高等職業教育中虛擬現實技術的應用研究

王棟

(遼寧軌道交通職業學院,遼寧沈陽 110023)

1 虛擬現實系統分類

按照虛擬現實技術的“沉浸”程度,可將虛擬現實系統大體分為四類:

(1)桌面虛擬現實系統,也稱窗口中的VR,主要用于制圖、建筑設計、教學等領域;本文中主要論述的的虛擬現實系統主要指此種類型。(2)該系統利用頭盔顯示器使用戶能夠在一個封閉的環境中體驗到虛擬現實系統帶來的視覺和聽覺等身臨其境的真實感,這是一種比較理想和高級的接近完全的虛擬體驗。(3)分布式虛擬現實系統,建立在前面提到的沉浸式虛擬現實系統和分布式交互技術的基礎上,此種系統通過計算機網絡,將多用戶或者多個虛擬現實系統連接在一起,讓現實世界中處于不同位置的用戶能夠實現信息的共享和用戶之間的互動,用戶通過分布式虛擬現實系統除了實現信息共享,還可以針對對同一虛擬世界進行觀察和操作等協同工作。大大節約線下真實環境互動的成本和風險,可以廣泛用于教學和訓練等場景。(4)增強現實(Augmented Reality,簡稱AR)是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像、視頻、3D建模的技術,在用戶實時看到的真實世界的基礎上,生成對應的疊加在真實世界之上的虛擬圖像,這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界中進行互動,實現虛實結合的效果。

2 虛擬現實技術的基本特征

我們說虛擬現實技術有以下三個基本特征的“3I”特征:

(1)沉浸性(IMMERSION)。 又稱臨場感,使用者利用可穿戴的交互設備,如數字頭盔和數據手套等專用設備,置身在虛擬現實環境中,與虛擬現實產生的三維立體場景進行各種交互。理想的虛擬現實環境應該讓使用者產生身臨其境的真實感受,就如同用戶在虛擬現實模擬出的真實場景感覺一致,無論是聽、看、移動等一切活動都如同在現實世界中的感覺。(2)交互性(INTERACTION)。 使用者對虛擬現實場景中的事物進行操作和操作場景會給使用者以適當的反饋。虛擬現實技術的專業穿戴設備根據用戶的身體各部位包括頭、眼和手等的移動,來相應的動態生成聲音和圖形以及反饋的程度,用戶采用與真實世界中相同的反應和動作,來操作虛擬場景中的對象,實現對虛擬場景中事物的操作和互動。比如當用戶抓住虛擬現實場景中的物體的時候,能夠感受到握住物體的感覺和物體的重量;當用戶移動時,虛擬場景的事物會根據用戶所處位置和眼睛觀察的角度呈現不同的圖像,產生與真實世界一致的效果。(3)構想性(IMAGINATION)。 虛擬現實技術不僅是為使用者展示虛擬場景的媒介,更是一個體現開發者設計思想的開發設計工具。利用虛擬現實技術,不僅可以模擬現實世界中存在的場景,還可以創造出現實世界中不存在的甚至沒發生過的場景。設計者利用自己的想象力,構思出自己想要的各種環境,將設計者的思想以視覺形式展示給用戶。比如設計一座建筑,專業的設計師會從專業角度構圖,畫出很多圖紙和效果圖,但是普通用戶無法能夠理解這些專業的材料,通過虛擬現實技術,將設計師的構思轉化成看得見的虛擬環境,用戶通過可穿戴設備可以完美的體會到對建筑的外觀和內部構造的直觀感受,這樣可以大大提高人們規劃和合計的效果和質量。

3 虛擬現實技術在職業教育中的應用優點

未來職業教育發展的趨勢可以說會有大量的虛擬現實技術的廣泛應用,而成本相對來說并不是特別高,在職業教育中虛擬現實的應用優勢主要體現在以下幾方面:

3.1 節約教育經費

與購買真實設備相比,虛擬現實設備的成本相對低廉,而且可以重復使用而不會產生新的成本和費用,可以節約多種實驗所用的原材料。

3.2 重復實驗,提高技能

在虛擬現實技術實現的實驗環境下,學生可以反復進行各種技能練習,如汽車駕駛技能,電氣維修技能和體育訓練等。通過反復的聯系,直到學生完全掌握動作或操作要領,而不會在練習過程中受到意外的傷害和損失,如在虛擬現實創造的動車駕駛模擬訓練系統中,學生反復操作控制設備,對于遇到的各種問題,系統通過回退來讓訓練者反復強化訓練,糾正操作過程中出現的失誤,通過反復訓練,達到熟練掌握駕駛技術的目的。

4 虛擬現實在職業教育中的應用

我們經常說教育要分層次,當今社會我們可以將教育群體分為四種,分別是學術型人才、工程型人才、技術型人才和技能型人才。利用虛擬現實技術,可以較好地解決這一問題,學生在虛擬場景中可以進行各種實驗,獲得與真實場景基本一致的學習體驗,豐富感性認識,更好地理解教學內容,真正提高學生的動手實踐能力,達到了職業教育的核心目的和要求。

4.1 建立虛擬實驗室

利用當前的虛擬現實技術,可以建立不同類型的虛擬實驗,如電工、車輛運營調度,模擬車輛駕駛等實驗。在虛擬實驗環境里,學生可自由進行多種實驗,如在虛擬動車模擬駕駛環境中,學生可以通過與虛擬現實系統的互動,達到與真實車輛駕駛一樣的操作體驗,避免了真實車輛駕駛可能帶來的的危險以及成本。

4.2 建設數字化校園

將三維地理信息系統技術、計算機網絡技術和虛擬現實技術結合,我們可以建立虛擬校園(Virtual Campus)。用戶通過電腦登錄網絡即可對校園的景觀、校園內各種設施和提供的服務一目了然,快速形成身臨其境的直觀感受,并且在網絡上直接享受到部分在線服務。在地理信息技術、虛擬現實技術和計算機網絡等技術基礎上,將校園地理信息與其他校園信息融合,用戶可以遠程訪問虛擬現實校園場景。三維虛擬數字校園技術對高職院校的對外招生、宣傳、校容校貌的展示和優化領導管理等具有非常重要的作用,是校園信息化建設的重要組成部分。

5 虛擬現實的前景

虛擬現實技術的前景廣闊,是一項深遠的具有極大潛力的新技術,隨著其應用越來越廣泛,人們的思維方式也在悄然改變,可以說在某種意義上改變了人們對自我、世界、時間和空間的認知。同時作為一種新型的教學載體和途徑,虛擬現實以其自身強大的應用場景優勢和潛力,越來越受到教育行業工作者的重視,可以在預見未來的教育領域中會廣泛應用并發揮其重要作用。

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