虚拟现实技术在计算机基础教学的应用

摘 要：虚拟现实技术是以计算科学为核心的多学科、多方向交叉的新技术,将虚拟现实技术应用于高校计算机基础教学可以为学生提供生动、逼真的学习环境,使学生更形象地获取知识、激发思维,由知识的被动接受者变成了虚拟环境中的一名参与者.文章介绍了虚拟现实技术及VRML语言,重点探讨了虚拟现实技术在计算机基础教学和计算机实验教学中的应用.

关 键 词：虚拟现实技术；VRML；虚拟实验室；计算机基础

【中图分类号】G712

0.引言

随着国家信息化步伐的加快和高校教学改革的深入发展,传统的教学模式已经无法满足学生的创新学习的需要.因此,改革教学模式、培养学生的计算机应用能力,是高校计算机基础课教学的一项重要任务.虚拟现实技术应用于教育是教育技术发展的一个飞跃,虚拟现实技术能形象、生动、逼真地表现教学内容,有效地营造一个发展的教学环境.学生可以通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、提高技能.

1.虚拟现实技术

1.1虚拟现实技术概念

虚拟现实（VR-VirtualReality）,是涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域的一项综合集成技术,是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统,它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境,用户通过使用各种交互设备,同虚拟环境中的实体相互作用,使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流,是一种先进的数字化人机接口技术.

1.2虚拟现实系统组成

一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备,以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成.

（1）虚拟境界生成设备

虚拟境界生成设备,即高性能图像生成及处理系统,通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站.虚拟环境生成设备是整个虚拟现实系统的核心部分,负责整个虚拟现实场景的开发、运算、生成.同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转,与他们共同组成一个完整的虚拟现实系统.

（2）虚拟现实显示设备

在虚拟现实应用系统中,通常有多种显示系统或设备,比如：大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统.

（3）拟虚拟现实交互系统

多自由度实时交互是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一,也是虚拟现实技术的精髓,离开实时交互,虚拟现实应用将失去其存在的价值和意义,这也是虚拟现实技术与三维动画和多媒体应用的最根本的区别.

（4）虚拟现实集成控制

一个大型的虚拟现实系统包括很多组成部分,这些都需要方便的控制和管理,每个部分又包括很多产品和设备,这些产品设备之间需要相互连接、相互依赖,彼此之间协同工作.然而,这样一个复杂的系统要顺利地运行并能够协同工作,就需要进行管理,集成控制系统便是承担该项工作的载体,有了集成管理控制系统,上述一系列工作通过简单的遥控器就可完成整个操作过程.

1.3虚拟现实建模语言VRML

VRML（VirtualRealityModelingLanguage）即虚拟现实建模语言.是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言.

VRML的对象称为结点,子结点的集合可以构成复杂的景物.结点可以通过实例得到复用,对它们赋以名字,进行定义后,即可建立动态的VR（虚拟世界）.VRML文件是以扩展名.wrl或.wrz等结尾的,是一种用来描述几何形体的简单的ASCII文本文件,VRML的编辑工具可以是任意一种文本编辑器.VRML文件不需要任何编译,直接由浏览器解释执行,可以方便的实现桌面虚拟现实.VRML浏览器一般是作为Web浏览器的插件使用的,因而又称为浏览器插件.当学习者通过Web浏览器请求一个VRML文件时,怎么写作器端接收到请求,并将VRML文件代码传输到客户端,客户端浏览器通过VRML浏览插件对代码进行解释,将VRML语言中的信息解释成空间中目标的几何体描述,如长方体、球体、不规则的其它三维物体等等,同时它将提供实时显示,一秒显示多次,这样在学习者的计算机上就会有一个活动场景的感觉.而学习者只需用简单的2D鼠标,通过切换不同的浏览方式即可遨游于整个虚拟境界,与境界中的物体进行交互.

2.虚拟现实技术在计算机基础教学中的应用

2.1虚拟现实技术在计算机基础课堂教学中的应用

教学效果的提高很大程度上取决于教学观念和教学方法的不断改进.将虚拟现实技术引入计算机基础教学的过程中,可以通过设计VRML课件来表现一些空间立体化的知识,如介绍微型计算机系统的基本组成、计算机组装过程或者讲解网络建设过程时,利用VRML可以将文字、声音、图片、动画等几种媒体表现形式有机地结合,制作出一些三维的、交式的、具有沉浸感的内容,满足学习者从各个角度观察和学习,仿佛身临其境.

2.2虚拟现实技术在计算机基础实验教学中的应用

计算机基础教育的实践性非常强,硬件资源有限,目前门类繁多的硬件实验教学体系课程,特别是实验中心全面开放导致的学生数量猛增,硬件设备无法保证人均占有率,同时,由于设备的长时间运转,也无形中增加了设备的磨损和维修频率,对于实验室的整体教学资源是一种负担.在这样的强势需求下,利用虚拟现实技术搭建虚拟实验教学中心可以减少实验室资金的投入及建设的个数,而且采用仿真软件的方式进行实验教学又可以在很大程度上减少实验过程中的硬件损耗,提高实验室的利用率.

与传统的实验教学相比,虚拟实验操作功能强大,安全性强利用虚拟现实技术进行虚拟实验,更加有助于学生实验能力和实验设计能力的培养.例如它可以虚拟计算机硬件,学生可以像使用普通的计算机一样对它们进行分区、格式化等操作,而所有的这些操作都不会对真实主机进行操作,不影响真实硬盘的数据.

3.结束语

虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的虚拟学习环境,在广泛的科目领域提供无限的虚拟体验,从而加速和巩固学生学习知识的过程.随着虚拟现实技术的不断发展和完善,以及硬件设备的不断降低,我们相信,虚拟现实技术以其自身强大的教学优势和潜力,将在高校计算机基础教育领域广泛应用.