虛擬現實技術論文大全11篇

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1)(Conceptdesign)概念設計;2)(Detaildesign)詳細設計;3)(Manufacturingdesign)制造設計。由此可見，產品的概念設計的主導地位和重要性。

1概念設計的內涵

概念的設想是創造性思維的一種體現，概念產品是一種理想化的物質形式。下面以概念設計教學實例之一來說明其涵義:給出一個概念“斷藥”，讓學生進行座椅的開發設計。步驟是，首先向學生講述心理學中的一個名詞———暗示心理，并分別舉出一個“安樂死”實驗和一個“挽救少女生命”的文學名著故事，從正反兩個方面說明暗示對人的健康的影響;然后運用一個“民間故事”闡述如何將“斷藥”的概念物化到具體的產品上。因為，在民間曾有這樣一個說法，就是將一把斷了的鑰匙用紅線穿上掛在小孩的脖子上，取“斷鑰”的諧音“斷藥”暗示常生病的孩子掛上“斷鑰”這掛項鏈之后，就斷了藥，從此不再吃藥，這也意味著孩子走向健康。所以，將一把斷了的鑰匙(斷藥)的概念物化到具體的產品上來為健康做設計時，用折斷了的鑰匙做椅架為主題，由學生創意出現了形形的座椅開發設計方案(其草圖、效果圖、視圖等技術說明從略)，于是就有了一種新型的專用座椅的概念設計。其應用場合為療養院、醫院、不能自理的老人家庭等。

這是傳統的產品概念設計。當然，產品的類型不止是這種無障礙設計思想指導下的專用座椅。產品即人之觀念的物化，設計是一種思維行為。在這種思維創造活動中，產品概念的構思是豐富的，人的創作智慧是無窮的。概念產品的類型更是多種多樣。

2概念設計與產品市場

概念設計只是第一步，能不能進行第二步Detaildesign，第三步Manufacturingdesign，甚至投放市場為開發商或企業帶來效益等，這是個風險問題。設計師的概念設計畢竟與難以預料市場變化有著許多差距。如何縮短這一差距，是以往概念設計者的難題。在開發設計的許許多多產品中，只要一百件產品中有幾件能夠投放市場見效益就是成功。在追求“百分之幾”的見效益成功的過程中，如何減少做“分母”的被動，擴大見效益的百分比，仍是最關鍵的，是公司管理決策人士和設計師共同努力的方向。

3虛擬現實技術促使概念設計的市場化

為了更好地接近產品的市場需求，目前國際上流行的一種“故事版情景預言法”的概念設計，就是將所要開發的產品置于一定的人、時、地、事和物中進行觀察、預測、想象和情景分析，其形式是以故事版的平面設計表達展示給人們。于是，產品在設計的開始便多了一份生命和靈氣。然而，設計表達在信息時代已是多元化的展示形式，計算機輔助工業設計的發展，尤其是虛擬現實技術在產品概念設計中的應用，已使設計師的設計思路和設計表達如虎添翼;可以想象面對一種虛擬的“故事版情景預言法”設計出的產品，讓人更多了一種直觀的、親切的及交互的感受，這樣開發設計的產品與傳統相比，就大大減少了投放市場的風險性，也為企業決策人尋找商機、判斷概念產品能否進一步開發生產，提供更好的依據。虛擬現實技術能模擬整個產品開發過程，保證產品開發一次性成功，加快開發進程，甚至使設計者和用戶融為一體，設計出滿足市場需要的產品。

二、虛擬現實技術與虛擬產品

1虛擬現實系統(VirtualReality，VR)

虛擬現實系統又稱為虛擬現實環境，是指計算機生成的一個實時三維環境。使用者可以在這環境中“自由地”運動，觀察周圍的景物，還可通過各種專用的傳感交互設備與虛擬物體進行交互操作。用戶看到的是全彩色景象，聽到的是虛擬環境中的音響，感覺(手、腳或皮膚等)到的是虛擬環境所反饋的作用力，從而讓使用者產生一種身臨其境的感覺。產生虛擬現實環境的方法有:

1)基于模型的方法(ModelbasedMethod，MM)這種方法產生虛擬環境的步驟為:

①用放置在不同地點的多個攝像機將某環境或事物記錄下來;

②利用計算機的視頻技術抽取出環境或事物的三維模型;

③從虛擬攝像頭的視角展示獲得模型。具體的做法是:獲得數據標度攝像頭分離對象建立模型嵌入顏色交互回放。

2)基于圖像的方法(ImagebasedMethod，IM)一般做法是:

用攝像頭連續掃描周圍空間來獲取某一區域完整的景物圖像，將獲取的景物圖像，通過圖像處理技術，按坐標映射到圖形工作站的虛擬全景屏上，用戶載上頭盔顯示器就可以看到所攝周圍景物環境。

