VR虚拟现实的理念实现与教学研究

摘要: 虚拟现实技术正从贵族化走向平实,从试验室走入我们的生活。如果说二十一世纪影响人类社会生活的最伟大的革命是数字化技术的推广,那么最伟大的数字化技术成果就是虚拟现实。这一技术正在深刻地影响和改变着我们的生活,从此我们的生活展现了两个截然

  摘要:虚拟现实技术正从贵族化走向平实,从试验室走入我们的生活。如果说二十一世纪影响人类社会生活的最伟大的革命是数字化技术的推广,那么最伟大的数字化技术成果就是虚拟现实。这一技术正在深刻地影响和改变着我们的生活,从此我们的生活展现了两个截然不同的世界:一个是我们所处的现实世界;另一个是基于计算机仿真的虚拟世界。两种世界的不断交织,闪现着人类智慧和创造力的火花。探索虚拟世界的奥秘成了我们学习和工作的一部分。
  由于虚拟现实技术是动态的,不断发展的。从最初的VRML(虚拟现实建模语言)到当今百花齐放的X3D技术,令人目不暇接。但所谓万变不离其宗,VR技术作为经典的呈现方式是当今所有最先进的虚拟现实技术的本源。鉴于此,课题重点分析了VR的技术细节。同时也兼顾了当今最先进的虚拟现实技术及其构造平台,并且在实际应用方面作了详细的讲解。
  本论文在撰写过程中,最大的特色是注重理论与教学实践的结合。采用大量的图例配合具体的研究或设计实例。可以为虚拟现实研究人员提供设计思路和制作方法。
  关键词:虚拟现实;VR;虚拟教学;虚拟技术
VR虚拟现实的理念实现与教学研究

  1绪论

  随着科技和计算机技术的不断发展,出现了虚拟现实,它是建立在高科技计算机技术为基础而形成的一种虚拟环境,能够给人们带来形象逼真的感官体验,并且通过特定装置或仪器设备,利用独特手段,在虚拟环境中与目标对象进行互动和交流,从而让体验者得到一种身临其境的逼真体验。1965年,相关单位发布了一篇报告,即《终极的显示》,在该报告中,率先提出了虚拟环境,并对其做了界定。1980年,创建美国VPL公司的JaronLanier也提出了这一概念。自此以后,随着科技的发展以及不断的优化升级,VR技术被普及,并被广泛应用到各行各业中,而且逐渐发展成熟。
  在互联网时代背景下,各项技术都得了提高和发展,当然计算机技术也不例外,由于该技术逐渐的被各行各业所应用,极大地促进了VR技术的发展。随着VR技术的不断发展,目前已有学术界的学者开始研究该技术的相关理论,比如数字图像处理、人工智能、模式识别等。此外,在虚拟技术的应用和发展过程中,离不开其他学科的密切配合,比如数学学科、信息学科、物理学科、美学学科等。

  1.1课题的研究背景和意义

  1.1.1研究背景
  随着信息技术、数字技术以及计算机技术的发展,人类开始进入数字信息时代,由此产生了现代信息技术,这项技术不仅对人们的工作、思想、学习、生活等方面产生了极大的影响,而且也改变了人们的生活模式和生产方式,同时对教育改革、教学调整等也起到了一定的促进作用。基于此种情形下,创新改革教育手段是未来发展的必经之路,尤其是从文字形态转变成图像形态、从3D技术发展延伸到虚拟技术等方面。此外,由于网络技术的不断发展和广泛应用,信息网络早已对人们的生活、工作、学习等方面产生了极大的影响,而对于教育领域来讲,也将随着网络技术的发展而迎来全新的网络教育时代。将互联网技术和VR技术充分结合起来,不仅对高科技应用到人们的日常生活中会起到一定的推动作用,而且对我国建设和发展现代教育也是非常有利的。
  虚拟现实技术指的是通过计算机模拟出真实或非真实的3D场景,通常也被称为VR技术。VR技术是一种能够虚拟现实的高级技术。在虚拟仿真时,必须基于互联网技术、计算机软硬件等手段之上,让用户能够进行动态人机交互,从而形成一个虚拟的真实场景。通过这项技术所形成的虚拟空间可以将人类的深层思想以及丰富想象力充分体现出来,人们不仅可以在这个空间中学习、生活、工作等,而且其还会为人带来很多难以想象的体验和感受。随着这项技术的出现及其发展,虚拟的现实世界开始在人类生活中出现,并逐渐演变成一种有形物体,比如虚拟家庭、社区、语言、培训、交流等多种多样的模式,由此可见,虚拟数字世界的出现开始转变成社会生活中真正存在的实物。
  1.1.2研究意义
  在教育教学环节中,将VR技术运用进去,形成了全新的虚拟教学,不仅能够将其科技优势通过虚拟教学充分体现出来,而且还是未来教育发展和信息发展必不可少的手段,在教育行业中,有着极大的应用前景。通过相关实践证明,未来教育工作者在开展教学工作时,教学模拟是一个非常关键且常用的手段。教学模拟是依托于计算机之上,搭建分析模型,进行模拟仿真,将某些逻辑关系、逻辑结构等展示给学生,让他们能够直观感受和体会,身临其境的去观察各个知识点之间的关系和详细结构,从而理性了解和掌握理论知识。教学模拟通过创建相应的模型,不仅可以将具体知识结构充分反映出来,而且还能通过动态形式将教学者的理想知识结构充分表达出来。从目前的实际教学来看,教学模拟软件的具体用法有无数种,比如智能导师、实验法、游戏法、体验法等。
  通过虚拟现实技术创建的学习系统,可以让学生在这个系统中随心所欲的学习,学生之间还可以相互交流、相互讨论、相互督促,学习能力和学习成绩处于不同层次的学生,也可以在相同环境中进行互动学习。以AI技术和计算机技术为基础创建的虚拟情景,不仅可以为师生提供具有良好学习氛围或教学氛围的环境,而且还对传统教学缺乏生动性和情景性的情况起到了一定的弥补作用。从传统教学方面来看,基本上就那么几个常用的情景,根本没有进行创新和改进,而且师生互动方式、学生学习方式都不够多元化,导致整个课堂教学中,没有既生动又丰富的表现力,无法对学生的感官起到一定的刺激作用,导致出现不和谐的学习氛围,整个课堂教学无法取得预期的良好效果。通过VR技术创建一个和谐的、极具真实性的学习场景,以此来为教师提高教学技能、采用多元化教学手段、不同的表达方式,从而提高教师教学效率,增强教学效果。将VR技术真正运用到课堂教学过程中时,还可以创建一个虚拟教室,在这个教室中,通过互联网、多媒体技术、信息技术等来营造出一个虚拟教学的学习环境,摆脱传统教学受限于实体教室的束缚,同时还能开展动态互动学习、互动教学、异步通信等活动。此外,虚拟教室这种教学形式,具有非常明显的开放性特征,各种信息的传递都必须基于平等主体之上,如此来看,不仅创新了教学模式,而且还能将各个方面的信息和各种优势资源充分利用起来,实现资源信息共享。因此,虚拟教学在现代教育教学和未来教学中,具有一定的优势。
  随着教育教学的发展,VR技术不断渗入到各个学科教学中,其发挥了不可忽视的作用,尤其是在工学、史学、地理学等学科中产生了极大的影响。大卫特布劳在研究这个方面时,建议创建虚拟现实历史室,并指出,学生可以通过这个虚拟教室来学习历史知识,也可以将其充分利用起来创建有历史意义的虚拟系统。此外,他还指出,这个虚拟教室还可以为教师提供一个可以开展历史教学活动的环境,在这之中,学生可以同VR技术进入到各个大洲,享受一场美梦成真的旅行盛宴。在物理课堂中,通过该技术创建的课堂环境,学生能够在这个环境中亲自观察各种微粒子,了解他们的运动、碰撞等,从而加深学生理论知识的理解和掌握。此外,学生还可以通过三维动画来模拟出水蒸气等自然现象。从这几个方面可以明显看出,将该项技术运用到学科教学活动中,不仅能够将学生学习的积极性和学习情绪充分调动起来,而且还能将师生的想象力激发出来,从而达到预期教学效果。
  开展教学活动,没有相关技术作为支撑,是无法取得良好效果的,由此可见,随着教学技术的不断发展,教学手段、教学方式等都需要与时俱进,不断创新改革。先进的教学技术,不仅能够减少不良行为的发生,而且对人类转变教学思维理念、教学模式等有极大帮助。因此,在不断推广和普及VR技术的情形下,应该重视虚拟教育的发展。由于经常受制于传统教学思维,教学技术得不到提高、教学效果也不显著,随着虚拟教育的出现,为教育领域带来了新机遇,不仅丰富了教学模式,而且还创新了教育模式,是以往任何时代的教育模式都无法比拟的。这种模式为现代教育指明了发展方向,同时对创新和转变教学思想起到了一定的促进作用。

