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淺析虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機專業(yè)教育中應(yīng)用
摘要：目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、娛樂游戲，以及建筑設(shè)計等領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也有廣泛的用途。文章介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)及VRML語言，探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機教學(xué)和計算機實驗中的應(yīng)用。如果虛擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)教育中，將對遠程教育產(chǎn)生深遠的影響。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬實驗；VRML；計算機專業(yè)
隨著我國教育的不斷改革和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，論文 網(wǎng)絡(luò)教育的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式。尤其是計算機更新速度非�？斓奶攸c使得傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以滿足學(xué)習(xí)的需要。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一門新的技術(shù)，它在教育領(lǐng)域的發(fā)展將為教育提供新的活力。本文主要從虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征和VRML語言的角度探討其在計算機專業(yè)教育中的應(yīng)用。
1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)
多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代教育手段的現(xiàn)代化帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用已不再是停留在音像技術(shù)課堂中應(yīng)用的常規(guī)模式層次上．而是朝著多媒體化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、教育技術(shù)應(yīng)用模式多樣化和遠程教育普及化的趨勢發(fā)展，特別是基于計算機仿真技術(shù)的虛擬教學(xué)形式，是一種最新出現(xiàn)的教學(xué)模式，具有廣闊的發(fā)展前景，代表了教育的未來和發(fā)展的方向。
1．1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)，又稱為靈境技術(shù)，畢業(yè)論文 它匯集了數(shù)字圖象處理、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)，以及人體行為學(xué)等多項天技術(shù)．是計算機技術(shù)的綜合應(yīng)用。具體地說，就是采川以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、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)境中的對象進行交互作用，相互影響，從而產(chǎn)生如同真實環(huán)境的感受和體驗。盡管該環(huán)境并不真實存在，但它作為一個逼真的三維環(huán)境．仿佛就在我們周圍。由于用戶對計算機環(huán)境中的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實物體的存存意識或幻覺，從而使得用戶在計算機所創(chuàng)建的維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的狀態(tài)。
1．2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成
由圖1可以看出。一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由以下幾部分組成：
(1)虛擬環(huán)境。它由虛擬環(huán)境發(fā)生器所產(chǎn)生，且可讓使用者通過傳感器件和作用器件與之交互，這種交互的結(jié)果是使用者有全身心進入這一環(huán)境的感覺。
(2)傳感器件。它將虛擬環(huán)境中的物體的形、動作、聲音等進行轉(zhuǎn)換，使人能獲得視覺、聽覺、觸覺等多方面的感覺。這些感覺與他以往在實際環(huán)境中的感覺一致。
(3)作用器件。它將人的一些約定動作(如行走、手勢等)變成作用的信息，讓虛擬環(huán)境有所察覺。
(4)人。虛擬現(xiàn)實實質(zhì)上是一內(nèi)含反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，只有人的存在才能使這一反饋環(huán)路有效成立。碩士論文所以人是VR系統(tǒng)中不可缺少的成分。人通過傳感器件感受虛擬環(huán)境的存在．又通過作用器件去影響虛擬環(huán)境，使其作出相應(yīng)的變化。
(5)虛擬環(huán)境發(fā)生器。它能產(chǎn)生使用者所需要的虛擬環(huán)境，且能通過作用器件傳來的作用信息。了解使用者的位置和動作。并對已產(chǎn)生的虛擬環(huán)境作出相應(yīng)的修改。
1．3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)基本特征
