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虚拟现实技术在教育领域的应用
2009年7月25日    评论:    分享:
     在教育领域,虚拟现实技术具有广泛的作用和影响。亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力。主动地去交互与被动的观看,有质的差别。难怪教育界的专家指出:崭新的技术,会带给我们崭新的教育思维,解决了我们以前无法解决的问题,将给我们的教育带来一系列的重大变革。尤其在科技研究、虚拟仿真校园,虚拟教学、虚拟实验,教育娱乐等方面的应用更为广泛性。

1.科研方面的应用
    各高校在许多领域都进行了相关的课题研究,对科学技术研究具有很大的促进作用,如:北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用。浙江大学在建筑方面,进行的虚拟规划、虚拟设计的应用。哈尔滨工业大学在人机交互方面有很好的成果。清华大学在临场感的研究颇具特色。此外,西安交通大学、上海交通大学、北方工业大学、西北工业大学、华东船舶学院、安徽大学等都有诸多科技研究的应用。

2.虚拟仿真校园
    众所周知,学习氛围、校园文化对人们教育的巨大影响及其作用。老师、同学、学友,教室、课堂,实验楼等等,校园的一草一木,每一次活动无不潜移默化地影响着我们每一个人,伴随我们成长。我们从中得到的教益从某种程度来说,远远超出书本所给予我们的。网络教育的特点,虚拟现实技术的特点,决定了我们可以仿真我们的校园环境。因此虚拟校园是虚拟现实技术与网络与教育最早的具体应有。
    天津大学早在1996年,在SGI硬件平台上,基于VRML国际标准,最早开发了虚拟校园。让没有去过天津大学的人,好好领略了一下近代史上久富盛名的大学。那时国际互联网刚刚进入中国,网络教育还未开始。已有如此的杰作,实在难得。

天津大学的虚拟校园(附图)

    随着网络时代的来临,网络教育迅猛发展,尤其是宽带技术将大规模应用的今天。国内一些高校已经开始逐步推广、使用虚拟校园模式。先后有浙江大学、上海交通大学、北京大学、西南交通大学等著名高校,采用虚拟现实技术建设了虚拟校园。从其它一些途径,我们也看到了像北京四中、杭州工业大学都采用了相同的构想去营造虚拟校园。
    由于缺乏较全面的考虑,大胆的尝试。它的实际用途还是比较单一。网络状况、硬件情况也客观阻碍推广、普及。虚拟校园实际功能,以实现浏览功能为主。但是,多种灵活的浏览方式,6+1的自由度,崭新的形式等都是独一无二的特点。以一种全新的姿态吸引着大家。
    令人可喜的是,教育部在一系列相关的文件中,多次涉及到了虚拟校园,从中阐明了虚拟校园的地位和作用。在方向上给大家有一个明确的定位。前不久,浙江大学在国家863成果展上,展出了他们的虚拟校园。对虚拟现实技术与教育的结合,起到了很好的推广、促进作用。随着网络教育的深入,人们已经不满足于对校园环境的浏览,基于教学、教务、校园生活的三维可视化虚拟校园呼之欲出。人们需要一个完整的虚拟校园体系。真实、互动、情节化的特点是虚拟现实技术独特的魅力所在,新技术必将引起教育方式的革命,让我们感受到全方位的教育。

上海交通大学的虚拟校园(附图)


西南交通大学虚拟校园(附图) 


中国人民大学的虚拟校园1

中国人民大学的虚拟校园2

中国人民大学的虚拟校园3

中国人民大学的虚拟校园4

    令人可喜的是,中央广播电视大学远程教育学院,投入较大的人力和物力,采用基于internet的类游戏图形引擎。在此基础上,将网络学院具体的实际功能整合在图形引擎中,突破了目前大多虚拟现实技术的应用仅仅停留在校园一般性浏览的应用上,并作为基础平台进行大规模应用,效果非常好,业内反映强烈,通过了教育部和有关院校的技术鉴定。他们以学员为中心,构想了一些人性化的功能,以虚拟现实技术作为远程教育基础平台,在国内甚至在国际上也属罕见。他们大胆的实际应用,将开创一个崭新的里程,让人们感受到全方位的教学、校园文化,这正是我们所需要的真正的教育。

