李海成

文章編號：1672-5913(2009)06-0124-03

摘要：本文首先對計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征及其關(guān)鍵技術(shù)進行了解釋分析，然后對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用作了介紹，最后針對目前高校教學(xué)中應(yīng)用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)所存在的問題及其解決方案闡述了個人觀點。

關(guān)鍵字：虛擬現(xiàn)實；高校教學(xué)；應(yīng)用；特征；問題；方案

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

伴隨科技突飛猛進的發(fā)展，各類教學(xué)媒體不斷涌現(xiàn)，如今，教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域又出現(xiàn)了一個新型教學(xué)媒體，它就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用三維圖形生成、多傳感交互及高分辨顯示等計算機技術(shù)生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設(shè)備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為新的教學(xué)媒體，它的出現(xiàn)無疑將對高校教學(xué)產(chǎn)生深遠的影響。本文主要探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征以及它在高校教學(xué)應(yīng)用方面的相關(guān)問題。

1計算機虛擬現(xiàn)實的基本特征及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1虛擬現(xiàn)實的基本特征

虛擬現(xiàn)實可以表示為4個特征：沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、多感知性(Multi-Sensory)、構(gòu)想性 (Imagination) 。

(1) 沉浸性(Immersion)：這是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，指使用戶投入到由計算機生成的虛擬場景中的能力。用戶在虛擬場景中有“置身其中”之感。

(2) 交互性(Interaction)：指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，它是人機和諧的關(guān)鍵性因素。

(3) 多感知性(Multi-Sensory)：由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視覺、聽覺、觸覺、動覺的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得相應(yīng)的多種感知，從而達到身臨其境的感受。

(4) 構(gòu)想性(Imagination)：虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個用戶與終端的接口，更要使用戶沉浸在此環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。

基于以上特征，虛擬現(xiàn)實使操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動，進行交流。通過參與者與仿真環(huán)境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取環(huán)境所蘊含的各種空間信息和邏輯信息。

通過多種感知，獲得身臨其境的沉浸感和人機互動的趣味性是虛擬現(xiàn)實的實質(zhì)特征，對時空環(huán)境的現(xiàn)實構(gòu)想是虛擬現(xiàn)實的最終目的。

1.2計算機虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)

計算機虛擬現(xiàn)實是多種技術(shù)的綜合，包括實時三維計算機圖形、立體廣角顯示、用戶 (頭、眼) 的跟蹤、立體聲、觸覺與力覺反饋、語音輸入輸出等技術(shù)。

(1) 實時三維計算機圖形技術(shù)

此技術(shù)的關(guān)鍵在于“實時”。例如在力學(xué)模擬系統(tǒng)中，圖像的實時刷新相當重要，同時對圖像質(zhì)量的要求也很高，再加上非常復(fù)雜的虛擬環(huán)境，使虛擬現(xiàn)實就變得相當困難。

(2) 立體廣角顯示

要達到立體廣角顯示，雙眼立體視覺起了很大作用，這是因為用戶的兩只眼睛看到的不同圖像是分別產(chǎn)生的，顯示在不同的顯示器上。當然有的系統(tǒng)也采用單個顯示器，但用戶戴上特殊的眼鏡后，也可以造成視差從而產(chǎn)生立體感。

(3) 用戶(頭、眼)的跟蹤技術(shù)

在虛擬環(huán)境中，每個物體相對于系統(tǒng)的坐標系都有一個位置與姿態(tài)，而用戶也是如此。用戶看到的景象是由用戶的位置和頭(眼)的方向來確定的。利用虛擬現(xiàn)實頭套跟蹤頭部運動，可以根據(jù)頭部跟蹤來改變圖像的視角，用戶的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)之間就可以聯(lián)系起來。

(4) 立體聲

在水平方向上，我們靠聲音的“相位差”及“強差”來確定聲音的方向?，F(xiàn)實生活里，當頭部轉(zhuǎn)動時，聽到的聲音的方向就會改變。但目前在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，聲音的方向與用戶頭部的運動無關(guān)。

(5) 觸覺與力覺反饋

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶可以看到一支虛擬的鋼筆。你可以設(shè)法去握住它，但你的手卻感覺不出接觸到了它，并有可能穿過虛擬鋼筆的“筆桿”，而這在現(xiàn)實生活中是不可能的。解決這一問題的常用裝置是在手套內(nèi)層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺。

