黃金棟 吳學(xué)會(huì) 李小紅 常振云（天津天獅學(xué)院 天津 301700）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用思考

黃金棟 吳學(xué)會(huì) 李小紅 常振云
（天津天獅學(xué)院 天津 301700）

作為信息技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被人們逐漸接受，并應(yīng)用到很多領(lǐng)域，特別是教育領(lǐng)域。本文通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的幾點(diǎn)思考，力求為計(jì)算機(jī)專業(yè)的教育教學(xué)模式改革與發(fā)展提供新的思路，更好地將教學(xué)的主體讓位給學(xué)生。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)；教學(xué)應(yīng)用；信息技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)是信息技術(shù)領(lǐng)域的重要分支。計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)教育教學(xué)長期以來沿用傳統(tǒng)的教育教學(xué)模式——教師課堂教授、學(xué)生當(dāng)堂聽受，課后輔以必要的練習(xí)和實(shí)踐，學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過程中常常處于被動(dòng)地位，對(duì)課堂的參與度、對(duì)知識(shí)的心理認(rèn)知、對(duì)內(nèi)容的選擇以及對(duì)學(xué)習(xí)時(shí)間和空間的掌控程度都大大受限。

隨著當(dāng)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)以及人工智能等技術(shù)的發(fā)展與融合為現(xiàn)代教育發(fā)展帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用已不再停留于圖文聲像等媒體形式在課堂中以常規(guī)模式應(yīng)用的層次上，而是朝著多媒體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、教育應(yīng)用模式多樣化和遠(yuǎn)程教育普及化的趨勢發(fā)展。特別是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬教學(xué)形式，是一種新近出現(xiàn)的教學(xué)模式，具有廣闊的發(fā)展前景，代表了教育信息化的未來和發(fā)展方向。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概觀

（一）什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR），又稱為靈境技術(shù)，它匯集了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及人體行為學(xué)等多項(xiàng)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。具體而言，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的綜合技術(shù)手段生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備，以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用，相互影響，從而產(chǎn)生如同處于真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。盡管該環(huán)境并不真實(shí)存在，但它作為一個(gè)逼真的三維環(huán)境，使用戶“沉浸”其中。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

1993年，美國科學(xué)家伯迪（G Burdea）和考菲特（P Coiffet）在世界電子年會(huì)上發(fā)表的 “Virtual Reality System and Application”一文中提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三角形特征，即三“I”特征：沉浸感 （Immersion）、交互性 （Interactivity）、想象力（Imagination）。

沉浸感 VR的沉浸感又稱臨場感，是指用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度，即讓用戶由觀察者變?yōu)閰⑴c者，覺得自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境的一部分，并能全身心地沉浸于虛擬實(shí)踐中。沉浸感被認(rèn)為是VR最主要特征，導(dǎo)致這種沉浸感的原因是用戶對(duì)計(jì)算機(jī)環(huán)境中的虛擬物體產(chǎn)生了類似于面對(duì)現(xiàn)實(shí)物體時(shí)才有的意識(shí)或幻覺。

交互性 VR的交互性是指用戶對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反饋的自然程度。主要借助于各種專用設(shè)備（如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等）產(chǎn)生，從而使用戶以自然方式如手勢、體勢、語言等，如同在真實(shí)世界中一樣考察和操作虛擬環(huán)境中的對(duì)象。

想象力 VR的想象力是指用戶在虛擬世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過程，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化而對(duì)其未來進(jìn)展進(jìn)行想象的能力。對(duì)適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象加上虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)意和想象力，可以大幅度提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的類型

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)按其功能，可分為以下幾種類型，其中能夠在教學(xué)中普及推廣的主要是桌面式VR系統(tǒng)。

沉浸式VR系統(tǒng) 沉浸式VR系統(tǒng)是利用頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標(biāo)等傳感跟蹤裝置與虛擬世界進(jìn)行交互。由于這種系統(tǒng)把人的視覺、聽覺和其他感覺封閉在虛擬的感覺空間，能使人全身心投入并沉浸其中。不足之處在于專用設(shè)備復(fù)雜而且昂貴，難以在教育行業(yè)普及推廣。

