虛擬現實在大學計算機課程教學中的應用研究

劉祖珉 魏 琴 李思明

（成都理工大學信息科學與技術學院，四川 成都 610059）

虛擬現實在大學計算機課程教學中的應用研究

劉祖珉 魏 琴 李思明

（成都理工大學信息科學與技術學院，四川 成都 610059）

隨著信息技術的發展，新的教學媒體不斷涌現。近年來，虛擬現實技術得到了快速發展，作為一種新型教學手段，將其與計算機網絡、多媒體技術結合，從教育技術學角度出發，應用于大學計算機課程教學中。通過相關研究，對實用的功能模塊進行設計與實現。通過網絡的虛擬環境，獲得與真實場景等同的學習體驗，從而增強學習者的自主性、創造性和積極性，提高學習效果。

虛擬現實；計算機教學；V RML

1 引言

虛擬現實技術在教育教學中的應用，開創了現代教育的嶄新領域。虛擬現實與計算機仿真技術的發展，通過對現實世界的模擬，借助計算機網絡，為學生提供一個逼真的學習環境，使學生成為虛擬教學系統中的參與者。通過學習角色扮演，獲得真實的學習體驗，對教學中的重點和難點加以熟練掌握和鞏固，從而在極大程度上提高學生的學習積極性和網絡教學系統的利用效率和作用。

2 虛擬現實簡介

虛擬現實是計算機多種技術綜合集成的結果，借助計算機圖形學實現仿真場景，通過人機交互技術、傳感器技術、人機接口技術來實現在虛擬場景中人與機器的互動體驗，再結合人工智能技術，形成視、聽、觸覺為一體的虛擬環境，來獲得真實的操作體驗。

虛擬現實是一種具有浸沒感、臨場感和多維感的高級人機界面，學生能夠通過多種感官與機器進行實時交互，完全置身于一個“超越現實、身臨其境”的綜合學習環境中。在傳統的多媒體教學系統中，內容過于死板，學生在學習過程中缺乏交互，在很大程度上只能提供一種視覺上的學習體驗，知識的接受也過于被動。因而傳統的學習系統很多都存在利用率低、學習效果差等缺陷。而在虛擬現實系統中，通過直觀形象的多途徑教學內容展示，使學生在學習過程中更能獲得多重感官刺激的學習資料，通過交互技術，學生也能更自主地參與學習，從思維、情感和行為三個方面參與教學活動，從而更大限度地提高系統的利用率和學生的學習效果。

3 虛擬現實與課程內容的結合

隨著我國高等教育的發展，大學教育由精英教育向普及教育發展，受場地和經費的影響，實體教學設施越來越不能滿足形勢的發展。進入新世紀以來，我國的計算機技術得到了迅猛發展，計算機網絡技術以及互聯網正以驚人的速度影響著人們的生活、學習和工作，改變著人們的生活方式、學習方式和工作方式。《大學計算機基礎》是為了滿足時代發展對大學非計算機專業學生計算機知識結構的需要而開設的。在本校的《大學計算機基礎》課程中，以計算思維為導向、以問題求解能力培養為目標，從理論與方法論的角度系統地闡述了計算機最基本的特征和問題，希望學生能夠從最基本的層面掌握這些內容，并對將來正確應用計算機解決問題產生本質上的影響。學生年均人數達到8000余人，現有的實驗設備完全無法滿足所有實驗內容的教學需求。虛擬現實技術的應用，使學習者足不出戶便可以獲得與真實場景學習同樣的體會，很好地解決了這一問題。

《大學計算機基礎》課程分理論教學與實驗教學兩部分內容，其中理論教學內容涵蓋計算機的歷史、計算思維、計算機軟硬件、操作系統、算法與程序設計、數據庫、網絡與多媒體以及信息安全等內容。操作系統原理這一部分內容由于過于抽象，很多學生到課程結束仍無法理解。因此，對這部分內容，我們采用虛擬化技術，建立三維立體模型，以視覺的感知性，來加強學生對操作系統工作原理的理解。

實驗教學內容主要包括計算機組裝、辦公軟件、程序設計以及計算機網絡組建。在計算機組裝和計算機組網實驗中，對于基礎課而言，由于人數多，無法提供足夠的硬件設備來滿足學生的實驗需求。在原來的教學方式中，我們主要采用實際組裝視頻的方式來完成這兩部分的內容。通過視頻學習，學生們對計算機的組裝和網絡組建有了一個感官上的認識，但卻無法獲得自己動手操作的直觀感受。借助虛擬現實技術，首先通過3DMax軟件來創建計算機組裝和網絡組建所需的硬件模型，如主板、CPU、硬盤、交換機、路由器、網線等，構建三維模型庫，然后將其導入到虛擬現實平臺中，學生就可以通過拖動鼠標，選取三維模型，從而實現計算機的組裝和網絡組建。

