虚拟现实技术在计算机专业教学中的应用思考

黄金栋 吴学会 李小红 常振云（天津天狮学院 天津 301700）

虚拟现实技术在计算机专业教学中的应用思考

黄金栋 吴学会 李小红 常振云
（天津天狮学院 天津 301700）

作为信息技术领域的一项新技术，虚拟现实技术已经被人们逐渐接受，并应用到很多领域，特别是教育领域。本文通过对虚拟现实技术及其在计算机专业教学中应用的几点思考，力求为计算机专业的教育教学模式改革与发展提供新的思路，更好地将教学的主体让位给学生。

虚拟现实技术；计算机专业教学；教学应用；信息技术

计算机技术是信息技术领域的重要分支。计算机技术专业教育教学长期以来沿用传统的教育教学模式——教师课堂教授、学生当堂听受，课后辅以必要的练习和实践，学生在整个教学过程中常常处于被动地位，对课堂的参与度、对知识的心理认知、对内容的选择以及对学习时间和空间的掌控程度都大大受限。

随着当代信息技术的飞速发展，计算机图形学、多媒体、网络以及人工智能等技术的发展与融合为现代教育发展带来了新的机遇与挑战。现代教育技术的应用已不再停留于图文声像等媒体形式在课堂中以常规模式应用的层次上，而是朝着多媒体化、网络化、智能化、教育应用模式多样化和远程教育普及化的趋势发展。特别是基于虚拟现实技术的虚拟教学形式，是一种新近出现的教学模式，具有广阔的发展前景，代表了教育信息化的未来和发展方向。

虚拟现实技术概观

（一）什么是虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），又称为灵境技术，它汇集了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、网络技术，以及人体行为学等多项技术，是计算机技术的综合应用。具体而言，就是采用以计算机技术为核心的综合技术手段生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备，以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用，相互影响，从而产生如同处于真实环境的感受和体验。尽管该环境并不真实存在，但它作为一个逼真的三维环境，使用户“沉浸”其中。

（二）虚拟现实技术的特征

1993年，美国科学家伯迪（G Burdea）和考菲特（P Coiffet）在世界电子年会上发表的 “Virtual Reality System and Application”一文中提出了虚拟现实技术的三角形特征，即三“I”特征：沉浸感 （Immersion）、交互性 （Interactivity）、想象力（Imagination）。

沉浸感 VR的沉浸感又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，即让用户由观察者变为参与者，觉得自己是计算机系统所创建的虚拟环境的一部分，并能全身心地沉浸于虚拟实践中。沉浸感被认为是VR最主要特征，导致这种沉浸感的原因是用户对计算机环境中的虚拟物体产生了类似于面对现实物体时才有的意识或幻觉。

交互性 VR的交互性是指用户对虚拟环境中对象的可操作程度和从虚拟环境中得到反馈的自然程度。主要借助于各种专用设备（如头盔显示器、数据手套等）产生，从而使用户以自然方式如手势、体势、语言等，如同在真实世界中一样考察和操作虚拟环境中的对象。

想象力 VR的想象力是指用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身在系统中的行为，通过逻辑判断、推理和联想等思维过程，随着系统的运行状态变化而对其未来进展进行想象的能力。对适当的应用对象加上虚拟现实的创意和想象力，可以大幅度提高生产效率、减轻劳动强度、提高产品开发质量。

（三）虚拟现实系统的类型

虚拟现实技术按其功能，可分为以下几种类型，其中能够在教学中普及推广的主要是桌面式VR系统。

沉浸式VR系统 沉浸式VR系统是利用头盔显示器、数据手套、三维鼠标等传感跟踪装置与虚拟世界进行交互。由于这种系统把人的视觉、听觉和其他感觉封闭在虚拟的感觉空间，能使人全身心投入并沉浸其中。不足之处在于专用设备复杂而且昂贵，难以在教育行业普及推广。

桌面式VR系统 桌面式VR系统是运用软件编程的方法在显示器上显示三维场景。用户通过键盘、鼠标等简单的设备与虚拟场景进行交互。这种系统的缺点是由于用户坐在显示器前，通过屏幕观察虚拟世界并与之交互，往往会受到周围环境的影响，难以做到完全投入，但是它结构简单、成本较低，易于普及推广，因此，也是教学中运用最多的一种VR系统。

分布式VR系统 分布式VR系统是指基于网络构建的虚拟环境，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接并共享信息，从而使用户的协同工作达到一个更高的境界。主要被应用于远程虚拟会议、虚拟医学会诊、多人网络游戏、虚拟战争演习等领域。

增强式VR系统 增强现实性的虚拟现实系统不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要将虚拟图像叠加在真实物理对象之上，来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法产生的感受。目前主要应用于军用飞机导航、医学可视化、仪器设备的安装与修理以及辅助产品设计等领域。

