虚拟现实在大学计算机课程教学中的应用研究

刘祖珉 魏 琴 李思明

（成都理工大学信息科学与技术学院，四川 成都 610059）

虚拟现实在大学计算机课程教学中的应用研究

刘祖珉 魏 琴 李思明

（成都理工大学信息科学与技术学院，四川 成都 610059）

随着信息技术的发展，新的教学媒体不断涌现。近年来，虚拟现实技术得到了快速发展，作为一种新型教学手段，将其与计算机网络、多媒体技术结合，从教育技术学角度出发，应用于大学计算机课程教学中。通过相关研究，对实用的功能模块进行设计与实现。通过网络的虚拟环境，获得与真实场景等同的学习体验，从而增强学习者的自主性、创造性和积极性，提高学习效果。

虚拟现实；计算机教学；V RML

1 引言

虚拟现实技术在教育教学中的应用，开创了现代教育的崭新领域。虚拟现实与计算机仿真技术的发展，通过对现实世界的模拟，借助计算机网络，为学生提供一个逼真的学习环境，使学生成为虚拟教学系统中的参与者。通过学习角色扮演，获得真实的学习体验，对教学中的重点和难点加以熟练掌握和巩固，从而在极大程度上提高学生的学习积极性和网络教学系统的利用效率和作用。

2 虚拟现实简介

虚拟现实是计算机多种技术综合集成的结果，借助计算机图形学实现仿真场景，通过人机交互技术、传感器技术、人机接口技术来实现在虚拟场景中人与机器的互动体验，再结合人工智能技术，形成视、听、触觉为一体的虚拟环境，来获得真实的操作体验。

虚拟现实是一种具有浸没感、临场感和多维感的高级人机界面，学生能够通过多种感官与机器进行实时交互，完全置身于一个“超越现实、身临其境”的综合学习环境中。在传统的多媒体教学系统中，内容过于死板，学生在学习过程中缺乏交互，在很大程度上只能提供一种视觉上的学习体验，知识的接受也过于被动。因而传统的学习系统很多都存在利用率低、学习效果差等缺陷。而在虚拟现实系统中，通过直观形象的多途径教学内容展示，使学生在学习过程中更能获得多重感官刺激的学习资料，通过交互技术，学生也能更自主地参与学习，从思维、情感和行为三个方面参与教学活动，从而更大限度地提高系统的利用率和学生的学习效果。

3 虚拟现实与课程内容的结合

随着我国高等教育的发展，大学教育由精英教育向普及教育发展，受场地和经费的影响，实体教学设施越来越不能满足形势的发展。进入新世纪以来，我国的计算机技术得到了迅猛发展，计算机网络技术以及互联网正以惊人的速度影响着人们的生活、学习和工作，改变着人们的生活方式、学习方式和工作方式。《大学计算机基础》是为了满足时代发展对大学非计算机专业学生计算机知识结构的需要而开设的。在本校的《大学计算机基础》课程中，以计算思维为导向、以问题求解能力培养为目标，从理论与方法论的角度系统地阐述了计算机最基本的特征和问题，希望学生能够从最基本的层面掌握这些内容，并对将来正确应用计算机解决问题产生本质上的影响。学生年均人数达到8000余人，现有的实验设备完全无法满足所有实验内容的教学需求。虚拟现实技术的应用，使学习者足不出户便可以获得与真实场景学习同样的体会，很好地解决了这一问题。

《大学计算机基础》课程分理论教学与实验教学两部分内容，其中理论教学内容涵盖计算机的历史、计算思维、计算机软硬件、操作系统、算法与程序设计、数据库、网络与多媒体以及信息安全等内容。操作系统原理这一部分内容由于过于抽象，很多学生到课程结束仍无法理解。因此，对这部分内容，我们采用虚拟化技术，建立三维立体模型，以视觉的感知性，来加强学生对操作系统工作原理的理解。

实验教学内容主要包括计算机组装、办公软件、程序设计以及计算机网络组建。在计算机组装和计算机组网实验中，对于基础课而言，由于人数多，无法提供足够的硬件设备来满足学生的实验需求。在原来的教学方式中，我们主要采用实际组装视频的方式来完成这两部分的内容。通过视频学习，学生们对计算机的组装和网络组建有了一个感官上的认识，但却无法获得自己动手操作的直观感受。借助虚拟现实技术，首先通过3DMax软件来创建计算机组装和网络组建所需的硬件模型，如主板、CPU、硬盘、交换机、路由器、网线等，构建三维模型库，然后将其导入到虚拟现实平台中，学生就可以通过拖动鼠标，选取三维模型，从而实现计算机的组装和网络组建。