桌面式VR系統(tǒng) 桌面式VR系統(tǒng)是運(yùn)用軟件編程的方法在顯示器上顯示三維場景。用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)等簡單的設(shè)備與虛擬場景進(jìn)行交互。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是由于用戶坐在顯示器前，通過屏幕觀察虛擬世界并與之交互，往往會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，難以做到完全投入，但是它結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，易于普及推廣，因此，也是教學(xué)中運(yùn)用最多的一種VR系統(tǒng)。

分布式VR系統(tǒng) 分布式VR系統(tǒng)是指基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的虛擬環(huán)境，將位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境通過網(wǎng)絡(luò)相連接并共享信息，從而使用戶的協(xié)同工作達(dá)到一個(gè)更高的境界。主要被應(yīng)用于遠(yuǎn)程虛擬會(huì)議、虛擬醫(yī)學(xué)會(huì)診、多人網(wǎng)絡(luò)游戲、虛擬戰(zhàn)爭演習(xí)等領(lǐng)域。

增強(qiáng)式VR系統(tǒng) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不僅是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要將虛擬圖像疊加在真實(shí)物理對(duì)象之上，來增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無法產(chǎn)生的感受。目前主要應(yīng)用于軍用飛機(jī)導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)可視化、儀器設(shè)備的安裝與修理以及輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的思考

（一）輔助課堂教學(xué)

計(jì)算機(jī)專業(yè)課程實(shí)踐性和邏輯性都很強(qiáng)，很多知識(shí)在書本上描述難免會(huì)給學(xué)生的理解帶來困難。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的課件則能夠很好地解決這一問題。

例如，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中介紹計(jì)算機(jī)各個(gè)組件的結(jié)構(gòu)和講解計(jì)算機(jī)組裝的過程時(shí)，書本的文字和圖片都難以直觀地、真實(shí)地讓學(xué)生了解組件結(jié)構(gòu)和組裝的過程。教師普遍采取的教學(xué)方法就是到微機(jī)組裝實(shí)驗(yàn)室結(jié)合實(shí)物講解、操作與指導(dǎo)，這種方法固然在一定程度上解決了學(xué)生對(duì)真實(shí)感的需求，但是教師不太可能實(shí)時(shí)地手把手指導(dǎo)每一位學(xué)生，現(xiàn)在的學(xué)生普遍具備個(gè)性化特征，也未必都喜歡照教師的思路去學(xué)習(xí)和感知。為解決這一問題，我們不妨利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將文字、聲音、圖片、動(dòng)畫等幾種媒體表現(xiàn)形式有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)出生動(dòng)活潑、極具交互性和沉浸感的教學(xué)課件，滿足學(xué)生從不同角度觀察和從不同切入點(diǎn)學(xué)習(xí)與實(shí)踐的需要。在教學(xué)中，學(xué)生仿佛身臨其境，能更好地理解學(xué)習(xí)的內(nèi)容。圖1所示為虛擬主機(jī)組裝操作及演示系統(tǒng)。

又如，在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中，對(duì)于常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法思想，由于其抽象程度高，學(xué)生很難理解。我們也可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將其制作成課件進(jìn)行教學(xué)。將抽象的算法過程以淺顯易懂、形象直觀的形式展現(xiàn)出來。如遞歸算法是學(xué)生比較難理解的，因?yàn)槠渌惴ㄊ强侩[形調(diào)用堆棧來實(shí)現(xiàn)的，而通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將堆棧內(nèi)部情況的變化動(dòng)態(tài)、直觀、形象地表現(xiàn)出來，學(xué)生就很容易理解。同樣在講解樹和圖的遍歷時(shí)，可以從可視化的角度觀察遍歷的順序。二叉樹與樹的概念的區(qū)別、Hanoi塔等問題都可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)直觀地表現(xiàn)出來，方便教師的教學(xué)和學(xué)生的理解。

總之，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作課件來輔助課堂教學(xué)，為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的感性學(xué)習(xí)素材和環(huán)境，能使學(xué)習(xí)更具交互性、沉浸感，使抽象的學(xué)習(xí)直觀化、形象化，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，提高學(xué)習(xí)的積極性。

（二）輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)

由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的適用于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通常包括相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以及導(dǎo)航、測試和自評(píng)等實(shí)驗(yàn)信息資源。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以是某一現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的再現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想的實(shí)驗(yàn)室。

例如，在城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實(shí)驗(yàn)中，不太容易真正把網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起來，那么就可以運(yùn)用VR技術(shù)來虛擬出一個(gè)真實(shí)的網(wǎng)路環(huán)境，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，猶如進(jìn)行現(xiàn)場操作。在數(shù)字電路的課程實(shí)驗(yàn)中，可以通過虛擬的電路器件來達(dá)到電路設(shè)計(jì)的目的，而避免購買器件帶來的麻煩。在電子商務(wù)課程實(shí)驗(yàn)中，可以虛擬商務(wù)環(huán)境，讓學(xué)生“身臨其境”地體驗(yàn)現(xiàn)場交易的氣氛并參與交易的過程。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的安裝和調(diào)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以使用軟件VMware創(chuàng)建與真實(shí)計(jì)算機(jī)一模一樣的虛擬機(jī)，虛擬機(jī)有自己的CPU、內(nèi)存、硬盤、光驅(qū)，同樣也可以安裝Windows、Linux等真實(shí)的操作系統(tǒng)以及各種應(yīng)用程序。通過在虛擬的操作系統(tǒng)環(huán)境中操作，避免了對(duì)原有真實(shí)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響，同時(shí)也節(jié)省了時(shí)間，達(dá)到了事半功倍的效果。

此外，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)生還可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等方面的學(xué)習(xí)探索，設(shè)計(jì)出新型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和電子器件，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

通過虛擬的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，又可以獲得直觀、真實(shí)的效果，還能對(duì)那些不可見的結(jié)構(gòu)原理和不可重組的精密設(shè)備進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)，避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作帶來的各種危險(xiǎn)。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)具有先進(jìn)性和共享性，易擴(kuò)充，易于改變教學(xué)項(xiàng)目，可降低實(shí)驗(yàn)可能帶來的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)，減少設(shè)備投入經(jīng)費(fèi)。教學(xué)內(nèi)容在虛擬環(huán)境中能夠不斷更新，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣皶r(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。

當(dāng)然，我們也不能一味地單純使用虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，因?yàn)閷?duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)最終還是需要“實(shí)戰(zhàn)”的。因此，在具體實(shí)施中，應(yīng)該“虛實(shí)結(jié)合”地進(jìn)行。有目的地安排一些實(shí)驗(yàn)在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行。這樣，學(xué)生會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備有親身體會(huì)，進(jìn)而加深實(shí)驗(yàn)印象，提高實(shí)驗(yàn)效果。

綜上所述，教學(xué)中讓學(xué)生親身去經(jīng)歷、去體驗(yàn)、去感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動(dòng)交互與被動(dòng)觀看存在質(zhì)的不同。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能形象、生動(dòng)、逼真地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效地營造具有交互性和沉浸感的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識(shí)和技能的效率和積極性，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)過程、提高教學(xué)質(zhì)量的目的，從而解決傳統(tǒng)教學(xué)無法解決的問題。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)專業(yè)教育領(lǐng)域應(yīng)用范圍是廣闊的，發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮摹Ｓ?jì)算機(jī)專業(yè)的教師應(yīng)該努力結(jié)合相關(guān)課程特點(diǎn)，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢，把計(jì)算機(jī)專業(yè)教育引向教學(xué)手段更高效、技術(shù)手段更先進(jìn)的新階段。

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（本欄責(zé)任編輯：謝良才）

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1672-5727（2011）03-0174-02

黃金棟（1979—），男，天津市人，碩士，天津天獅學(xué)院講師，研究方向?yàn)槎嗝襟w技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。