虚拟实践在教学过程中的应用
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作者: 聂 丹 朱海琴
教育改革时代,新时代的计算机技术产物,虚拟现实、增强现实和混合现实技术在教育领域中的应用。新的教育理念、新的教育方法,要求新的教育技术。互动、创新的虚拟实践技术是教育技术今后发展的方向。
[关键词]虚拟现实 增强现实 混合现实 教学应用
教育体制转变是改革开放30年来的伟大成果,通过国际交流与合作来打破地区封锁和僵局。新技术的广泛应用是科技教育的重要手段和方法。运用虚拟现实、增强现实和混合现实技术在教育领域中的应用,进行“虚拟实践”,是一个重要课题。
因互联网的不断发展而逐渐兴起的仿真教育在我国教育体系中扮演着越来越重要的角色。在以主要面对计算机屏幕形式进行学习的网络教育中,学习者对可视化知识学习的三维性、交互性、动态性和真实性提出了较高的要求。综合多种现代化教育手段,服务于教学过程。
在高等院校的教学方面,可以运用增强现实和混合现实的很多技术来寓教于乐。提高学生对学习的兴趣。运用增强现实技术和混合现实技术的思想和成果。
一、虚拟实践的技术内容
1.虚拟现实技术
虚拟现实技术是虚拟三维空间的一种技术。如我们熟知的好莱乌电影,我们看到的电影画面如星球大战中火爆的画面,虚拟的外星生物,太空情景等,就是虚拟现实技术的杰作,在此之前,虚拟世界与现实世界是基本完全分割的。我们认为虚拟现实的进一步发展,就是混合现实了,混合现实将真实的环境和虚拟的物体叠加到了同一个画面或空间同时存在。在早期,这些画面都是在电影生成的后期添加上去的,需要一定的制作时间,人们只能在回放的影像中以旁观者的角色去感受它。而今,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。
2.混合现实
混合现实又称扩展现实和增强现实。拥有2D/3D显示器和手势交互系统(gesture interaction)的“混合现实”工作站指示角度范围可达100°。通过触摸屏与3D显示,用户可以像感觉到一个真实的物体一样,还可以通过打手势来控制桌面电脑,再也不需要键盘与鼠标了,而且,当你触摸虚拟的物像时,还可以通过一个反馈装置来传回触觉感受,就好像在现实生活中发生的情况一样。该工作站主要包括一个由两个大LCD显示器构成的特级立体视频放映屏,一组多维立体视频手跟踪仪和三个小的桌面电脑,而这些设备都是集成在一个工作台上的。
3.增强现实技术
增强现实技术的研究与应用是一个典型的交叉学科的高技术领域,涉及了计算机图形学、并行处理、计算机视觉、人机交互技术、传感技术及人工智能等多种技术,不断发展相结合的产物,并广泛应用于工程设计、医疗、军亭、教育、娱乐、旅游等领域。增强现实技术通过跟踪用户在真实场景中所处的位置,将计算机生成的图形图像以及声音等信息“叠加”在用户感知的真实世界之上,利用这些辅助信息增强用户对真实场景的感知能力,是目前国际计算机界的前沿研究课题之一。
美国巴特尔研究所在一项研究报告中列出10个2020年最具战略意义的技术趋势,这些趋势将决定着未来一个时期的社会发展特征,其中排名第10位的便是增强现实技术。
国内研究AR系统的单位有北京理工大学、国防科技大学、西安石油学院、电子科技大学、华中科技大学、上海大学等,国外研究AR系统的单位有德国SIEMENS AG、美国哥伦比亚大学、澳大利亚Vienna大学、日本Nara协会等,这些单位已经在AR系统的摄像机校正算法、AR头盔显示器的设计、硬件平台的应用、视觉跟踪技术等方面取得了一定的成果。
二、在教学方面的应用
在高等院校的教学方面,可以运用增强现实和混合现实的很多技术来寓教于乐。增强学生对学习的兴趣。
1.三维电子书
三维电子书看上去,和普通的书籍没有不同,同样有图片和文字。当读者戴着头盔显示器在观看书页时,你可以看到立体的物体,沉浸在书中所描绘的立体虚拟世界中,以微型虚拟的替身形式与其他读者一起畅游。魔法书是非常有趣的。
2.互动投影
比如在桌面、墙面、橱窗等公共场所通过触摸屏或运用其他高科技手段来互动学习。
3.在课堂教学过程中,增强现实的应用的前景更加广泛。综合运用影视、课件及网络等多种手段,进行可视化教学。
三、虚拟实践在今后的教育发展中的应用
1.虚拟现实技术为我们提供了一种全新的实践方式,即“虚拟实践”。
它为人们认识世界提供了新的途径和方法。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,VRML作为经典的编程语言是当今所有最先进的虚拟现实技术的本源。传统的三维动画和视频因文件量大、交互性和动态性弱的缺点使网络教育不得不寻求新的媒体技术。桌面虚拟现实技术以其良好的三维性、灵活的交互性以及对硬件资源要求的简易性等优点备受网络教育的亲睐,成为解决可视化知识学习的又一重要媒体技术。
2.增强现实魔法书
使读者可以看到立体的物体,沉浸在书中所描绘的立体虚拟世界中,以微型虚拟的替身形式与其他读者一起畅游。在课堂教学过程中,魔法书是非常有趣的。增强现实的应用前景十分广泛,可以综合运用影视、课件及网络等多种手段,进行可视化教学。
3.远程现代化教学系统
CSCW(Computer Supported Cooperative Work)的网络教学系统模型,通过手机、PDA、网络等现代化信息通讯工具,进行无障碍学习。比如手机上的电子词典系统,答疑系统,教师与学生随时互动,自动批改作业系统,模拟课堂等等,把家长也吸引到学生的学习中来,一起进行自我素质和知识水平的提高。将教育资源的利用达到最大化。基于网络教育(Web-based Education),虚拟现实(Virtual Reality),桌面虚拟现实(Desktop Virtual Reality),虚拟认知(Virtual Cognition ),QTVR,VRML,Web3D,X3D等多种技术于一身的一个远程现代化教学系统。
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