  1.2国内外研究现状

  1.2.1国外现状
  从目前国外的各种教学方面来看,已经有很多学科开始广泛应用VR技术,比如医学、体育、军事等,这种技术为教育从业者提供了一种理想型的教学模式,并且能够起到一定的效果。美国最先提出虚拟现实技术,而且美国有很多专门研究这项技术的科研机构,由此可见,全球VR技术的整体水平与美国的这项技术水平有莫大关联,从某种程度上来讲,后者可以代表前者。
  1992年,美国的东卡罗琳娜大学创建了VR技术与教育实验室。其主要用来研究该项技术是否可以用到教育教学中,通过研究,评价这项技术的相关方面,比如硬件方面、软件方面等,从而为未来研究该项技术在教学过程中的应用,仔细观察该项技术对教育教学的营销会产生什么样的影响,同时对比分析基于该技术之上的教学所取得的成效和其他教学方式所取得的成效,最终从多个方面着手来研究这项技术。
  美国教育界非常重视这项技术的应用。1994年,美国实施了一个流动教学计划,这个计划是由华盛顿大学和西屋科学基金会共同制定的,将虚拟设备安装在车辆上,在各个学校中开展流动教学,为中小学生提供基于这项技术之上的教学服务。实施这个计划主要是想为中小学生营造更多的教学情景,让这些学生能够有更多机会享受直观教学,从而将他们的学习积极性充分激发起来,不断提高他们的领悟能力和学习水平。
  西欧地区也对这方面做了相关研究,尤其是英国研究的最多,一直领先他国。英国某中学成功创建了一个基于VR技术之上的教育工程,在这个工程项目内部,运用了大量的VR软件包,此外,还探究了怎样在英语培训、生产安全培训等方面运用该项技术。诺丁汉大学实施了VIRART项目,研究了VR技术应用到教育界和学术界的情况,而该校开展这个项目,主要是为了将该项技术应用到桌面输入设备上。
  1.2.2国内现状
  最近几年,我国学者开始研究VR技术运用到各个领域的相关课题,尤其是高校学者研究最多。比如北京航天航空大学研究了VR技术应用到分布式飞行模拟中的情况。浙江大学研究了VR技术应用到建筑学上的情况,尤其是虚拟规划和虚拟设计两个方面的研究。清华大学对临场感做了相关研究。哈尔滨工业大学对人机交互的相关方面做了研究。此外,我国还有很多高校也对该技术的应用做了相关研究,比如北方工业大学、复旦、上交大、西安交大等。从整体上来看,我国主要从以下几个方面来研究该项技术应用到教育领域的情况:
  (1)虚拟仿真校园
  在校园中开展教育教学活动与校园环境、文化氛围、学习氛围等有莫大关系。基于VR技术之上,可以模拟仿真出一个相对真实的虚拟校园环境,这样就形成了虚拟仿真校园,这也是在早期教育中运用VR技术所形成的产物。
  天津大学根据VR技术的国际标准,并结合SGI硬件平台,研制出虚拟校园,它是从早期浙江大学研制的虚拟校园演变而来。这种将VR技术运用到教育中并将两者充分结合起来的方法,具有极大的推广作用,而且对双方的发展也会起到一定的促进作用。随着互联网技术的发展、互联网的广泛应用,人们对校园环境的关注点已经开始发生转变,不再仅仅以浏览观察校园环境为主,而是转变成迫切希望可以通过3D技术来对教学环境、教学模式、校园生活等方面加以了解。基于此,虚拟校园系统应运而生,并备受人们的喜爱和关注。在创建该项技术系统时,需要注意将其真实性、互动性、情景性等特点充分体现出来。将该技术与教育充分结合起来,不仅可以对教育创新改革起到一定的推动作用,而且对教育朝着更加全面的方向发展也是极有利的。
  中央广播电视大学以互联网技术为基础,开发出游戏图形引擎,同时还将本校具体功能与该引擎对接关联起来,从而使VR技术得到了极大的推广和运用。
  (2)虚拟教学
  由于VR技术具有交互性等特点,再加上理工科教育教学过程中也急需这些特征,因此该技术在这类学科中被广泛应用,特别是物理、机械、土建等,充分将这项技术应用到理工科中,对于这些学科开展教学活动是非常有利的。
  同济大学建筑学院自主建立了一个虚拟现实实验室,实验室中安装了很多配套的高端设备设施,学生可以在这个实验室中仿真建筑结构、土建构造等。实验室中的配套设备被广泛应用到建筑教学活动中,在这种教学模式下,学生能够系统性的掌握知识,并且能够加深所学知识的印象,此种教学模式的盛行,极大的促进了该技术在教育行业中的推广和应用。西南大学在研究工程漫游时,也将VR技术应用到工程项目中,并起到了一定的效果。该校还学习和借鉴了国际顶尖仿真技术,并以这些仿真技术为基础,研制出与国际标准相符的计算机仿真产品和虚拟现实应用产品等。因此,在很多需要体现交互性特征的仿真中,都应用了VR技术,并取得了非常不错的成果。
  中国科技大学将VR技术应用到物理实验研究中,积累了无数丰富宝贵的经验。目前,该校利用这项技术研制出以下几种相对稳定成熟的产品。
  ①广播电视大学物理虚拟实验
  根据广播电视大学制定的教学大纲开发出了广播大学物理虚拟实验软件,该软件的主要内容、重点难点等都与该校的实际要求非常接近,因此,这款软件备受该校师生的喜爱,并且也是非常符合该校物理教学的软件。利用该软件做各种物理仿真实验,不仅可以让学生更加形象、更加系统的了解和掌握物理知识、物理实验方法、仪器构造等,而且还能起到传统实验无法比拟的效果,提高学生的观察能力和实验能力,增强学生的实际操作能力,从而为学生更加深刻的掌握物理知识提供帮助。此外,通过这个软件来操作物理实验,还能在潜移默化中激发学生热爱物理实验的激情,提升这方面的兴趣,提升学校的整体物理实验教学水平,从而对创新改革该教学起到一定的促进作用。
  ②大学物理仿真实验(基于局域网)
  基于VR技术之上,该校开发出大学物理仿真实验软件,该软件创新了物理实验教学模式,其主要通过计算机来将教学内容、教学要求、学生实验操作等多个方面有效结合起来。比如基本物理策略、测量方法的误差分析、设计性实验等。此外,该软件还涉及多个学科,比如电子、力学、光学等。
  ③几何光学设计实验平台
  该软件是我国首套基于VR技术之上研制而成的教学软件,其能够有效结合多种技术来创新物理教学模式,比如计算机技术、VR技术等,还能为该教学提供辅助教学技术。该软件运用3D方式进行模拟教学,将教学内容、实验方法、物理实验仪器等多个方面与计算机技术有效结合起来,同时采用纯3D表现方法,让学生在空间足够大的虚拟实验室中做各种物理实验,而且学生还可以利用VR眼镜技术来将真实的3D场景呈现出来,从而真正实现桌面式虚拟现实设计的水平。
  ④大学物理虚拟实验远程教学系统
  由于目前很多网络远程教学的水平普遍不高,因此难以研发出教学水平相对较高的大学物理虚拟实验远程教学系统。教师在开展教学活动时,可以将这个系统充分利用起来,对各个地区、各个层次的学生进行动态的或非动态的分布式教学。而从学生层面来讲,学生可以从自身能力和水平出发,选择合适的时间、合适的地点接受教师的指导和帮助,并且完成所有的物理实验,同时直接在线上提交实验报告。
  随着科技的不断发展,无论在哪个领域,都开始广泛应用互联网技术、VR技术、多媒体技术等,并且在各行各业中,这些技术都有着良好的发展前景。从教育行业来看,VR技术的出现,为其发展和创新改革带来了无穷无尽的动力。在未来发展过程中,应该将不同先进技术综合利用起来,同时将这些技术充分融合在一起,从而极大地促进教育事业的发展。

  1.3本文的研究目标和内容

  1.3.1研究目的
  (1)深入了解VR技术,并对其应用、特征、含义等进行分析;
  (2)分析研究VR技术应用到教育行业的国内外现状,并采取合理方案来促进该技术在教育行业中的创新与应用;
  (3)以VR技术为基础,创建虚拟教学理论模型,并研究和分析与之相关的各种开发案例,为未来教师开发虚拟教学课件提供相应的参考建议;
  (4)定和采取合理方案,创建虚拟教学环境,并在这个环境中将VR技术的作用充分发挥出来。在未来开展教学活动过程中,可以利用该技术来创建具有多种特点的虚拟教学环境,比如具有极强的交互性、空间非常逼真、实时等。
  1.3.2研究内容
  随着VR技术出现以后,各行各业都开始应用该技术,使得该技术得到了普及。但是,从具体发展情况来看,在教育行业中很少有人使用该技术,而且学术界也只有极少数的学者在研究该技术应用到教育行业的案例,因此,在这方面的相关研究文献不多,而且截止目前,还没有形成相对完整的理论,也没有太多有用的研究成果。基于此种情形下,本文深入研究和分析了VR技术,并从教育行业为切入点,从多个方面研究了该技术应用到教育行业的现状。

  2虚拟现实的相关概念

  2.1基本概念与理论

  VR来自于英文单词VirtualReality,取其首字母组合而成,翻译成中文就是虚拟现实。上个世纪80年代初,首次提出这一概念,其指的是以计算机技术和传感技术为基础,创造出一种全新的人机交互方式。从目前虚拟现实的界定来看,还没有严格的界定说法,但是可以明确指出的是,其是一种能够建立虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机技术形成一种虚拟环境,是一种能够将多个方面整合在一起的仿真系统,并且有着良好的发展前景。
  VR有相对全面的论述,同时还明确了未来应用方向和研究方向,尤其是在虚拟现实环境领域中的应用和研究。可以这样来讲,该技术将多种科技融合在一起,比如计算机技术、显示技术、传感器技术等,并在多维空间中建立一个虚拟环境,能让用户有亲自参与到其中的沉浸感,同时还能与环境进行良好的交互,对启发构思有一定的帮助。因此,VR环境系统具有非常明显的三个基本特征,即沉浸、交互、构想。VR技术的重点就在于建模和仿真。
  VR技术不仅受到计算机领域的重点关注,而且还受到其他行业领域的关注,比如电视会议、互联网技术等,这些领域正在朝着分布式虚拟现实方向发展。该技术已经成为设计、研发、创新生产新产品必不可少的一种技术。在所有与VR技术相关的研究中,协同工作方面的研究是其未来研究重点,也是未来的应用热点,这个方面的研究会产生新的技术问题,比如人为因素、互联网技术问题、数据库技术问题等。从人为因素方面来看,目前已经在研究两个以上的参与者在相同虚拟空间中怎样进行交互等。以VR环境为基础进行协同设计,设计组的成员都已在虚拟空间环境中进行工作,比如针对虚拟对象来讲,可以对其进行操作、评估、探讨、重新设计等。分布式虚拟环境能够让不同地区的设计者面对同样的虚拟设计对象,并在这个环境中开展工作,利用相同的声音工具、视频工具等来进行设计,不仅能够消除和弥补设计方面出现的不足,而且还能缩短产品上市周期,同时对提高产品质量也是极为有利的。此外,在生产制造虚拟样机、支持虚拟样机技术等方面,VR已经成为其必不可少的工具。

