劉祖珉 魏 琴 李思明

（成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059）

虛擬現(xiàn)實(shí)在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

劉祖珉 魏 琴 李思明

（成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，新的教學(xué)媒體不斷涌現(xiàn)。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了快速發(fā)展，作為一種新型教學(xué)手段，將其與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)結(jié)合，從教育技術(shù)學(xué)角度出發(fā)，應(yīng)用于大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中。通過(guò)相關(guān)研究，對(duì)實(shí)用的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的虛擬環(huán)境，獲得與真實(shí)場(chǎng)景等同的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的自主性、創(chuàng)造性和積極性，提高學(xué)習(xí)效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)；計(jì)算機(jī)教學(xué)；V RML

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代教育的嶄新領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的模擬，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，為學(xué)生提供一個(gè)逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生成為虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的參與者。通過(guò)學(xué)習(xí)角色扮演，獲得真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，對(duì)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)加以熟練掌握和鞏固，從而在極大程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的利用效率和作用。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)是計(jì)算機(jī)多種技術(shù)綜合集成的結(jié)果，借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)現(xiàn)仿真場(chǎng)景，通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中人與機(jī)器的互動(dòng)體驗(yàn)，再結(jié)合人工智能技術(shù)，形成視、聽(tīng)、觸覺(jué)為一體的虛擬環(huán)境，來(lái)獲得真實(shí)的操作體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種具有浸沒(méi)感、臨場(chǎng)感和多維感的高級(jí)人機(jī)界面，學(xué)生能夠通過(guò)多種感官與機(jī)器進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，完全置身于一個(gè)“超越現(xiàn)實(shí)、身臨其境”的綜合學(xué)習(xí)環(huán)境中。在傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)中，內(nèi)容過(guò)于死板，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中缺乏交互，在很大程度上只能提供一種視覺(jué)上的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，知識(shí)的接受也過(guò)于被動(dòng)。因而傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)很多都存在利用率低、學(xué)習(xí)效果差等缺陷。而在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，通過(guò)直觀形象的多途徑教學(xué)內(nèi)容展示，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中更能獲得多重感官刺激的學(xué)習(xí)資料，通過(guò)交互技術(shù)，學(xué)生也能更自主地參與學(xué)習(xí)，從思維、情感和行為三個(gè)方面參與教學(xué)活動(dòng)，從而更大限度地提高系統(tǒng)的利用率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)與課程內(nèi)容的結(jié)合

隨著我國(guó)高等教育的發(fā)展，大學(xué)教育由精英教育向普及教育發(fā)展，受場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)的影響，實(shí)體教學(xué)設(shè)施越來(lái)越不能滿足形勢(shì)的發(fā)展。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)正以驚人的速度影響著人們的生活、學(xué)習(xí)和工作，改變著人們的生活方式、學(xué)習(xí)方式和工作方式?！洞髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》是為了滿足時(shí)代發(fā)展對(duì)大學(xué)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生計(jì)算機(jī)知識(shí)結(jié)構(gòu)的需要而開(kāi)設(shè)的。在本校的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程中，以計(jì)算思維為導(dǎo)向、以問(wèn)題求解能力培養(yǎng)為目標(biāo)，從理論與方法論的角度系統(tǒng)地闡述了計(jì)算機(jī)最基本的特征和問(wèn)題，希望學(xué)生能夠從最基本的層面掌握這些內(nèi)容，并對(duì)將來(lái)正確應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題產(chǎn)生本質(zhì)上的影響。學(xué)生年均人數(shù)達(dá)到8000余人，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備完全無(wú)法滿足所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)需求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，使學(xué)習(xí)者足不出戶便可以獲得與真實(shí)場(chǎng)景學(xué)習(xí)同樣的體會(huì)，很好地解決了這一問(wèn)題。

《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程分理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分內(nèi)容，其中理論教學(xué)內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)的歷史、計(jì)算思維、計(jì)算機(jī)軟硬件、操作系統(tǒng)、算法與程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)與多媒體以及信息安全等內(nèi)容。操作系統(tǒng)原理這一部分內(nèi)容由于過(guò)于抽象，很多學(xué)生到課程結(jié)束仍無(wú)法理解。因此，對(duì)這部分內(nèi)容，我們采用虛擬化技術(shù)，建立三維立體模型，以視覺(jué)的感知性，來(lái)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)工作原理的理解。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括計(jì)算機(jī)組裝、辦公軟件、程序設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組建。在計(jì)算機(jī)組裝和計(jì)算機(jī)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于基礎(chǔ)課而言，由于人數(shù)多，無(wú)法提供足夠的硬件設(shè)備來(lái)滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求。在原來(lái)的教學(xué)方式中，我們主要采用實(shí)際組裝視頻的方式來(lái)完成這兩部分的內(nèi)容。通過(guò)視頻學(xué)習(xí)，學(xué)生們對(duì)計(jì)算機(jī)的組裝和網(wǎng)絡(luò)組建有了一個(gè)感官上的認(rèn)識(shí)，但卻無(wú)法獲得自己動(dòng)手操作的直觀感受。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，首先通過(guò)3DMax軟件來(lái)創(chuàng)建計(jì)算機(jī)組裝和網(wǎng)絡(luò)組建所需的硬件模型，如主板、CPU、硬盤(pán)、交換機(jī)、路由器、網(wǎng)線等，構(gòu)建三維模型庫(kù)，然后將其導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中，學(xué)生就可以通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)，選取三維模型，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的組裝和網(wǎng)絡(luò)組建。

