李浩源 大慶師范學(xué)院 李鵬飛 東北石油大學(xué) 賈納爾 烏魯木齊職業(yè)大學(xué)

探究虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李浩源 大慶師范學(xué)院 李鵬飛 東北石油大學(xué) 賈納爾 烏魯木齊職業(yè)大學(xué)

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展和普遍應(yīng)用，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行實驗教學(xué)已成為一種趨勢。本文從分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，闡述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類，論述了它在實驗教學(xué)中的重要意義，并對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用進行了探索。

虛擬現(xiàn)實技術(shù) 實驗教學(xué) 應(yīng)用

目前隨著高等教育的發(fā)展和招生人數(shù)的擴大，高校的專業(yè)實驗教學(xué)面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)。由于經(jīng)費有限，實驗室的硬件跟不上，儀器設(shè)備陳舊老化且數(shù)量不足，影響了正常實驗教學(xué)的開展，進而影響了實驗教學(xué)質(zhì)量。隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)逐漸成為正常教學(xué)的補充。通過網(wǎng)絡(luò)建立虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)和網(wǎng)上虛擬實驗室而開展虛擬實驗，運用計算機在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實驗現(xiàn)象，達到“身臨其境”的效果，具有十分重要的意義。

1 虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)的理論基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)起源于20世紀末，是依托“虛擬現(xiàn)實”(Virtual Reality，英文縮寫VR)技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗?zāi)Ｊ?。當時國內(nèi)外一些遠程教育機構(gòu)曾采用過各種方法來解決實驗的近距離性與教學(xué)手段的遠距離性的矛盾。在進行的各種方法中，有的僅適合少數(shù)或簡單實驗的情況，有的由于與理論教學(xué)不相銜接而導(dǎo)致效果不佳。直到20世紀90年代崛起的虛擬實驗才給遠程實驗教學(xué)帶來了希望。它使實驗教學(xué)完全遠程化，從根本上解決目前的實驗教學(xué)與遠程教育模式不相適應(yīng)的狀況。虛擬實驗技術(shù)是利用軟件和硬件的結(jié)合，取代傳統(tǒng)的常規(guī)實驗儀器設(shè)備，讓操作者可以在計算機或計算機網(wǎng)絡(luò)上進行模擬、仿真各種實驗的技術(shù)。

2 虛擬實驗技術(shù)的分類

2.1 沉浸虛擬現(xiàn)實技術(shù)

沉浸虛擬現(xiàn)實運用計算機、多媒體與仿真技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，營造與客觀世界高度類似的虛擬環(huán)境，使人具有一種身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實模式在現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)建模的基礎(chǔ)上，采用三維圖形來表現(xiàn)虛擬世界。通過頭盔式顯示器或立體眼鏡等專用輔助設(shè)備觀察建模的三維物體，以獲得在平面顯示器上無法得到的物體“深度”距離信息，并通過觀察不同的圖像，產(chǎn)生觀察視覺差。通過深度和觀察視覺差，達到身臨其境的效果。

2.2 基于靜態(tài)圖像的虛擬技術(shù)

基于靜態(tài)圖像的虛擬技術(shù)是將多個不同距離和不同方位的靜態(tài)圖像按照相互關(guān)系有機地連接起來，在視覺上形成整個空間的整體認識。在觀察時，可以任意轉(zhuǎn)動，也可以改變視點。由于這些靜態(tài)圖像是相互連接的，所以，只要靜態(tài)圖像足夠精細，連接得緊密正確，就可以獲得空間的感覺，實現(xiàn)對一個物體或空間進行全景觀察。運用基于靜態(tài)圖像技術(shù)，可以根據(jù)真實世界影像采用計算機生成圖像的方式來建立三維模型。對圖像的分辨率、質(zhì)量、復(fù)雜度、真實性的要求都不是很高，不需要特殊的專用設(shè)備，在普通微機上即可體驗虛擬實驗環(huán)境，操縱虛擬的物體。

2.3 實驗環(huán)境與虛擬實驗平臺集成技術(shù)

實驗環(huán)境和虛擬實驗平臺集成模式是一種真實與虛擬結(jié)合的模式，運用計算機技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，架構(gòu)支持真實實驗環(huán)境的虛擬實驗平臺。虛擬實驗平臺提供操作、控制、分析、設(shè)置和選擇的虛擬環(huán)境，并對真實的實驗環(huán)境實施控制。例如，電路試驗可以在虛擬環(huán)境中構(gòu)建各種電路線路，并用虛擬的儀表如電流表、電壓表、示波器等來測量各個結(jié)點上的信號，或動態(tài)地測試電路的性能。

2.4 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗?zāi)Ｊ揭劳芯W(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境，即分布式虛擬現(xiàn)實環(huán)境。在分布式虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，多個實驗者可通過網(wǎng)絡(luò)同時參加一個虛擬空間，對同一虛擬實驗進行觀察和操作，以達到協(xié)同工作的目的。其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗的對象，可以通過利用鼠標的點擊、拖曳等操作，從不同的視角觀察一個實驗對象。多媒體計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合，使遠程實驗者可以操作虛擬儀器，完成有關(guān)課程的虛擬仿真實驗，例如在計算機組成原理的實驗中，可以將計算機中的各個部件用三維方式表示出來，操作者通過鼠標將他們組裝成整機。將基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗環(huán)境引入實驗教學(xué)，能夠使實驗教學(xué)遠程化，提高課堂的教學(xué)效果。

