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【摘要】随着计算机网络的普及和虚拟现实技术的飞速发展,虚拟现实技术已成为实践教学一种重要手段。本文针对传统实践教学中存在的问题,提出了一种新的基于虚拟现实技术的实践教学方法:利用虚拟现实技术创建虚拟实验教学系统进行实践教学。虚拟实验教学系统具有优化和功能全、低成本、无危险、网络化等诸多优点,能创新实践教学的内容和方法,解决传统教学中存在的问题,真正培养学生的实践技能和创新能力。
【关键词】计算机网络 虚拟现实 虚拟实验教学系统 实践教学
一、引言
随着经济和科技的飞速发展,社会对人才培养提出了更新更高的要求,国际和国内各产业的迅猛发展需求大量的实用化创新型职业人才。传统的实践教学模式,即形式单一而枯燥的教师教、学生学的模式,学生学习处于被动,学生只是对实践内容及过程简单机械地模仿,其学习积极性和主动性没有被调动和激发,没有真正达到培养和锻炼学生的实践动手能力和创新能力的目的。人才培养过程与社会需求脱节,陈旧落后的教育理念和模式造成学生实践能力和技术创新能力较低。为适应社会对人才需求改变的新形势,培养高素质和技能全面的创新型人才,实现“国际化、实用化、个性化”的人才培养目标势在必行。
随着计算机网络和虚拟现实技术的发展和普遍应用,利用虚拟现实技术进行实践教学已成为一种趋势,也使之成为可能。基于虚拟现实技术是一种特别强有力的辅助教育工具,能解决传统实践教学中存在的问题,实现资源共享等诸多优点。由于基于虚拟现实技术的实践教学实现了人的临场化,并且营造了一种“自主学习”的环境。改变了以往实践教学的被动性,参与者与虚拟环境是相互作用、相互影响的一个整体的两个方面,因此学生通过自身与信息、环境的相互作用来获得知识和技能。这种主动的新型的学习方式替代了传统的“以教促学”的旧的学习方式,加快了学生对知识的掌握与深化,培养了学生的实践能力和创新能力,同时,为学生提供了多样化、实用化、个性化的学习环境,充分发挥了教与学的能动作用,提高了创新型人才的培养效果。
二、虚拟现实与虚拟实验教学系统
1.虚拟现实的概念和技术特征
虚拟现实(VirtualReality.简称VR)是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科,对该技术的研究始于20世纪60年代。进入90年代,虚拟现实技术开始作为一门较完整的体系受到人们极大的关注。
虚拟现实是利用计算机、通过自然技能、使用传感设备生成一个逼真的三维虚拟环境的新技术。它与传统的模拟技术完全不同,是模拟环境、视景系统和仿真系统三者的有机结合。目前,虚拟现实技术已广泛应用于军事、航空航天、工程建筑、城市规划、医学、机械制造、教育、科研、金融、娱乐等领域。
虚拟现实最本质的特征是用户对虚拟场景的沉浸,它要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其中的和谐人机环境,也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。能够达到或者部分达到这样的目标的系统,包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法,统一起来就称为虚拟现实系统。
虚拟现实技术在实验教学中具有其他媒体不可比拟的优势,主要由于其具有以下几个特征:沉浸性,指虚拟现实系统可以是参与的学习者完全沉浸在由虚拟现实系统所创建的环境中;交互性,指学习者在虚拟现实环境中可以和周围的物体发生互动,比如:对机床进行操作;多感知性,指为学习者提供诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,以获得身临其境的感受;实体自主性,指虚拟现实系统中物体运动的设计依据物理运动定律。
2.拟实验教学系统
将虚拟现实技术与实验教学相结合,能建造实践教学所需的虚拟实验教学系统。虚拟实验教学系统主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块、3D建模库和建模模块构成。主要设备包括高性能的计算机软硬件及各类传感设备、跟踪设备、控制球、三维立体声耳机以及一些作用器件,如:摄像机、压力传感器、视觉跟踪器、惯性仪、语音识别设备等,以便将学习者的操作转换为施加到虚拟系统中的物体上的作用信息,并将虚拟系统中物体形象、动作、声音进行转换,通过反馈使人能获得视觉、听觉、触觉等方面的感觉。