2虛擬現實系統的常用設備及要求

虛擬現實系統常用設備有:三維鼠標(也稱鳥標)、數據手套、數據衣、頭盔顯示器、立體聲耳機等。對虛擬現實系統的要求除了應具有高性能的計算機系統(包括軟、硬件)外，還必須有下列關鍵技術提供強有力的支持:(1)能以實時的速度生成具有三維全色彩的、有明暗、有陰影、有紋理的、逼真感強的景物圖像;(2)頭盔顯示器能產生高分辨率圖像和較大的視角;(3)能高精度地實時跟蹤用戶的頭和手;(4)能對用戶的動作產生力學反饋。

3虛擬產品(VirtualProduct，VP)

虛擬產品是虛擬現實技術應用于產品設計的產物，是一個數字化的產品。它具有真實產品所必須具有的特征。通過對產品實時的仿真，設計人員或用戶就能夠像使用真實產品一樣使用虛擬產品。由于產品的設計過程是數字化的，因此節省了傳統方法中需要制造的物理模型(包括概念模型、模擬實驗模型、外觀模型和生產模型等)的時間和物質。在計算機中由于對設計的產品進行反復設計、分析、干涉檢查、模具設計等過程，使設計繪圖的工作量比傳統的繪圖工作量大大減少。

三、虛擬現實技術在概念設計中應用前景

在概念設計中，如采用頭腦風暴法進行方案創意時，可以將體驗設計思想更好地融于其中，也就是更多地關注產品使用者的感受，而非產品本身。比如，針對不同用戶及愛好者的要求，在不同的虛擬環境中，讓他們親自體驗修改模型的感受;利用觸摸屏來選擇產品的造型、色彩、裝飾風格等許多可選部件。在渲染和生成十分逼真的三維模型時，充分感受了自己所喜愛的產品在虛擬環境中的“真實”情況。甚至還可根據用戶的建議，邀請部分用戶直接與設計者一起對模型提出修改意見，觀察設計和修改過程，直至大多數人滿意為止。

為了適應激烈的市場競爭，設計廠家不能坐等用戶找上門訂購產品，而應該主動把自己廠家的產品推向市場。利用虛擬現實技術做出虛擬產品的動畫廣告，再與計算機網絡技術結合起來，使用戶能夠通過網絡來游覽設計廠家的設計產品，并能直接在虛擬環境中對產品的功能、結構、外形、色彩等方面進行實時交互、了解、觀察;同時，還可以通過Email對產品提出意見和建議，讓廠家參照各方面的意見修改和完善所設計的產品。這樣可提高設計廠家的競爭力，為設計廠家謀得更多的市場份額。

若用戶對廠家設計的產品引起購買的欲望，通過網上游覽，將信息反饋到各商家，商家則會主動爭先與廠家聯系，網上定貨，使廠家的產品提前占領市場。由于激烈的全球市場競爭，各國都投入了大量的資金對虛擬現實技術及其在工業設計領域中的應用進行深入地研究。將研究的成果及時轉化為生產力，這是產品迅速占領市場的關鍵。

參考文獻

1陳軍等虛擬現實中虛擬景象產生的技術初探計算機應用研究，1999，6

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2虛擬現實技術在計算機通信中應用的重要意義

邊防部隊計算機通信實踐中采用虛擬現實技術可全面提升部隊信息化工作效率，使工作人員整體技術水平不斷增強，更新以往滯后的管理工作模式與日常辦公手段，符合目前計算機通信應用的現實需要，可保證邊防部隊計算機通信應用的整體安全。引入虛擬現實技術至計算機通信領域，還可進一步完善計算機通信體制，預防計算機通信形成更大的漏洞、提升邊防部隊計算機系統服務器的綜合應用率，節省硬件設施的成本投入、縮減系統能耗成本。通過將各類計算機通信系統的整合處理使之在單獨服務器之中進行運行，還可全面提升計算機通信整體安全工作水平。

3計算機通信中虛擬現實技術應用

3.1硬件組成

采用Vmware虛擬機通過橋接模式進行連接，該處理方式之下，便要求用戶通過手工操作配置虛擬系統IP地址并設定子網掩碼。同時，還要令其同宿主系統同處在相同的網段之中，方能完成兩者間的通信應用。另外，倘若該虛擬系統處在局域網之中單獨的主機系統內，則用戶便可通過手工方式進行網絡通訊協議的配置，進而可通過局域網網關或是路由器完成網絡登錄訪問。另外，應用虛擬現實技術還要擁有屬于自身的硬盤、光驅以及網卡等必要硬件設施，完成計算機通信信息資源的實時全面共享。還可對其完成分區操作、進行格式化處理。采用的傳輸模式應是全雙工或者半雙工，工作溫度則要控制在零攝氏度至四十攝氏度、支持網管，對網絡地址進行科學的規劃，唯有如此方能保證網絡系統的順暢有序運行，全面提升通信系統自動化工作水平。

