基于虚拟现实技术的实验教学系统及其特点.pdf

总第 267 期 中国电化教育 2009 4 技 术 与 应 用 一 引言 实验是教学活动的重要环节 实验教学和课堂 理论教学相辅相成 主要对课程的理论作出科学验 证或展开演绎 让学生加深对理论的认识 同时通过 实验培养学生的创新意识和科学严谨的作风 1 目前 许多院校普遍存在实验设备不足 型号落后 难以更 新换代跟上科技发展的问题 为实现培养目标 往往 投入了大量资金购进和更新设备 但仍跟不上学生 规模迅速膨胀 信息技术的迅猛发展和新技术不断 涌现的速度 因而在不同程度上影响到学生动手能 力和创新能力的培养 笔者认为虚拟现实技术的发 展为我们找到了解决这一矛盾的有效方法 利用虚拟现实技术在多媒体计算机上建立虚拟 实验室 学习者便可以走进这个虚拟实验室 身临其 境般地操作虚拟仪器 操作结果可以通过仪表显示 反馈给学生来判断操作是否正确 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 二 虚拟现实技术 虚拟现实VR Virtual Reality 是 20世纪以来科 学技术进步的结晶 集中体现了计算机技术 计算机 图形学 传感技术 人体工程学 人机交互理论等多 个领域的最新成果 2 它以计算机技术为主 利用计 算机等设备来产生一个看起来像真的 听起来像真 的 摸起来像真的三维虚拟世界 其基本方法和目标 是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器 创建一个使参与者身临其境 具有完善的交互能力 能帮助和启发构思的信息环境 即让用户在人工合 成的环境里获得角色的体验 在这个虚拟世界中 能 实时产生与真实世界相同的感觉 使人与虚拟世界 融为一体 人们可以直接观察周围世界及物体的内 在变化 与虚拟世界中的物体进行自然的交互 虚拟现实具有三个基本特征 3 沉浸性 是指观 察者对虚拟世界的情感反映 这种感觉能使用户全 方位地投入这个虚拟世界 这是虚拟现实的首要特 征 交互性 是指虚拟现实是一个开放的环境 能对 用户的输入做出响应 并能通过监控装置来影响用 户和被用户影响 想象性 是指虚拟现实不仅是一个 媒体 一个高级用户界面 还是一个应用系统 它以 生动形象的形式反映设计者的思想 虚拟现实的三 个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用 三 虚拟现实实验教学系统 1 基本原理 基于VR的实验教学是利用科学计算可视化 的理论与方法来再现实验教学 4 VR 不仅要求立体 视觉上的沉浸感 还需要可以和三维可视化场景进 行交互的能力 这些功能的具备 才能从一定程度上 消除用户感觉上对存在于VR空间中一个物体对象 的存在性的怀疑 在三维造型软件构造的场景中 一 些几何体实质上只是存在立体拓扑关系或是仅仅生 成物体的轮廓 维度的精确性和可编辑能力对于造 型程序是关键的 而与行为相关的数据对VR系统 来说却更加重要 系统应该具备强大的人机交互功 能 可视化映射技术可以双向服务 将图形 动画在 屏幕的表现形式映射成系统虚拟仿真所需的数据文 件 系统虚拟仿真计算所产生的数字信息转变为直 观的 以图像或图形信息表示的随时间和空间变化 的物理现象或物理量呈现在实验者面前 人机交互 界面必须和谐 尽量逼近物理原型 发展虚拟现实技 基于虚拟现实技术的 实验教学系统及其特点 黄剑玲 1 邹 辉 2 1 上饶师范学院数学与计算机系 江西上饶334000 2 上饶职业技术学院机械系 江西上饶334000 摘要 针对目前我国高等学校普遍存在实验设备不足 型号落后 难以更新换代跟上科技发展的现象 虚拟现实 技术的应用为高校实验教学提供了一个良好的解决方案 本文简单介绍了虚拟现实技术的特点 通过对虚拟现实实 验教学系统的详细分析 探讨了虚拟现实技术对实验教学的影响 关键词 虚拟现实 实验教学 人机交互 中图分类号 G434文献标识码 A 文章编号 1006 9860 2009 