(1)虚拟实验室的核心部件是虚拟仪器
虚拟仪器充分利用当代先进科技的产品和技术,如:PXI总线技术、模块化数据采集、Active X技术等。虚拟实验室的体系结构如图1所示。
虚拟仪器的硬件主要由计算机、传感器和信号与处理模块构成,完成对被测信号的采集、传送、显示输出结果。信号与处理模块主要有数据采集卡或PXI仪器模块、VXI仪器模块、GPIB接口模块,目前应用较多的是VXI仪器模块和数据采集卡。
(2)虚拟仪器的软件是用核心来完成大部分实验过程
目前,常用的软件开发技术有面向对象的编程技术和图形化编程技术。我们将采用VB和NI公司提供的LabVIEW,LabVIEW直观的图形化开发环境提供了强大的工具,内置用于仿真、数据采集、仪器控制、测量分析以及数据显示等各种功能,是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。根据所完成的功能不同,可将虚拟仪器系统的软件分为3个层次:仪器驱动层、应用程序层和系统操作层。仪器驱动模块主要用于虚拟仪器的初始化,设置参数和工作方式,使虚拟仪器保持所需的工作状态;用户通过应用程序模块编程来对采集的数据进行处理;系统操作模块提供了仪器与用户的接口,用户可通过操作界面上的开关和按钮来实现对虚拟仪器的操作,从而达到模拟传统仪器的各种操作的目的。
三、虚拟现实技术在实践教学中的应用
虚拟现实技术应用于实践教学是教育技术发展的一个飞跃:
1.基于网络的虚拟现实技术是一种特别强有力的辅助教育工具,能帮助学生不论在实践室还是在外都能操作和控制测试仪器,增加了学生的动手实践的机会,使理论教学和实践教学一体化。在理论教学中可以实时地调用网络中的相关的虚拟零件和装配机器,可以最大限度的利用资源,提高教学效率和学生的临场感觉,缩短理论和实践的距离。例如:使用虚拟现实技术创建远程网络虚拟实验室,学生通过认证远程登录、操作,实时动态地显示虚拟实验设备、仪器以及相关操作的结果,真实的了解实际设备的型号、规格等外观表现与性能参数,能够掌握目前实际使用的设备性能,不会造成理论与现实的脱节。
2.利用多媒体技术、仿真技术与虚拟现实技术相结合的方法,建立有别于传统实践室的现代化实践基地。教师可以根据实验的需要设计出各种虚拟仪器;学生可以根据所学的专业知识,自己选择实验内容,根据实验要求,自行设计实验方案,自行设计各种软件面板,定义仪器的功能,并以各种形式表达输出结果,进行实时分析,培养学生的创新和科研能力。
3.可采用虚实结合的形式,虚拟现实与实物使用相互作用的方法,即让学生动手实践操作真实的仪器和器件,让其对测试和仪器有亲身体会,印象深刻,而对于某些控制过程或有危害的环境则用计算机虚拟完成。这样,既继承了传统教学的优点和长处,又解决了不足之处。另外,还可让学生利用虚拟现实技术,将自己设计零件、编写程序或其它工艺方案在计算机虚拟环境中模拟,实现其功能和目标,而不必将它们真正制造出来,就能达到“亲身体验”的效果。一般在仿真试验教室就可以完成这个过程。这样,采用虚拟现实技术既可以缩短操作训练的时间,又可以获得直观、真实的效果,还能对那些不可视的结构原理和不可重组的精密设备作仿真实践训练,既培养了学生独立操作、维护检修的技能,又培养了学生自我训练的意识和创新的能力。
4.利于挖掘实践教学的潜能。引入虚拟现实技术可以改善职业技术教育实践教学的教学环境,提高教学质量,适应当今职业技术教育改革和扩招的发展需求。采用基于网络的虚拟现实技术,可较容易地增加具有高新技术的实践,引导学生接触新知识、新技术,开发学生的智能,增强跨学科研究的意识。
四、结论
虚拟实验教学系统融合了计算机网络技术、虚拟现实、多媒体技术具有优化和功能全(虚拟设备和设施易于升级和优化)、低成本(对元器件和设备库,可以无限复制和组合,减少人为损坏,弥补实际教学不足)、无危险(有毒的化学实验,高压强电的实验,虚拟实验系统的建造可以免除人身伤害的风险)、网络化(利用Web提供的协同虚拟技术,可以实现多人合作、远程实验和协同操作)等诸多优点,是今后实践教学研究的一种新型模式。它对发展现代教育思想,提高教学水平,改善实践环境,优化教学过程,增强实践动手能力,培养具有创新意识和创新能力的人才将会产生深远的影响。
【参考文献】
1.张晓英、祖大鹏:基于虚拟仪器的虚拟实验[J],高师理科学刊,2002,(4)
2.曹军义、刘曙光:虚拟仪器技术的发展与展望[J],自动化与仪表,2003,(1)
3.杨乐平:虚拟数字示波器的设计与实现[J],电子技术应用,2000,(7)