3.2VPN確保通信系統安全

虛擬現實技術應用階段中，采用量子秘鑰模式的VPN技術，可確保計算機通信應用的可靠安全，提升網絡信息傳輸效率。倘若在計算機通信階段中引發泄露現象，則此泄露出來的信息也僅僅是量子信息各個分塊之中的一個單元，并不會對整體量子秘鑰的可靠安全形成較大程度的影響。同時，針對竊聽人的相關信息也并非全面的，可能有所增加或縮減，為此竊聽人獲取數據資源欠缺準確性。這樣一來可全面預防秘鑰竊聽現象，確保VPN網絡信息的完整與安全。另外，該系統模式還體現了抗攻擊性特征，可全面提升分配秘鑰的處理效率，通過相空間重構方式，并借助混沌系統以確保量子秘鑰的可靠安全，提升虛擬現實技術的綜合安全性。

3.3完成目標定位、進行虛擬化平臺管理

計算機通信中需要借助GIS虛擬現實技術，將GPS設施用作移動終端進行導航與定位，發揮數字地圖處理功能，以完成動態的電子圖件傳輸，令人們可借助系統全面明確現場具體狀況。該過程之中需要首先將項目圖件、信息導入至系統內，變化為圖形與相應的GIS格式，透過自動化處理以及手工方法掌握GPS有關位置信息，并利用網絡系統設施傳播，以細致全面的記錄邊防現場管理狀況。計算機通信應用過程中采取虛擬現實技術完成有序管控，并借助語音應答、多媒體系統、數據庫系統以及鏡像功能取代人工作業，使邊防部隊計算機通信系統之中的人資管理職能有效的劃分出來。借助計算機系統的更強大的存儲功能可存儲海量信息，并設定統一模式，透過遠程監控系統召開視頻會議、進行遠距離的查哨，借助微波通信完成自動化的報警處理，并透過具備抵御干擾影響以及輻射作用的高清晰視頻快速傳遞邊防現場具體圖像信息，完成快速的數據收集以及視頻傳輸，透過虛擬現實技術使得工作路程更加優化，以加快整體工作業務的處理進度。

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虛擬現實技術有沉浸感、交互性、想象力等三大基本特征。

(1)沉浸感:沉浸感可理解為浸入性，虛擬現實技術的發展已經可以使人“沉浸”在計算機模擬出來的虛擬環境中而不分真假，讓使用者感覺已經成為了虛擬世界中的一部分，從而使用者從被動的觀察者成為主動的參與者。理想的虛擬環境是可以達到讓使用者難分真假的程度，由于目前科學技術發展的局限性，虛擬現實系統研究與應用比較成熟的只有視覺沉浸、聽覺沉浸、觸覺沉浸和嗅覺沉浸。

(2)交互性:交互性主要指使用者操作虛擬物體和從虛擬環境中得到反饋信息的程度。交互性是虛擬現實技術同傳統多媒體技術差別最大的地方，強調人機交互的自然性，如植物的搖動、水系的流動、鳥蟲的鳴叫等。當學生在虛擬環境中抓住一個實體，其感受都與自然環境中一致或者極為相似。但交互性的有效性和實時性就需要回饋設備等強大的硬件系統和特殊設備支持了。

(3)想象力:虛擬現實技術具有十分開放的構想性。使用者沉浸在虛擬的環境中，除了體驗真實的自然感覺，還可以想象一些客觀不存在的超越自然的環境。虛擬現實技術可以提供這種豐富想象空間的特點，能夠使學習者增加興趣，提高學習效率。

2.虛擬現實的軟件系統

想要實現虛擬現實必須硬件和軟件相互配合，軟件系統是實現VR技術的關鍵。

(1)Virtools:是一款功能強大，整合豐富的產品，它能將各種復雜的3D模型，2D圖片及聲音文字很好地整合在一起，開發具備豐富行為模塊的3D虛擬環境，已經運用于多種3D產品當中。

(2)VR－Platform:這款軟件比較方便，可以在配置不是特別高的計算機上使用，運行流暢，但同時效果也有一定的損失，能夠滿足基本的3D浸入和360度視角觀察。

(3)Quest3D:該款極具實用性的產品，有著良好的交互性，支持導入文件的格式非常多，音頻視頻都可以靈活方便的加載，Quest3D可以滿足大多數編輯者的應用需求，利用它可以比較方便地創建出復雜的圖形程序。

(4)EONStudio:在處理已經建模的3D模型時這款軟件較為方便，可輕易在導入的模型上加入設計的動作。

(5)Converse3D:是一款比較成熟的整合軟件，在兼容性方面比較突出，運用起來高效并穩定。

(6)WireFusion:這款軟件在web3D中應用較多，不需要用戶獨立的編程，而采用簡單的拖放式操作，就可以輕松地建立動態的web3D網頁。

(7)CityMaker:是國內自主研發軟件，很有專業的針對性，在建立虛擬建筑和虛擬城市方面有很強的應用能力，是一款面向規劃與建筑行業的專用軟件。當然，各種軟件復雜多樣，設計目的不同所以傾向性也各有不同。當前，適合園林植物景觀設計教學的有Virtools、EONStudio、WireFusion軟件。但是，大多數軟件使用費用較高，并且專業方向不明顯，與行業的結合不夠緊密，使用時經常需要二次開發(如天正CAD、中望CAD)。

