學(xué)科虛擬技術(shù)教學(xué)思路

1、學(xué)科虛擬技術(shù)教學(xué)思路 本文作者：王興燦 單位：廈門航空有限公司 1虛擬技術(shù)及其特征 虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality）即將本來不存在的事物和環(huán)境，通過各種技術(shù)虛擬為沉浸式交互環(huán)境，使人感覺如同處在真實(shí)世界一樣，又稱為靈境技術(shù)或臨境技術(shù)。沉浸性、交互性、想象性是虛擬技術(shù)的三個(gè)突出特征，三者就像三個(gè)頂點(diǎn)，構(gòu)成了虛擬技術(shù)的三角形，使參與者能夠沉浸于虛擬世界之中并直觀而自然地實(shí)時(shí)感知和交互。1）沉浸性：是指使用戶感覺到好像完全置身于虛擬世界中一樣，被虛擬世界所包圍。虛擬技術(shù)的主要技術(shù)特征就是讓用戶由被動(dòng)的觀察者變成主動(dòng)的參與者，覺得自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界的一部分，沉浸于其中并參與虛擬世

2、界的各種活動(dòng)。視覺沉浸、聽覺沉浸、觸覺沉浸、嗅覺沉浸的感知技術(shù)目前己較為成熟，身體感覺沉浸、味覺沉浸還有待進(jìn)一步開發(fā)。2）交互性：是指用戶從過去只能通過鍵盤、鼠標(biāo)與計(jì)算環(huán)境中的單維數(shù)字信息發(fā)生交互作用，到能用多種傳感器，借助于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中特殊的硬件設(shè)備，以自然的方式與多維化信息的虛擬世界進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)產(chǎn)生在真實(shí)世界中一樣的感知，甚至連用戶本人都意識(shí)不到計(jì)算機(jī)的存在。3）想象性：是指虛擬環(huán)境是人想象出來的，同時(shí)這種想象體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者相應(yīng)的思想，可用來實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)，如從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而使人能深化概念、產(chǎn)生新意和構(gòu)想，主動(dòng)地尋求探索接收信息，而不是被動(dòng)地接收等，

3、更有創(chuàng)意。 2虛擬技術(shù)在學(xué)科教育領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù) vrml（virtualrealitymodelinglanguage）虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言是在internet上廣泛流行的一種圖形建模語言，用它可以在inter-net上創(chuàng)建三維的虛擬場景。許多互聯(lián)網(wǎng)上創(chuàng)建的具有可導(dǎo)航、超鏈接等功能的三維虛擬現(xiàn)實(shí)空間都是用這種技術(shù)創(chuàng)建的，其中網(wǎng)上虛擬大學(xué)用的主要技術(shù)就是虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言技術(shù)，它已經(jīng)成為在互聯(lián)網(wǎng)上創(chuàng)建三維虛擬場景的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。 2.1虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的場景描述 在虛擬場景建模的時(shí)候，一般把整個(gè)場景進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指睿瑢Ψ指畹男鼍霸龠M(jìn)行渲染。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言定義的三維場景由一個(gè)節(jié)點(diǎn)樹表示，場景中的每個(gè)

4、對象由一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)描述。從理論上來說，節(jié)點(diǎn)可以包括任何東西3d幾何體、midi數(shù)據(jù)、jpeg圖像。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)集中定義了許多不同類型的節(jié)點(diǎn)，多數(shù)節(jié)點(diǎn)分為以下幾類：1）外形類節(jié)點(diǎn)（shapenode），唯一一類能被繪制的節(jié)點(diǎn)。2）屬性類節(jié)點(diǎn)（propertiesnode），這類節(jié)點(diǎn)的處理通過影響外形類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。3）組節(jié)點(diǎn)（groupnode），組節(jié)點(diǎn)把其它節(jié)點(diǎn)收集在一起，允許把節(jié)點(diǎn)的集合當(dāng)作一個(gè)節(jié)點(diǎn)來處理。其他的節(jié)點(diǎn)諸如材質(zhì)節(jié)點(diǎn)（material）節(jié)點(diǎn)、紋理（textual）節(jié)點(diǎn)、燈光節(jié)點(diǎn)（分為directionallight節(jié)點(diǎn)和spotlight節(jié)點(diǎn)）、背景（backgroun

5、d）節(jié)點(diǎn)。每個(gè)小場景都可以形成虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件，由多個(gè)小場景構(gòu)成的多個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件用內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)（inline）之間的嵌套技術(shù)合并成一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件，這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件完成了整個(gè)場景的建模。這種場景的建?；居袃牲c(diǎn)好處：1）虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的小場景文件可以有機(jī)的整合，不會(huì)因?yàn)槊總€(gè)小場景的文件太大而不利于調(diào)試、檢查。2）用戶瀏覽的時(shí)候不用把整個(gè)場景文件都讀入本地客戶機(jī)中，這樣就適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，提高了在虛擬空間中瀏覽的速度。 2.2虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的文件組成 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件主要包括四個(gè)主要成分：虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件頭、原型、造型節(jié)點(diǎn)和腳本、路由。在這四個(gè)要素中，只