4.汪敏生:LabVIEW基础教程[M],电子工业出版社,2002
5.labVIEW Use ManualNationalInstruments Corporation 1999
(作者单位:410205湖南省长沙市湖南财政经济学院)
【关键词】计算机网络 虚拟现实 虚拟实验教学系统 实践教学
一、引言
随着经济和科技的飞速发展,社会对人才培养提出了更新更高的要求,国际和国内各产业的迅猛发展需求大量的实用化创新型职业人才。传统的实践教学模式,即形式单一而枯燥的教师教、学生学的模式,学生学习处于被动,学生只是对实践内容及过程简单机械地模仿,其学习积极性和主动性没有被调动和激发,没有真正达到培养和锻炼学生的实践动手能力和创新能力的目的。人才培养过程与社会需求脱节,陈旧落后的教育理念和模式造成学生实践能力和技术创新能力较低。为适应社会对人才需求改变的新形势,培养高素质和技能全面的创新型人才,实现“国际化、实用化、个性化”的人才培养目标势在必行。
随着计算机网络和虚拟现实技术的发展和普遍应用,利用虚拟现实技术进行实践教学已成为一种趋势,也使之成为可能。基于虚拟现实技术是一种特别强有力的辅助教育工具,能解决传统实践教学中存在的问题,实现资源共享等诸多优点。由于基于虚拟现实技术的实践教学实现了人的临场化,并且营造了一种“自主学习”的环境。改变了以往实践教学的被动性,参与者与虚拟环境是相互作用、相互影响的一个整体的两个方面,因此学生通过自身与信息、环境的相互作用来获得知识和技能。这种主动的新型的学习方式替代了传统的“以教促学”的旧的学习方式,加快了学生对知识的掌握与深化,培养了学生的实践能力和创新能力,同时,为学生提供了多样化、实用化、个性化的学习环境,充分发挥了教与学的能动作用,提高了创新型人才的培养效果。
二、虚拟现实与虚拟实验教学系统
1.虚拟现实的概念和技术特征
虚拟现实(VirtualReality.简称VR)是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科,对该技术的研究始于20世纪60年代。进入90年代,虚拟现实技术开始作为一门较完整的体系受到人们极大的关注。
虚拟现实是利用计算机、通过自然技能、使用传感设备生成一个逼真的三维虚拟环境的新技术。它与传统的模拟技术完全不同,是模拟环境、视景系统和仿真系统三者的有机结合。目前,虚拟现实技术已广泛应用于军事、航空航天、工程建筑、城市规划、医学、机械制造、教育、科研、金融、娱乐等领域。
虚拟现实最本质的特征是用户对虚拟场景的沉浸,它要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其中的和谐人机环境,也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。能够达到或者部分达到这样的目标的系统,包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法,统一起来就称为虚拟现实系统。
虚拟现实技术在实验教学中具有其他媒体不可比拟的优势,主要由于其具有以下几个特征:沉浸性,指虚拟现实系统可以是参与的学习者完全沉浸在由虚拟现实系统所创建的环境中;交互性,指学习者在虚拟现实环境中可以和周围的物体发生互动,比如:对机床进行操作;多感知性,指为学习者提供诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段,以获得身临其境的感受;实体自主性,指虚拟现实系统中物体运动的设计依据物理运动定律。
2.拟实验教学系统
将虚拟现实技术与实验教学相结合,能建造实践教学所需的虚拟实验教学系统。虚拟实验教学系统主要由检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块、3D建模库和建模模块构成。主要设备包括高性能的计算机软硬件及各类传感设备、跟踪设备、控制球、三维立体声耳机以及一些作用器件,如:摄像机、压力传感器、视觉跟踪器、惯性仪、语音识别设备等,以便将学习者的操作转换为施加到虚拟系统中的物体上的作用信息,并将虚拟系统中物体形象、动作、声音进行转换,通过反馈使人能获得视觉、听觉、触觉等方面的感觉。
(1)虚拟实验室的核心部件是虚拟仪器
虚拟仪器充分利用当代先进科技的产品和技术,如:PXI总线技术、模块化数据采集、Active X技术等。虚拟实验室的体系结构如图1所示。
