摘 要：基于虚拟现实的高校教育模式能够克服传统教育方式的不是，提升学生主动探究，主动参与的意识，进而增强其学习兴趣，培养其综合素质。

关键词：虚拟现实；素质教育；计算机教学；教育创新

中图分类号：G643.1 文献标志码：A 文章编号：1002-2589(2014)05-0195-02

传统的基于信息技术的学习环境往往将视频、图形与文本等元素综合起来，而虚拟现实技术则为学习者构建了三维真实模拟的认知环境。基于虚拟现实的教学模式能为学习者结合具体的课程模拟出逼真的虚拟世界场景，学生沉浸在场景和环境中，通过与虚拟环境进行互动，来实现对知识的探究，辅以自己的观察、同伴的参与以及教师的引领和评价，实现自主动式的学习与认知探索，从而为其综合素质的培养构建更加理想的教育环境。

一、虚拟现实系统的结构

虚拟现实结合计算机硬件与软件的集成，为体验者/用户模拟出实时的逼真环境。这种环境最大的特点是能够与用户进行实时互动，借助多种类别的传感单元，充分结合人类的视觉、听觉和触觉，为其构建出身临其境的真实场景，该场景能够实时对用户的行为做出符合逻辑的响应，从而增强用户的真实感和沉浸感。虚拟现实技术是基于信息技术和图像处理技术的全新技术体系，能够构建完全模拟真实世界的三维环境空间。可以将虚拟现实技术概括成“为体验者构建各种信息感觉的高级用户界面”。

一个基本的用虚拟现实系统的结构由以下几个模块组成：用户信息检测模块：接收来自用户的指令，指令的形式可以是鼠标点击、键盘、语音甚至动作与眼神，检测模块接收并翻译识别指令之后，将其体现在虚拟场景中，从而使虚拟场景可以结合用户具体指令进行变化。传感单元模块：该模块在逻辑上是双向的，既能够协助用户完成对于模拟世界的感知，又能够接收用户的操作指令信息，并将其作用于虚拟现实系统。控制单元模块：由其中嵌入的CPU单元实现对传感器的控制，同时为用户生成可感知的虚拟环境。建模单元模块：以图形处理技术和矢量运算技术，在CPU的控制下为用户构建逼真的外部环境感受。3D显示单元模块：以高性能的显示还原技术，在屏幕或者用户眼罩/头盔等感受界面上还原出模拟真实世界的视觉形象。

二、虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术的主要特点包括以下三点。沉浸感特征：体验者在借助传感单元传来的视觉、听觉、触觉等消息而进入虚拟世界时，虚拟现实技术可以在最大程度上以图像技术和高分辨率显示技术为其还原出某种真实世界的场景，使体验者能够以一种真实世界的感觉来感知周围的环境，沉浸在环境中。交互性特征：在虚拟现实的环境中，场景中的所有元素均能够接受体验者发出的行为，并产生于现实世界以及逻辑上均合理的反馈和响应。构想性特征：虚拟现实技术所构建的逼真世界由于其实时性和交互性，能够通过用户的感知，使之获取与真实世界尽可能相同的各种感受。

三、虚拟现实在远程计算机教育中的应用

远程教育的硬件部分只要求具备多媒体计算机和网络，主要阐述其软件的实现。远程教育是当前教育领域的发展方向之一，然而由于学生难以直接接触到教师以及教具，因此在教育效果上造成一定的影响，基于虚拟现实技术的远程和教育模式可以为学习者构建一个逼真而生动的学习场景，从而使其真正参与到环境中，对教育效果的提升是不言而喻的。

选取计算机课程的远程教育模式，由于计算机课程往往涉及实验，通过虚拟现实技术，能够使远程教育的学习者充分体验到与面对面教学相似的效果。计算机实验是远程教学内容中实现的难点，而基于虚拟技术的教学系统能够构建一个仿真度极高的虚拟实验室，一方面克服由于远程教学而难以实现的实验体验，另一方面也能够克服因为设备或者条件的不足而难以实现某些实验的困难，同时还能够在很大程度上节约成本，且实验的时间和地点均摆脱了环境的影响。本文在阐述虚拟现实装备应用时，专门选取远程虚拟教学的实验室开发过程进行论述，引入的开发环境是Flex技术，主要的工作涉及两个大的方面，一是学习者在远程网络的对端实现对所构建的实验室的漫游，另一个方面则是如何逼真地展示实验中所需的器件结构。

(一)实验室漫游的设计与应用

在基于Flex的开发模式之下，虚拟实验室漫游的设计方法是：以Builder3环境所提供的三维引擎构建一个实验室形体的雏形，接着结合实验室的具体配置对该雏形进行贴图操作，然后定位Camera参数的具体坐标，远程学习者则能够以鼠标的移动和点击来控制Camera所呈现的具体角度，实现实验室的全方位漫游。

