿足學生從不同角度觀察和從不同切入點學習與實踐的需要。在教學中，學生仿佛身臨其境，能更好地理解學習的內容。圖1所示為虛擬主機組裝操作及演示系統。

又如，在《數據結構》課程中，對于常用數據結構的算法思想，由于其抽象程度高，學生很難理解。我們也可以通過虛擬現實技術將其制作成課件進行教學。將抽象的算法過程以淺顯易懂、形象直觀的形式展現出來。如遞歸算法是學生比較難理解的，因為其算法是靠隱形調用堆棧來實現的，而通過虛擬現實技術可將堆棧內部情況的變化動態、直觀、形象地表現出來，學生就很容易理解。同樣在講解樹和圖的遍歷時，可以從可視化的角度觀察遍歷的順序。二叉樹與樹的概念的區別、Hanoi塔等問題都可以運用虛擬現實技術直觀地表現出來，方便教師的教學和學生的理解。

總之，通過虛擬現實技術制作課件來輔助課堂教學，為學生提供生動、逼真的感性學習素材和環境，能使學習更具交互性、沉浸感，使抽象的學習直觀化、形象化，幫助學生解決學習中的重點和難點問題，提高學習的積極性。

（二）輔助實驗教學

由虛擬現實技術生成的適用于進行虛擬實驗的實驗系統，通常包括相應的實驗室環境、有關的實驗儀器設備、實驗對象，以及導航、測試和自評等實驗信息資源。虛擬實驗室可以是某一現實實驗室的再現，也可以是虛擬構想的實驗室。

例如，在城域網和廣域網的網絡建設實驗中，不太容易真正把網絡構建起來，那么就可以運用VR技術來虛擬出一個真實的網路環境，讓學生親身體驗，猶如進行現場操作。在數字電路的課程實驗中，可以通過虛擬的電路器件來達到電路設計的目的，而避免購買器件帶來的麻煩。在電子商務課程實驗中，可以虛擬商務環境，讓學生“身臨其境”地體驗現場交易的氣氛并參與交易的過程。在進行計算機操作系統的安裝和調試實驗時，可以使用軟件VMware創建與真實計算機一模一樣的虛擬機，虛擬機有自己的CPU、內存、硬盤、光驅，同樣也可以安裝Windows、Linux等真實的操作系統以及各種應用程序。通過在虛擬的操作系統環境中操作，避免了對原有真實計算機操作系統可能產生的影響，同時也節省了時間，達到了事半功倍的效果。

此外，利用虛擬現實技術學生還可以進行網絡設備設計、電路設計等方面的學習探索，設計出新型的網絡設備和電子器件，從而激發學生的創造性思維，培養學生的創新能力。

通過虛擬的實驗室進行實驗，既可以縮短實驗時間，又可以獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可見的結構原理和不可重組的精密設備進行仿真實訓，避免真實實驗操作帶來的各種危險。此外，虛擬實驗具有先進性和共享性，易擴充，易于改變教學項目，可降低實驗可能帶來的實際風險，減少設備投入經費。教學內容在虛擬環境中能夠不斷更新，實驗能夠及時跟上技術的發展。

當然，我們也不能一味地單純使用虛擬的實驗教學手段，因為對計算機技術的學習最終還是需要“實戰”的。因此，在具體實施中，應該“虛實結合”地進行。有目的地安排一些實驗在真實環境中進行。這樣，學生會對實驗的設備有親身體會，進而加深實驗印象，提高實驗效果。

綜上所述，教學中讓學生親身去經歷、去體驗、去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動交互與被動觀看存在質的不同。虛擬現實技術能形象、生動、逼真地表現教學內容，有效地營造具有交互性和沉浸感的教學環境，提高學生掌握知識和技能的效率和積極性，達到優化教學過程、提高教學質量的目的，從而解決傳統教學無法解決的問題。因此，虛擬現實技術在計算機專業教育領域應用范圍是廣闊的，發展潛力是巨大的。計算機專業的教師應該努力結合相關課程特點，充分發揮虛擬現實技術的優勢，把計算機專業教育引向教學手段更高效、技術手段更先進的新階段。

[1]劉鳳田，劉玉蘭.虛擬現實技術及其在教育領域的應用研究[J].河北農業大學學報，2005，（1）.

[2]陳曉春.虛擬現實在現代教育技術中的應用[J].銅陵學院學報，2005，（3）.

[3]張占龍，羅辭勇，何為.虛擬現實技術概述[J].計算機仿真，2005，22（3）：1-3,7.

[4]薛蔚，曾文琪.虛擬現實技術[M].北京：清華大學出版社，2009：4-8.

[5]湯躍明.虛擬現實技術在教育中的應用[M].北京：科學出版社，2007：36-41.

[6]李欣.虛擬現實及其教育應用[M].北京：科學出版社，2008：73-89,102.

[7]黃心淵.虛擬現實技術與應用[M].北京：科學出版社，1999：121-130.

（本欄責任編輯：謝良才）

G712

A

1672-5727（2011）03-0174-02

黃金棟（1979—），男，天津市人，碩士，天津天獅學院講師，研究方向為多媒體技術與虛擬現實技術。