  2.2行业前景

  从目前VR技术的发展情况来看,用户层面有了非常不错的发展,而且给用户带来了良好的体验,但是从行业层面来讲,该技术的发展还没有进入稳定期,依旧处于成长阶段,无论是哪个方面,对于该技术的应用和发展都显得较弱。VR是未来发展必不可少的一种技术,这是不用怀疑的,但是从目前的发展现状来看,其市场仅是一股小火苗。虽然VR能够应用到各行各业,各个层面的人群都可以使用,但从大众用户层面来看,其还未成为他们的刚需。
  社会各界人士都对VR的未来发展有信心,这是因为它是随着科技发展而形成的一种新技术,是经济水平不断提高下,人们产生多元化需求的产物,是顺应时代发展产生的新事物。从表面来看,其可以给用户带来视听盛宴,并提升到一个新高度,这是其核心价值。从深层来看,其意义无以言之。从目前全世界生产的VR设备来看,大部分都是以眼镜盒头盔为主。从我国这方面的发展情况来看,基本能够赶上国际平均水平,不过从规模上来讲,还有极大的提升空间。在全世界范围内,一般存在下面几个突出的问题:第一,设备不能为用户带来极佳的体验感;第二,内容不够丰富,很难满足用户多元化需求;第三,没有统一的行业标准和规范。不过有一点可以看出,以往认为无法解决的问题都将完美解决。
  从以往的图像处理和信息处理环境来看,开展工作时都是人配合计算机,而理想目标是想在未来发展过程中,逐渐实现计算机配合人,让人们可以通过各种指令来处理信息、图像等,比如通过手势、肢体语言来参与信息处理环境,从而给人带来亲自参与到整个工作环境中的体验。这种信息处理系统是基于创建多个维度的信息空间之上实现的,并非与以往那种基于单个维度的数字式空间之上的。而VR技术就是创建这个新型系统必不可少的重要技术。
  第一,硬件技术跟不上。从目前的配套设备来看,出现了很多突出问题,比如便捷性不强、效果不佳等,配套设备的硬件处理速度根本满足不了虚拟世界中动态处理各种数据信息的需求。而且配套设备的价格非常昂贵,以头盔式显示器的价格来看,就需要上万元成本。
  第二,可以应用的行业领域较少。目前,VR技术经常用到军事领域、高校科研研究领域等,在其他领域应用较少,尤其是教育领域更少,在未来发展过程中,民用领域的相关行业中会大量应用这种技术。
  第三,软件技术可用性较差。由于硬件技术跟不上,开发VR技术会耗费大量的资源,而且还得不到想要的效果,与其相关的算法、理论等还不够完善。在多个领域,比如AI、计算机图像处理等,都还存在着很多不足之处,这些不足都迫切需要解决。此外,3D建模技术还有待优化和完善。
  第四,不能达到预期效果。从VR的相关研究来看,感知、视觉等方面研究比较多,而在听觉和触觉两个方面的研究不多,真实性和动态性不够。虽然在嗅觉和味觉方面已经研制出相关设备,但是还未将其真实商品生产出来。另外,交互效果也有所欠妥,该技术与人还不能达到理想的自然交互,在AI方面、人脸识别方面等也没有达到理想效果。

  2.3主要技术

  VR技术是集多种技术于一体的综合性技术,其中主要包括对观察者肢体、眼镜的跟踪技术,动态3D计算机图像处理技术,3D显示技术,语音识别技术,人脸识别技术等。下面详细介绍各种技术。
  2.3.1实时三维计算机图形
  一般来讲,通过创建计算机模型形成图像、图形并非难事。如果根据实际情况建立的模型,又有非常充裕的时间,那么就能够形成相应的图像,而且是各种光照条件下的不同物体状态,但是实时是其最重要的环节。比如在飞行模拟系统中,动态更新图像是至关重要的,而且还必须要有高质量的图像配合,再加上综合性高,复杂程度高的虚拟环境,问题难度系数瞬间倍增。
  2.3.2显示
  人在观察事物时,由于两眼的实际情况有一定的差异,获得的图像就有所差异,然后通过大脑整合各个零散图像碎片,形成完整的物体图像,当然。这个图像中就包括了距离远近的各种信息。当然,对于距离信息来讲,除了通过这种方式获取以外,还可以通过其他方式获取,比如通过物体体积大小的对比等。
  双目立体视觉在VR系统中起到了非常关键的作用。用户不同眼睛所观察到的图像差异,是由不同原因产生的,并在不同的显示器上显示出来的。有些系统仅用一个显示器,而用户又使用了独特的眼镜,一只眼睛仅可以看到偶数帧图像,而另一只眼睛也只是看到奇数帧图像,两者之间出现的差异就形成了相应的立体感。
  用户(头、眼)的跟踪:在人为创造的环境中,各个物体都有一个相对坐标位置和形态,当然用户也不例外。用户所观察到的图像,是由用户所在坐标和眼睛的方向来确定的。
  跟踪头部运动的虚拟现实头套:从以往的计算机图形技术来看,想要对视场位置进行改变,只需要利用输入设备就可以完成,用户的视觉系统和运动感知系统未关联在一起,然而通过头部跟踪方式来变换图像的视场,用户的这两大系统就被关联起来,给人带来一种形象逼真的感觉。此外,用户还可以通过双目立体视觉来了解和认知环境,同时还可以通过头部行为动作来观察环境。
  输入设备(比如鼠标、键盘等)是用户和计算机进行交互过程中必不可少的常用工具,但是,从三维空间来讲,这些常用输入设备显得有点突兀。这是因为,三维空间涉及六个自由度,无法找到直观形象的方式来将输入设备的平面运动转换成三维空间的任意运动。目前,已经生产出一些仪器能够提供六个自由度,比如3Space数字化仪器等。另外还有数据手套、数据衣也是同类产品中相对出色一点的仪器。
  2.3.3声音
  人可以准确识别声音来源之地。从水平方向上来看,人们可以通过声音的振幅差异、相位差差异等来判定声源发出之地,这是因为声音到达人耳的时间、距离等存在一定的差异。对于人们常说的立体声效果,就是凭借两侧耳朵听到不同地方录制的不同声音来实现的,因此具有非常明显的方向感。在实际生活中,当人的头部转动时,所听声音的方向也会有所变化。但是,从现在已有的VR系统来看,声音的方向与用户头部是否转动没有任何关系。
  2.3.4感觉反馈
  在VR系统中,用户能够看到一个虚拟的水桶。你可以想尽一切办法去获取它,但是你的手不会有真正触碰水桶的感觉,并且有可能出现你的手穿越水桶,或停留在水桶中间,而这些情况在现实生活是无法实现的。要解决这种无真正触碰感,可以在手套中安装可产生振动的触点装置,通过这个装置来模拟触觉。
  2.3.5语音
  在VR系统中,语音输入和语音输出也是必不可少的。这样对虚拟环境提出了一个新的要求,需要其能够听懂或识别人的语言,并且还要能够与人进行动态交互。通过计算机来识别人的声音会遭遇种种技术难关,这是因为这类信号通常具有复杂性和多边性特征。比如,连续语音中,各个词之间未做任何明显的停顿,而前后词语或字会对相同词语、相同字产生一定的影响,不仅每个人说相同的词语会出现差异情况,而且就算是同一人说相同的词语也会出现不同情况,尤其是在受到心理、生理、周围环境等方面的影响时更明显。
  用户语言作为计算机输入,还需要解决以下两个方面的问题,第一,正确性问题,计算机通常采用对比匹配方法来识别语音,而无法与人相提并论。第二,效率问题,为了让计算机能够识别语音,通常输入的语音具有极高的重复性。
  2.4VR重要特征
  随着社会的不断发展,环境逐渐恶化,资源越来越紧张,如此一来,绿色制造业的重要性就越发突显出来,而且其也会是未来该行业的重要特征,因此,绿色制造技术在未来有着良好的发展前景。
  2.4.1虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用
  虚拟现实技术通常由以下两个部分组成:
  第一,虚拟制造技术。从本质上来讲,该技术会对传统制造模式产生极大的影响,比如设计方面、批量生产方面、试制方面等。在产品研制成功前,先在虚拟制造环境中建立样品模型,然后对模型进行实验,预测和评价其性能,从而减少产品的设计周期和生产周期,减少产品研发费用,提高系统的快速应变能力。
  第二,虚拟企业。其是为了能够在最短时间内对某个市场需求做出响应,通过信息快速渠道,将与产品有密切关系的关联企业临时汇集到一起,组建一个不受空间限制、依靠计算机网络进行联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特征就是功能、组织、地域等虚拟化,换句话说,就是企业的功能不健全、组织结构不会永久存在、地域上具有明显的分散性。