实验室漫游的关键技术在于对实验室全景图的合成。只有将全景图作为贴图，才能得到真实的具有实验室纹理的立体模型。这里的“全景”值是通过全景摄影方式或者虚拟实景方式得到的实验室环境的静态图像。在虚拟实验室的设计中，对于全景图的类型可以是圆柱型，也可以是立方体或者球型等。如果以圆柱型实现的话，基本思路是设计者顺着圆柱形坐标的x轴，通过鼠标移动与点击的方式来显示实验室全方位的场景，这种方法的不足之处在于操纵者难以对上下角度进行全方位的视野观看；如果以立方体型实现的话，由于立方体具有6个面，因此操作者能够将虚拟的视点置于立方体的最中心，通过对6个面的观看来模拟置身于真实的实验室中；如果以球型实现的话，由于球型不存在衔接的问题，因此也需要图片之间的过渡属于自然过渡，这时候便需要借鉴图像处理软件进行图像处理；如果以对象型实现的话，则事先应以一个位置固定的设备，以全方位的角度对图像素材进行拍摄。而一般照相机的取景视角是难以满足这个要求的，并且如果得到了视野宽度足够的场景，则由于像素的数目是一定的，则图像的分辨率便不够高，这就涉及到对图像的分期拍摄和拼接。

在得到图形对象的图片素材之后，还应引入图像处理方法对选择的图片进行进一步的处理，包括拼接和裁剪等等，较为常见的处理算法包括特征点匹配法以及区域匹配法等等。在图片素材的拼接中，如果两幅图像出现了重叠之处，则以Photoshop的merge方法把中谍区域设置为透明；而假如参与拼接的图像存在偏差，则通过Photoshop的“圆柱映射”进行调整，最终实现图像的拼接。

(二)计算机器件虚拟模型的设计与应用

计算机实践课程涉及硬件安装、内存条插拔以及主板设置等内容，器件模型的展示是虚拟现实在远程教育中的另一个重点。本文在引入Flex软件的基础上进行阐述。

3DSMAX软件能够支持设计者进行各类建模方式，包括多边形建模建模、面片建模等等，这些方式可以提供实验室的虚拟场景，并且构建各类所需的计算机元件模块等，建模成功之后，通过色彩处理和材质处理，便能够为模型增添色彩属性以及光泽、纹理等特征，使之在最大限度上逼近真实的事物。为了提升系统的易用性和操作效率，在建模过程中应尽可能使文件体积减小，并且尽量减少模型中多边形的使用个数，以达到高效的目的。

在构建的过程中必须保证模型的真实性，器件内部也必须结合器件的真实数据进行等比例设计与实现。器件模型以3DSMax软件进行设计，基于此软件的设计方式包括多种，并且均有着比较好的效果：例如阵列法，阵列发比较适合于器件中所包含的元件均分布于器件表面的模型设计，还有一种设计方法叫作角度确定法，第一步先确定所设计器件内部的各个角度，再通过调整，最终设计出形象而准确的器件模型，这种方法适合于对一些结构相对较为简单的器件的设计；如果器件的结构属于对称型，则首先以轴线方向对分析进行分解，以上文介绍的阵列法构建出器件的一部分，再以3dsMax软件的复制功能构建出其他部分，进行角度旋转之后进行组合即可。在构建了器件的基本结构之后，还应结合具体的环境和材质对其进行颜色以及质感的设计，因此还需使3DSMax的贴图功能，该功能一方面能够进一步提升所构建的器件模型的真实感，另一方面则能够在很大程度上减少模型多边形数量，使渲染速度大大提升。以3DSMax构建出的文件与Papervision3D是不想兼容的，所以还应把3DSMAX格式的文件进行转换，使之成为DAE文件。但是众所周知的是3DSMAX是不支持DAE文件的导出，所以此时应该以ColladaMax插件协助导出为DAE格式的文件。

基于虚拟现实技术的远程教学，最重要的便是实现学习者和虚拟实验室的人机交互，由于教学和实验均是基于网络的，所以人际的交互主要媒介便是计算机的鼠标以及键盘，设计两个“类”结构实现键盘鼠标的人机交互处理，其中与键盘的交互类是events.Keyboard，与鼠标的交互类是events.Mouse。在基于Flex的虚拟现实实现中，可以结合学习者的操作来设计相应的实验元件的变化，包括旋转，移动等等。通过调用基于Flex所提供的move Forward方法，同样能够使构建出的元件模型移动。远端的学习者只要通过鼠标和键盘，就能在虚拟实验室里对以其、元件进行操作，从而完成一次逼真度极高的实验，从而以虚拟现实的方式为远程学习的学生提供逼真的感性材料，培养学生的创新能力。

四、结语

高等教育必须能够为学生的素质提升和能力提升打下坚实的基础。随着虚拟现实技术的研究与发展，其在教育行业的应用必将愈加深入。基于虚拟现实的高校教育模式，能够克服传统教育方式的不足，提升学生主动探究、主动参与的意识，进而增强其学习兴趣，培养其综合素质。引入虚拟现实技术的教学必将带来教学效果和教育质量的显著提升。

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