3 虛擬實驗技術(shù)在實驗教學(xué)中的重要意義

3.1 改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)概念

虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)的應(yīng)用，要求教師必須改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)觀念，實現(xiàn)實驗教師由演示者向指導(dǎo)者、創(chuàng)新者的身份轉(zhuǎn)換；要求學(xué)生由模仿者向探求和創(chuàng)造者身份轉(zhuǎn)換。達到由培養(yǎng)經(jīng)驗型人才向培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的轉(zhuǎn)變；要求教師善于運用實驗教學(xué)的策略，鼓勵學(xué)生將自主設(shè)計、自主探索與協(xié)作實驗研究相結(jié)合。

3.2 引進最新的科學(xué)技術(shù)

計算機“虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)”是一種先進的學(xué)習(xí)工具，是多學(xué)科技術(shù)發(fā)展的綜合，代表著當前學(xué)科技術(shù)的發(fā)展水平。隨著水平的不斷提高，虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)將不再是單純的虛擬環(huán)境。很多軟件都能和互聯(lián)網(wǎng)連接，和實際的實驗設(shè)備連接，實現(xiàn)“遠程實驗”，實現(xiàn)軟件對實驗的控制和對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析。要使用計算機來進行實驗并對實驗數(shù)據(jù)進行處理，學(xué)生只有掌握這種先進的學(xué)習(xí)技能，才能更好地學(xué)習(xí)和工作。

3.3 節(jié)省實驗經(jīng)費，豐富了實驗資源，保證試驗安全

利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以彌補因為實驗設(shè)備、實驗場地、教學(xué)經(jīng)費等方面的不足對實驗教學(xué)的教學(xué)影響，豐富實驗教學(xué)資源，使學(xué)生可以做一些危險或危害人體的實驗。例如。虛擬的化學(xué)實驗，可以避免化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的燃燒、爆炸所帶來的危險；虛擬的外科手術(shù)，可避免由于操作失誤，而造成病人死亡的醫(yī)療事故；虛擬的飛機駕駛教學(xué)系統(tǒng)，可免除學(xué)員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。虛擬實驗環(huán)境可以獲得與真實實驗一樣的體會，豐富了學(xué)生感性認識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。

3.4 實驗教學(xué)手段多樣化

虛擬實驗的出現(xiàn)，為實驗教學(xué)改革提供了條件。教師可以采取靈活的課堂教學(xué)方法，實行個性化教學(xué)。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)，學(xué)生可以靈活控制學(xué)習(xí)時間，不受學(xué)校實驗室關(guān)閉和開放的影響，不受書本的約束，自主地選擇自己所需的實驗內(nèi)容。同時，實驗考核也可多樣化，通過網(wǎng)絡(luò)考核與實際考核相結(jié)合，更能真實客觀地評價學(xué)生的能力。利用虛擬實驗遠程系統(tǒng)，將實驗設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容(包括理論教學(xué))、教師輔導(dǎo)和學(xué)習(xí)者的思考、實驗操作等融為一體，克服了實驗教學(xué)長期受到課堂、課時限制的因素。教師可以上網(wǎng)組織各種實時或非實時的分布式教學(xué)，并在課后回答學(xué)生問題，批改實驗報告。學(xué)生可通過上網(wǎng)接受教師指導(dǎo)，完成各項實驗內(nèi)容，提交實驗報告。

3.5 實驗內(nèi)容可緊跟科學(xué)發(fā)展步伐

傳統(tǒng)實驗教學(xué)實驗項目多為驗證性實驗，總是滯后于學(xué)科發(fā)展。虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)的發(fā)展，給實驗教學(xué)改革注入了新的活力。使其不但可以有效營造一個跟技術(shù)發(fā)展同步的實驗環(huán)境，還可以具有適當?shù)某靶浴嶒灜h(huán)境虛擬化，實驗過程可以突破物理上時間和空間的限制。以前因時空限制而無法實現(xiàn)的實驗項目，現(xiàn)在就可以通過虛擬技術(shù)進行模擬實驗。

3.6 更利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣與能力

由于虛擬實驗利用多媒體技術(shù)來模擬真實實驗環(huán)境，使得整個實驗過程具有游戲的特點，將群體式學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)、競賽式學(xué)習(xí)的模式靈活應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。其次，在虛擬實驗中。學(xué)生可以很方便地通過改變實驗參數(shù)分析不同的實驗結(jié)果。這有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識和創(chuàng)新精神。

目前虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)還處在發(fā)展、起步階段，但在實驗教學(xué)過程中已經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用。它不僅彌補實驗設(shè)備缺乏和條件的限制，而且極大提高了學(xué)生對知識的需求和探索的積極性，提高了實驗教學(xué)效果。同時，通過虛擬現(xiàn)實實驗技術(shù)把抽象的、難以直接用一般自然手段表現(xiàn)的形象直觀地表現(xiàn)出來，有助于加快認識客觀世界的規(guī)律，提高高校實驗教學(xué)的先進性。