虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用探討

王凱英 廖明軍

北華大學(xué) 吉林吉林 132013

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用探討

王凱英 廖明軍

北華大學(xué) 吉林吉林 132013

隨著計算機軟硬件技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到長足的發(fā)展，也推動教育技術(shù)的信息化和現(xiàn)代化。本文介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)知識及虛擬現(xiàn)實教育技術(shù)環(huán)境創(chuàng)建的問題。

虛擬現(xiàn)實；土木工程；教學(xué)

土木工程涉及工程結(jié)構(gòu)范圍廣且復(fù)雜，同時，新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，有些結(jié)構(gòu)物或施工技術(shù)學(xué)生在校園根本無法接觸，雖然教學(xué)過程中安排一定比重的實踐環(huán)節(jié)，但由于時間和條件限制也無法全面了解。因此如何使學(xué)生在教學(xué)環(huán)節(jié)攝取更多的知識，培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、實際操作能力和創(chuàng)新能力，益顯重要。這就需要教師充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，改進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生既掌握工程方面的理論知識，又具有一定的實踐能力。使學(xué)生更適應(yīng)畢業(yè)后的理論和實踐工作。隨著信息、計算機技術(shù)的突飛猛進(jìn)，教育技術(shù)也經(jīng)歷深刻的變革，如網(wǎng)絡(luò)化，多媒體化，虛擬現(xiàn)實等技術(shù)。其中虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年興起的一門綜合性信息技術(shù)，在教育領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的前景，將對傳統(tǒng)教學(xué)產(chǎn)生很大的沖擊。但畢竟虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項高新技術(shù)，具有一定的技術(shù)門檻。本文將就教師應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行土木教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的開發(fā)和設(shè)計進(jìn)行探討。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.基本概念

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)，有時也稱為靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界(Virtual World)的計算機系統(tǒng)。虛擬世界是全體虛擬環(huán)境(Virtual Environment)或給定仿真對象的全體。虛擬環(huán)境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺的交互式視景仿真。一般來說，有3種典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：桌面虛擬現(xiàn)實、沉浸式虛擬現(xiàn)實、分布式虛擬現(xiàn)實。(1)桌面虛擬現(xiàn)實是利用個人計算機和工作站去進(jìn)行仿真，計算機的屏幕是用戶觀察虛擬環(huán)境的一個窗口。桌面虛擬現(xiàn)實在沉浸感方面較差，但對設(shè)備要求不高，成本較低。普通用個人計算機就可以實現(xiàn)。(2)沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則使用戶完全進(jìn)入一個虛擬環(huán)境，產(chǎn)生強烈的沉浸感。它通過讓用戶完全沉浸在一個四面具有投影的房間中，或者通過頭戴一些設(shè)備來實現(xiàn)這一效果。一般來說，對設(shè)備具有很高的要求。(3)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用網(wǎng)絡(luò)，將不同地理位置的用戶聯(lián)結(jié)起來，共享一個虛擬環(huán)境。用戶通過選擇一個代表自己的化身進(jìn)入該環(huán)境。在這個環(huán)境中，多個用戶可以相互看到，并進(jìn)行交互協(xié)同作業(yè)。由于桌面式虛擬系統(tǒng)軟硬件成本低，用于教學(xué)演示已經(jīng)足夠，所以本文只介紹該系統(tǒng)。

2.桌面虛擬現(xiàn)實開發(fā)方法

在土木工程教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實一般用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)物和復(fù)雜工藝流程的演示。系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)難點是三維(3D)模型的建立和交互式動作的設(shè)定和驅(qū)動。桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計和其他兩種相比相對簡單(如圖1所示)。

目前，隨著計算機和圖形學(xué)的發(fā)展，不少從事虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的公司，推出了許多開發(fā)工具。建模工具有流行的三維建模軟件3D Max，Maya，Creator等。驅(qū)動工具有Vega，Cult 3D，Virtools等。不同驅(qū)動軟件要求不同的模型格式,通常相關(guān)公司提供格式轉(zhuǎn)換的插件。另外,一種標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)可以用于建模和事件驅(qū)動。為了方便在網(wǎng)絡(luò)上共享、傳播和瀏覽，需要下載不同的播放插件。除了上述利用第三方提供的開發(fā)平臺外,當(dāng)然,也可以從底層開發(fā),這要求開發(fā)人員具有很高的編程能力和虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面的專業(yè)知識。它周期長,而且復(fù)雜。一般教師采用前者。

二、虛擬現(xiàn)實教育技術(shù)應(yīng)用于土木工程教學(xué)

在土木工程教學(xué)領(lǐng)域，目前虛擬現(xiàn)實主要應(yīng)用在課堂講解演示與試驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。

土木工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)物構(gòu)造、設(shè)計和施工工藝流程的講解可以通過制作三維交互的虛擬現(xiàn)實模型得以實現(xiàn)。圖2是簡支梁橋成橋過程動畫的一個畫面。

