基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)研究

1、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)研究【摘要】隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為實(shí)踐教學(xué)一種重要手段。本文針對傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，提生了一種新的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)方法：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有優(yōu)化和功能全、低成本、無危險(xiǎn)、網(wǎng)絡(luò)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，能創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和方法，解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，真正培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)一、引言隨著經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，社會對人才培養(yǎng)提生了更新更高的要求，國際和國內(nèi)各產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展需求大量的實(shí)用化創(chuàng)新型職業(yè)人才。傳統(tǒng)的

2、實(shí)踐教學(xué)模式，即形式單一而枯燥的教師教、學(xué)生學(xué)的模式，學(xué)生學(xué)習(xí)處于被動(dòng)，學(xué)生只是對實(shí)踐內(nèi)容及過程簡單機(jī)械地模仿，其學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性沒有被調(diào)動(dòng)和激發(fā)，沒有真正達(dá)到培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的目的。人才培養(yǎng)過程與社會需求脫節(jié)，陳舊落后的教育理念和模式造成學(xué)生實(shí)踐能力和技術(shù)創(chuàng)新能力較低。為適應(yīng)社會對人才需求改變的新形勢，培養(yǎng)高素質(zhì)和技能全面的創(chuàng)新型人才，實(shí)現(xiàn)“國際化、實(shí)用化、個(gè)性化”的人才培養(yǎng)目標(biāo)勢在必行。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和普遍應(yīng)用，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)已成為一種趨勢，也使之成為可能?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種特別強(qiáng)有力的輔助教育工具能解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

3、，實(shí)現(xiàn)資源共享等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)實(shí)現(xiàn)了人的臨場化，并且營造了一種“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境。改變了以往實(shí)踐教學(xué)的被動(dòng)性，參與者與虛擬環(huán)境是相互作用、相互影響的一個(gè)整體的兩個(gè)方面，因此學(xué)生通過自身與信息、環(huán)境的相互作用來獲得知識和技能。這種主動(dòng)的新型的學(xué)習(xí)方式替代了傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的舊的學(xué)習(xí)方式，加快了學(xué)生對知識的掌握與深化,培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)，為學(xué)生提供了多樣化、實(shí)用化、個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分發(fā)揮了教與學(xué)的能動(dòng)作用，提高了創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)效果。二、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)1 .虛擬現(xiàn)實(shí)的概念和技術(shù)特征虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReahty.簡稱VR）是在計(jì)算

4、機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉學(xué)科，對該技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代。進(jìn)入90年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始作為一門較完整的體系受到人們極大的關(guān)注。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)、通過自然技能、使用傳感設(shè)備生成一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境的新技術(shù)。它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)完全不同，是模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者的有機(jī)結(jié)合。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、工程建筑、城市規(guī)劃、醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造、教育、科研、金融、娛樂等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)最本質(zhì)的特征是用戶對虛擬場景的沉浸，它要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)酷似客觀環(huán)境又超越客觀時(shí)空、能沉浸其中又能駕馭其中的和諧人機(jī)環(huán)境，也就是由多維

5、信息所構(gòu)成的可操縱的空間。能夠達(dá)到或者部分達(dá)到這樣的目標(biāo)的系統(tǒng)，包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)與方法，統(tǒng)一起來就稱為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有其他媒體不可比擬的優(yōu)勢，主要由于其具有以下幾個(gè)特征：沉浸性，指虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以是參與的學(xué)習(xí)者完全沉浸在由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中；交互性，指學(xué)習(xí)者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可以和周圍的物體發(fā)生互動(dòng)，比如:對機(jī)床進(jìn)行操作；多感知性，指為學(xué)習(xí)者提供諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，以獲得身臨其境的感受；實(shí)體自主性，指虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中物體運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)依據(jù)物理運(yùn)動(dòng)定律。2 .擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)

6、相結(jié)合，能建造實(shí)踐教學(xué)所需的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要由檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊、3D建模庫和建模模塊構(gòu)成。主要設(shè)備包括高性能的計(jì)算機(jī)軟硬件及各類傳感設(shè)備、跟蹤設(shè)備、控制球、三維立體聲耳機(jī)以及一些作用器件，如：攝像機(jī)、壓力傳感器、視覺跟蹤器、慣性儀、語音識別設(shè)備等,以便將學(xué)習(xí)者的操作轉(zhuǎn)換為施加到虛擬系統(tǒng)中的物體上的作用信息，并將虛擬系統(tǒng)中物體形象、動(dòng)作、聲音進(jìn)行轉(zhuǎn)換通過反饋使人能獲得視覺、聽覺、觸覺等方面的感覺。(1)虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心部件是虛擬儀器虛擬儀器充分利用當(dāng)代先進(jìn)科技的產(chǎn)品和技術(shù)，如:PXI總線技術(shù)、模塊化數(shù)據(jù)采集、ActiveX技術(shù)等。虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系結(jié)構(gòu)