  2.5虚拟制造技术

  对在工业设计中应用VR技术进行研究,主要是为了实现虚拟制造,由此可见,首先应该全面了解虚拟制造技术的相关理论和知识。
  2.5.1定义虚拟制造
  虚拟制造(VirtualManufacturing)指的是通过IT、计算机、仿真等技术来对具体制造活动环节中的对象进行全方位的仿真,以期找到该环节中可能存在的不足之处,在具体生产产品时采取相应的应对之策,达到产品一次性制造成功的目的,从而减少成本支出、缩短产生研发周期,提高产品的市场竞争力,它又被称作拟实制造。这种制造不仅不会浪费实体资源和能量,而且所有环节和所有生产出来的产品全部都是虚拟的。
  目前,国外在对传统产业进行改造时,不断采用虚拟制造技术,比如德国企业制造企业已经将该项技术成功运用到细小局部的工作中,比如零部件、内部等设计工作。将虚拟制造技术应用到汽车零部件设计中,能够节省40%左右的成本。目前,研究人员还在研究如何将该项技术应用到营销环节、售后服务环节、市场调研环节等。大众汽车公司的齐默尔曼指出,将VR技术应用到汽车产业中,不能大幅度提高本公司在市场中的竞争力。日本Matsushita公司成功研制出虚拟厨房设备制造系统,准许用户在选择购买产品前,在虚拟的厨房环境中进行操作,体验各个环节、各种设备的性能,根据自己的喜好对这些设备进行挑选、整合和评价,他们在虚拟系统中作出的各种操作数据都将被存储下来,并通过互联网传递给生产部门进行生产制造。英国研发出虚拟原型制作系统,设计人员在设计前,可以通过计算机建立理论模拟原型,并对其作出相应的评价。
  将虚拟制造技术运用到制造业中,会对其未来发展产生极大的作用。比如通过软件模拟仿真制造系统的五要素,高度集成五要素,为未来推广先进制造技术奠定基础,此外,对其他技术的发展也会产生一定的促进作用。
  只有让人们充分了解和认知生产环节和制造系统,才能对其增强理论知识有利,才能对实际生产起到更好地指导作用,换句话说,就是不断优化配置生产环节和制造系统,从而对提高生产力起到一定的推动作用
  对于虚拟制造和现实制造来讲,如果企业能够理顺并充分利用起来,那么对企业自身的发展是有利的。在两者相互渗透、相互作用时,不仅能够对企业组织结构的优化升级和管理能力的提升有利,而且还会极大的影响企业的正常决策。
  虚拟制造技术的广泛应用会对企业培养人才产生一定的影响。模拟驾驶室有利于培养飞行员或驾驶员,虚拟制造同样具有这样的功能作用。该技术的广泛应用和全面普及,不仅能够从本质上改变当前已有的制造模式,而且对某些行业的发展也会产生不可忽视的影响。可以这样来讲,该技术对企业的未来发展会起到一定的决定作用,而且还能对制造业在市场中占据优势份额起到一定的决定性作用。
  2.5.2虚拟制造技术与其它先进制造技术的关系
  (1)与精益生产的关系:精益生产要求对生产环节进行简化,减少信息量,削减不符合实际情况的生产机构,让产品及其生产环节逐渐趋于规范化和简化。这样一来,对虚拟制造建立模型来进行仿真模拟是非常有利的,换句话说,具体产生环节越是简化,那么在进行虚拟制造时就越方便。该生产的关键在于准时化生产和成组技术,实行该生产有利于实现虚拟制造。
  (2)与并行工程的关系:并行工程是一种集成地、并行地设计研发产品、生产制造过程的系统方法。它要求产品研发者在设计之初,就开始对产品的所有生命周期进行详细考虑,从产品概念形成之初到产品退出使用的全部要素都要加以考虑,比如质量、用户要求、成本支出、生产计划等。为了实现这个目的,必须首先建立相应的主模型,通过这个主模型来将各个部门的人员关联起来,密切配合工作;为了可以一次就成功设计出产品,减少改进和优化过程,它在很多地方都做了仿真模拟,比如主模型的建立等,这些地方或多或少都涉及了虚拟制造技术,可以这样来讲,并行工程可以为虚拟制造技术的产生和发展提供所需条件,后者基于前者之上,前者的深层次发展就是后者。
  (3)与敏捷制造的关系:该制造是基于竞争力和信誉度之上,选择合伙人组建虚拟企业,各自负责不同的工作,为相同目标共同努力,不断提高市场竞争力,用最短时间来响应消费者需求,满足消费者多元化需求。为了提高快速应变能力,虚拟企业的创建是关键技术,而其重中之重就是虚拟制造技术,也就是说敏捷制造是基于虚拟制造技术之上的。
  (4)与绿色制造的关系:绿色制造是一个将环境影响和资源效率综合考虑的现代制造模式,其目标是在产品的整个生命周期中,不会给环境造成恶劣影响,让资源得到全面有效的利用。绿色制造是人类社会发展过程中保护生态环境所作出的必然选择,发展不能以破坏生态为代价。根据全球制造业的实践情况来看,通过优化制造环节这种方式来减少废弃物,要比通过处理工厂来处理已排放的废弃物要节省很多成本,由此可见,在绿色制造发展过程中,虚拟制造技术也将会对其产生影响,而且在后者中,还是将前者集成在一起。
  总而言之,从上述各种分析可知,无论哪种制造技术,相互之间都密切相关、彼此交叉,这些技术的发展,都与计算机、互联网、数据库等技术的支持有关,从以技术为核心逐渐转变成以人为核心,让技术的发展与人类实际所需更加相符是这些技术的相同点。而在工业中应用VR技术恰好与这种发展趋势相符,让设计和制造更能将人机和科学充分结合起来。这项研究对工业发展、丰富本学科基本理论、设计方法等有极大的帮助。

  3VR理念实现

  虚拟现实是一种人工创造的环境,它利用了各种计算机手段,是一种可以实现人和计算机以及十分繁杂的各种数值之间的互相交替的手段。从本质上看它是一类用户界面,通过这个界面用户可以调动多种感觉器官产生一种类似于身临其境的体会,目前人类正在尝试寻找与计算机交流互动的最优方法。用户在虚拟空间可以利用眼、耳、皮肤等多种感觉器官进行感知,由于人类获得各种信号消息主要是利用眼睛和耳朵,因此这里主要探索的是视觉与听觉方面在虚拟现实中的交流互动。
  仿真(Simulation)的本质就是一类可以针对某些繁杂的系统并制造出相应的计算机工作环境的实验技术手段,它通过使用计算机为系统的动态实验研究提供理论依据与试验方法,它主要适用于包含不确定因素的现实系统或者未来系统。虚拟现实技术更重视表现方式,它可能符合客观现实,也可能脱离实际。仿真却着重于从现实中取材,符合客观世界中事物运动的规律和形式。仿真是通过计算机软件完成对科学实验所需的环境进行模拟的一种技术,在模仿现实这方面上,仿真技术类似于虚拟现实技术;但是仿真技术从存在感方面看,它模拟的场景不能伴随着用户焦点的改变出现相应的变化,用户不存在身处其中的体会;同时,仿真技术在交流互动方面不注重于变化的实时性。

  3.1关键技术

  ICAID-VR技术包含三个重要部分,它们分别是把现实事物虚拟化、把虚拟事物现实化与高性能的计算处理技术。实物虚化的主要作用是提供信息数据,它通过把从现实世界中提取的多维立体化信息输入到计算机的某个数字空间,然后利用该空间转化成虚拟环境,从而提供信息和数据来进行高性能的计算处理。虚物实化是利用某些技术将虚拟环境中的事物转变成能通过自然的方式被使用者感官捕捉的刺激,从而使用户产生自己身在其中的感觉,这里主要是运用计算和仿真方面的技术。
 
  3.1.1实物虚化
 
  把现实事物虚拟化利用五种关键技术达成虚拟世界变得真实化、虚拟世界能够对使用者的行为进行检查测试并获取使用者需求的目的。这五种技术分别是构造产品的模型、进行空间的追踪、追踪声音的位置、进行视觉的追踪、监测视点的变化。
  (1)产品模型的构造技术
  在虚拟环境中使用的构造产品模型技术:首先应该构造一个能作为中心并可以连通生产策划、生产加工以及生产管制等其他流程同时为其供给帮助的核心,即为产品的主模型,主模型作为一种特殊的数字化产品模型,它具有可视化的特点,它展示了所替代事物的所有特点和物理属性,它拥有一致的数据构造、分布式的数字处理体系,同时它能并行的解决生产策划、生产加工以及生产组织和管理等流程中出现的各种困难和事故。
  模型应该在虚拟世界中表现出所代表事物的有关的物理特性,如构成材料、实际质量、对应的动量等,同时也要遵守现实中的各种运动学和动力学定律,只有这样才可以使虚拟世界更加真实、事物的物理特性和行为准则更加符合实际。
  (2)空间追踪技术
  在虚拟环境中要想进行空间的追踪,需要使用显示器如头盔、操控数据场景的手套、采集身体运动信息的数据衣等虚拟现实硬件上的空间传感器,捕捉使用者的头部、手指、身体以及其他具有操作功能的物质在三维立体的虚拟环境中所处的位置和朝向。
  空间的追踪系统大多数包括信号发射器、信号接收器以及电子部件等部分。现今主要利用电磁信号、机械信号、光学信号、超声信号等几类手段进行追踪。
  数据手套作为一种操控数据场景的硬件,它是通过检测用户手的位置朝向以及手指弯曲状态等达到对虚拟事物进行操作的目的,它是VR系统中使用最普遍的三维人机交流互动设备。CyberGlove可以利用传感器定位手和手指关节并判断朝向,它主要使用手指关节部位的弯曲,扭曲传感器与位于手掌部分的弯度、弧度传感器。
  (3)声音的追踪技术
  声音追踪是将实物转化成虚拟事物的主要构成因素,它的原理是通过各个不同的发声体发出的声波传递到某个特定的位置时产生的在时间、声压、相位等方面的差异来实现在虚拟环境中对声音的追踪。
  声音追踪器主要由多个声音发射器、声音接收器、声音控制单元组成。声音追踪器能够和显示器,如头盔、场景控制工具,如数据手套、信号输入装置,如数据衣等虚拟现实硬件进行连接。
  (4)视觉的追踪技术、视点捕捉技术
  把现实事物虚拟化过程运用到的追踪视觉的技术是利用了视频摄像机还有X-Y平面阵列,通过分析其附近光线和用来追踪的光线在不同时间和不同地点产生的投影在图像投影平面上的各种变化,从而计算出被追踪事物的所处地点和朝向。追踪视觉的技术需要使用多个信号发射器与信号传感器来确保能够进行精准的视觉追踪,但是这种设计需要投入大量的资金并且使追踪系统更加复杂化,因此我们在进行追踪的时候必须在追踪的精准性和操作范围的大小方面做出恰当的选择。
  在捕捉视点变化时候应该联合使用显示技术,并运用多个不同的定位方法准确定位使用者在某个时间点的视线,这里主要可以采用眼罩感应定位、头显辅助定位、遥视监控技术、根据眼肌的变化的识别技术等。例如在头盔显示系统中融入视点监测技术和视点捕捉技术,就可以让飞行员在一些特殊时期内实现用“注视”完成对虚拟开关的控制、对飞行状态的调控。
  3.1.2虚物实化
  把虚拟事物现实化的首要钻研任务是能够保证使用者在虚拟环境中能通过眼睛、耳朵、皮肤等感觉器官得到和现实中相同的感官认知的主要技术手段。
  (1)视觉感应
  目前有很多种方法可以让使用者在虚拟环境中当面对虚拟事物的表现形态以及一些虚拟现象的时候能够产生和现实世界中一样的真实的、强烈的视觉感知。目前在VR系统中比较常用的是阴极摄像管、头显、多方位电子墙、3D立体眼镜、投影等显示设备。不同的头显被赋予不一样的图像显示技术,可以依据其图像显现方式的不同将其分为投影显像式头显与直视式头显。
  在虚拟环境中可以利用立体显示技术加强用户的真实感,该技术能通过提供给使用者左、右两眼不一样的平面图像,利用人脑将两幅画面融合成一副立体画面,从而使人出现立体视觉。目前,立体显示设备中应用比较普遍的是头显和3D立体眼镜。现在人类正在探究利用激光全息投影技术进行立体显像、通过激光直接将图像显现在视网膜上的技术。
  (2)听觉感应
  虽然视觉相较于听觉来说更加重要,但是在虚拟环境中听觉却可以填补视觉的缺陷,我们可以利用立体音效把虚拟环境变得更加真实。
  立体音效能够帮助使用者在操控过程中定位声音。对传统的声音模型进行定位原理是:根据某一声源发出的声音到达听音者左右两耳的时间差异与该声源对两耳产生的压力差异来判断声源的位置。这种模型不适用于单耳定位。现代声音模型与传统模型不同,它更重视将声源发出的声音从声源扩散到听者外耳道的过程用有关的头部传递函数(HRTF)阐述出来,这种模型适用于单耳定位。头部传递函数模仿耳廓、头部、头部遮掩效应的方式是运用滤波。极小的麦克风可以放置在人工耳道中,并将头部对于多种声源产生的脉冲响应记载下来,NASA空军研究中心利用这种方法记录了多种脉冲响应,利用头部相关传递函数和脉冲结果,在虚拟环境中制造出了位置感。
  (3)力觉、触觉的感应
  用户想要在虚拟环境中出现“沉浸”感的一个主要原因是感知到力觉、触觉,这需要让使用者在控制虚拟物品的时候能够受到该物品的反作用力。比如,在虚拟驾驶汽车的过程中,你用手调控汽车档位杆的时候,能够感受到它的震动以及松紧程度。
  力觉感知装置可以让使用者感受到物品的反作用力,它利用计算机控制力反馈手套、力反馈操纵杆等装置制造出运动阻尼并作用在使用者手指上,让人感知到力觉、触觉。因为人对于力觉的感知十分灵敏,所以普通的装置不能满足人对力觉的精准性的需求,但是提高力反馈装置的精准度不但需要大量财力投入而且十分困难,人们需要攻克这个难题。
  在虚拟世界中,要想使用者触摸物体时不穿物而过,就需要在交流互动装置中设置触觉反馈。可以利用使用者的视觉、振动触觉、电子触觉、模仿神经肌肉、周围环境气压等方法让用户接收到虚拟环境的触觉反馈。利用可变电脉冲对皮肤进行电子反馈与通过影响人体皮层的神经肌肉完成反馈的方法都不符合安全要求,比较来说,更加安全的反馈方式是利用周围气压变化和振动触觉进行反馈。

