基于虛擬現(xiàn)實技術的創(chuàng)新實踐教學研究

1、基于虛擬現(xiàn)實技術的創(chuàng)新實踐教學研究【摘要】隨著計算機網(wǎng)絡的普及和虛擬現(xiàn)實技術的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術已成為實踐教學一種重要手段。本文針對傳統(tǒng)實踐教學中存在的問題，提生了一種新的基于虛擬現(xiàn)實技術的實踐教學方法：利用虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建虛擬實驗教學系統(tǒng)進行實踐教學。虛擬實驗教學系統(tǒng)具有優(yōu)化和功能全、低成本、無危險、網(wǎng)絡化等諸多優(yōu)點，能創(chuàng)新實踐教學的內容和方法，解決傳統(tǒng)教學中存在的問題，真正培養(yǎng)學生的實踐技能和創(chuàng)新能力。【關鍵詞】計算機網(wǎng)絡虛擬現(xiàn)實虛擬實驗教學系統(tǒng)實踐教學一、引言隨著經濟和科技的飛速發(fā)展，社會對人才培養(yǎng)提生了更新更高的要求，國際和國內各產業(yè)的迅猛發(fā)展需求大量的實用化創(chuàng)新型職業(yè)人才。傳統(tǒng)的

2、實踐教學模式，即形式單一而枯燥的教師教、學生學的模式，學生學習處于被動，學生只是對實踐內容及過程簡單機械地模仿，其學習積極性和主動性沒有被調動和激發(fā)，沒有真正達到培養(yǎng)和鍛煉學生的實踐動手能力和創(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生實踐能力和技術創(chuàng)新能力較低。為適應社會對人才需求改變的新形勢，培養(yǎng)高素質和技能全面的創(chuàng)新型人才，實現(xiàn)“國際化、實用化、個性化”的人才培養(yǎng)目標勢在必行。隨著計算機網(wǎng)絡和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展和普遍應用，利用虛擬現(xiàn)實技術進行實踐教學已成為一種趨勢，也使之成為可能?；谔摂M現(xiàn)實技術是一種特別強有力的輔助教育工具能解決傳統(tǒng)實踐教學中存在的問題

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

4、機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術以及傳感技術的基礎上發(fā)展起來的交叉學科，對該技術的研究始于20世紀60年代。進入90年代，虛擬現(xiàn)實技術開始作為一門較完整的體系受到人們極大的關注。虛擬現(xiàn)實是利用計算機、通過自然技能、使用傳感設備生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境的新技術。它與傳統(tǒng)的模擬技術完全不同，是模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者的有機結合。目前，虛擬現(xiàn)實技術已廣泛應用于軍事、航空航天、工程建筑、城市規(guī)劃、醫(yī)學、機械制造、教育、科研、金融、娛樂等領域。虛擬現(xiàn)實最本質的特征是用戶對虛擬場景的沉浸，它要創(chuàng)建一個酷似客觀環(huán)境又超越客觀時空、能沉浸其中又能駕馭其中的和諧人機環(huán)境，也就是由多維

5、信息所構成的可操縱的空間。能夠達到或者部分達到這樣的目標的系統(tǒng)，包括一切與之有關的具有自然模擬、逼真體驗的技術與方法，統(tǒng)一起來就稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實技術在實驗教學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特征：沉浸性，指虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以是參與的學習者完全沉浸在由虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中；交互性，指學習者在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中可以和周圍的物體發(fā)生互動，比如:對機床進行操作；多感知性，指為學習者提供諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，以獲得身臨其境的感受；實體自主性，指虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中物體運動的設計依據(jù)物理運動定律。2 .擬實驗教學系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術與實驗教學

6、相結合，能建造實踐教學所需的虛擬實驗教學系統(tǒng)。虛擬實驗教學系統(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成。主要設備包括高性能的計算機軟硬件及各類傳感設備、跟蹤設備、控制球、三維立體聲耳機以及一些作用器件，如：攝像機、壓力傳感器、視覺跟蹤器、慣性儀、語音識別設備等,以便將學習者的操作轉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、動作、聲音進行轉換通過反饋使人能獲得視覺、聽覺、觸覺等方面的感覺。(1)虛擬實驗室的核心部件是虛擬儀器虛擬儀器充分利用當代先進科技的產品和技術，如:PXI總線技術、模塊化數(shù)據(jù)采集、ActiveX技術等。虛擬實驗室的體系結構