虚拟现实技术应用于计算机专业教学的思考

（一）辅助课堂教学

计算机专业课程实践性和逻辑性都很强，很多知识在书本上描述难免会给学生的理解带来困难。利用虚拟现实技术制作的课件则能够很好地解决这一问题。

例如，在计算机基础课程中介绍计算机各个组件的结构和讲解计算机组装的过程时，书本的文字和图片都难以直观地、真实地让学生了解组件结构和组装的过程。教师普遍采取的教学方法就是到微机组装实验室结合实物讲解、操作与指导，这种方法固然在一定程度上解决了学生对真实感的需求，但是教师不太可能实时地手把手指导每一位学生，现在的学生普遍具备个性化特征，也未必都喜欢照教师的思路去学习和感知。为解决这一问题，我们不妨利用虚拟现实技术将文字、声音、图片、动画等几种媒体表现形式有机结合，设计出生动活泼、极具交互性和沉浸感的教学课件，满足学生从不同角度观察和从不同切入点学习与实践的需要。在教学中，学生仿佛身临其境，能更好地理解学习的内容。图1所示为虚拟主机组装操作及演示系统。

又如，在《数据结构》课程中，对于常用数据结构的算法思想，由于其抽象程度高，学生很难理解。我们也可以通过虚拟现实技术将其制作成课件进行教学。将抽象的算法过程以浅显易懂、形象直观的形式展现出来。如递归算法是学生比较难理解的，因为其算法是靠隐形调用堆栈来实现的，而通过虚拟现实技术可将堆栈内部情况的变化动态、直观、形象地表现出来，学生就很容易理解。同样在讲解树和图的遍历时，可以从可视化的角度观察遍历的顺序。二叉树与树的概念的区别、Hanoi塔等问题都可以运用虚拟现实技术直观地表现出来，方便教师的教学和学生的理解。

总之，通过虚拟现实技术制作课件来辅助课堂教学，为学生提供生动、逼真的感性学习素材和环境，能使学习更具交互性、沉浸感，使抽象的学习直观化、形象化，帮助学生解决学习中的重点和难点问题，提高学习的积极性。

（二）辅助实验教学

由虚拟现实技术生成的适用于进行虚拟实验的实验系统，通常包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象，以及导航、测试和自评等实验信息资源。虚拟实验室可以是某一现实实验室的再现，也可以是虚拟构想的实验室。

例如，在城域网和广域网的网络建设实验中，不太容易真正把网络构建起来，那么就可以运用VR技术来虚拟出一个真实的网路环境，让学生亲身体验，犹如进行现场操作。在数字电路的课程实验中，可以通过虚拟的电路器件来达到电路设计的目的，而避免购买器件带来的麻烦。在电子商务课程实验中，可以虚拟商务环境，让学生“身临其境”地体验现场交易的气氛并参与交易的过程。在进行计算机操作系统的安装和调试实验时，可以使用软件VMware创建与真实计算机一模一样的虚拟机，虚拟机有自己的CPU、内存、硬盘、光驱，同样也可以安装Windows、Linux等真实的操作系统以及各种应用程序。通过在虚拟的操作系统环境中操作，避免了对原有真实计算机操作系统可能产生的影响，同时也节省了时间，达到了事半功倍的效果。

此外，利用虚拟现实技术学生还可以进行网络设备设计、电路设计等方面的学习探索，设计出新型的网络设备和电子器件，从而激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。

通过虚拟的实验室进行实验，既可以缩短实验时间，又可以获得直观、真实的效果，还能对那些不可见的结构原理和不可重组的精密设备进行仿真实训，避免真实实验操作带来的各种危险。此外，虚拟实验具有先进性和共享性，易扩充，易于改变教学项目，可降低实验可能带来的实际风险，减少设备投入经费。教学内容在虚拟环境中能够不断更新，实验能够及时跟上技术的发展。

当然，我们也不能一味地单纯使用虚拟的实验教学手段，因为对计算机技术的学习最终还是需要“实战”的。因此，在具体实施中，应该“虚实结合”地进行。有目的地安排一些实验在真实环境中进行。这样，学生会对实验的设备有亲身体会，进而加深实验印象，提高实验效果。

综上所述，教学中让学生亲身去经历、去体验、去感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动交互与被动观看存在质的不同。虚拟现实技术能形象、生动、逼真地表现教学内容，有效地营造具有交互性和沉浸感的教学环境，提高学生掌握知识和技能的效率和积极性，达到优化教学过程、提高教学质量的目的，从而解决传统教学无法解决的问题。因此，虚拟现实技术在计算机专业教育领域应用范围是广阔的，发展潜力是巨大的。计算机专业的教师应该努力结合相关课程特点，充分发挥虚拟现实技术的优势，把计算机专业教育引向教学手段更高效、技术手段更先进的新阶段。

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（本栏责任编辑：谢良才）

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1672-5727（2011）03-0174-02

黄金栋（1979—），男，天津市人，硕士，天津天狮学院讲师，研究方向为多媒体技术与虚拟现实技术。