4 系統構建關鍵技術

（1）虛擬場景和情景的設計與實現。虛擬現實主要依靠計算機技術，同時借助其他輸入輸出設備，來生成逼真動人的三維虛擬場景，從而模擬一個客觀存在的真實世界。因而，如何產生身臨其境的人性化的視、聽、觸效果，形成三維空間和虛擬情景，是將其應用于現代教育理論和實踐需要解決的關鍵問題。將虛擬現實應用于教學過程中，不光要實現動態環境的建模，還要求具有實時的三維圖形生成技術。

虛擬現實場景的實現具有多種途徑，按照其實現的技術手段可以分為Flash方法、ActiveX方法、Java方法以及VRML。VRML是一種用于建立真實世界的場景模型或虛構的三維世界的現實建模語言，它改變了網絡上2D畫面的狀態，并能實現3D動畫效果。通過創建虛擬場景以達到現實中的效果，從而可以隨意地走動、瀏覽、與物體進行交互。目前，VRML作為Internet上基于WWW的三維互動的主流語言，通過構建一個虛擬實驗室系統，給參與者提供了一個具有完善交互能力的虛擬場景，因此VRML已成為構建虛擬實驗環境的理想平臺。

（2）人機交互的實現。虛擬現實具有三個突出特征，即交互性、沉浸感和構想性。交互性是指參與者對虛擬環境內物體的可操作程度和從環境中得到反饋的自然程度，是虛擬現實系統區別與傳統網絡學習系統的重要特性。在虛擬現實系統中，交互性的實現對提高學生的學習主動性、提高學習系統的使用效率，具有非常重要的作用。在交互的虛擬環境中，體驗者可以通過自己的動作，改變感覺的內容，而不再是被動地感受。主要體現在兩個方面：一是用戶在虛擬實驗場景內與虛擬對象進行交互，二是與其他用戶之間的交互。

Java是Sun公司推出的新一代面向對象程序設計語言，特別適用于Internet應用程序的開發。它具有多平臺應用、分布式應用以及面向對象等特點，給編程人員帶來了一種嶄新的概念，也使得網頁內容由靜態信息發布發展為現在的動態信息服務。同時，Java提供多線程功能，使得在一個程序里可同時執行多個任務，能夠提供更健壯的信息服務，并能夠提高交互性能和實時控制性能。因而對于虛擬現實系統中人機交互功能的實現，Java語言是一種優越的解決方案。同時，Java提供了對VRML的接口支持。Java對VRML的所有支持都可采用附加的封裝類來實現。利用這兩種語言實現的現代遠程教育，學習者可以很方便地通過網絡實現用戶與虛擬場景的交互以及與其他用戶的交互，可以看到虛擬對象的狀態、位置，甚至對其進行添加和刪除，可以與其他用戶交換意見、開展討論等。

虛擬現實技術在計算機課程教學中的應用，很好地解決了當前高校招生規模擴大與實體教學資源不足的矛盾，在很大程度上提高了學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力。

[1]劉祖珉，張士英．基于P 2 P的網絡虛擬語音系統研究[J]．微計算機信息，2010，26(12)：135-136．

[2]孫淑霞，陳立潮．大學計算機基礎[M]．北京：高等教育出版社，2013．

[3]吳小華．V RML從入門到精通[M]．北京：國防工業出版社，2002.

[4]陽化冰，劉忠麗．虛擬現實構造語言V RML[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2000．

[5]崔海燕，段作章．虛擬現實技術在現代教育中的應用[J]．中國現代教育裝備，2007(1)：111-112．

[6]黃振亮．V RML在遠程教育中的應用[J]．計算機與數字工程，2007，35(4)：85-86．

[7]尚慧萍，董潤生，尚德生．一個基于We b的網絡虛擬現實系統的設計與實現[J]．計算機工程，2007，33(4)：82-84．

Research on theApplication of Virtual Reality in Computer Teaching in Colleges

Liu Zumin Wei Qin Li Siming
(Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan)

With the development of information technology,some new teaching medias are emerging.In recent years,as a new teaching method,virtual reality technology has developed rapidly.From the perspective of educational technology,this technology, combined with computer network and multimedia technology,has been applied in the teaching of computer course in college. Through the related research,some practical function modules can be redesigned and realized.Through the virtual environment of the network,learners can get the same learning experience as in the real scene.Eventually it can not only enhance their autonomy, creativity and enthusiasm,but also improve their learning effect.

virtual reality;computer teaching;VRML

G434

A

1008-6609(2017)03-0062-02

劉祖珉（1977-），男，湖南武岡人，博士，講師，研究方向為計算機應用、現代教育技術。