  3.2高性能数字技术

  虚拟现实是一种现代化的高新科技,它的中心是计算机技术,而系统性能的高低主要取决于计算处理技术的性能高低。计算处理技术需要同时满足超快的运算速度、超强的处置本领、超大的磁盘容量、十分流畅的网络等特性才能被评为高性能,目前主要进行下面几个方面的探究:
  1.为现实事物虚拟化与虚拟事物现实化过程中产生的数据进行转换与预处理提供帮助;
  2.进行各种模式的识别:例如对使用者的语音和命令进行识别,对使用者手势以及脸部的表情进行信息的监测、辨识、融合;
  3.对虚拟模型进行恰当的检察、搜索、分类;
  4.分布式计算和平行计算,还有超高速、大范围的远程网络技术;
  5.包含了可视化、多媒体化、仿真化技术的综合可视化计算机技术;
  6.把ICAID-VR系统和制造系统进行接口的技术;
  7.ICAID-VR系统中的集成开发平台的系统构成、构件库和使用者开发环境;
  8.构建一种适用于虚拟环境的智能化协同求解模型,该模型能同时进行分布式计算和平行计算;
  9.致力于设计虚拟环境的公司的创建、调控的方法和策略。

  3.3强大的软硬件支撑

  (1)虚拟环境制造器
  VR系统需要一个可以制造出三维虚拟世界的软件和硬件环境作为主要组成部分。该部件主要用于获取被测试的头颅,眼睛、手掌等部位的运动信息,按照分路/分时的要求产生左、右眼不同的视图,然后合并成3D立体影像,与此同时完成立体声音的组合和对触觉、压力等信号的发射。
  (2)输入设备与输出设备
  这些设备是实现被试(参与虚拟环境体验的人)能和虚拟环境进行信息的交流互动的关键。这些设备主要是指头显、数据衣、操控杆数据手套等。图4-1友尔莎(ELSA)3D雷眼立体眼镜、图4-2数据手套。
  (3)数据接口
  它作为纽带把虚拟环境制造器、输入设备与输出设备、被试等组合成一个整体,它包含了硬件之间的协调配合与软、硬件的联合调试还有用户界面等技术。

  4VR教育理念

  4.1VR教育理念引入

  教育是一种具有从事技术、技巧等特征的针对于职业和岗位活动的注重实践性的能力教育,众多专家对VR/AR技术的描写叙述展现出该技术在职业教育中使用很普遍、效果明显、具有迫切性。在教学过程中有许多实践性教学内容,它们因为在环境、设备、安全、不可控等方面存在局限性,所以不能进行有效的教学,因而现在炙手可热的VR/AR技术恰好满足了职业教育中实践教学的刚性需要。虽然造成VR/AR技术在教学中的创新和深究方面有欠缺、一线教师不能根据实际需要完善VR/AR、专业公司制造的产品不符合实际教学等现象的原因有很多,但是本人认为首要的原因是在描述教育的需求和VR/AR专业的过程中出现了偏差,从而造成了教师的教学内容与其专业技术不匹配、教师不能根据实际需要简化有关VR/AR技术在教学中有效应用的设计等现象。本文尝试在VR/AR技术的定义并融合该技术在职业教育过程中的使用需要的基础上进行探讨,从而把理论知识和实践应用融合成一个整体。

  4.2VR学科的教育方法

  目前普遍认为“虚拟现实”是一种能够让使用者沉浸的交流互动系统,它通过仿真技术为使用者构造出一个可以实时展现出实物的改变以及相互作用的3D虚拟空间,用户可以通过一些辅助传感设备观察该空间或进行交互,还可以直接探究事物在该虚拟环境中的功能和改变。许多高新技术共同支撑着VR,例如计算机相关技术、仿真技术、人机接口技术、人工智能技术等。
  “屏幕仿真技术”是一种仅仅靠计算机的屏幕进行画面虚拟的仿真技术,在现今的职业教育的教学过程中它是使用最普遍的技术,许多在教育实践中具有重要意义的课件和软件的创作都是利用基于此技术。必须注意的是应用于仿真教学的课件和软件存在本质的差别,因为现在教学过程中使用课件进行授课的比例更大,所以这里重点探讨虚拟仿真课件。
  (一)技术性特征
  AR技术涉及的范围非常广,屏幕仿真技术就是其中之一,实现这种技术不用通过任何的外接设施,只需要通过一台主机(PC、平板或手机)、一个鼠标、一个键盘即可。通过专门的工具软件,在电脑屏幕上进行虚拟仿真的操作,这就是屏幕仿真技术的核心所在。现阶段,计算机软件技术越来越成熟,支持屏幕仿真技术的软件也变得更专业、更为人们所熟知。通常来讲,该技术具有以下几个特征:
  A.目前对于专业工具软件的开发逐步的变得更加专业、系列以及标准,如已经实现的虚拟实景技术,发展的越来越完善。
  B.工具软件的品种越来越丰富,按照顾客不同的需求,营造了行业、职业、专业以及岗位并行定向研发生产软件的环境;
  C.定向研发生产工具软件具备方便性的特征,利用这一特性,能够很好的减少相应的生产制作费用,并加快产品的制作过程;
  D.随着人们需求的增加,教学课件通过虚拟仿真的形式在PC电脑中展现出来,即使在没有网络的情况下依然能够看到,同时也实现了电脑、平板、手机多个设备之间的互通,而且,该技术既可以手动更新,也可以在网络环境下自动更新;
  E.虚拟虚景(境)的技术被逐步普及。利用这一技术,能够将全部的设计参数和现实参数完美的结合在一起,虚拟出来的场景和现实场景的比例完全相同,所以,该技术可以被认作是屏幕仿真技术中的另外一个延伸出来的技术性特点,而且该技术目前在产品(项目)设计领域应用的最多。
  (二)应用性特征
  在分析研究了众多的屏幕仿真技术作品之后,发现其主要被应用于职业院校的教育与教学中并总结出了四种实用性特点:
  1.利用漫游式虚拟对环境、场景、目标物等进行仿真实际训练;
  2.利用交互式虚拟对各种工具、仪器等过程性操作进行仿真实际训练;
  3.把虚拟实训与真实物体有机结合起来,进行虚实相交的实际训练;
  4.利用虚拟虚景(境)技术并按照规定的时间进行实际训练。
  (三)类别性特征
  通过对职业教育教学的分析研究,按照其特征,能够把屏幕仿真技术归为主要的五类:
  1.单纯漫游式屏幕仿真教学课件
  此类教学课件主要通过电脑屏幕将环境、场景以及目标物等以立体、真实的漫游画面展示出来,使用者需要以第一人称的视角进入屏幕并利用鼠标和键盘对其进行操控,进而使其呈现出漫游画面。单纯漫游式屏幕仿真教学课件在教学方面主要能够让学习者利用环境、场景、目标物的漫游画面来认识并记住其中出现的物体特征,同时根据其中的媒体提示来切实达到身临其境的感觉,比如虚拟的实训、虚拟现场参观的实训等,都是验证此课件的具体实践。
  2.漫游互动式屏幕仿真教学课件
  该种课件和上一种课件的不同之处在于,按照不同的教学要求,学习者可以在观看漫游画面时直接激活其中任意一处的画面,同时还可以与其直接进行沟通交流。以虚拟图书馆参观实训为例,使用者只需要通过鼠标点击自己想要看的书,接着激活该书,然后就能够对该书进行仔细的品读。相对比“单纯漫游式屏幕仿真教学课件”,漫游互动式屏幕仿真教学课件的教学性更强,因此更适合职业教育教学的使用,尤其适合实践性教学的使用。
  3.植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件
  具体分析教学的需求,按照这种需求将数理化、特定思维、逻辑等属性加入到漫游互动式屏幕仿真教学课件中,这类课件就是所谓的植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件。其主要特点就是把被仿真事物的真实属性全部转移到仿真事物内,让使用者能够在操作中体会到身临其境的真实感觉。比如,当机械加工车间厂房进行课件漫游的时候,假如使用者要对厂房里的吊车进行激活,同时还想要控制吊车吊住物品进行移动,在这样的情况下,假设将重力、惯性等力学算法注入到这个物品中,那么在鼠标与键盘的控制下,在屏幕仿真画面中再次吊起此物品移动的时候,它的运动轨迹等运动力学特征就会变得与现实移动的情况一模一样。因此,相比较第二种屏幕仿真教学课件,植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件的应用价值与教学性都有过之而无不及,假如将真实操作端引入其中,在一定程度上它甚至能够达到“以假乱真”的训练效果。
  4.具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件
  此课件的形成比较简单,只需要按照教学需求,将考试考核的功能注入到以上3种课件中即可。由于该课件具备考试考核的属性,因此在通常情况下,它能够对学习者的学习情况进行评判,相较而言,是比较完善的一个屏幕仿真教学课件。同样,以记录使用者的漫游路线为例,利用该课件能够确定使用者有没有真正将行走路线记下来;并且根据使用者在操作中的控制情况来确定其学习效果;同时,在课件中注入相应的属性,根据使用者对其操作的熟练以及准确程度来确定其有没有真正的掌握好这一技能。这一课件由于加入了专门用来考试考核的功能,因此该课件的难度指数最低。鉴于此,该课件被称为助学性课件或者自学性课件。
  5.可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件
  此类课件相对而言更高级一些,通过某种技术,把别的教学媒体的链接功能注入到以上四种屏幕仿真课件中就形成了此课件。由于该课件复杂程度较高,功能强大,可视度好,涵盖的教学内容多,因而又被称为“富媒体屏幕仿真课件”。对于职业教育教学,尤其对实践性教学来说,该课件的价值以及意义都十分重要。以数字博物馆利用此课件漫游其中一个真实画面为例,将一段视频链接到里面,使用者一旦利用鼠标点击开这个文件,便会自动播放链接的视频,进而实现画面包含画面的神奇效果。由于可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件既能够完成以上四种课件能够完成的教学功能,又能够随时扩展为“屏幕仿真教学”“屏幕仿真课堂”等教学工具软件,因此,在实用性方面,此课件更适合职业教育教学的使用。
  6.可以实现多人联合或顺序操作的屏幕仿真教学课件
  这种课件则需要通过多人来完成,通过某种技术,将多终端操作设计注入到以上五种课件中,在此课件中,多人通过扮演多个角色来同时控制一个屏幕仿真课件,这也是此课件名字的由来。对于实习教学、流水线作业等需要团队完成的教学内容来说,这个课件是最合适的。以物流实切屏幕仿真课件为例,使用者需要分别扮演汽车运输司机、装卸工、库房管理员、接送货物员以及物流调度这些角色,接着几个人按照规定的操作步骤来共同实行。通过该课件既能够将职场中团队工作时的真实情况展现出来,又能够锻炼使用者团队合作的能力与精神。