6、有文件頭部分是必須的，它用來告訴瀏覽器虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件符合的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及使用的字符集等信息。原型定義了創(chuàng)建帶有指定名稱、接口和整體的新節(jié)點(diǎn)類型，一旦成功地定義了原型，它就可以在虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件的其他地方隨意使用。造型節(jié)點(diǎn)是虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言中的基本建造模塊，它構(gòu)成了虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言文件的主體部分，正是由于造型節(jié)點(diǎn)的定義而產(chǎn)生了虛擬的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言空間。腳本可以看作是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的外殼，它有域值、eventin事件、eventout事件。事件本身不能產(chǎn)生任何動(dòng)作，但它可以通過程序腳本來賦予腳本節(jié)點(diǎn)值來產(chǎn)生各種動(dòng)作。這里的程序腳本是一種簡化了的應(yīng)用程序，一個(gè)典型的腳本是由java或javas

7、cript編程語言寫成的程序。路由（route）是一種文本描述消息，一旦在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建了一個(gè)路由，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以順著路由傳遞消息給第二個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣的消息被稱為事件。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言還可以包含下列條目：注釋、節(jié)點(diǎn)和域值、定義的節(jié)點(diǎn)名、使用的節(jié)點(diǎn)名等。 2.3虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言語言的編譯 設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言虛擬場景時(shí)，最簡單的方法是直接使用文本編輯器來編輯描述文本。這種方法類似于程序設(shè)計(jì)，它簡單方便，但不是很直觀，對設(shè)計(jì)者的空間想象能力要求較高，設(shè)計(jì)的效率也不高?，F(xiàn)在有很多可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言設(shè)計(jì)工具，如cosmoworld和homespace等，這些工具將虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)都做成

8、可視的組件，用戶設(shè)計(jì)時(shí)，只需要將這些組件組合成自己需要的虛擬場景就可以了，而且設(shè)計(jì)的效果在設(shè)計(jì)時(shí)就可以看到。設(shè)計(jì)完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)將這個(gè)可視的虛擬場景生成標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言描述文本，這樣，這些文本傳送到用戶的瀏覽器后，便會(huì)在用戶的屏幕上重現(xiàn)這個(gè)虛擬場景。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言在各方面都展現(xiàn)出強(qiáng)大的應(yīng)用潛力，蘊(yùn)藏了無限生機(jī)。 3虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用 虛擬技術(shù)能夠?yàn)閰⒓咏逃膶W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)壞境，學(xué)生能夠成為虛擬環(huán)境的一名參與者，這對調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極的作用。虛擬技術(shù)在遠(yuǎn)程教學(xué)中的應(yīng)用主要有以下四個(gè)方面： 3.1探索學(xué)習(xí) 虛擬技術(shù)可以對

9、學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)模型進(jìn)行虛擬，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。如在虛擬化學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生可以按照自己的假設(shè)將不同的分子組合在一起，虛擬出組合的物質(zhì)來。真正對虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的研究是對分布式真實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)感的教學(xué)環(huán)境的開發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行研究，通過人體模型或者化合物等分子結(jié)構(gòu)演示的虛擬體驗(yàn)，教育者和學(xué)習(xí)者之間，或者學(xué)習(xí)者和同伴之間可以在一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)空間中，進(jìn)行虛擬人之間的面對面的情感交流。#p#分頁標(biāo)題#e# 3.2技能訓(xùn)練 利用虛擬技術(shù)，可以做各種各樣的技能訓(xùn)練。由于這些虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險(xiǎn)，學(xué)生可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。如虛擬飛機(jī)駕駛訓(xùn)練中

10、，學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備，學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機(jī)起飛、降落，通過反復(fù)訓(xùn)練，熟練掌握駕駛技術(shù)。虛擬技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用幾乎最成功的案例就是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)與研制。由于空間探索和軍隊(duì)?wèi)?zhàn)爭訓(xùn)練需要高昂的費(fèi)用，以及這些領(lǐng)域需要極高的安全性與可靠性，使得虛擬技術(shù)最早應(yīng)用在了這個(gè)領(lǐng)域，并且發(fā)揮出了巨大的使用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。隨著社會(huì)的進(jìn)步，虛擬技術(shù)也延伸到的一般的醫(yī)學(xué)教學(xué)、汽車駕駛以及電器維修等需要培養(yǎng)各種操作技能的領(lǐng)域。在動(dòng)作技能的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者只有從虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中接受到操作或動(dòng)作的反饋才能起到積極的學(xué)習(xí)作用。因此在運(yùn)用虛擬技術(shù)研發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該具體考慮學(xué)習(xí)產(chǎn)生的條件以及教學(xué)的效果，這種模擬訓(xùn)練

11、系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供真實(shí)的模擬訓(xùn)練的情景，校正學(xué)習(xí)者的錯(cuò)誤以及跟蹤學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程等功能。 3.3虛擬實(shí)驗(yàn) 利用虛擬技術(shù)，還可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，如地理、物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以自由地做各種實(shí)驗(yàn)。利用虛擬技術(shù)建立的各種虛擬實(shí)驗(yàn)室（virtuallab）在教育上應(yīng)用前景廣闊，尤其在物理、化學(xué)、生物等需要實(shí)驗(yàn)的學(xué)科中更是如此。創(chuàng)建這種虛擬環(huán)境的演示物體可以擺脫真正實(shí)驗(yàn)室所需要的昂貴的設(shè)備，減少了教育部門的實(shí)驗(yàn)開銷，教學(xué)的效果基本接近運(yùn)用真正的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)室基本上分為兩類：一種是由編程者設(shè)計(jì)只能插入并操作實(shí)驗(yàn)中有限的實(shí)物，這是現(xiàn)今大多數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的工作環(huán)境；另外一種是基于廣泛學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。 4結(jié)束語 教育是借助于一定的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)的，因此教育技術(shù)的變革，必然會(huì)帶來教育模式、規(guī)模和意識(shí)上的變革。教育技術(shù)的先