(1)沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像。使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現(xiàn)實世界中的一樣。當(dāng)使用者移動頭部時。虛擬環(huán)境中的圖像也實時地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動而運動，而且還可以聽到三維仿真聲音。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。
(2)交互性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互．使用者不僅可以利用電腦鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進行交互。計算機能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能．就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作。
(3)多感知性。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。
1．4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的類型
虛擬現(xiàn)實技術(shù)按其功能，可分為以下幾種類型：
(1)沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、三維鼠標等傳感跟蹤裝置與虛擬世界進行交互。由于這種系統(tǒng)把人的視覺、聽覺和其它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。
(2)桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是運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、鼠標等簡單的設(shè)備與虛擬場景進行交互。這種系統(tǒng)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，往往會受到周圍環(huán)境的影響，難以做到完全投入．但是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，易于普及推廣。
(3)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
分布式虛擬系統(tǒng)是多個用戶通過網(wǎng)絡(luò)共享一個虛擬空間，共同參與虛擬活動。
(4)增強現(xiàn)實性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知的感受。
1．5 虛擬現(xiàn)實造型語言VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language1即虛擬現(xiàn)實建
模語言，是一項和多媒體通訊、因特網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域相關(guān)的，在Intemet上營造虛擬環(huán)境的技術(shù)。它用來在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建可導(dǎo)航的、超鏈接的三維虛擬場景。
VRML的基本工作原理可概括為：文本描述、遠程傳輸和本地計算生成。所謂文本描述，是指VRML并不是用三維坐標點的數(shù)據(jù)來描述三維物體的，因為這樣會有很大的數(shù)據(jù)量．在Intemet上傳輸會遇到很多困難．VRML是用類似HTML的標記文本語言來描述三維場景．就像我們的編程語言。比如，一個立方體的描述文本是：Box(size 3.0 3.0 3.0)。VRML就是一種描述語言標準，規(guī)定了用來描述三維場景的文本描述語言。遠程傳輸是指用戶瀏覽VRML描述的虛擬場景時，需要通過Intemet將描述場景的文本傳送到本地。一般來說，文本描述是嵌在WEB頁面中，在瀏覽器請求相應(yīng)頁面時與頁面描述文本一起傳送本地。本地計算生成是指描述虛擬場景的數(shù)據(jù)傳送到本地后，瀏覽器對它進行解釋計算，動態(tài)地生成虛擬場景。比如，描述球形的文本，瀏覽器會在屏幕上繪制一個立體的球形。概括地說，就是用文本信息描述三維場景．在Intemet網(wǎng)上傳輸，在本地機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景．解釋生成的標準規(guī)范即是VRML規(guī)范。
VRML文件主要包括四個主要成分：VRML文件頭、原型、造型節(jié)點、腳本和路由。在這四個要素中．醫(yī)學(xué)論文只有文件頭部分是必須的，它用來告訴瀏覽器該文件符合的規(guī)范標準以及使用的字符集等信息。原型定義了創(chuàng)建帶有指定名稱、接口和整體的新節(jié)點類型。一旦成功地定義了原型，它就可以在VRML文件的其他地方隨意使用。造型節(jié)點是VRML中的基本建造模塊．它構(gòu)成了VRML文件的主體部分，正是由于造型節(jié)點定義而產(chǎn)生了虛擬的VRML空間。腳本可以看作是一個節(jié)點的外殼，它有域、eventIn事件和eventOut事件。其本身沒有任何動作．然而你可以通過程序腳本來賦予你腳本節(jié)點的動作。程序腳本實際上是一種簡化了的應(yīng)用程序，一個典型的腳本是由Java或JavaScript編程語言寫成的程序。路由是一種文本描述的消息．一旦在兩個節(jié)點之間創(chuàng)建了一個路由．第一個節(jié)點可以順著路由傳遞消息給第二個節(jié)點，這樣的消息被稱為事件。VRML還可以包含下列條目：注釋、節(jié)點和域值、定義的節(jié)點名、使用的節(jié)點名等。
設(shè)計VRML虛擬場景時。最簡單的方法是直接使用文本編輯器來編輯描述文本，它類似于程序設(shè)計，這種方法簡單方便．但不是很直觀．對設(shè)計者的空間想象能力要求也較高，設(shè)計的效率不高。現(xiàn)在有很多的可視化的VRML設(shè)計工具，如CosmoWorld和WebWorld等．這些工具將VRML的標準節(jié)點都做成可視的組件，用戶設(shè)計時，只需要將這些組件組全自己需要的虛擬場景就可以了．而且設(shè)計的效果在設(shè)計時就可以看到。設(shè)計完畢后，系統(tǒng)自動將這些可視的虛擬場景生成標準的VRML描述文本，這樣，這些文本傳送到用戶的瀏覽器后．便會在用戶的屏幕上重現(xiàn)這個虛擬場景。