  4.3可穿戴屏幕虚拟仿真引入

  该仿真技术首先需要基于纯粹使用电脑屏幕画面来进行虚拟仿真,接着将可穿戴传感器注入该虚拟技术中。由于可穿戴传感器与方向盘、开关等传感器有很多类似的地方,因而有部分专家建议将其与这些传感器共同探讨,而不是单独拿出来进行探讨。尽管这种看法对于探究VR/AR具有实际意义,不过对于职业教育教学来说就不太适合,反而会误导学习者,所以,需要单独对其进行探讨。该技术又被称为“可进人虚拟画面操作式虚拟仿真技术”,同样属于VR技术的一种。在该虚拟仿真技术中注入的脚垫、数据手套以及定位头套等可穿戴传感器,能够根据学习者的实际需要来制定进入画面的步骤与方法,接着操控画面中虚拟出来的仿真物体。
  (一)技术性特征
  由于该技术中加入了可穿戴传感器,因而与普通的屏幕仿真技术有所不同。伴随着各个工程领域中对于虚拟仿真技术的普及,使得可穿戴传感器技术能够更加精准的捕捉运动、识别运动,并且极大的提升了其穿戴的舒适度。由此看来,该类屏幕仿真技术的提升离不开硬件设施的完善。针对这一技术,分析并总结出了3个主要特性:
  1.技术的不断进步提升了可穿戴传感器的精确度,这也使得其成为了很多岗位工作虚拟仿真课件中最亲睐的技术,如驾驶、调控等;
  2.随着需求的不断增多,制造可穿戴传感器所花费的成本逐渐减少,这也使得其变为了很多职业院校在进行虚拟仿真实际训练中最喜欢使用的一项技术;
  3.随着该技术变得越来越完善,学习者能够完全操控画面中出现的各种设备,如设施、装备、仪器等。
  (二)应用性特征
  在操作应用方面,可穿戴屏幕虚拟仿真技术摆脱了以往必须要通过鼠标、键盘才能操控屏幕出现仿真画面的形式,创造了一种学习者只需要通过自己的肢体动作便能够操控画面的形式,使操控的真实感得到了极大的提升。
  (三)类别性特征
  同时,“加人可穿戴传感器屏幕仿真技术”需要使用者将带有传感器的物件穿戴在身体的每一个部位上,进而通过肢体对画面中出现的设备、仪器等进行真实的模拟操控与互动。比如,可以通过数据手套,在屏幕仿真画面中模拟真实的抓取、安装、卸载以及调整等活动;接着通过脚垫缓步踏入此仿真情形中;最后通过定位传感帽来为其余操作者定位并引导其进入等。不仅如此,根据职业教育实训教学的普遍规律,通过数据手套来操控屏幕画面的技术拥有很重要的实际意义以及应用空间,因而又被称为“沉浸式虚拟仿真技术”。比如,操作者可以通过数据手套在画面的目标物中注入某类属性。通过这种方法进行的实训教学对于职业教育实训教学来讲有着深远的意义。

  4.4用传感器技术

  此仿真技术由于加入了专用的传感器,因而又被称为“有实物介人式屏幕仿真技术”,同样属于VR技术的一种。区分它与“加人可穿戴传感器屏幕仿真技术”的重要指标就是看加入的传感器是可穿戴式的还是专用的。
  (一)技术性特征
  虽然与“加人可穿戴传感器屏幕仿真技术”的传感器不太相同,但是它们在技术方面的特性基本上是一致的,详细内容可以参考“加人可穿戴传感器屏幕仿真技术”这一部分。
  (二)应用性特征
  通过对该技术的研究分析,对其总结出了三个部分的应用性特征:
  1.学习者能够利用操纵实际物品来完成屏幕画面中仿真物品的操控;
  2.操控的物品既可以是真实存在的,还可以是虚拟出来的,假如选择的是后者,那么其形态、动作、速度、反应情况等内容要最大限度的贴近前者;
  3.为了使操作更加的逼真,除了需要引导操作者进行实际的操作,还需要引导操作者模拟操作的环境。
  (三)类别性特征
  为了便于分做类别性特征分析,以“专用传感器”为题目展开分析。
  1.单个部件实物支持下的“加人专用传感器屏幕仿真系统”。单个部件实物指的是单一实际物体,比如操纵杆、开关、转动杆等。由前者组成的后者,系统不是很复杂,而且通常情形下都可以用到有相同运动特性的单一部件屏幕仿真课件中,并且有事半功倍到的效果,因此,备受广大应用者的喜爱。
  2.组合部件实物支持下的“加人专用传感器屏幕仿真系统”。前者指的是由两个及以上的单一部件实物组成,根据实际操作系统的设计要求,合理规范布局,形成一组部件实物,当其与实际操作真实物体数量相同,且相互对应时,其就可以被称作“全部件实物”。这种情形下形成的系统比较复杂,但是由于具有效果佳、体验感强、效果逼真等特点,经常被人们用到虚拟仿真关键与核心两种能力的操作训练上。比如,将汽车的换挡器、刹车、油门、方向盘作为专用传感器,形成这种系统,也可以被称作“全部件实物”系统。值得引起关注的是,这几个实物中全部都提到了某种关键操作部件实物,即使是“全部件实物”,依旧未能把它所有的关联操作实物分离出来。
  如果确实需要将所有部件实物全部提取出来,那么必须对部件实物进行模拟仿真,同时进行复杂性论证以后,才能进行下一步动作。
  3.系统部件实物支持下的“加人专用传感器屏幕仿真系统”
  “系统部件实物”与前面两者相比,有非常明显的不同之处,前者非常注重加人部件的系统性,而后两者注重加人部件的特性、功能性,这种情况经常在职业教育实际培训教学过程中发生。
  4.无模拟现实环境支持的“加人专用传感器屏幕仿真系统”
  这种情形下,不重视或不可能重视这种系统在现实环境下开展教学活动会不会产生效果。
  5.有模拟现实环境支持的“加人专用传感器屏幕仿真系统”
  这种情形下,非常重视这种系统在现实环境下开展教学活动会不会产生效果。