(6) 語音輸入輸出

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，語音的輸入輸出也很重要。這就要求虛擬環(huán)境能聽懂人的語言，并能與人實時交互。然而，讓計算機識別人的語音是相當困難的，因為語音信號和自然語言信號有其“多邊性”和復(fù)雜性。

2計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實在高校教學(xué)中主要表現(xiàn)在課堂教學(xué)、實驗教學(xué)兩個方面：

2.1課堂教學(xué)

課堂教學(xué)是教學(xué)的主要方式，也是虛擬現(xiàn)實運用于教學(xué)的主要戰(zhàn)場。根據(jù)學(xué)科的不同，虛擬現(xiàn)實也發(fā)揮著不同的作用，主要有以下幾方面的應(yīng)用：

(1) 立體物體展示

在以往的教學(xué)環(huán)境中，為了更形象地使學(xué)生感受三維實物的信息，主要采用圖片展示、實物展示、軟件動畫這樣一些方法，但這些都很難使學(xué)生更全面的了解其三維屬性。

通過虛擬現(xiàn)實，可以構(gòu)建一個與實物同樣的三維物體，如采用3dsMAX建模，存儲為VRML格式，然后利用VRML播放器可以得到很好的展示效果，輔助教師教學(xué)。

(2) 立體空間展示

立體空間是指在現(xiàn)實世界中真實存在或存在過的空間。教學(xué)中，有時需要向?qū)W生展示這些空間時，由于條件的限制，不可能讓學(xué)生進入這些空間。

以往教學(xué)中，可能只能夠通過教師的描繪來激發(fā)學(xué)生的想象，在其頭腦中創(chuàng)建出這個虛擬的空間來。

使用虛擬現(xiàn)實，不僅能在學(xué)生頭腦中建立這些空間，而且可以使其看得見、聽得見，甚至可以摸得著。比如：太空給我們呈現(xiàn)的是一個神秘而陌生的世界，如何感受身體在太空中的感覺是很多人夢寐以求的事情。通過進入虛擬現(xiàn)實制作的虛擬空間，我們可以感受宇宙里的奧妙，可以體會人體在失重狀態(tài)下的感受，也可以在月球上做鐵球和乒乓球同時著地的實驗來驗證伽俐略的結(jié)論。

(3) 虛擬場景構(gòu)造

虛擬場景是指在現(xiàn)實生活中可能出現(xiàn)的一些場景，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在不同的時間或地點表示出來。

虛擬場景的構(gòu)造在高校語言教學(xué)中應(yīng)用非常廣泛。以往教師只能通過言語的講述、圖片的展示或錄像的收看來創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，學(xué)生只能被動地接受。個別情境老師描繪的和學(xué)生理解的可能相去甚遠。通過虛擬現(xiàn)實，學(xué)生可以和國外友人親切交談，也可以感受美國總統(tǒng)競選時演講的現(xiàn)場氣氛。這些場景都是常規(guī)課堂上所無法給予的。

2.2科學(xué)實驗

高校一般在現(xiàn)有的條件下，許多實驗是無法進行的：

① 根本不可能做的實驗，如核反應(yīng)、地震波傳播、火山噴發(fā)等實驗。

② 不能讓學(xué)生做的實驗，如涉及到放射性物質(zhì)或有毒物質(zhì)的實驗。

③ 受實驗經(jīng)費限制、實驗成本昂貴而無法普及的實驗，如著名的“風(fēng)洞”實驗 (2009年Volvo公司僅對建于1986年的風(fēng)洞實驗設(shè)備進行改造就花費了2億元人民幣)。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在計算機上建立虛擬實驗室，學(xué)生可以走進這個虛擬實驗室，身臨其境般的操作虛擬儀器，結(jié)果可以通過儀表顯示身體的感受反饋給學(xué)生。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至得出滿意結(jié)果，有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。

3目前高校教學(xué)中應(yīng)用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)所存在的問題及其解決方案

3.1高校教學(xué)中應(yīng)用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)所存在的問題

隨著計算機軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)憑借其獨特優(yōu)勢，已逐漸被高校教學(xué)廣泛應(yīng)用，但與此同時也暴露出了諸多問題。

(1) 計算機虛擬現(xiàn)實項目開發(fā)與高校教學(xué)實際需求脫節(jié)

目前的虛擬現(xiàn)實教學(xué)設(shè)計，多停留在設(shè)計人員和制作人員的主觀判斷和個人喜好上，沒有能夠深入到學(xué)生群體，對其知識結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)方法、興趣點等進行深入調(diào)研。