VRML使得Intemet的平面世界出現(xiàn)了三維場景。它的問世在世界上引起了極大的反響．得到眾多的軟硬件廠商的支持，成為了Intemet上最有發(fā)展前景的新興技術(shù)。VRML在各方面都展現(xiàn)出了強大的應(yīng)用可能性。蘊藏了無限生機。在教育領(lǐng)域的WEB站點中，它可廣泛用于學(xué)習(xí)情景創(chuàng)設(shè)上，以增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的形象性和趣味性。例如：創(chuàng)建網(wǎng)上三維圖書館，它的好處就在于書籍歸類整理更接近真實并將高于真實，匯編或查閱時書籍只需要鼠標輕輕地點擊對應(yīng)的虛擬圖書。另外，使用VRML做模擬訓(xùn)練是一種可行性極高的措施，它不僅可以減少某些情況下現(xiàn)實空間中操作的難度和危險．
更為重要的是它可以使訓(xùn)練造價得到大幅度降低，這樣就使得在教育方面的應(yīng)用成為可能。由于這種模擬系統(tǒng)具有高度的真實性，所以并不會因為沒有真實系統(tǒng)介入而造成較差的訓(xùn)練效果。現(xiàn)在虛擬校園、虛擬考場也已經(jīng)陸續(xù)地出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中，這些新興的教育形式必將因其優(yōu)越的一面而在未來教育領(lǐng)域中占有一席之地。
2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機專業(yè)教育中的應(yīng)用
2．1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在輔助課堂教學(xué)中的應(yīng)用
眾所周知，計算機課程實踐性很強，在書本上體現(xiàn)難免會給人們的理解帶來困難。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作的課件能夠很好地解決這一問題。例如，在計算機基礎(chǔ)課程中介紹計算機中各個組件的結(jié)構(gòu)和講解計算機組裝的過程時，書本的文字難以讓學(xué)習(xí)者了解組件結(jié)構(gòu)和組裝的過程。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將文字、聲音、圖片、動畫等幾種媒體表現(xiàn)形式有機地結(jié)合，設(shè)計出生動活潑的界面。制作出一些三維的、交式的、具有沉浸感的內(nèi)容，滿足學(xué)習(xí)者從各個角度觀察和學(xué)習(xí)，仿佛身臨其境，更好地理解學(xué)習(xí)的內(nèi)容。
制作VRML課件的基本思路是：
(1)制作一系列空間形體的三維造型和動畫．并且為這些造型指定所需要的顏色、大小等。
(2)引入VRML的相關(guān)節(jié)點，建立虛擬運動空間。實現(xiàn)課件多媒體功能。
(3)優(yōu)化VRML場景，即在構(gòu)建場景的過程中，利用VRML提供的高級造型技術(shù)適當(dāng)優(yōu)化程序。
(4)VRML文件的輸出，將已創(chuàng)建的空間場景輸出為．wrl形式的文件。
例如，設(shè)計VRML課件來實現(xiàn)網(wǎng)上虛擬計算機組件結(jié)構(gòu)和組裝的輔助教學(xué)。
首先，在介紹計算機組件選擇知識同時�？梢栽诰W(wǎng)上從各個角度來觀察VRML制作的計算機組件的造型．增強感性認識，并使學(xué)習(xí)者對怎樣組裝計算機有個初步的了解。利用VRML的造型設(shè)計和VRML Script的動畫鏈接．虛擬出組裝計算機過程中所需的主要硬件，再通過把VRML文件嵌入到網(wǎng)頁的方法，使學(xué)習(xí)者既能在網(wǎng)頁中看到二維不同型號硬件的圖片和一些描述硬件的文字．又能看到三維的虛擬制作出來的硬件模型。這樣使學(xué)習(xí)者能真切地、直觀地感受到二維和三維的不同．感受到虛擬世界的美妙。然后，通過文字和圖片向?qū)W習(xí)者介紹如何將各計算機組件組裝到一起。接著，通過VRML的動畫節(jié)點控制和VRML Script的結(jié)合。制作出安裝、注釋和視點切換的效果，然后按照六個安裝步驟：第一，機箱、主板的安裝；第二，風(fēng)扇、內(nèi)存的安裝；第三，光驅(qū)、軟驅(qū)、硬盤的安裝；第四，聲卡、顯卡的安裝；第五，電源的安裝；
第六。顯示器、鍵盤、鼠標的安裝，組合完成整個在虛擬三維世界中組裝計算機的過程。
在學(xué)習(xí)的過程中，只要點擊相應(yīng)的按鈕，就可以按相應(yīng)的步驟進行安裝。拖動鼠標或按鈕可以隨意地移動計算機組件到指定的位置進行安裝。在安裝完光驅(qū)和軟驅(qū)后，點擊光驅(qū)的開、關(guān)鍵，光盤托會自動拖出和送入，點擊軟驅(qū)的按鈕，
軟盤會自動取出．使學(xué)習(xí)者能動態(tài)地觀看到效果。有一種身臨其境的感覺來完成學(xué)習(xí)的過程。
通過VRML Script語言的鏈接。制作出生動有趣的動畫效果和逼真的聲音效果。例如．當(dāng)你點擊軟驅(qū)上的按鈕，會發(fā)出聲音并彈出一張軟盤；當(dāng)你點擊光驅(qū)按鈕時，盤盒會自動地彈縮并發(fā)出逼真的聲音。為了方便學(xué)習(xí)。還可以實現(xiàn)注釋信息，當(dāng)學(xué)習(xí)者的鼠標碰到硬件設(shè)備時。在對象的旁邊會出現(xiàn)一個注釋信息，說明該對象名稱。