二、VR技術在“園林植物景觀設計”教學中的應用

VR技術應用于“園林植物景觀設計”教學是科學技術發展所產生的新形式。區別于傳統教學，VR技術的優勢非常明顯。在VR技術應用現實系統中，按照項目分析、方案設計、施工圖設計等教學流程完成“園林植物景觀設計”課程作業。

1.項目分析階段

在“園林植物景觀設計”虛擬項目教學中，許多學生常常無法親臨項目現場進行實地考察，可以采用VR技術進行場地分析、環境評判，并通過網絡平臺，進入到虛擬項目的場地內部，全面了解項目的周邊環境，包括氣候條件、地質條件、交通狀況、人流分布、水系分布、土壤條件、植物資源、歷史文化等現狀特征。

2.方案設計階段

在方案設計階段，學生需要將一些景觀節點定位定量地表達出來，包括植物配置平面圖、立面圖、剖面圖及局部效果圖。采用VR技術使學生能夠進入虛擬的場地空間中，直接擺放、移動、組合各種園林植物，反復調整植物種類、位置、數量，綜合對比不同植物組合的景觀效果和空間形態，較大程度彌補了傳統教學中學生對植物空間與環境無法進行綜合感知的缺陷，進一步激發學生的創作靈感。

3.施工圖設計階段

在該階段，可采用VR技術對植物種植模式和植物空間組合進行高度仿真，模擬植物的栽植位置、植株大小及材料種類，最終完成植物種植總平面、體現高程和剖面的豎向組合圖、植物與各種景觀要素搭配立面圖等，其間反復調整植株數量和樹木株行距獲取最佳的生態效益和景觀效果，可以直觀地展示出植物群落的景觀特征和空間形態。

三、虛擬現實技術在“園林植物景觀設計”教學中應用的難點

1.程序設計難點

園林植物景觀設計是風景園林本科生的重點學習內容。隨著季節的變化，四季中同一地點植物也會有著完全不同的景觀效果，所以如何編寫基于VR技術的程序，體現出植物景觀的時效性，也就成為VR技術應用的難點。

(1)將植物群落四季交替的數據信息輸入VRML的場景數據庫中，當學生需要觀察不同季節植物景觀特征時，實時改變場景信息即可。但數據的獲取較難，可以在教學中利用OnyxComputing公司的TreeProfessional，這款插件有一定的樹木參數庫可以利用。

(2)動畫技術比較成熟，四季的情景很容易模擬，但運用在VR技術時缺點極為明顯。動畫每幀的順序都是固定的，編輯好的，這樣就大大降低了VR技術實時調整的交互性，同時動畫無法提供操作人自然的物理互動，所以浸入性也大打折扣。

2.硬件支持難點

各種植物三維模型是由許多面組成的，達到理想的虛擬效果需要計算機有很強的運算能力。一株枝葉豐富的景觀樹模型大概需要幾千個面，如果仿真一個很大的植物種植場景，可能產生上千萬，上億的面，對于計算機硬件的壓力是十分巨大的。

3.教學推廣難點

虛擬現實技術的應用需要較高專業水平和較強的計算機技術應用能力，而目前一些高校同時具備專業能力和計算機技術水平的教師較少，嚴重制約了虛擬現實技術在“園林植物景觀設計”教學中的應用與發展步伐。

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（1）環境模擬

利用計算機模型產生實時三維圖形，根據使用者所需工作環境或實驗場所的空間方位及時間參數等數據模型，可以設計出很逼真的模擬圖像，同時結合立體顯示技術呈現給使用者完美的模擬系統，需要注意的是空間或環境變化時顯示刷新頻率對于使用者感觀的影響。

（2）感觀反饋

可以通過立體聲效果實現聲音方位和遠近的改變，通過帶有震動觸點的道具模擬觸覺感應，以此來實現虛擬系統中聽覺觸覺的反饋效果。

（3）人機互動

通過語音識別系統或者計算機進行語音或命令輸入。虛擬現實技術的以上特點完全適用于煤礦安全生產培訓系統，通過計算機3D技術模擬出煤礦生產環境，用戶以第一視角進入，可以熟悉工作環境、訓練各種工作技能，應對突況等。

