祝秀芬++陳橋芳++曾岱++高瀚翔

摘 要：虛擬實(shí)驗(yàn)是在20世紀(jì)末期，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，孕育而生的一門適應(yīng)時(shí)代需求的新興技術(shù)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在教學(xué)信息化的領(lǐng)域內(nèi)，又向前邁進(jìn)了一步。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立，對(duì)于開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)有著重要的意義。它與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室相比，兩者的差別在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觸及的對(duì)象是否真實(shí)。我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室里使用的實(shí)驗(yàn)工具、儀器儀表、實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象都是真實(shí)狀態(tài)下的實(shí)物。而虛擬實(shí)驗(yàn)里，我們使用的實(shí)驗(yàn)工具和研究對(duì)象，不存在實(shí)物狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要圍繞虛擬物體完成操作?？偟膩?lái)講，虛擬實(shí)驗(yàn)室讓實(shí)驗(yàn)者親身感知基于原型計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，虛擬實(shí)驗(yàn)室為其提供了一個(gè)虛擬的、逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：信息化教育 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 虛擬實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（c）-0161-02

信息技術(shù)環(huán)境下，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究，目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)，它也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)新方向。作為現(xiàn)代信息化教育的重要組成部分，虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)揮出了舉足輕重的作用，并且正在被社會(huì)各界所關(guān)注和認(rèn)可。特別是人類進(jìn)入信息化時(shí)代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)每天都在更新前進(jìn)，虛擬實(shí)驗(yàn)也逐漸實(shí)現(xiàn)了可視化、數(shù)字化。伴隨多種傳感技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用，體驗(yàn)者將在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，感受和體驗(yàn)到更加逼真的虛擬場(chǎng)景模擬和實(shí)時(shí)交互界面，同時(shí)也能對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行更加感性的實(shí)驗(yàn)操作，在身臨其境的同時(shí)達(dá)到虛擬實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)效果。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的一個(gè)新領(lǐng)域，它主要通過(guò)人的感知行為，在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等多方面給體驗(yàn)者提供一個(gè)虛擬的逼真場(chǎng)景。并采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，為體驗(yàn)者搭建模擬場(chǎng)景，使體驗(yàn)者仿佛置身其中。然后通過(guò)多項(xiàng)傳感技術(shù)，使虛擬環(huán)境產(chǎn)生不斷的變化，與體驗(yàn)者進(jìn)行“交流”。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)融入和匯集了多項(xiàng)高水平的創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)，比如圖形圖像實(shí)時(shí)生成技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)等等。該項(xiàng)技術(shù)主要通過(guò)特定的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，利用高分辨顯示的可視化技術(shù)、3D數(shù)字技術(shù)以及傳感器交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)逼真的虛擬場(chǎng)景環(huán)境生成，完成人在虛擬環(huán)境中的各項(xiàng)活動(dòng)。同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)人機(jī)互動(dòng)，最終完成體驗(yàn)者對(duì)虛擬對(duì)象的接觸、操作和控制等目的。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

當(dāng)前，我們運(yùn)用各種信息化技術(shù)完成了各種虛擬實(shí)驗(yàn)操作。虛擬實(shí)驗(yàn)不同于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室不但具有有形的場(chǎng)地，而且具有真實(shí)的實(shí)驗(yàn)工具以及實(shí)驗(yàn)對(duì)象。虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)對(duì)象都是無(wú)形的。實(shí)驗(yàn)者主要通過(guò)完成對(duì)虛擬儀器的操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。它的出現(xiàn)，展現(xiàn)出了更加先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用空間和發(fā)展前景。這主要是因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)具有幾大特點(diǎn)：第一、透明性。虛擬實(shí)驗(yàn)操作具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行命令，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件、硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)資源以及人員管理的統(tǒng)一。第二，共享性。在開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)資源的共享，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)數(shù)據(jù)資源庫(kù)、檢索系統(tǒng)、各類應(yīng)用軟件工具，完成對(duì)信息、軟件和設(shè)備等資源的共享。在降低成本的基礎(chǔ)上，也大大提高了使用者的效率。第三，互動(dòng)性。在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者不僅可以完成人機(jī)界面的實(shí)時(shí)互動(dòng)，還可以進(jìn)行用戶之間的信息溝通和交流。如果有遠(yuǎn)程操作用戶加入，他們也可以完成對(duì)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境操作和控制。第四，擴(kuò)展性。虛擬實(shí)驗(yàn)除具備以上特點(diǎn)外，還可根據(jù)需要，完成用戶的自主性選擇，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。以上這些性能體現(xiàn)出了虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與構(gòu)建