又如，在《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程中，對于常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法思想．由于其抽象程度高。使得學(xué)生很難理解。我們也可以通過虛擬技術(shù)將其制作成課件進行教學(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。例如，遞歸算法是學(xué)生比較難理解的，因為其算法是靠隱形調(diào)用堆棧來實現(xiàn)，而通過虛擬技術(shù)可以將堆棧內(nèi)部情況的變化動態(tài)、直觀、形象地表現(xiàn)出來，這樣學(xué)生就很容易理解。同樣在講解樹和圖的遍歷時，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塔等問題都可以直觀地表現(xiàn)。方便教師的教學(xué)和學(xué)生的理解。
總之，通過制作課件來輔助課堂的教學(xué)，能為學(xué)習(xí)者提供生動、逼真的感性學(xué)習(xí)材料，使抽象的學(xué)習(xí)直觀化、形象化，幫助學(xué)習(xí)者解決學(xué)習(xí)中的重點和難點，提高學(xué)習(xí)者的積極性。
2．2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機實驗中的應(yīng)用
由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的適用于進行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，包括相應(yīng)的實驗室環(huán)境、有關(guān)的實驗儀器設(shè)備、實驗對象。以及實驗信息資源等。虛擬實驗室可以是某一現(xiàn)實實驗室的真實再現(xiàn)。也可以是虛擬構(gòu)想的實驗室。例如，在城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，不必真正把網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起來就可以親身體驗，猶如進行現(xiàn)場的操作。在數(shù)字電路的課程實驗中，可以通過虛擬的電路器件來達到電路設(shè)計的目的，而沒有購買器件問題所帶來的麻煩。在電子商務(wù)課程實驗中，可以虛擬商務(wù)環(huán)境，讓學(xué)生進入這個虛擬環(huán)境。身臨其境地體驗現(xiàn)場交易的氣氛和參與交易的過程。計算機操作系統(tǒng)的安裝是比較基礎(chǔ)但又是難做好的一個實驗。由于在計算機上安裝新的操作系統(tǒng)不可避免地會對原有的操作系統(tǒng)產(chǎn)生影響。
使用虛擬計算機來進行操作系統(tǒng)的安裝試驗就十分的方便了。工作總結(jié)使用虛擬機的軟件VMware可以創(chuàng)建與真實計算機一模一樣的虛擬機。創(chuàng)建的虛擬機有自己的CPU、內(nèi)存、硬盤、光驅(qū)，在這個虛擬機上，可以安裝Windows、Linux等真實的操作系統(tǒng)以及各種應(yīng)用程序。通過在虛擬的操作系統(tǒng)環(huán)境中進行操作，熟悉操作和新技術(shù)，達到事半功倍的效果。VMware只是一個軟件�？梢詭椭阍谝粋�操作系統(tǒng)的環(huán)境下安裝另一個操作系統(tǒng)，而不會對當(dāng)前的操作系統(tǒng)產(chǎn)生影響。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)模型進行虛擬．通過虛擬系統(tǒng)便可以直接地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。利用虛擬技術(shù)。學(xué)生還可以進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計、電路設(shè)計等方面的學(xué)習(xí)探索，設(shè)計出新型的網(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)造能力。
通過虛擬的實驗室進行實驗，既可以縮短實驗的時間，又可以獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可見的結(jié)構(gòu)原理和不可重組的精密設(shè)備進行仿真實訓(xùn)，避免真實實驗操作帶來的各種危險。并且，虛擬實驗具有先進性和共享性，易擴充．易于改變教學(xué)項目，減少設(shè)備投入經(jīng)費，使教學(xué)內(nèi)容在虛擬的環(huán)境中不斷更新．使實驗實踐及時跟上技術(shù)的發(fā)展。但是在采用虛擬實驗進行教學(xué)的過程中，并不能完全代替真實實驗。虛擬實驗是虛擬的實驗，缺少“實物感”，正如在網(wǎng)上看書與拿真實的書看時，會覺得真實的書更實在。在網(wǎng)絡(luò)實驗中，用到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備像路由器、交換機等種類、型號都很多，在虛擬實驗中．學(xué)生很難見到這些設(shè)備，如果在真正的實踐中可能會無從下手。因此，在具體實施中，應(yīng)該虛實進行結(jié)合。有目的地安排一些實驗在真實環(huán)境中操作，這樣，他們會對實驗的設(shè)備有親身的體會，更能加深實驗的印象，提高實驗的效果。
3 結(jié)束語
虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機教育領(lǐng)域發(fā)展的潛力是巨大的，只有親身去經(jīng)歷、親身去體驗去感受，比空洞抽象的說教更具說服力，主動地去交互與被動地觀看有質(zhì)的不同。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能形象、生動、逼真地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效地營造一個發(fā)展的教學(xué)環(huán)境。提高學(xué)生掌握知識和技能的效率和積極性，達到優(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)方式無法解決的問題。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于WEB的虛擬現(xiàn)實遠程教育具有廣泛的應(yīng)用前景，必將成為21世紀教育的主流。
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