（4）三維動畫效果

場景制作完成后需要使用AdobePremierePro將音效和動畫進行合成和剪輯，還需要使用轉場效果及特效來達到逼真效果。

2煤礦安全培訓系統總體架構

礦井作業模擬系統由計算機控制系統來操控整個系統，用戶登陸后通過計算機控制系統連接運動控制接口，可以通過啟用采掘模塊進行采掘模擬訓練；通過啟用風險識別模塊訓練工人判斷、識別和處理危險的能力；通過互救、逃生訓練鍛煉工人自救和相互救助的意識。同時用戶還可以通過傳感器控制感受第一視覺漫游礦井，熟悉礦井生產環境和生產設備，這對于新員工來說非常必要，可以通過模擬系統盡快熟悉工作環境。

3模型構建

模型構建主要以創建不規范生產操作、重大生產事故示例和安全事故應急預案演練模型為主，使用戶可以通過模擬系統達到親身體驗的目的，培訓系統主要采用3DSMAX建模和渲染。其中大型設備采用多邊形建模技術，以先精模后簡模為原則，建模前需要根據設備的實際尺寸確定模型的比例，根據設備運行參數設置模型運動軌跡和參數；小型設備則使用圖片處理軟件和貼圖技術進行處理，多采用紋理貼圖以提高仿真度。井下巷道模型應該按照實際巷道的尺寸、復雜程度和礦井生產圖紙來構建三維模型，力求模型比例與實際生產環境相符合，為了保證安全培訓系統的可擴展性，按照由簡單到復雜遞進的順序依次創建，形成系統的巷道模型庫，應對生產環境隨時擴展的可能性。場景建模主要是根據實際巷道環境創建包括電纜、機電設備、管道和支架等輔助設備，主要采用貼圖技術，使場景模型更加逼真。利用特效編輯器生成煙霧，利用燈光設置達到瓦斯爆炸效果，后續連鎖反應會涉及到物理模塊及反應堆力學技術。人物模型的建立極為關鍵，人物造型是否逼真直接反映了模擬系統的仿真質量。在進行人物建模時首先進行外形創建，以實際生產的不同工種為原型進行分角色設計，人物運動效果要注重細節，如對安全事故發生時人物的反應和動作要進行動作采集并進行數據分析，作為突發事故時人物反應的分析資料。人機交互則利用VIrtools實現。

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二、虛擬現實技術在家電產品展示設計中的應用優勢與價值

隨著社會經濟的發展科技的進步，在高速發展的經濟時代的今天，人們對目前生活具有極大的便利性追求，網絡信息充斥著各個角落，帶給了我們極大的便利性，傳統的靜態的產品展示極大阻礙了人們的視線。傳統的展示方式，已經讓人們產生了審美的疲勞，已經不能夠滿足當代產品展示的基本需求，不能夠體現產品的展示獨特性、創新性和藝術性。使得人們只有親自去購買現場才能夠了解和體驗產品屬性。產品虛擬展示設計可以利用計算機技術營造出一個仿真的虛幻的壞境，設計者可以通過漫游動畫、三維效果圖等方法來展示產品設計效果，讓決策者、設計者以及消費者來感受、認識、理解和評價。傳統展示方法有一個類似的缺點，就是不能以人的視角深入其中，得不到全方面的設計效果和觀察，而應用虛擬現實可以很好的做到這些。消費者可以從不同角度，實時真實互動地看到產品設計效果，虛擬展示是一種交互體驗性、便利性相結合的新型展示手段，極大的滿足了經濟信息時代人們的需求。

（一）虛擬現實技術可以自由、人性化的互動式體驗

目前，在市場銷售活動中，家電產品的展示比較廣泛的應用展示方式仍然是實物展示。但家電產品不同于其他的產品，促成消費者購買家電的眾多要素中品牌口碑、技術領先、產品功能、安全性能、外觀設計、產品質量、綠色環保、節能效果前8項指標使其無法全面的開放式的展示，一般消費者在觀察及選購的時候自由度較低，不能夠獲得最佳的體驗感。而基于虛擬現實技術的小家電產品虛擬展示方式更注重消費者體驗，更關注提升用戶的自由感知。在虛擬家電產品展示中，虛擬現實技術引入家電產品展示效果更加逼真，消費者可以根據需要放大細節，變換視角，實時修改顏色、造型、材質，從而挑選自己喜歡的款式進行交互式體驗等，同時還可以通過網絡與其他在線的消費者交流經驗，從而可以在愉快輕松的體驗中產生購買的欲望、堅定購買信心。消費者還可以及時與設計者進行溝通、探討設計中存在的問題，進行協同化、協作化交流，這也是傳統的實物展示和網絡靜態的圖片展示無法比擬的，這也是較多消費者較喜愛的演示方式。基于虛擬現實技術的展示設計帶來新奇、人性化且自由的互動式體驗方法也有助于發掘潛在消費者。