4 系统构建关键技术

（1）虚拟场景和情景的设计与实现。虚拟现实主要依靠计算机技术，同时借助其他输入输出设备，来生成逼真动人的三维虚拟场景，从而模拟一个客观存在的真实世界。因而，如何产生身临其境的人性化的视、听、触效果，形成三维空间和虚拟情景，是将其应用于现代教育理论和实践需要解决的关键问题。将虚拟现实应用于教学过程中，不光要实现动态环境的建模，还要求具有实时的三维图形生成技术。

虚拟现实场景的实现具有多种途径，按照其实现的技术手段可以分为Flash方法、ActiveX方法、Java方法以及VRML。VRML是一种用于建立真实世界的场景模型或虚构的三维世界的现实建模语言，它改变了网络上2D画面的状态，并能实现3D动画效果。通过创建虚拟场景以达到现实中的效果，从而可以随意地走动、浏览、与物体进行交互。目前，VRML作为Internet上基于WWW的三维互动的主流语言，通过构建一个虚拟实验室系统，给参与者提供了一个具有完善交互能力的虚拟场景，因此VRML已成为构建虚拟实验环境的理想平台。

（2）人机交互的实现。虚拟现实具有三个突出特征，即交互性、沉浸感和构想性。交互性是指参与者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度，是虚拟现实系统区别与传统网络学习系统的重要特性。在虚拟现实系统中，交互性的实现对提高学生的学习主动性、提高学习系统的使用效率，具有非常重要的作用。在交互的虚拟环境中，体验者可以通过自己的动作，改变感觉的内容，而不再是被动地感受。主要体现在两个方面：一是用户在虚拟实验场景内与虚拟对象进行交互，二是与其他用户之间的交互。

Java是Sun公司推出的新一代面向对象程序设计语言，特别适用于Internet应用程序的开发。它具有多平台应用、分布式应用以及面向对象等特点，给编程人员带来了一种崭新的概念，也使得网页内容由静态信息发布发展为现在的动态信息服务。同时，Java提供多线程功能，使得在一个程序里可同时执行多个任务，能够提供更健壮的信息服务，并能够提高交互性能和实时控制性能。因而对于虚拟现实系统中人机交互功能的实现，Java语言是一种优越的解决方案。同时，Java提供了对VRML的接口支持。Java对VRML的所有支持都可采用附加的封装类来实现。利用这两种语言实现的现代远程教育，学习者可以很方便地通过网络实现用户与虚拟场景的交互以及与其他用户的交互，可以看到虚拟对象的状态、位置，甚至对其进行添加和删除，可以与其他用户交换意见、开展讨论等。

虚拟现实技术在计算机课程教学中的应用，很好地解决了当前高校招生规模扩大与实体教学资源不足的矛盾，在很大程度上提高了学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力。

[1]刘祖珉，张士英．基于P 2 P的网络虚拟语音系统研究[J]．微计算机信息，2010，26(12)：135-136．

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[3]吴小华．V RML从入门到精通[M]．北京：国防工业出版社，2002.

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[7]尚慧萍，董润生，尚德生．一个基于We b的网络虚拟现实系统的设计与实现[J]．计算机工程，2007，33(4)：82-84．

Research on theApplication of Virtual Reality in Computer Teaching in Colleges

Liu Zumin Wei Qin Li Siming
(Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan)

With the development of information technology,some new teaching medias are emerging.In recent years,as a new teaching method,virtual reality technology has developed rapidly.From the perspective of educational technology,this technology, combined with computer network and multimedia technology,has been applied in the teaching of computer course in college. Through the related research,some practical function modules can be redesigned and realized.Through the virtual environment of the network,learners can get the same learning experience as in the real scene.Eventually it can not only enhance their autonomy, creativity and enthusiasm,but also improve their learning effect.

virtual reality;computer teaching;VRML

G434

A

1008-6609(2017)03-0062-02

刘祖珉（1977-），男，湖南武冈人，博士，讲师，研究方向为计算机应用、现代教育技术。