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室，就是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建出一個(gè)能夠完成虛擬實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)。它可以復(fù)制出現(xiàn)實(shí)中的某個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，也可以根據(jù)使用者的需求，建立起虛擬實(shí)驗(yàn)室。在虛擬的實(shí)驗(yàn)室中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的模擬仿真操作。置身于虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)者會(huì)有在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中一樣的操作感。虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，主要采用了計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)以及傳感技術(shù)。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是完成虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)。其虛擬對(duì)象的模型主要包括物理、運(yùn)動(dòng)、幾何、聲音等模型因素，為體驗(yàn)者創(chuàng)建出身臨其境的感覺(jué)。

2.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

虛擬實(shí)驗(yàn)室通常在物理設(shè)備分布式的基礎(chǔ)進(jìn)行搭建，我們以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與物理設(shè)備的連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、交換、遠(yuǎn)程操作和分析工作。作為一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)主要包括了虛擬儀器、數(shù)據(jù)的采集和分析、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及虛擬實(shí)驗(yàn)管理等系統(tǒng)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅可以具有高水準(zhǔn)的交互性，而且可以為實(shí)驗(yàn)者提供各種高級(jí)、仿真的實(shí)驗(yàn)條件和場(chǎng)景，其真實(shí)感效果不遜于實(shí)物實(shí)驗(yàn)室。通常，我們會(huì)把此類采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室分為若干子模塊，讓它們?cè)诨ハ嗒?dú)立的同時(shí)，也能很好地形成一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)。模塊一我們通常設(shè)置為用戶管理的子系統(tǒng)。此模塊下分為三級(jí)，分別是：管理員、教師、學(xué)生。我們?cè)谠撟酉到y(tǒng)下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)各類用戶的信息管理，用戶添加、修改和刪除工作；模塊二為教務(wù)管理子系統(tǒng)。此系統(tǒng)只供管理員使用，在此模塊下，教學(xué)管理部門可以實(shí)現(xiàn)對(duì)班級(jí)的管理和課程的調(diào)配等工作；模塊三為虛擬實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要包含了實(shí)驗(yàn)庫(kù)、實(shí)驗(yàn)材料管理、實(shí)驗(yàn)功能添加與刪除三部分；模塊四為實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理子系統(tǒng)。教師和學(xué)生可以通過(guò)自己的賬號(hào)使用此模塊，并且結(jié)合實(shí)際情況，完成自己對(duì)應(yīng)的工作任務(wù)。模塊五為成績(jī)管理子系統(tǒng)。主要幫助學(xué)生完成對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)成績(jī)查詢工作。以上就是虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的幾大模塊，合理利用以上模塊的功能，不僅可以達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室一樣的效果，還可以在很多實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)上省去冗余的過(guò)程，提高工作效率。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義

在教育的信息化時(shí)期，建立優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室，具有重要的教育發(fā)展戰(zhàn)略意義：首先，降低了科研的成本，節(jié)約了研究的經(jīng)費(fèi)，彌補(bǔ)了教學(xué)條件和設(shè)備的不足。而且，發(fā)揮了虛擬實(shí)驗(yàn)室中虛擬儀器的使用效率。特別是在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)室的資源共享，避免了設(shè)備的重復(fù)購(gòu)買等浪費(fèi)現(xiàn)象的出現(xiàn)。其次，虛擬環(huán)境下進(jìn)行的虛擬操作，在一定程度上避免了真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作所產(chǎn)生的各類危險(xiǎn)。既保證了學(xué)生的安全，又可以讓他們獲得對(duì)實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)。最后，打破了一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在時(shí)間和空間的限制。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，在未來(lái)必定對(duì)教育的信息化發(fā)展產(chǎn)生重要的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，合理利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的透明性、破各種實(shí)驗(yàn)室的條件限制，更好地滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。同時(shí)也可以輔助高校開(kāi)展科研和創(chuàng)新工作，改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式、方法，豐富教學(xué)手段和資源，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

參考文獻(xiàn)

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