虚拟仪器的硬件主要由计算机、传感器和信号与处理模块构成,完成对被测信号的采集、传送、显示输出结果。信号与处理模块主要有数据采集卡或PXI仪器模块、VXI仪器模块、GPIB接口模块,目前应用较多的是VXI仪器模块和数据采集卡。
(2)虚拟仪器的软件是用核心来完成大部分实验过程
目前,常用的软件开发技术有面向对象的编程技术和图形化编程技术。我们将采用VB和NI公司提供的LabVIEW,LabVIEW直观的图形化开发环境提供了强大的工具,内置用于仿真、数据采集、仪器控制、测量分析以及数据显示等各种功能,是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。根据所完成的功能不同,可将虚拟仪器系统的软件分为3个层次:仪器驱动层、应用程序层和系统操作层。仪器驱动模块主要用于虚拟仪器的初始化,设置参数和工作方式,使虚拟仪器保持所需的工作状态;用户通过应用程序模块编程来对采集的数据进行处理;系统操作模块提供了仪器与用户的接口,用户可通过操作界面上的开关和按钮来实现对虚拟仪器的操作,从而达到模拟传统仪器的各种操作的目的。
三、虚拟现实技术在实践教学中的应用
虚拟现实技术应用于实践教学是教育技术发展的一个飞跃:
1.基于网络的虚拟现实技术是一种特别强有力的辅助教育工具,能帮助学生不论在实践室还是在外都能操作和控制测试仪器,增加了学生的动手实践的机会,使理论教学和实践教学一体化。在理论教学中可以实时地调用网络中的相关的虚拟零件和装配机器,可以最大限度的利用资源,提高教学效率和学生的临场感觉,缩短理论和实践的距离。例如:使用虚拟现实技术创建远程网络虚拟实验室,学生通过认证远程登录、操作,实时动态地显示虚拟实验设备、仪器以及相关操作的结果,真实的了解实际设备的型号、规格等外观表现与性能参数,能够掌握目前实际使用的设备性能,不会造成理论与现实的脱节。
2.利用多媒体技术、仿真技术与虚拟现实技术相结合的方法,建立有别于传统实践室的现代化实践基地。教师可以根据实验的需要设计出各种虚拟仪器;学生可以根据所学的专业知识,自己选择实验内容,根据实验要求,自行设计实验方案,自行设计各种软件面板,定义仪器的功能,并以各种形式表达输出结果,进行实时分析,培养学生的创新和科研能力。
3.可采用虚实结合的形式,虚拟现实与实物使用相互作用的方法,即让学生动手实践操作真实的仪器和器件,让其对测试和仪器有亲身体会,印象深刻,而对于某些控制过程或有危害的环境则用计算机虚拟完成。这样,既继承了传统教学的优点和长处,又解决了不足之处。另外,还可让学生利用虚拟现实技术,将自己设计零件、编写程序或其它工艺方案在计算机虚拟环境中模拟,实现其功能和目标,而不必将它们真正制造出来,就能达到“亲身体验”的效果。一般在仿真试验教室就可以完成这个过程。这样,采用虚拟现实技术既可以缩短操作训练的时间,又可以获得直观、真实的效果,还能对那些不可视的结构原理和不可重组的精密设备作仿真实践训练,既培养了学生独立操作、维护检修的技能,又培养了学生自我训练的意识和创新的能力。
4.利于挖掘实践教学的潜能。引入虚拟现实技术可以改善职业技术教育实践教学的教学环境,提高教学质量,适应当今职业技术教育改革和扩招的发展需求。采用基于网络的虚拟现实技术,可较容易地增加具有高新技术的实践,引导学生接触新知识、新技术,开发学生的智能,增强跨学科研究的意识。
四、结论
虚拟实验教学系统融合了计算机网络技术、虚拟现实、多媒体技术具有优化和功能全(虚拟设备和设施易于升级和优化)、低成本(对元器件和设备库,可以无限复制和组合,减少人为损坏,弥补实际教学不足)、无危险(有毒的化学实验,高压强电的实验,虚拟实验系统的建造可以免除人身伤害的风险)、网络化(利用Web提供的协同虚拟技术,可以实现多人合作、远程实验和协同操作)等诸多优点,是今后实践教学研究的一种新型模式。它对发展现代教育思想,提高教学水平,改善实践环境,优化教学过程,增强实践动手能力,培养具有创新意识和创新能力的人才将会产生深远的影响。
【参考文献】
1.张晓英、祖大鹏:基于虚拟仪器的虚拟实验[J],高师理科学刊,2002,(4)
2.曹军义、刘曙光:虚拟仪器技术的发展与展望[J],自动化与仪表,2003,(1)
3.杨乐平:虚拟数字示波器的设计与实现[J],电子技术应用,2000,(7)
4.汪敏生:LabVIEW基础教程[M],电子工业出版社,2002
5.labVIEW Use ManualNationalInstruments Corporation 1999
(作者单位:410205湖南省长沙市湖南财政经济学院)