虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的應(yīng)用

呂麗娟

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算科學(xué)為核心的多學(xué)科、多方向交叉的新技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)可以為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生更形象地獲取知識、激發(fā)思維，由知識的被動接受者變成了虛擬環(huán)境中的一名參與者。文章介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及VRML語言，重點(diǎn)探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；VRML；虛擬實(shí)驗(yàn)室；計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

【中圖分類號】G712

0.引言

隨著國家信息化步伐的加快和高校教學(xué)改革的深入發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)的需要。因此，改革教學(xué)模式、培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，是高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)的一項(xiàng)重要任務(wù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能形象、生動、逼真地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效地營造一個發(fā)展的教學(xué)環(huán)境。學(xué)生可以通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、提高技能。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR-Virtual Reality），是涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域的一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成

一個完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計(jì)算機(jī)為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。

（1）虛擬境界生成設(shè)備

虛擬境界生成設(shè)備，即高性能圖像生成及處理系統(tǒng)，通常為高性能的圖形計(jì)算機(jī)或虛擬現(xiàn)實(shí)工作站。虛擬環(huán)境生成設(shè)備是整個虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)整個虛擬現(xiàn)實(shí)場景的開發(fā)、運(yùn)算、生成。同時連接和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的其它各個子系統(tǒng)的工作和運(yùn)轉(zhuǎn)，與他們共同組成一個完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備

在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常有多種顯示系統(tǒng)或設(shè)備，比如：大屏幕監(jiān)視器、頭盔顯示器、立體顯示器和虛擬三維投影顯示系統(tǒng)。

（3）擬虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)

多自由度實(shí)時交互是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最本質(zhì)的特征和要求之一，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的精髓，離開實(shí)時交互，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用將失去其存在的價值和意義，這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動畫和多媒體應(yīng)用的最根本的區(qū)別。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)集成控制

一個大型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括很多組成部分，這些都需要方便的控制和管理,每個部分又包括很多產(chǎn)品和設(shè)備，這些產(chǎn)品設(shè)備之間需要相互連接、相互依賴，彼此之間協(xié)同工作。然而，這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)要順利地運(yùn)行并能夠協(xié)同工作，就需要進(jìn)行管理，集成控制系統(tǒng)便是承擔(dān)該項(xiàng)工作的載體，有了集成管理控制系統(tǒng)，上述一系列工作通過簡單的遙控器就可完成整個操作過程。

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML

VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言。是一種用于建立真實(shí)世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言。

VRML的對象稱為結(jié)點(diǎn)，子結(jié)點(diǎn)的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的景物。結(jié)點(diǎn)可以通過實(shí)例得到復(fù)用，對它們賦以名字，進(jìn)行定義后，即可建立動態(tài)的VR（虛擬世界）。VRML文件是以擴(kuò)展名.wrl或.wrz等結(jié)尾的，是一種用來描述幾何形體的簡單的ASCII文本文件，VRML的編輯工具可以是任意一種文本編輯器。VRML文件不需要任何編譯，直接由瀏覽器解釋執(zhí)行，可以方便的實(shí)現(xiàn)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)。VRML瀏覽器一般是作為Web瀏覽器的插件使用的，因而又稱為瀏覽器插件。當(dāng)學(xué)習(xí)者通過Web瀏覽器請求一個VRML文件時，服務(wù)器端接收到請求，并將VRML文件代碼傳輸?shù)娇蛻舳耍蛻舳藶g覽器通過VRML瀏覽插件對代碼進(jìn)行解釋，將VRML語言中的信息解釋成空間中目標(biāo)的幾何體描述，如長方體、球體、不規(guī)則的其它三維物體等等，同時它將提供實(shí)時顯示，一秒顯示多次，這樣在學(xué)習(xí)者的計(jì)算機(jī)上就會有一個活動場景的感覺。而學(xué)習(xí)者只需用簡單的2D鼠標(biāo)，通過切換不同的瀏覽方式即可遨游于整個虛擬境界，與境界中的物體進(jìn)行交互。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課堂教學(xué)中的應(yīng)用

教學(xué)效果的提高很大程度上取決于教學(xué)觀念和教學(xué)方法的不斷改進(jìn)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的過程中，可以通過設(shè)計(jì)VRML課件來表現(xiàn)一些空間立體化的知識，如介紹微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、計(jì)算機(jī)組裝過程或者講解網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程時，利用VRML可以將文字、聲音、圖片、動畫等幾種媒體表現(xiàn)形式有機(jī)地結(jié)合，制作出一些三維的、交式的、具有沉浸感的內(nèi)容，滿足學(xué)習(xí)者從各個角度觀察和學(xué)習(xí)，仿佛身臨其境。

2.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的實(shí)踐性非常強(qiáng)，硬件資源有限，目前門類繁多的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系課程，特別是實(shí)驗(yàn)中心全面開放導(dǎo)致的學(xué)生數(shù)量猛增，硬件設(shè)備無法保證人均占有率，同時，由于設(shè)備的長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，也無形中增加了設(shè)備的磨損和維修頻率，對于實(shí)驗(yàn)室的整體教學(xué)資源是一種負(fù)擔(dān)。在這樣的強(qiáng)勢需求下，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可以減少實(shí)驗(yàn)室資金的投入及建設(shè)的個數(shù)，而且采用仿真軟件的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)又可以在很大程度上減少實(shí)驗(yàn)過程中的硬件損耗，提高實(shí)驗(yàn)室的利用率。

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)操作功能強(qiáng)大，安全性強(qiáng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，更加有助于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。例如它可以虛擬計(jì)算機(jī)硬件，學(xué)生可以像使用普通的計(jì)算機(jī)一樣對它們進(jìn)行分區(qū)、格式化等操作，而所有的這些操作都不會對真實(shí)主機(jī)進(jìn)行操作，不影響真實(shí)硬盤的數(shù)據(jù)。

3.結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動、逼真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的虛擬體驗(yàn)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，以及硬件設(shè)備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其自身強(qiáng)大的教學(xué)優(yōu)勢和潛力，將在高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]岳寶華,于東云,李素梅.高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育改革探討[J]．科技經(jīng)濟(jì)市場，2010,(4)

[2]鐘毅.淺析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)專業(yè)教育中的應(yīng)用[J].江西教育學(xué)院學(xué)報,2007,(6)

[3]段新昱.虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)與VRML編程[M].北京:高等教育出版社,2012

[4]石教英.虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及使用算法[M].北京:科學(xué)出版社,2011