（二）連續、直觀的視覺效果

在目前較為常見的家電產品實物展示方式中，消費者受外在的條件影響很大程度上受到限制，以圖片、文字或Flash多媒體技術往往只能提供家電產品的平面圖，給消費者的信息量有限，與實物相比也有一定的差距，而且缺乏互動性。家電產品展示中應用虛擬技術，以虛擬的三維模型為家電展示的表現形式，不僅僅能全方位地展現家電產品，而且還能對它任意縮小、旋轉，、放大獲得多角度、多方位、連續性的展示。虛擬現實技術對產品可以進行實時渲染，具有傳統的靜態的展示不可比擬的優勢，互動性體驗的瀏覽方法使其比多媒體的展示方式更為先進。應用虛擬現實展示形式，不僅能夠展示出家電產品外形的各個面面，再加上消費者通過人性化的互動性操作，對家電產品進行深入觀察，能夠有更全面的了解，使購買機率增加，從而為商家帶來更多利潤。

（三）提升家電產品的營銷性能

為了爭得消費市場份額，銷售商競爭非常激烈。他們不斷探討最新的零售手段，以尋求銷售額增加的新辦法。最有效的銷售方式就是展示。從有銷售業開始，銷售者怎樣向消費者展示家電產品就是一件非常值得探究的事情。可以說家電產品虛擬展示是最目的最直接的提升家電產品的銷售量。

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二、虛擬現實技術在中職院校建筑設計教學中的運用

(一)立體物體的展示

在教學過程當中，為了能夠加深學生對知識的理解，經常要用到實物展示。在進行三維物體展示的時候，為了達到更好的效果，中職教師主要采取以下幾種方式:第一種是用投影儀展示圖片。這種方法的弊端是只能對物體的某些視角進行展示，學生無法進行全面、自主的觀察。第二種是實物展示。這種方法比較實用，但是其缺點也十分明顯。在課堂上學生所處的位置都不同，因而觀察實物的角度也不同，難免會產生不正確的理解。第三種是利用計算機的三維造型和動畫制作軟件，建立一個與事物相同的三維模型，然后通過旋轉展示其各個角度。這種方法相對更為理想，但是其最大的問題就是整個展示過程都是預先設定的動畫過程，學生只能進行暫停或繼續的操作，卻不能根據自己的需求改變視角。而通過對虛擬現實技術的運用，教師可以建立與實物相同的三維物體，然后再利用3DSMAX建立模型，再通過VRML語言來建立虛擬境界。學生可以根據自己對知識的理解，對梁、柱、墻的數量、比例、排列方式、截面形式等各種因素進行調整。這樣，就可以使枯燥的結構體展示出豐富的表現力。這對中職院校建筑設計教學的效率和效果具有極大的幫助。

(二)立體空間的展示

立體空間，包括了在現實世界中真實存在，或者在歷史中曾經存在的空間。在進行建筑設計教學時，有時需要向學生展示這些空間。但是，由于條件上的限制，使得學生無法親自進入這些空間當中，通過教師的描述和學生的想象，在學生的頭腦中對立體空間進行虛擬。而利用虛擬現實技術，不但能在學生腦中建立這些立體空間，還能夠讓學生看見、聽見這些立體空間，從而進行切身的感受和體會。因此，相比于傳統的中職院校建筑設計教學來說，虛擬現實技術能夠讓學生更加直觀、真實、深刻的對相關知識進行理解和掌握。在充分理解相關知識點的同時，也能夠提高學生的想象力和創造力，以及對所學知識的應用能力。

(三)虛擬場景的構造

虛擬場景指的是在現實生活當中，可能出現或是曾經出現過的一些具體場景。利用虛擬現實技術能夠隨時隨地的將這些場景展示出來。在傳統的中職傳統建筑設計教學當中，教師只能通過語言的描述、圖片的展示、或者視頻的播放來創設學習情景，而學生也只能被動的接受，無法進行直觀的理解。例如，在進行圓明園的介紹與講解的時候，雖然教師對圓明園當中包含的眾多中外建筑形式的介紹和講解，同時也向學生展示了大量的圖片和視頻，但學生仍然無法做到完全的認識和理解。而運用虛擬現實技術對圓明園進行模擬，就可以讓學生親自走進圓明園，親身游覽，面對面的觀察圓明園當中的亭臺樓閣。學生通過近距離觀察圓明園當中的各種建筑形式，然后再與教科書當中的內容進行對照，可以大大提高學生對相關知識的認知，從而提高教學效果。如果學校的條件允許，還可以利用沉浸虛擬現實系統，讓學生帶聲頭盔顯示器，使學生能夠在身臨其境中理解園林建造的理論知識，從而進行更加深刻的體會和感受，就能夠取得更為理想的教學效果。

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中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)31-

Explore the Training System Development Model Based on Virtual Reality Technology

GAO Ben-cai, LIU Guang-ran

(Tianjin University of Technology and Education, School of Information Technology and Engineering, Tianjin 300222, China)

Abstract: Compared to formerly any time,Nowadays,China all needs the high quality technical worker who grasps each skill. Compared with the developed country The Chinese mechanic population as well as the intermediate and senior mechanic's proportion has already a very big disparity, this does not tally extremely with the Chinese high speed development financial circumstance, The traditional mechanic education has not been able to complete the such huge education project. This article will discusses the new training pattern based on the virtual reality technology --- Virtual Training, Analyzes the sole superiority which the virtual reality technology has and pour it into the mechanic development as formidable propelling force, elaborated the virtual training system performance history and attempts to summarize the development pattern. Hoping this article can provide the model for the correlation personnel, provide the powerful talented person safeguard to maintains the high speed development for the Chinese economy.