04 0108 04 108 2009 4 中国电化教育 总第 267 期 技 术 与 应 用 术和自然人工场景技术的结合 即可实现 身临其 境 的真实感受 虚拟现实实验教学系统通常由硬件与软件两部 分组成 5 主要的硬件设备有计算机 跟踪设备 触觉 器与运动反馈设备等 主要的软件有操作系统和窗 口系统 有图形图像处理与开发 语言识别系统 虚 拟现实处理等工具软件 2 特点 虚拟仿真教学实验可以集文字 图形 图像 三 维动画和声音于一体 利用人工智能和超链接的能 力 为操作者提供一个人机交互的 界面友好的 开 放式的虚拟环境 6 虚拟现实技术把计算机合成的信 息通过听 看 嗅 触等感觉 在人的周围形成一种人 造空间 达到一种超模拟的效果 虚拟仿真实验可以 转化主动和被动的关系 使学生积极主动地进行自 主化 个别化与探索性的学习 有利于发展学生的创 新技能 提高学生在实验操作中的各方面知识与能 力 虚拟实验教学系统有以下几个特点 1 虚拟设施 由于实验设备 实验场地 教学经 费等方面的原因 一些教学实验无法开设 利用虚拟 现实系统 可以使这些实验得以完成 学生可以通过 虚拟实验 获得与真实实验一样的体会 还可以同时 实现资源共享 2 虚拟环境 以往对于危险的或对人体健康有 危害的实验 一般采用电视录像的方式来取代实验 学生无法直接参与实验 学生通过虚拟现实技术进 行虚拟实验 可以放心地去做各种危险的或危害人 体的实验 例如 虚拟化学实验 可以避免化学反应 所产生的燃烧 爆炸所带来的危险 虚拟外科手术 可避免由于学生操作失误 而造成 病人 死亡的医 疗事故 虚拟飞机驾驶教学系统 可免除学员操作失 误而造成飞机坠毁的严重事故 3 虚拟3D空间 利用虚拟现实技术 可以消 除空间的限制 大到宇宙天体 小至原子粒子 都可 以进行内部 外部的3D多点观察 例如学生可以进 入虚拟天体系统 考察每个天体情况以及每个天体 之间的相互作用 了解整个天体的运行规律 虚拟技 术还可以突破时间的限制 一些需要较长时间才能 观察的变化过程 通过虚拟现实技术 可以在很短的 时间内呈现给学生观察 例如火山的形成爆发和生 物进化 4 虚拟人物 我们常常听到 虚拟播音员 的说 法 其实虚拟现实系统还能虚拟历史人物 伟人 名 人 教师 学生 医生等各种人物形象 创造人性化的 学习环境 使学生融入 参与学习 在虚拟的课堂学 习气氛中 学生可以与虚拟的教师 学生一起交流 讨论 例如 在外语教学中 可以通过虚拟学生到国 外旅游的情境 让学生与人交谈 达到训练学生口语 的目的 四 虚拟现实实验教学系统的优点 1 教学手段先进 一般来说 专业实验设备体积较大而实验教学 的场地有限 教师在讲授设备操作 使用 注意事项 时 只有在设备附近的少数学生能看清楚 没有实践 经历的学生 在生产车间进行操作存在一定的危险 性 教师只能对机械外表进行讲授 而机器的运作原 理及内部运作无法了解 而用虚拟现实技术 通过大 屏幕投影 可以将有关设备真实地展现在学生面前 有利于学生的正确理解和掌握 2 减少办学成本 专业实验设备结构比较复杂 单价较高 为实验 教学增加设备的台数势必大幅度增加购置经费 而 且每次使用机器成本较大 包括原材料 电力 机器 损耗和设备维修费用 而生产出来的 产品 并不能 投放市场产生经济效益 用虚拟现实技术 可以减 少设备台数 没有原材料消耗 大大减少办学成本 3 学习效果明显提高 用虚拟现实技术 将设备三维 虚拟 出来 并可 产生互动 让学生在计算机反复多次练习进行操作 训练 较熟练后才在真正的设备上操作 可大大提高 实操的效果 4 学习兴趣增强 在传统的实验教学中 教师不可能和每个学生 进行充分的交流 而在互联网上 利用虚拟现实技 术 学习者可以找到 虚拟教师 并与之交流 这种 交流可以摆脱单纯的字符形式 以现场的方式展现 双方的身体姿态和音容笑貌 从而极大地提高了交 流的质量 同时 也可与 虚拟同学 很方便地结成学 习伙伴 实现协作式实验 使一些比较枯燥难于操作 的实验变得有趣和便于掌握 五 