  4.5视力虚拟现实技术

  (一)技术性特征
  关于“加人专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”与“加人专用传感器屏幕仿真技术”的两者对比分析,可知有以下3个技术性特征:
  1.“专用传感器”差异
  前者中的“专用传感器”,实物载体通常最大是“部件”;而对于后者来讲,实物载体最小是“部件”。大多数情形下的“专用传感器”,实物载体通常都是只小型工具、游戏玩具等。
  2.“阻断操作者视力”差异
  前者是通过“阻断操作者视力”方式来让应用者的视觉全部位于虚拟环境中。而后者是通过电脑显示器屏幕、投影屏幕等方式来产生虚拟仿真图像。
  3.操作者与虚拟仿真场景融人性差异
  前者非常重视环境中的人、物等与应用者进行下意识的互动,应用者以第一人称身份,通过手中的操作设备进入到虚拟环境中,并与其中的各种物体产生激烈的互动。这个特点从技术上为职教设计虚拟职场教学模式提供了支持。而对于后者来讲,应用者与虚拟环境进行的是“控制性融入模式”,这个时候,屏幕仿真中出现的物体,多数情况下都属于被使用、被激活状态。
  (二)应用性特征
  “加人专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”除了与上述三个技术性特征以外,还有以下3个独特应用型特征:
  1.可以生成剧情化虚拟仿真实训教学课件
  众所周知,职教的核心在于实践性教学,而这种教学最好的教学手段就是教师引导学生进入真实的工作岗位,在这种环境下开展教学活动,或者在具体职场中、具体职位上进行学习,但是在实际情形下,由于存在各种各样的原因,学校或教师是很难为学生提供这种教学环境,而上述教学课件却能突破这个难关。
  2.与数据手套结合,形成集多种功能于一体的实训工作台
  大多数的岗位能力训练都是基于工作台之上进行的,加之与数据手套结合,这种技术完全能够建立一种集多种功能于一体的实训工作台,学生只需戴上配套的可视眼镜和数据手套,在计算机的引导和支持下,开展不同种类的虚拟实训。
  3.实施真实操作前的验证性虚拟操作
  无论哪种虚拟仿真课件,都可以设计这种功能,但是效果、准确度、精度等是有很大差异的。但是这种技术却能够设计出与实际情况基本相同的验证精度和准确度,同时还能增强虚拟环境的逼真性,这种技术对于职教实施实训前的虚拟仿真是有极大帮助的。
  (三)类别性特征
  从类别性特征方面来讲,“加人专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术”与“加人专用传感器屏幕仿真技术”两者有以下3点差异:
  1.单人进入式剧情化虚拟仿真课件
  由于没有收到视觉方面的干扰,前者能够真正将该课件功能充分实现。换言之,该课件最注重“剧情化”,然后才是“单人进入”。这种可见打破了职教不易开展虚拟实习教学的难关,是为其提供实践性教学必备的VR技术。
  2.多入式剧情化虚拟仿真课件
  基于第一种课件之上,设计出可以多人进入的渠道,这样就能实现“多人进入式剧情化虚拟仿真课件”。根据岗位要求和条件,将各个渠道设计成与应用者相匹配的角色,所有人都可以在虚拟环境中,根据自身所处岗位的要求、操作规范等,来进行多种操作,比如联合、顺序、逻辑化等。
  3.剧情化技能测试考核体验包
  众所周知,职教开展实践性教学必备的三个环节就是与技能相关的测试、考核、操作体验,由于前一技术能够创造出应用者亲自参与到其中的虚拟效果,同时还能够非常简便的加入虚拟操作“剧情”,因此,肯定能够设计出“剧情化技能测试考核体验包”。

  4.6真实画面视频技术

  真实画面视频技术,一般情况下又被称为“增强现实技术”,也就是常说的AR技术。下面将以此介绍“实时加人真实视频画面虚拟现实技术”的相关特征。
  (一)技术性特征
  主要由以下4种技术性特征:
  1.不会阻断应用者视力
  该技术无需应用者佩戴头套或眼镜,在自然形势下观看虚拟和现实两种画面的融合画面。
  2.实施画面融合
  基于“屏幕仿真技术”之上,辅以真实视频画面,通过相关技术,成功将虚拟和现实两种画面融合在一起。
  3.应用者运用自身视频图像来掌控虚拟画面
  应用者通过对现实空间中的特定物体进行操作,同时运用动态视频画面对虚拟画面中的“物体”进行操作,从而实现增强现实的效果。
  4.实现随机操作
  应用者可以随时变更操作方式、渠道、手段,已经形成实时随机示范教学的操作效果。
  (二)应用性特征
  主要由以下5种应用性特征:
  1.教师可以通过虚拟仿真画面、动态操作视频来进行动态、标准性操作,并形成视频,以这种方式来进行教学展示;
  2.用到实践教学环节中,有利于学生进行以桌面操作为主的虚拟实训;
  3.用到在虚拟对象支持下的立体化、形象化、虚拟化阅读学习;
  4.用到学习内容中,基于视频摄影技术支持之上,进行可视化、形象化、互动式链接;
  5.自助式操作,形成高度融合虚拟和现实、完美交叉重叠的教学视频画面。
  (三)类别性特征
  主要由以下5中类别性特征:
  (1)助教使用这种技术,该技术能够支持教师的教学演绎、视频展示等;
  (2)助学使用这种技术,该技术所支持的目标主要是学生自主应用、学习、练习等;
  (3)无属性,其真实含义与前文所阐述的基本相似。无属性指的是虚拟仿真画面中的对象没有设置属性;
  (4)有属性,指的是虚拟仿真画面中的对象设置了相应的属性;
  (5)可检测操作路径的这项技术,将两种画面进行合成,然后将操作轨迹记录下来,对应用者的应用正确性进行分析和评判。“
  通过上述分析我们可以得出,职教中确实真正需要VR技术,并且是一种刚性需求,该技术在职业教学过程中起到了非常重要的作用,随着高职院校信息化水平的不断提高,教师互联网意识的不断增强、教师信息化教学水平的不断提高,在这类教育中进行现代化建设、创新改革教育教学具有一定的历史性,除VR技术以外,其他诸如MR技术、HR技术等在职业教育教学过程中也将会起到非常关键的作用。

  5教学研究策略

  5.1教学案例实践体验

  目前,由于高等院校扩招,人们的素质也不断提高。虽然高校生具有相对较好的理论学习能力,但是具体操作能力却相对较差,与国外大学生相比,相差甚远。出现这种情况,通常是由下面两个原因导致的:第一,我国教育制度;第二,高校硬件设施跟不上,导致众多大学生没有亲自动手操作的机会。
  在计算机实际操作实验中,可以通过VR技术建立与之相符的虚拟实验系统,当然系统中应该包括各种实验所需的资源,比如仪器设备、实验要求、实验内容、实验步骤等。学生在进行实验时,根据现实实验要求、实验所需器材,在虚拟实验系统中选择相应的器材,完成实际操作。这样不仅能够将计算机现场组装操作真实反映出来,而且还能初步实现教学要求,还能节省一笔购买器材的成本。通过VR技术来进行虚拟实验,除了能够减少实验时间以外,还能让提高学生的实际操作能力,获得真实有效的效果。奠定现实实验操作的基础,最终提高教学效果,激发学生参与实验的热情。

  5.2虚拟教学环境平台的搭建

  一般情况下,采用模块化可扩展结构来搭建虚拟教学平台,该平台组成部分有以下几个部分:
  (1)管理模块
  该模块主要完成系统和教学两个方面的管理。前者主要包括申请注册、设置权限、发布公告、提供咨询等功能。后者主要管理师生的基本情况,课程设置、学习情况等。此外还会把管理结果、教学信息等及时告知学生,做好学生管理工作和交流工作。为教学活动的顺利进行提供保障,并为学生提供便捷服务。
  (2)虚拟教学资源库模块
  建立一个资料丰富、可以便捷查询的资源库,能够保障虚拟教学正常进行下去。可以采取模块化方式来进行虚拟教学,以满足多元化教学要求。比如在教学前期,该模块的组成部分主要有控制系统、虚拟设计、虚拟素材、电子教学案例等。随着时间的推移,根据具体教学的真正所需,再额外增加必备功能。
  (3)协作学习模块
  虚拟教学有一个非常明显的优势,就是在这个过程中,教师与学生、学生相互之间可以进行动态或非动态的交互,也可以进行实时对话和协同合作。当采用动态学习方式时,师生都可以以不同身份参与到虚拟教学中,对虚拟物体进行观察,并动手操作,获得身临其境的体验,同时进行问题讨论和互动学习。在非动态情形下,他们之间可以通过电子邮件、社交软件等方式进行交流,还可以进行问题咨询和问题答疑。
  (4)智能评价模块
  教学效果、学习效果怎么样,需要有相应教学评价。只有建立适当的评价方式,才能为教学提供优质的服务。通常来讲,评价虚拟教学比普通教学更难,评价的维度指标不仅多,而且相当复杂。

  5.3VR时代实践教学的机遇

  目前,大多数科技型企业开始全面推广VR技术,并相继推出自己的VR产品。随着显示器分辨率的不断提高,输入设备多方面源源不断的优化升级,VR技术的不断发展和提高,器材成本的不断减少,初级VR产品开始进入市场,人们开始从最初的不了解到初步接触应用,再到要求不断提高,为进入以VR技术为基础的实践教学时代奠定了基础。
  1实践教学环境的虚拟化
  在进行实践教学过程中,通常情况下,教学条件会对其产生极大的制约,比如场地设施小、器材成本高、材料消耗大。但是,如果将VR技术作用到实践教学中,不仅可以在进行现实实践教学之前,在计算机上搭建虚拟实践场地,建立真实的实训环境,而且还可以直接在电脑上优化和改进实践教学的环境。因此,利用该技术在电脑上创建虚拟实践环境,可以顺利解决场地设施小、器材耗损大等问题,可正常模拟操作复杂、成本高、周期时间长的实践教学[3],增加实训次数,提高相应的实际效率。
  2实践教学时空的自由化
  利用VR技术来进行实践教学,不仅可以随时进行实训,而且可以循环多次、无危险、无损失的情景式实训;还可以随时随地有机组合特定对象和发生的事件进行虚拟实训。换句话说,利用VR技术进行实践教学,学习者不受时间和空间的限制,随时随地进行学习,自由安排学习计划,进行虚拟实训体验,并从实训体验中不断积累经验,在循环多次摸索过程中,将学习主动性和实践积极性充分发挥出来。
  3进一步激发学习动机和实践兴趣
  VR集多项功能于一体,比如声音功能、图形功能、文字功能等,可以为学习者提供良好的学习机会,提高学习者的感知能力,即利用VR技术建立接近真实的学习场景、提供实时人机交互、展示多重感官刺激,加深了学习的投入感,并给学习者带来轻松、快乐的正面情绪,因此,对提高学习者的学习积极性非常有利,从而确保教学活动能够正常进行下去。比如,在介绍原始人的生活情况时,通过VR技术建立接近真实的虚拟场景,学习者自主进入并感知他们的生活场景,这种四维展示方式所带来的体验感,远比二维下的强,而且也极易将学习者的学习激情充分激发出来。
  4实现情境化教学
  在学习理论知识时,与情景式教学配合可以产生良好的效果。如果学习者能够通过特定场景来建立知识结构,那么能够起到意想不到的效果。利用VR技术建立逼真的学习情景,学习者可以在这个情景中自主建立知识结构。比如,在化学实践教学过程中,通过创建虚拟化学习实验操作场景,让学生在该场景中了解各种仪器的操作手册、各种材料的使用方法,并在其中模拟现实实验的相关操作,实验步骤,安全隐患等,形成非常逼真的立体效果。在物理实践教学时,建立虚拟物理实验室,同时利用VR技术模拟仿真现实现象,可以通过可视化形式将物理现象呈现出来,然后在虚拟实验室中模拟实验,熟悉实验步骤,观察虚拟实验结果;在医学实践教学时,利用VR技术对人体部位、功能,仿真重现病理、治疗效果、护理情况等,为现实医疗、护理提供有效帮助。