3.虚拟教学(实验)
    由于虚拟现实技术的特点,它的实际应用在理工科的教学中应有广大作为。尤其在建筑、机械、物理、化学等学科有着质的突破。

a.同济大学建筑学院的虚拟现实实验室
    他们采用比较高端的设备。一个巨大的SONY三枪投影仪,五台高端的电脑工作站。G3苹果机,一个SGI高端图形工作站,一台顶级功放(八声道,房间周围有音响),还有一些控制设备。”
    对建筑景观、结构进行相关的仿真,尽管高端的设备,价格昂贵。但是在建筑教学中运用先进技术,进行大胆尝试,使学生对相关知识以一种崭新的方式学习。他们已经设立了相关研究生科目。

b.西南交通大学虚拟现实的应用
    西南交通大学致力于工程漫游方面的虚拟现实应用,跟踪仿真领域先进技术的发展,开发出了一系列具有国际水平的计算机仿真和虚拟现实应用产品,在城市规划仿真、驾驶员培训仿真及其他交互式仿真方面尤为突出。
    他们将视景仿真分为仿真环境和仿真驱动两部分。仿真环境包括模型设计、场景构造、纹理设计制作、特效设计等。仿真驱动包括场景驱动、模型调动处理、分布交互、大地形处理等,它要求高速逼真地再现仿真环境,实时响应交互操作等。他们拥有强大的仿真环境制作队伍和仿真软件开发队伍,拥有各种仿真开发系统环境,包括各种档次的SGI图形工作站和多种应用软件,可以完成各种仿真应用系统开发。
已开发的系统如下:

(1)城市规划
    系统用于展示城市规划、宣传城市建设、提升城市形象。系统根据城市的当前状况和对城市的未来规划,将城市的过去、现在和将来任意时间的情况展示在规划设计者、政府决策者、投资开发者和普通市民面前。该系统首先根据城市的当前状况和对城市的规划资料完成城市的设计,然后该系统的交互控制软件可以帮助使用者从不同角度遍历城市的各个部分,帮助有关人员作出决策。


(2)大型工程漫游
    展示各种拟建设的工程项目,为国际和国内工程设计投标建立多种层次、细节丰富的虚拟模型,真实再现工程竣工后的情况。用户可选择不同路径进入该项工程的任意部分;也可为已建设或正在建设的各种工程项目展示其周边环境、内部装修、固定设施的配套情况。


(3)名胜古迹虚拟旅游
    展现名胜古迹的景点,可以任意选择路径遨游各景点,乐趣无穷。

(4)虚拟房地产推销
    建立建造拟建的楼盘,将未来的美妙蓝图提前变成眼前的现实。通过简单操作,可以选择任意路径进入拟建楼盘的任意位置,体验空间对人自身的尺度感。配以相关的图片、文字、声音,更显生动。

(5)TDS-JD机车驾驶模拟装置
    可摸拟列车起动、运行、调速及停车全过程。可向司机反馈列车运行过程中重要信息。如每节车辆的车钩力或加速度,列车管压力波传递过程等。进行特殊运行情况下的事故处理。有完善的训练结果评价及合理的评分标准。在国内首先采用计算机成像及Windows界面。国内市场占有率最高的模拟装置。可任意进行列车编组,多台机车位置可任意配置。可选择任意线路断面,可在有场景条件下模拟操纵,也可在无场景情况下,根据Windows图形界面进行操纵。可任意改变机车、车辆参数,如机图形功率、基础制动装置、车钩缓冲器特性等进行模拟试验研究。
图示如下:

图1
电力机车模拟装置,该装置与所有电气柜相连接,同步动作,故障能在电气柜上设置



图2
在微机上实现的计算机生成图象的地铁车辆模拟装置的视景系统


图3
具有四自由度运动系统的全功能机车驾驶模拟装置


图4
SS4电力机车模拟装置全景。后面是教员监控台。


图5
在图形工作站上实现的计算机生成图象的机车模拟装置视景系统


图6
机车模拟装置的司机操纵台及监控装置全景

图7
用视频压缩及解压技术生成的计算机放象视景系统

图8
机车模拟装置主控计算机,Windows图形界面

    在此基础上,西南交大将开发虚拟现实模拟培训系统、交互式仿真系统。

c.中国科技大学的虚拟现实应用
    中国科技大学运用虚拟现实技术在物理实验方面,有着丰富的经验,较高的水准。他们已经形成了比较成熟的产品,基于本地的大学物理仿真实验软件,广播电视大学物理虚拟实验,几何光学设计实验平台,大学物理虚拟实验远程教学系统。

(1)大学物理仿真实验(基于局域网)
    该教学软件开创了物理实验教学的新模式,它利用计算机将实验设备、教学内容(包括理论教学)、教师指导和学习者的思考、操作有机融合为一体。它克服了实验教学长期受到课堂、课时限制的捆绕。在内容上进行了的扩展。内容包含了基本物理的测量、基本实验仪器的使用,基本实验技能的训练和基本测量方法与误差分析、综合性实验、设计性实验等,涉及到力、热、电、光、近代和物理各个学科。
附图如下:

  

(2)广播电视大学物理虚拟实验
    该软件根据广播电视大学教学大纲编制而成,内容和难易程度根据广播电视大学的要求制作,是适合全国广播电视大学物理教学的软件。该软件在安徽省电大应用两年来,取得了良好的教学效果,得到师生的普遍欢迎。该软件通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体,形成了一部活的、可操作的物理实验教科书。通过仿真物理实验,学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解,可以达到实际实验难以实现的效果,实现了培养动手能力,学习实验技能,深化物理知识的目的,同时增强了学生对物理实验的兴趣,大大提高了物理实验教学水平,是物理实验教学改革的有力工具。
如图所示:

  


(3)几何光学设计实验平台
    全国第一套基于虚拟现实的教学软件。它用计算机模拟的智能仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的实验仪器,其具有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理实验设计思想的特点。
    本软件将计算机辅助教学中智能化仪器、计算机技术、虚拟现实技术与物理教学有机的结合起来,使物理教学软件进入一个全新的领域。 全部都用真三维的形式进行模拟,使教学内容、实验设备、教学指导与操作者的思考利用计算机有机的融合到了一起。且有广泛的使用价值。
    在本系统的设计中,提出了很多创新的思想。本系统则运用了纯三维的表现方法让学生在一个大的实验室环境下进行操作,并且通过VR Glasses表现了一个真正的三维场景,达到了桌面式的虚拟现实设计水平。
    本软件同时也是国内教育界第一个对虚拟现实技术进行研究的课件,此软件的研究成功不仅填补了国内这方面的空白,而且使我国在计算机教学方法上上升到一个全新的水平。
    本系统完成了一整个光学虚拟实验室的设计,通过本实验所提供的一系列光学仪器,学生可以基本上完成所有的单透镜实验和组合透镜实验,并且提供了完整的文档和习题系统。
如图所示:

  

  

 (4)大学物理虚拟实验远程教学系统
    基于目前低速Internet网上的远程教学版本。利用该系统,教师可以分布在不同地点上网组织各种实时或非实时的分布式教学。回答学生问题,批改实验报告等。学生可根据自己的时间安排通过校园网或在家中利用电话线上网接受教师指导完成各项实验内容,并上交实验报告。
如图所示:

  

d.中国地质大学地质晶体学研究和教学应用
    空间格子、晶体的内部对称、最紧密堆积、硅氧骨干是晶体结构教学中的重点和难点,同时也是研究晶体结构的重要基础,利用虚拟现实技术演示它们的结构特征,直观明了。使我们加深了对晶体结构的了解。
图示:巴基球的分子图


  

金刚石的晶体结构图

e.东南大学的虚拟现实应用
    东南大学在建筑方面,自主开发虚拟工程漫游、渲染的软件。效果是惊人的。
如下图所示:


f. live 互动英语的应用
    是国内首创多线式互动剧场,超一流的3d动画虚拟现实互动英语教材。随机选择学习场景,39篇情境会话,提高学习乐趣,各篇内容现学现用。虚拟现实情景教学的大胆应用。真实、直观、情节化。(台湾天下华彩网络软件有限公司的产品)
相关网址:www.softchina.com.cn/xiaoruan/tools/hudongenglish.htm

4.教育娱乐站点
    众所周知,大家比较喜欢娱乐站点。游戏类、交友类、收藏类、欣赏类、爱好类等等。教育网站大家也比较喜欢。能不能寓教于乐,将教育与娱乐做结合,而形成教育娱乐站点?是个值得探讨的话题。
www.kele8.com 是目前大家比较喜欢的虚拟现实技术应用的娱乐站点。网站提供体育类游戏、动作类游戏,在线即时聊天,游戏相关新闻等内容。
    科立华已经运用此种构想,建立虚拟娱乐网站的雏形。将群体式学习、协作式学习、竞赛式学习的模式灵活应用。已经可以在教育的过程中,添加娱乐因素。将学习、交友、校园生活融为一体。
    类似的如网大,诺亚城均有相似之处,如何用新的形式来表达传统的内涵,如何进行素质教育的尝试,值得我们探讨。
相关网址:http://www.netbig.com/index.htm
          www.noahcity.com/
如图所示:


    随着宽带时代的来临,三网合一不久将成为现实。与网络技术、多媒体技术并驾齐驱的虚拟现实技术,必将具有更加广阔的应用领域和发展前景,在教育领域亦是如此,我们需要紧密关注,大胆应用,才能为我们的远程教育事业增添强大的生命力。
(备注:文章有关内容参考、引用有关网站相关内容,本人表示由衷的感谢。)

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