虚拟现实技术对实验教学的影响 1 实验室的虚拟化 虚拟实验室是一种特别的 分布式的解决问题 的环境 是提供给用户的一个基于网络的实验教学 技术交流 共同研究 协同工作的平台 是一种基于 计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计 方法 是除理论与实物实验之外的第三种研究设计 手段和形式 虚拟实验室主要具有下述功能 1 教 育功能 让学生通过使用虚拟或真实仪器 装置或系 统的模拟装置来熟悉实验过程 掌握相关技术 2 109 总第 267 期 中国电化教育 2009 4 技 术 与 应 用 辅助设计功能 例如现代电子系统的设计与分析 是 运用EDA Electronic Design Automation 技术 分布 式网络环境下 在EDA平台上进行设计 下载 综 合 仿真 然后在实际条件下进行测试 EDA模拟软 件将仪器 仪表 模拟器件 数字器件等直观地反映 在计算机屏幕上 可灵活地改变电路结构和参数 反 复观察实验的结果 并动态显示电路的波形 3 协 同实验和研究功能 虚拟实验室利用当前网络技术 和设施 使参与试验的人员远程相互合作 进行试验 研究 用于教学的虚拟实验室系统包括以下几大模 块 1 实验管理模块 由学生管理 教师管理 仪器 管理和学生成绩管理等组成 2 仪器展示模块 对 虚拟实验室可用虚拟元器件 虚拟仪器设备分门别 类地进行管理 以图形的方式直观呈现出来 供学生 在实验时进行选择 3 实验指导模块 包括实验介 绍 实验方法 实验项目的重点及难点 实验目的 实 验原理 实验准备 实验任务 实验过程 实验报告的 要求及实验应注意的事项等 4 实验报告模块 主 要对学生完成实验后 提供相关的实验报告模板 供 学生下载 由学生填写相关内容以及实验的结果 完 成后上传电子版实验报告 由教师进行批阅 并进行 记载 5 实验答疑模块 由专业教师对学生实验中 出现的疑难问题进行及时解答 帮助学生顺利通过 实验 同时了解学生对实验的掌握程度 并及时反 馈 调整教学 6 论坛交流模块 教师和学生可以通 过论坛进行充分的交流 学生可以将实验中的收获 经验和体会及问题发布到论坛上 教师可以将一些 典型的问题提出来 供大家探讨 7 虚拟实验模块 是虚拟实验室建设的重要部分 学生通过该模块进 行虚拟实验 以达到巩固强化知识的目的 该模块内 容根据专业学习的具体情况及实验建设条件 可不 断增加 2 技能训练虚拟化 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 习中去 这非常有利于学生的技能训练 利用沉浸型 虚拟现实系统 可以做各种各样的技能训练 例如 在一些医学院校 医科学生采用 虚拟微型手术系 统 可以模拟处理手术情景 使学生无需通过病人就 可以迅速安全地熟悉手术操作 从简单的开刀到复 杂的器官移植 在这种虚拟环境中训练 就不会冒着 医治真实病人所带来的风险 他们可以反复地练习 手术室的操作过程 尝试不同的选择与方法 以便使 他们的判断和技术不断进步完善 3 实验教学环境虚拟化 利用虚拟现实系统 通过电脑可以逼真地模拟 现实的实验环境 教师或学生可以在电脑上精确地 做各种试验 包括在现实环境中不可能去做的实验 并达到真实实验所不能达到的效果 如中国科学技 术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制开发 出第三代教学软件 几何光学实验室 软件 该 软件将计算机辅助教学中的智能化仪器 计算机技 术 虚拟现实技术与物理教学有机地结合起来 使物 理教学进入一个全新的领域 用计算机模拟的智能 仪器代替了价格昂贵 操作复杂 容易损坏 维修困 难的实验仪器 其具有操作简便 效果真实 物理图 像清晰 着重突出物理实验设计思想的特点 通过本 实验所提供的一系列光学仪器 学生可以基本上完 成所有的单透镜实验和组合透镜实验 并且提供了 完整的文档和习题系统 该系统运用了纯三维的表 现方法 让学生在一个大的实验室环境下进行操作 