  5.4VR时代开展实践教学的挑战

  虚拟现实头盔出现的技术难题。根据相关研究可知虚拟现实头盔的分辨率需要等于或高于4K才能够得到较好的画质。但是,目前大部分的虚拟现实头盔的分辨率根本无法达到这个标准,且很难彻底解决设备使用中出现的眩晕问题。
  比较有限的感知效果。关于视觉合成的相关研究相对较多,但在虚拟世界只有较少的研究是针对听觉和触觉的研究,在嗅觉和味觉的设备研究则较为不成熟。这也就意味着自然交互在虚拟世界交互中较弱,当前的语音识别等人工智能方面的效果并不让人满意。
  目前行业间还缺乏一个统一的标准。虽然有许多VR产品,但是每个厂商生产标准又都不一样,头盔设备厂商、内容厂商等也都没有一个相关的行业标准,因此VR产品的核心技术、设备并不能进行有效的互联互通,这也使得基本上不可能出现大规模推广和产业化发展VR产品。VR在技术和标准上遭遇问题,而这也在某种程度上制约着实践教学的开展。
  5.4.2相关案例与教学研究
  当前,在虚拟实践教学中VR技术依旧处于初级应用阶段,相关研究依旧为经验性研究,研究成果并不丰富,没有相应的理论指导和模式建构。除此之外,在虚拟教学方面还遇到2大难题:
  第一,教学开发技术门槛居高不下。需要结合大量的技术和教学资源才能开展虚拟时间教学工作,特别是对交互技术、方针技术等核心技术问题的解决,那么就意味着要对研发投入力度予以加强,才能准确理解和把握教学内容和方法。但当前教学开发技术的门槛偏高,学科教师无法向课件开发那样,对相关的虚拟教学资源进行设计和开发。
  第二,教学设计在新环境下也面临着新挑战。教学VR技术强调教学过程的体验以及呈现相应的教学结果,同时也要创新教学评价和师生交互,新环境下如何设计教学、如何在学习过程中实现交互、如何评价学习效果等,都是虚拟实践教学急需解决的问题。
  5.4.3虚拟成瘾以及道德挑战
  通过VR技术构建一个虚拟世界,这个世界比真实生活更容易吸引人,同时也更容易掌控。青少年学生容易沉浸在虚拟世界,假如自身不具较强的自制力,就会深陷其中无法抽离,那么也会有虚拟成瘾。
  同时,虚拟教学和现实教学也有明显的不一样,更容易让青少年厌恶现实教学,那么这也需要为教育付出相应的代价。在此基础上,虚拟世界将民众聚集到一个图像声效时代,让民众身临其境感受突发事件以及各种灾难和极致体验等,通过传递VR技术,让所有的体验成为一次安全且不需要在场的“真实体验”。在虚拟世界中的所有操作行为都不具危险性,也没有现实伤害情况发生,所以也会出现在虚拟体验中的胆大行为,让学习者养成不负责任的态度和习惯,对这种实验操作极为不利。需要注意的是,虚拟世界的操作体验并没有次数限制,这也会降低学习者对事物的新鲜感,以及让他们对规则制度的模式,进而养成在现实世界中不遵守各种是非现象,甚至还会形成冷漠麻木的性格。

  5.5实践教学的对策

  5.5.1政府和行业携手共同促进技术的发展
  立足于VR行业,应当从以下几点发展:
  第一,设备不断升级,在对现有的VR设备进行改进的同时,也要对新VR涉及的研制工作进行加速,促进相关硬件设备的更新换代;
  第二,对技术研发力度的加大,对当前VR领域的核心技术进行提高,促进视觉传感、体感识别、研究跟踪等核心技术的提升,突破现实和虚拟世界间的隔阂,确保用户体验;
  第三,对行业标准予以建立,因为不统一的行业标准,使得当前各种VR产品的相关核心技术、设备间无法有效联通,无法支撑大规模推广和产业化发展VR产品,所以,急需标准化发展硬件设备、软件工具以及内容生产等方面。
  在此基础上,政府要制定相应的政策支持,给予相应的资金补助,为产业发展提供坚实的政策支持,全面促进研发VR产业核心技术,通过对VR行业和各行业领域融合发展的路线图的促进,为具体的发展思路提供相应的指导。只有真正发展技术,才能推进相关的应用,才能真正发展虚拟实践教学。
  5.5.2深入拓展教学应用
  针对目前虚拟教学中存在的问题,未来应当继续拓展VR研究教学,通过整理可以有如下几点:
  第一,典型案例研究的开展。引领和支撑大规模的教学变革需要,所以,要根据我国虚拟实践教学的详细需求,根据经验型研究形成抽象的理论体系,对VR学习系统进行设计开发,用来支撑虚拟实践教学理论和相关模式的探索。
  第二,教学开发难度的降低。总的来说,对专业的VR技术开发人员的引入,以此对教学开发技术难关予以突破,确保教师能够熟练利用虚拟教学平台,以此进行虚拟实践教学,并且能够根据自己的实际需求对相关的虚拟教学资源进行设计和开发。
  第三,虚拟实践教学的深入研究。虚拟实践教学过程十分复杂,要想将VR教育变成现实,离不开教育者的智慧。教育的主导是教育者,应当以学生的发展和时间教学的需求为基础。总的来说,要教师对一些重要的教学观念进行重新概念化,通过对交互和可视化的学习体验进行设计,对具体可行的学习体验模型进行建立,有效监控和评估虚拟环境下的学生行为和过程开发,对学生的学习情况进行动态诊断,及时干预和引导学生。
  5.5.3教师对学生正确认识虚拟和现实关系要进行引导
  教师要积极引导虚拟实践教学,因为青少年的思想并不成熟,且辨别是非的能力十分有限,容易产生错误干扰,所以要充分发挥教师的作用,引导青少年学生,帮助他们对虚拟和现实的关系有正确的认识,避免他们虚拟成瘾,由此引发对现实世界的厌倦,最大程度帮助他们开展不负责任的虚拟体验。VR技术发展标志着虚拟世界的到来,我们应当保持清醒的认识:虚拟世界只是一种手段、一种工具,现实才是生活的落脚点。只有区分好虚拟和现实的关系,将科技力量控制在相应的道德范围内,走出虚拟世界,回归现实,才能起到对教学活动进行虚拟丰富,进而丰富虚拟本身的作用。

  6总结

  本将VR技术看成一种全新的教育资源,并从教育学着手,研究分析了该技术在这个学科中的应用现状,从而提出了全新的研究领域,即虚拟教学。本文首先简要阐述了虚拟现实技术在教学中的国内外应用现状,然后具体分析了其定义、特征、建模方式、虚拟教学中硬件环境与软件环境等多个方面。基于此,研究了虚拟教学的含义、特征等,并将相关技术充分结合起来,设计出虚拟教学的平台模式,各种运用实例等。但是从虚拟教学的具体发展情况来看,还存在很多问题,其技术还有待进一步提高,比如其方法不科学、其基础理论不够严谨和完善等,大量的问题还有待进一步解决。
  随着VR技术的不断发展,未来该技术与虚拟教学将会被广泛应用到各行各业中。对于虚拟教学来讲,其是基于VR技术之上建立的,在未来教育学的发展过程中,虚拟教学应该充分汲取传统教学的优秀经验,并将这些其好的教学模式充分融合到虚拟教学中,实现虚实结合。另外,随着各种新型技术的不断发展,可以不断优化和升级虚拟教学模式、学习者的参与手段等。随着VR技术的不断发展,虚拟教学将会越来越受重视,不断突破技术难关,在适当时候将自身的优势充分发挥出来,实现两种教学模式的融合,从而对教育行业的发展起到一定的促进作用。
  1.通过将VR技术应用到教学环节中,改变教学模式,研究了如何在虚拟场景教学中应用探究式教学法,为本文做这方面的相关研究打下了坚实的理论基础,同时也为未来研究虚拟现实学习环境理论提供一定的借鉴。通过不同的教学方式来提高学生探究兴趣,增强学生这方面的积极性。
  2.通过研究科学课程的发展时期,对小学这类课程的基本情况、基本需求等进行了详细分析和总结,并对其提出了相应的参考建议。
  3.利用平台实现基于实践案例之上的虚拟现实环境设计,笔者深入浅出地介绍了VR技术,并详细阐述了以该项技术为基础开发出来的教学方式,为后续应用研究奠定了坚实的基础,同时也为相关研究提供了参考借鉴。
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  致谢
  衷心感谢指导老师的悉心指导。老师严谨细致,一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样,并且他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪,令我受益终生。这次毕业论文能够得以顺利完成,并非我一人之功劳,是所有指导过我的老师,我的同事,帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲,帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意!在以后我仍会继续学习有关这方面的知识。
  由于本人水平有限,错误、遗漏之处在所难免.还请各位老师不吝赐教,指出文章中存在的问题。“长风破浪会有时.直挂云帆济沧海”,以此作为结尾,与所有要感谢的人共勉:相信自己,不忘初心,永不放弃!
  本课题是在老师大力支持下完成,走得辛苦却也收获满囊。思绪万千,心情久久不能平静。我不是您最出色的学生,而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨,学识渊博,思想深邃,视野雄阔,为我营造一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔,置身其间,耳濡目染,潜移默化,使我不仅接受全新的思想观念,树立宏伟的学术目标,领会基本的思考方式,从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有山重水复疑无路,柳暗花明又一村般豁然。
  感谢我的爸爸妈妈,养育之恩,无以回报,你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长,同学,朋友给我无言的帮助,在这里请接受我诚挚谢意!同时也感谢学院为我提供良好的环境。最后再一次感谢所有在毕业之际曾经帮助过我的良师益友们,以及在论文中被我引用或参考的论著的作者。
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