7、如圖1所示。虛擬儀器的硬件主要由計算機、傳感器和信號與處理模塊構成，完成對被測信號的采集、傳送、顯示輸由結果。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驗過程目前，常用的軟件開發(fā)技術有面向對象的編程技術和圖形化編程技術。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)境提供了強大的工具內置用于仿真、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

8、層次:儀器驅動層、應用程序層和系統(tǒng)操作層。儀器驅動模塊主要用于虛擬儀器的初始化，設置參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持所需的工作狀態(tài)；用戶通過應用程序模塊編程來對采集的數(shù)據(jù)進行處理；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和按鈕來實現(xiàn)對虛擬儀器的操作，從而達到模擬傳統(tǒng)儀器的各種操作的目的。三、虛擬現(xiàn)實技術在實踐教學中的應用虛擬現(xiàn)實技術應用于實踐教學是教育技術發(fā)展的一個飛躍：1 .基于網(wǎng)絡的虛擬現(xiàn)實技術是一種特別強有力的輔助教育工具，能幫助學生不論在實踐室還是在外都能操作和控制測試儀器，增加了學生的動手實踐的機會，使理論教學和實踐教學一體化。在理論教學中可以實時地調用網(wǎng)絡中的相關

9、的虛擬零件和裝配機器，可以最大限度的利用資源，提高教學效率和學生的臨場感覺，縮短理論和實踐的距離。例如：使用虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建遠程網(wǎng)絡虛擬實驗室，學生通過認證遠程登錄、操作，實時動態(tài)地顯示虛擬實驗設備、儀器以及相關操作的結果，真實的了解實際設備的型號、規(guī)格等外觀表現(xiàn)與性能參數(shù)，能夠掌握目前實際使用的設備性能，不會造成理論與現(xiàn)實的脫節(jié)。2 .利用多媒體技術、仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術相結合的方法，建立有別于傳統(tǒng)實踐室的現(xiàn)代化實踐基地。教師可以根據(jù)實驗的需要設計由各種虛擬儀器；學生可以根據(jù)所學的專業(yè)知識，自己選擇實驗內容，根據(jù)實驗要求，自行設計實驗方案自行設計各種軟件面板，定義儀器的功能，并以各種形式表

10、達輸由結果，進行實時分析，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和科研能力。3 .可采用虛實結合的形式，虛擬現(xiàn)實與實物使用相互作用的方法，即讓學生動手實踐操作真實的儀器和器件，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)境則用計算機虛擬完成。這樣，既繼承了傳統(tǒng)教學的優(yōu)點和長處，又解決了不足之處。另外，還可讓學生利用虛擬現(xiàn)實技術，將自己設計零件、編寫程序或其它工藝方案在計算機虛擬環(huán)境中模擬，實現(xiàn)其功能和目標，而不必將它們真正制造由來，就能達到“親身體驗”的效果。一般在仿真試驗教室就可以完成這個過程。這樣，采用虛擬現(xiàn)實技術既可以縮短操作訓練的時間，又可以獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可視的結構

11、原理和不可重組的精密設備作仿真實踐訓練，既培養(yǎng)了學生獨立操作、維護檢修的技能，又培養(yǎng)了學生自我訓練的意識和創(chuàng)新的能力。4 .利于挖掘實踐教學的潛能。引入虛擬現(xiàn)實技術可以改善職業(yè)技術教育實踐教學的教學環(huán)境，提高教學質量，適應當今職業(yè)技術教育改革和擴招的發(fā)展需求。采用基于網(wǎng)絡的虛擬現(xiàn)實技術，可較容易地增加具有高新技術的實踐，引導學生接觸新知識、新技術，開發(fā)學生的智能，增強跨學科研究的意識。四、結論虛擬實驗教學系統(tǒng)融合了計算機網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實、多媒體技術具有優(yōu)化和功能全（虛擬設備和設施易于升級和優(yōu)化）、低成本（對元器件和設備庫，可以無限復制和組合，減少人為損壞，彌補實際教學不足卜無危險（有毒的化學實驗，高壓強電的實驗，虛擬實驗系統(tǒng)的建造可以免除人身傷害的風險）、網(wǎng)絡化（利用Web提供的協(xié)同虛擬技術，可以實現(xiàn)多人合作、遠程實驗和協(xié)同操作）等諸多優(yōu)點，是今后實踐教學研究的一種新型模式。它對發(fā)展現(xiàn)代教育思想，提高教學水平，改善實踐環(huán)境，優(yōu)化教學過程，增強實踐動手能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才將會產生深遠的影響?！緟⒖嘉墨I】1 .張曉英、祖大鵬:基于虛擬儀器的虛擬實驗J,高師理科學刊,2002,(4)2 .曹