4 系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

（1）虛擬場(chǎng)景和情景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)主要依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)，同時(shí)借助其他輸入輸出設(shè)備，來(lái)生成逼真動(dòng)人的三維虛擬場(chǎng)景，從而模擬一個(gè)客觀存在的真實(shí)世界。因而，如何產(chǎn)生身臨其境的人性化的視、聽(tīng)、觸效果，形成三維空間和虛擬情景，是將其應(yīng)用于現(xiàn)代教育理論和實(shí)踐需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教學(xué)過(guò)程中，不光要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境的建模，還要求具有實(shí)時(shí)的三維圖形生成技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)具有多種途徑，按照其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段可以分為Flash方法、ActiveX方法、Java方法以及VRML。VRML是一種用于建立真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或虛構(gòu)的三維世界的現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，它改變了網(wǎng)絡(luò)上2D畫(huà)面的狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)畫(huà)效果。通過(guò)創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景以達(dá)到現(xiàn)實(shí)中的效果，從而可以隨意地走動(dòng)、瀏覽、與物體進(jìn)行交互。目前，VRML作為Internet上基于WWW的三維互動(dòng)的主流語(yǔ)言，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，給參與者提供了一個(gè)具有完善交互能力的虛擬場(chǎng)景，因此VRML已成為構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的理想平臺(tái)。

（2）人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)突出特征，即交互性、沉浸感和構(gòu)想性。交互性是指參與者對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度，是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)區(qū)別與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的重要特性。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，交互性的實(shí)現(xiàn)對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、提高學(xué)習(xí)系統(tǒng)的使用效率，具有非常重要的作用。在交互的虛擬環(huán)境中，體驗(yàn)者可以通過(guò)自己的動(dòng)作，改變感覺(jué)的內(nèi)容，而不再是被動(dòng)地感受。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是用戶在虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景內(nèi)與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，二是與其他用戶之間的交互。

Java是Sun公司推出的新一代面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，特別適用于Internet應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。它具有多平臺(tái)應(yīng)用、分布式應(yīng)用以及面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)，給編程人員帶來(lái)了一種嶄新的概念，也使得網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由靜態(tài)信息發(fā)布發(fā)展為現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)信息服務(wù)。同時(shí)，Java提供多線程功能，使得在一個(gè)程序里可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，能夠提供更健壯的信息服務(wù)，并能夠提高交互性能和實(shí)時(shí)控制性能。因而對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)，Java語(yǔ)言是一種優(yōu)越的解決方案。同時(shí)，Java提供了對(duì)VRML的接口支持。Java對(duì)VRML的所有支持都可采用附加的封裝類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用這兩種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，學(xué)習(xí)者可以很方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬場(chǎng)景的交互以及與其他用戶的交互，可以看到虛擬對(duì)象的狀態(tài)、位置，甚至對(duì)其進(jìn)行添加和刪除，可以與其他用戶交換意見(jiàn)、開(kāi)展討論等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用，很好地解決了當(dāng)前高校招生規(guī)模擴(kuò)大與實(shí)體教學(xué)資源不足的矛盾，在很大程度上提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

[1]劉祖珉，張士英．基于P 2 P的網(wǎng)絡(luò)虛擬語(yǔ)音系統(tǒng)研究[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(12)：135-136．

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Research on theApplication of Virtual Reality in Computer Teaching in Colleges

Liu Zumin Wei Qin Li Siming
(Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan)

With the development of information technology,some new teaching medias are emerging.In recent years,as a new teaching method,virtual reality technology has developed rapidly.From the perspective of educational technology,this technology, combined with computer network and multimedia technology,has been applied in the teaching of computer course in college. Through the related research,some practical function modules can be redesigned and realized.Through the virtual environment of the network,learners can get the same learning experience as in the real scene.Eventually it can not only enhance their autonomy, creativity and enthusiasm,but also improve their learning effect.

virtual reality;computer teaching;VRML

G434

A

1008-6609(2017)03-0062-02

劉祖珉（1977-），男，湖南武岡人，博士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、現(xiàn)代教育技術(shù)。