7、如圖1所示。虛擬儀器的硬件主要由計(jì)算機(jī)、傳感器和信號與處理模塊構(gòu)成，完成對被測信號的采集、傳送、顯示輸由結(jié)果。信號與處理模塊主要有數(shù)據(jù)采集卡或PXI儀器模塊、VXI儀器模塊、GPIB接口模塊，目前應(yīng)用較多的是VXI儀器模塊和數(shù)據(jù)采集卡。(2)虛擬儀器的軟件是用核心來完成大部分實(shí)驗(yàn)過程目前，常用的軟件開發(fā)技術(shù)有面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和圖形化編程技術(shù)。我們將采用VB和NI公司提供的LabVIEW,LabVIEW直觀的圖形化開發(fā)環(huán)境提供了強(qiáng)大的工具內(nèi)置用于仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析以及數(shù)據(jù)顯示等各種功能，是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言。根據(jù)所完成的功能不同，可將虛擬儀器系統(tǒng)的軟件分為3個(gè)

8、層次:儀器驅(qū)動(dòng)層、應(yīng)用程序?qū)雍拖到y(tǒng)操作層。儀器驅(qū)動(dòng)模塊主要用于虛擬儀器的初始化，設(shè)置參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持所需的工作狀態(tài)；用戶通過應(yīng)用程序模塊編程來對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；系統(tǒng)操作模塊提供了儀器與用戶的接口用戶可通過操作界面上的開關(guān)和按鈕來實(shí)現(xiàn)對虛擬儀器的操作，從而達(dá)到模擬傳統(tǒng)儀器的各種操作的目的。三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍：1 .基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種特別強(qiáng)有力的輔助教育工具，能幫助學(xué)生不論在實(shí)踐室還是在外都能操作和控制測試儀器，增加了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會，使理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)一體化。在理論教學(xué)中可以實(shí)時(shí)地調(diào)用網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)

9、的虛擬零件和裝配機(jī)器，可以最大限度的利用資源，提高教學(xué)效率和學(xué)生的臨場感覺，縮短理論和實(shí)踐的距離。例如：使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生通過認(rèn)證遠(yuǎn)程登錄、操作，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器以及相關(guān)操作的結(jié)果，真實(shí)的了解實(shí)際設(shè)備的型號、規(guī)格等外觀表現(xiàn)與性能參數(shù)，能夠掌握目前實(shí)際使用的設(shè)備性能，不會造成理論與現(xiàn)實(shí)的脫節(jié)。2 .利用多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的方法，建立有別于傳統(tǒng)實(shí)踐室的現(xiàn)代化實(shí)踐基地。教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要設(shè)計(jì)由各種虛擬儀器；學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)的專業(yè)知識，自己選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案自行設(shè)計(jì)各種軟件面板，定義儀器的功能，并以各種形式表

10、達(dá)輸由結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和科研能力。3 .可采用虛實(shí)結(jié)合的形式，虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)物使用相互作用的方法，即讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作真實(shí)的儀器和器件，讓其對測試和儀器有親身體會，印象深刻，而對于莫些控制過程或有危害的環(huán)境則用計(jì)算機(jī)虛擬完成。這樣，既繼承了傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和長處，又解決了不足之處。另外，還可讓學(xué)生利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將自己設(shè)計(jì)零件、編寫程序或其它工藝方案在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中模擬，實(shí)現(xiàn)其功能和目標(biāo)，而不必將它們真正制造由來，就能達(dá)到“親身體驗(yàn)”的效果。一般在仿真試驗(yàn)教室就可以完成這個(gè)過程。這樣，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)既可以縮短操作訓(xùn)練的時(shí)間，又可以獲得直觀、真實(shí)的效果，還能對那些不可視的結(jié)構(gòu)

11、原理和不可重組的精密設(shè)備作仿真實(shí)踐訓(xùn)練，既培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立操作、維護(hù)檢修的技能，又培養(yǎng)了學(xué)生自我訓(xùn)練的意識和創(chuàng)新的能力。4 .利于挖掘?qū)嵺`教學(xué)的潛能。引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以改善職業(yè)技術(shù)教育實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)環(huán)境，提高教學(xué)質(zhì)量，適應(yīng)當(dāng)今職業(yè)技術(shù)教育改革和擴(kuò)招的發(fā)展需求。采用基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可較容易地增加具有高新技術(shù)的實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生接觸新知識、新技術(shù)，開發(fā)學(xué)生的智能，增強(qiáng)跨學(xué)科研究的意識。四、結(jié)論虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體技術(shù)具有優(yōu)化和功能全（虛擬設(shè)備和設(shè)施易于升級和優(yōu)化）、低成本（對元器件和設(shè)備庫，可以無限復(fù)制和組合，減少人為損壞，彌補(bǔ)實(shí)際教學(xué)不足卜無危險(xiǎn)（有毒的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，高壓強(qiáng)電的實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建造可以免除人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)）、網(wǎng)絡(luò)化（利用Web提供的協(xié)同虛擬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多人合作、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和協(xié)同操作）等諸多優(yōu)點(diǎn)，是今后實(shí)踐教學(xué)研究的一種新型模式。它對發(fā)展現(xiàn)代教育思想，提高教學(xué)水平，改善實(shí)踐環(huán)境，優(yōu)化教學(xué)過程，增強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才將會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 .張曉英、祖大鵬:基于虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)J,高師理科學(xué)刊,2002,(4)2 .曹