Key words: virtual Reality; skills training; virtual training; mechanic

在當今中國,技工教育受到全社會的高度重視,知識、技能和創造得到了充分的尊重和發揮,一個有利于技工教育發展的良好氛圍正在形成。

隨著經濟全球化進程的加快,21世紀的中國已經成為全世界的制造中心,我國要想扮演好這個世界制造中心的角色,一大批高素質技術工人必不可少。現代產品的更新換代的周期已經完全的顛覆了一些人所能夠承受時間概念高科技產品更是源源不斷的推陳出新。傳統的技工培訓模式已經不能挑起這么艱巨的任務,亟待開發新的培訓模式。

諸多難題阻礙著現代技工教育的發展,至今技工學校還沒有走出一條適合中國國情的發展道路。我想基于虛擬現實技術的虛擬培訓或許可以解決難題實現破冰,推動技工教育的良好的發展。

1 虛擬現實概念及特征

虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR)是1989年美國的J.Lanier(后來曾是專做VR產品的VPL公司董事長)提出的,國內也有人譯為“靈境”,國外與虛擬現實同類的術語,還有虛擬環境、人工現實及電腦空間等。

虛擬現實有三個突出的特征:沉浸性、交互性、構想性。

2 桌面虛擬現實與虛擬培訓

桌面虛擬現實(Desktop Virtual Reality,DVR)主要是在個人計算機和低級別的工作站上進行環境仿真,依靠計算機的屏幕提供給用戶一個虛擬的平臺,運用虛擬現實的輸入設備實現與虛擬世界場景之間的交互。

虛擬現實技術是利用計算機生成極為逼真的環境,通過生動的視覺、聽覺、觸覺等效果以及隨參與者的動作而變化的場景使人獲得身臨其境的感覺。現階段由于完全的虛擬現實系統價格昂貴目前只用于科學研究,其中基于虛擬現實技術的培訓(簡稱虛擬培訓)采用增強現實的虛擬現實系統(也稱桌面虛擬現實)改變了原有的培訓方式,為用戶提供一個直觀、友好的圖形化培訓環境,適應社會需求。使得用戶在計算機提供的逼真的三維虛擬環境中熟練掌握某一裝置或某一系統的操作使用方法。大大減少了技工培訓中的各種資源的消耗提高了培訓質量和培訓效率,有助于實現對于危險作業或不具備試驗條件的高級培訓。

3 職業技能培訓

職業技能培訓是現代經濟增長的不竭動力。著名經濟學家舒爾茨在考察經濟增長的主要原因時指出:對人力資本的投資是最重要的生產性投資,也是經濟增長不竭的動力。根據人力資本理論,人力資本比物質、貨幣等資本要素具有更大的增值空間,因為作為“活資本”的人力資本,具有創新性、創造性,具有有效配置資源、調整企業發展戰略等市場應變能力。因此,職業技能培訓是人力資本投資的一個組成部分,而且職業技能培訓是實現終身教育,建設學習型組織的主要教育形式,其良性發展能滿足社會經濟發展對高素質、技能型人才的需要,必然對GDP增長帶來更高的貢獻率。

4 虛擬培訓系統的開發過程模式探究與設計實例

虛擬培訓系統是利用虛擬現實技術生成的一類適于進行教育培訓的虛擬環境,它可以是某一現實世界培訓基地或設施的真實再現,也可以是虛擬構想的世界。受訓人員通過與虛擬環境進行交互獲得經驗達到學習和培訓的目的。

4.1 虛擬培訓系統的開發模式

在中國知網上以虛擬培訓系統開發模式為檢索詞分別以題名和全文項進行精確查找,查找結果都是沒有相關的文獻資料,通過閱讀虛擬培訓系統的相關論文資料后也沒有發現關于虛擬培訓系統開發模式的有關論述。通過閱讀虛擬培訓系統的相關文獻,比較各種虛擬培訓系統的開發過程,結合本人實際的設計經驗總結歸納出虛擬培訓系統開發模式。如圖1所示。