并且通过虚拟教室表现了一个真正的三维场景 达 到了桌面式的虚拟现实设计水平 利用虚拟化的实 验环境进行学习 有利于激发学生的创造性思维 培 养学生的创新能力 4 学生获得直接经验的方式虚拟化 学生获得经验有两种方式 直接的和间接的 获 得直接经验既是学生学习的重要方式 也是学生理 解间接经验的基础 利用VR系统 学生能够直接感 知在实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变 化过程 获得生动逼真的各种感性材料 学生在虚拟 的现实世界中扮演一个角色 全身心地投入到学习 环境中去 学生可以走进微观世界之中 领略微观世 界与宏观世界的差异 观察原子核裂变等复杂的物 理现象 还可以使抽象的概念或理论形象化和动态 化 方便学生对抽象概念的理解 例如在学习加速度 概念时 学生在虚拟实验室中 按照自己想象的速度 奔跑 通过改变自己身体重量和跑动的速度 感觉自 己的加速度变化情况 这种实验具有定量分析的功 能 使学生能够直接感知自己的运动情况 加深了对 加速度概念的理解 有助于学生解决学习中的知识 难点 5 实验教学手段虚拟化 虚拟现实技术提供了全新的实验教学手段 2002年 在网上曾进行了一个轰动世界的 虚拟青 蛙解剖实验 数以万计的人们 参与 了这一实验 学习者在网络上互相交流 发表自己的见解 甚至可 以在屏幕上亲自动手进行解剖 继之 网络上又有了 虚拟考古 学习者可以 亲临 某个古墓 进行 现 场 考古 体验原始人的生活方式 网络教学中的虚 拟现实突破了传统教科书的限制 它创建出一个虚 110 2009 4 中国电化教育 总第 267 期 技 术 与 应 用 拟的环境 使学习者在具体情境中通过主动的探索 获得知识 大大提高了教学效果 六 结束语 虚拟现实技术的出现 给实验教学提供了一种 有效的辅助工具 它充分挖掘了现有设备的潜力 提 高了现有系统的利用率 既缓解了当前实验设备和 场地不足的问题 又提高了实验设备的安全性 降低 了实验室的管理难度 而且在不额外添加硬件设备 的条件下 可以增加学生的实践动手机会 提高学生 的实践技能 总之 虚拟现实技术进入高校实验教学的研究 将对探索 发展现代教育思想 提高教育技术水平 改善实验实训环境 优化教学过程 培养具有创新意 识和创新能力的人才产生深远的影响 目前我国的 虚拟实验教学还刚刚起步 与国外相比还有相当的 距离 我们应当加速实验教学现代化的步伐 运用现 代化技术及先进的实验教学手段 充分利用网络 使 用计算机辅助教学实验软件和多媒体教学课件 推 广运用虚拟 仿真等实验技术手段 同时对于必要的 实验要促进虚拟 仿真实验与实际实验的结合 全面 提高教育质量 参考文献 1 金侠杰 林财兴 虚拟现实及其在网络中的实现 J 计算机仿真 2003 10 8 10 2 马友兰 吴立人 自助式实验教学模式的探索 J 生物学教学 2001 7 21 22 3 程子明 中学物理实验教学模式的新尝试 J 中小学实验与装备 2005 2 18 19 4 易红 熊宏齐 郑家茂 构建整体优化的实验教学与创新实践平台 J 中国高等教育 2005 18 29 30 5 杨秀岐 杨明玉 徐媛 基于开放网络的计算机辅助工程虚拟实验室 J 计算机系统应用 2004 5 16 18 6 王艳凤 胡志凌 网络实验教学的实现方式 J 实验技术与管理 2003 1 62 63 誅收稿日期 2008 年 12 月 15 日 责任编辑 马小强 征订启事 誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅 誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅 誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅 誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅誅