探究虚拟现实技术及其在实验教学中的应用

李浩源 大庆师范学院 李鹏飞 东北石油大学 贾纳尔 乌鲁木齐职业大学

探究虚拟现实技术及其在实验教学中的应用

李浩源 大庆师范学院 李鹏飞 东北石油大学 贾纳尔 乌鲁木齐职业大学

随着虚拟现实技术的飞速发展和普遍应用，利用虚拟现实技术进行实验教学已成为一种趋势。本文从分析虚拟现实技术的理论基础出发，阐述了虚拟现实技术的分类，论述了它在实验教学中的重要意义，并对虚拟现实技术在实验教学中的应用进行了探索。

虚拟现实技术 实验教学 应用

目前随着高等教育的发展和招生人数的扩大，高校的专业实验教学面临着巨大的压力和挑战。由于经费有限，实验室的硬件跟不上，仪器设备陈旧老化且数量不足，影响了正常实验教学的开展，进而影响了实验教学质量。随着多媒体技术和网络技术的发展，网络教学逐渐成为正常教学的补充。通过网络建立虚拟现实教学系统和网上虚拟实验室而开展虚拟实验，运用计算机在网络中模拟一些实验现象，达到“身临其境”的效果，具有十分重要的意义。

1 虚拟现实实验技术的理论基础

虚拟现实实验技术起源于20世纪末，是依托“虚拟现实”(Virtual Reality，英文缩写VR)技术而产生和发展的一种实验模式。当时国内外一些远程教育机构曾采用过各种方法来解决实验的近距离性与教学手段的远距离性的矛盾。在进行的各种方法中，有的仅适合少数或简单实验的情况，有的由于与理论教学不相衔接而导致效果不佳。直到20世纪90年代崛起的虚拟实验才给远程实验教学带来了希望。它使实验教学完全远程化，从根本上解决目前的实验教学与远程教育模式不相适应的状况。虚拟实验技术是利用软件和硬件的结合，取代传统的常规实验仪器设备，让操作者可以在计算机或计算机网络上进行模拟、仿真各种实验的技术。

2 虚拟实验技术的分类

2.1 沉浸虚拟现实技术

沉浸虚拟现实运用计算机、多媒体与仿真技术等现代科学技术，营造与客观世界高度类似的虚拟环境，使人具有一种身临其境的感觉。虚拟现实模式在现实世界数据建模的基础上，采用三维图形来表现虚拟世界。通过头盔式显示器或立体眼镜等专用辅助设备观察建模的三维物体，以获得在平面显示器上无法得到的物体“深度”距离信息，并通过观察不同的图像，产生观察视觉差。通过深度和观察视觉差，达到身临其境的效果。

2.2 基于静态图像的虚拟技术

基于静态图像的虚拟技术是将多个不同距离和不同方位的静态图像按照相互关系有机地连接起来，在视觉上形成整个空间的整体认识。在观察时，可以任意转动，也可以改变视点。由于这些静态图像是相互连接的，所以，只要静态图像足够精细，连接得紧密正确，就可以获得空间的感觉，实现对一个物体或空间进行全景观察。运用基于静态图像技术，可以根据真实世界影像采用计算机生成图像的方式来建立三维模型。对图像的分辨率、质量、复杂度、真实性的要求都不是很高，不需要特殊的专用设备，在普通微机上即可体验虚拟实验环境，操纵虚拟的物体。

2.3 实验环境与虚拟实验平台集成技术

实验环境和虚拟实验平台集成模式是一种真实与虚拟结合的模式，运用计算机技术、控制技术、数据库技术与网络技术等，架构支持真实实验环境的虚拟实验平台。虚拟实验平台提供操作、控制、分析、设置和选择的虚拟环境，并对真实的实验环境实施控制。例如，电路试验可以在虚拟环境中构建各种电路线路，并用虚拟的仪表如电流表、电压表、示波器等来测量各个结点上的信号，或动态地测试电路的性能。

2.4 基于网络的虚拟技术

基于网络的虚拟实验模式依托网络来构建虚拟实验环境，即分布式虚拟现实环境。在分布式虚拟现实环境中，多个实验者可通过网络同时参加一个虚拟空间，对同一虚拟实验进行观察和操作，以达到协同工作的目的。其中每一个可视化的三维物体代表一种实验的对象，可以通过利用鼠标的点击、拖曳等操作，从不同的视角观察一个实验对象。多媒体计算机技术、网络技术与虚拟仪器技术的结合，使远程实验者可以操作虚拟仪器，完成有关课程的虚拟仿真实验，例如在计算机组成原理的实验中，可以将计算机中的各个部件用三维方式表示出来，操作者通过鼠标将他们组装成整机。将基于网络的虚拟实验环境引入实验教学，能够使实验教学远程化，提高课堂的教学效果。

3 虚拟实验技术在实验教学中的重要意义

3.1 改变了传统的实验教学概念

虚拟现实实验技术的应用，要求教师必须改变传统的实验教学观念，实现实验教师由演示者向指导者、创新者的身份转换；要求学生由模仿者向探求和创造者身份转换。达到由培养经验型人才向培养创造型人才的转变；要求教师善于运用实验教学的策略，鼓励学生将自主设计、自主探索与协作实验研究相结合。

3.2 引进最新的科学技术

计算机“虚拟现实实验技术”是一种先进的学习工具，是多学科技术发展的综合，代表着当前学科技术的发展水平。随着水平的不断提高，虚拟现实实验技术将不再是单纯的虚拟环境。很多软件都能和互联网连接，和实际的实验设备连接，实现“远程实验”，实现软件对实验的控制和对实验数据的处理和分析。要使用计算机来进行实验并对实验数据进行处理，学生只有掌握这种先进的学习技能，才能更好地学习和工作。

3.3 节省实验经费，丰富了实验资源，保证试验安全

利用虚拟现实系统，可以弥补因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足对实验教学的教学影响，丰富实验教学资源，使学生可以做一些危险或危害人体的实验。例如。虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于操作失误，而造成病人死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。虚拟实验环境可以获得与真实实验一样的体会，丰富了学生感性认识，加深对教学内容的理解。

3.4 实验教学手段多样化

虚拟实验的出现，为实验教学改革提供了条件。教师可以采取灵活的课堂教学方法，实行个性化教学。通过网络虚拟实验教学，学生可以灵活控制学习时间，不受学校实验室关闭和开放的影响，不受书本的约束，自主地选择自己所需的实验内容。同时，实验考核也可多样化，通过网络考核与实际考核相结合，更能真实客观地评价学生的能力。利用虚拟实验远程系统，将实验设备、教学内容(包括理论教学)、教师辅导和学习者的思考、实验操作等融为一体，克服了实验教学长期受到课堂、课时限制的因素。教师可以上网组织各种实时或非实时的分布式教学，并在课后回答学生问题，批改实验报告。学生可通过上网接受教师指导，完成各项实验内容，提交实验报告。

3.5 实验内容可紧跟科学发展步伐

传统实验教学实验项目多为验证性实验，总是滞后于学科发展。虚拟现实实验技术的发展，给实验教学改革注入了新的活力。使其不但可以有效营造一个跟技术发展同步的实验环境，还可以具有适当的超前性。实验环境虚拟化，实验过程可以突破物理上时间和空间的限制。以前因时空限制而无法实现的实验项目，现在就可以通过虚拟技术进行模拟实验。

3.6 更利于培养学习兴趣与能力

由于虚拟实验利用多媒体技术来模拟真实实验环境，使得整个实验过程具有游戏的特点，将群体式学习、协作式学习、竞赛式学习的模式灵活应用，可以激发学生浓厚的学习兴趣。其次，在虚拟实验中。学生可以很方便地通过改变实验参数分析不同的实验结果。这有利于培养学生的科学意识和创新精神。

目前虚拟现实实验技术还处在发展、起步阶段，但在实验教学过程中已经发挥了巨大的作用。它不仅弥补实验设备缺乏和条件的限制，而且极大提高了学生对知识的需求和探索的积极性，提高了实验教学效果。同时，通过虚拟现实实验技术把抽象的、难以直接用一般自然手段表现的形象直观地表现出来，有助于加快认识客观世界的规律，提高高校实验教学的先进性。