圖2 簡支梁橋成橋動畫截屏

土木工程試驗也是土木工程的一個重要教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，現(xiàn)在由于高校擴招，教學(xué)資源嚴(yán)重不足，同時實驗室利用效率低。導(dǎo)致實驗教學(xué)質(zhì)量低。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造虛擬實驗室可以彌補這一缺憾。虛擬實驗室包括逼真的實驗設(shè)備、環(huán)境模型，試驗流程的演示和交互，試驗指導(dǎo)和提示模塊。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)同時可以豐富網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，利用HTML和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，教師把教學(xué)課件放在校園網(wǎng)上，供學(xué)生在課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。特別是網(wǎng)絡(luò)化的虛擬現(xiàn)實土木工程實驗室，可以大大提高實驗教學(xué)的效果，因為學(xué)生可以在每堂實驗課前，在網(wǎng)上虛擬的實驗室就可以直觀熟悉試驗環(huán)境、試驗儀器，操作步驟及注意事項，因此，實際的教學(xué)效率得到極大提高。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有人機交互，寓教于樂，直觀形象，便于記憶，實現(xiàn)局域網(wǎng)或遠(yuǎn)程教育，自然模擬和逼真體驗等優(yōu)點。課堂引入虛擬現(xiàn)實大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強求知的渴望和好奇心。在虛擬系統(tǒng)中，三維土木工程結(jié)構(gòu)物可以360o視角觀察，還可以從外到內(nèi)觀察細(xì)部。俗話說，百聞不如一見，長篇空洞的描述抵不過一個虛擬現(xiàn)實動畫的效果。與傳統(tǒng)的二維靜態(tài)教學(xué)演示相比，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓學(xué)生在短時間內(nèi)獲取和體驗工程知識的經(jīng)驗。從圖3的經(jīng)驗之塔可以看出，它把工程做的和觀察的經(jīng)驗都集中于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。學(xué)生更快更容易地從具體經(jīng)驗上升到抽象經(jīng)驗。

因此，引入虛擬現(xiàn)實的現(xiàn)代教育技術(shù)避免傳統(tǒng)教學(xué)模式課堂教學(xué)機械、沉悶、勞動強度大和效率低的局面。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)建

教育現(xiàn)代化是建立適應(yīng)現(xiàn)代社會、經(jīng)濟及科技發(fā)展需要的，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標(biāo)的新型現(xiàn)代教育體系。要實現(xiàn)教育現(xiàn)代化，就要充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)、加快教育信息化的程度、加大教育改革的力度。要達(dá)到這個目的，是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，它需要社會發(fā)展大環(huán)境、學(xué)校、教師和學(xué)生的協(xié)調(diào)和配合。才能使系統(tǒng)達(dá)到最佳化。要擺脫傳統(tǒng)教學(xué)模式，在科技進(jìn)步條件下，學(xué)校首先要具備適當(dāng)?shù)倪m用于現(xiàn)代化教學(xué)和學(xué)習(xí)的軟硬件設(shè)備，在這個基礎(chǔ)之上，同時，對教師進(jìn)行培訓(xùn)，提高教師的學(xué)習(xí)能力，展開研究型的教學(xué)工作；學(xué)生也可以在教師指導(dǎo)下進(jìn)行研究型的學(xué)習(xí)。例如，教師在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實教學(xué)課件研究設(shè)計時，可以吸納學(xué)生參與進(jìn)來，相互促進(jìn)，提高教和學(xué)的效果?？傊?，在這個創(chuàng)建的教和學(xué)環(huán)境中，既要有展開虛擬現(xiàn)實教學(xué)的硬件，也要有現(xiàn)代教育理論的指導(dǎo)和教學(xué)系統(tǒng)過程設(shè)計的軟件，同時需要在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生的積極參與和互動。

四、結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，也進(jìn)入了教育領(lǐng)域，但是要在學(xué)校廣泛應(yīng)用尚需努力，畢竟該技術(shù)需要一定計算機水平。筆者在教學(xué)過程中引入了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并在課程結(jié)束后做了一個調(diào)查，幾乎所有的學(xué)生認(rèn)為這種方式易于理解知識。考查證明學(xué)生取得了比往屆學(xué)生更好的學(xué)習(xí)效果。

[1]吳疆，王潤蘭.21世紀(jì)現(xiàn)代教育技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2001

The discussion on the application of virtual reality technology in civil engineering teaching

Wang Kaiying, Liao Mingjun
Beihua university, Jilin, 132013, China

With the development of computer hard and soft technology and information technology, a great progress was made in virtual reality technology (VR). Consequently, virtual reality technology stimulates the modernization of education technology. This paper introduces related knowledge about VR，and，the advice about the environment of the instruction technology of VR.

virtual reality; civil engineering; teaching

2010-06-08

王凱英，本科，講師。