(2) 開發(fā)周期長，使用周期短，項目不能及時應(yīng)用到高校教學(xué)中

計算機虛擬現(xiàn)實項目開發(fā)是一個大的工程，需要很多專業(yè)技術(shù)的整合。因此，其制作周期往往比較長。

隨著知識更新和信息刷新速度的加快，出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象：一個教學(xué)系統(tǒng)在最需要它的時候，制作沒有完成；等制作完成了，它的很多內(nèi)容、數(shù)據(jù)已經(jīng)過時了，或者教授它的設(shè)備已經(jīng)換代了。這樣，由于開發(fā)周期控制不好，就導(dǎo)致了人力和資源的浪費，導(dǎo)致本來很好的教學(xué)系統(tǒng)錯過了發(fā)揮作用的時機。

(3) 開發(fā)隊伍不完善，阻滯計算機虛擬現(xiàn)實在高校教學(xué)中的使用

高校目前的虛擬現(xiàn)實項目開發(fā)制作中，開發(fā)隊伍往往是由軟件設(shè)計編程人員組成，或由他們?yōu)橹黧w，而其他專業(yè)人員卻不完備。這些人員受工作特點影響，側(cè)重于用編程方式實現(xiàn)效果，在界面設(shè)計、圖像處理、模型建構(gòu)等諸多方面缺乏專業(yè)技能，導(dǎo)致開發(fā)制作周期大幅度延長，同時為制作過程增加了很多不必要的困難。

3.2問題的具體解決方案

針對上述問題，我們可以從以下幾方面著手來解決：

(1) 充分調(diào)研，從學(xué)生角度進行項目設(shè)計

充分的調(diào)研是項目成功的前提，開發(fā)設(shè)計人員要深入到學(xué)生群體中，了解他們需要什么樣的教學(xué)系統(tǒng)，主要包括：現(xiàn)有文化程度、曾經(jīng)用過什么學(xué)習(xí)系統(tǒng)、對哪些功能滿意或不滿意、希望有什么樣的學(xué)習(xí)過程、喜歡什么樣的交互方式等。通過一定的調(diào)查研究，就可以針對學(xué)生各方面特點對項目的整體形式、結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進行設(shè)計。

(2) 模塊化設(shè)計、開放性系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實本身特點，導(dǎo)致其項目制作難度大、制作周期較長，這就要求設(shè)計人員要盡可能縮短制作周期、延長使用周期?，F(xiàn)今知識的更新周期越來越短，要保證教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容能夠適時跟上知識的更替，就必須實行模塊化、開放性系統(tǒng)制作思路。

模塊化就是將項目的各部分劃分為多級子模塊，將任務(wù)由整化零，分成各模塊并行完成，從而縮短制作周期；每一模塊自成整體，擁有統(tǒng)一規(guī)范的接口，方便今后根據(jù)需要對模塊進行局部升級，延長其使用周期。

開放性系統(tǒng)是指給用戶提供簡單的更新功能，預(yù)留給教師專供今后更新的模塊，以便在一些可能會發(fā)生數(shù)據(jù)變化的地方，教師可以根據(jù)需要自行更新，同樣也延長了項目的使用周期。

(3) 統(tǒng)籌規(guī)劃，建立完善的開發(fā)思路和制作群體

在制作之初，就必須建立完備的制作群體。任命專門的項目負責(zé)人負責(zé)制定完備的計劃，并在以后的項目制作過程中協(xié)調(diào)各專業(yè)制作人員；具有一批相關(guān)領(lǐng)域的專家負責(zé)為項目設(shè)計情景和任務(wù)；擁有一批滿足特殊要求的制作人員，以編程人員為主，再配備必要數(shù)目的動畫、美工、音頻處理人員。這些人員要了解虛擬系統(tǒng)對各方面素材的特殊要求，各司其職，互相協(xié)同，互相交流，專業(yè)整合，發(fā)揮各自優(yōu)勢從而保障任務(wù)的順利完成。

4結(jié)束語

由于高校中虛擬現(xiàn)實教學(xué)的實踐性和創(chuàng)造性，為學(xué)生提供了一個自主、交互和直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，為教學(xué)的創(chuàng)新提供了新的空間、平臺和可能性，豐富了教學(xué)的實踐形式和多樣性。我們相信，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與高校教學(xué)的不斷整合，必將更好地服務(wù)于教學(xué)，使教學(xué)效果達到質(zhì)的飛躍，這將對高教事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極而深遠的影響。

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