虛擬培訓系統的開發過程大致分為四個階段:首先,對將要開發的課程進行系統分析,其中包括對學習內容的分析判斷虛擬培訓系統是不是內容表現的最佳選擇。如果可行就要繼續將學習內容進行必要的分解分成若干的模塊和單元,這樣有利于將復雜的任務簡單化使整個任務比較容易的得以實現;另外要對學習任務進行分析即通過培訓要求學習者掌握的知識經驗的總和并為接下來的教學策略的選擇提供支持,在這項工作中還需要明確學習者要掌握預期的知識經驗需要學習的各種理論知識、動作要領、技能流程以及必須完成的操作練習。其次,同時進行3D圖像建模與交互的設計與實現兩個階段的工作。這兩個階段也是系統開發的兩條主線,在3D圖像建模階段依據前期的素材的準備運用3D建模工具開發虛擬學習環境。這個階段是整個開發過程中工作量最繁重的一個階段,需要開發人員熟練掌握3D建模工具,通過反復細致的設計修改才能開發出逼真的虛擬環境。要根據學習者的特征(不同群體適應不同的交互方式)依據相關的交互理論運用恰當的交互工具科學合理的進行設計與實現。交互的設計與實現階段要特別的引起重視,因為大部分學習任務的完成都有賴于系統的交互功能,交互設計的好壞與最終的學習效果有著直接的聯系。最后,是系統的合成與調試,這一階段能夠保證系統順利的得以實現并應用在教學中。在該階段中包括了將必要的教學策略、理論知識以及一些必要的文字說明嵌入到系統中使它真正成為一個用于教學的工具。在調試是比較繁雜的工作,需要我們有足夠的耐心和精益求精的精神通過不斷的發現問題解決問題使系統不斷的得到完善保證系統發揮最大的作用。

4.2 虛擬現實系統的設計實例

4.2.1 案例簡介

數控機床是技工培訓中的重要課程,由于數控技術較為復雜所以學習難度比較大,學員往往要用很長的時間來了解數控機床的工作原理之后才能夠進入現場實際操練或是根本找不到相應的設備操練。我們設想開發這樣一個虛擬訓練系統使學員能夠利用電腦實現理論與實踐相結合,通過使用這么一個系統學員能夠掌握數控技術的基本理論知識、數控機床的組成及工作原理、基本的操作練習。讓學員在進入實訓現場之前形成必要的知識經驗的準備,增強訓練的針對性提高培訓效率。

4.2.2 設計構想

該虛擬訓練系統首先呈現出的是數控技術的基礎知識和數控機床的工作原理,此處用帶有碰撞的行走動畫來表現。圍繞數控機床的工作程序來設計活動和交互,在給出零件的所有運動、尺寸、工藝參數等加工信息后學員被要求編制出零件加工的數控程序單。對于形狀復雜的零件,學員可以在計算機上進行自動編程(APT)或CAD/CAM設計;編好的數控程序學員會被要求輸入到數控裝置的一種存儲載體上,用動畫形式抽象表現數控裝置從內部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數控加工程序,經過數控裝置的邏輯電路或系統軟件進行編譯、運算和邏輯處理,輸出各種控制信息和指令給驅動裝置,經功率放大后按照指令信息的要求驅動機床移動部件,以加工出符合圖樣要求的零件;再用動畫顯示位置檢測裝置將數控機床各坐標軸的實際位移量檢測出來,經反饋系統輸入到機床的數控裝置之后,數控裝置將反饋回來的實際位移量值與設定值進行比較,控制驅動裝置按照指令設定值運動;學員在呈現的輔助控制操縱界面中按下按鈕后隨之會發生相應的變化比如刀具的轉換、指令交換工件和機床部件的松開、夾緊等動作。在以上幾個步驟中適時現實必要的文字補充材料以便于學員理解。

4.2.3 技術實現

本系統的開發工作主要集中在虛擬場景建模、虛擬動畫的制作以及交互的設計與實現三個環節。

在建模方面,3DSMAX的建模功能是非常強大的完全能夠滿足桌面虛擬現實系統的建模需求。在虛擬動畫的制作方面,可以用普通的動畫制作軟件如flash等。但是這樣就存在一個不同格式文件相融合的問題,如果直接用3DSMAX制作的話相對來說會比較容易。在交互方面,較為簡單的交互可以將MAX格式轉換成VRML格式通過VRML內部的交互傳感器來實現。在一些較為復雜的交互實現上編程語言更具優勢,但是難度也是很大的。有很多交互我們根據學習任務要進行設計的但是實現起來難度很大,我們就要靈活掌握通過對能夠實現的交互功能進行有限的組合達到預期的效果。在交互的設計實現過程中還要重點關注的一個問題就是有效的教學設計的使用。

5 結束語

全文主要探討了虛擬現實技術應用于技工技能培訓的新模式,介紹了虛擬培訓系統的開發過程,至于具體的應用于技工教育的虛擬培訓系統(軟件)的設計和開發我們正在進行進一步的研究。

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一、 虛擬現實幫助學生獲取緘默知識

(一)緘默知識

緘默知識是英國學者波蘭尼于 1958年首次提出的一個新概念。他指出：“人類有兩種知識，通常所說 的知識是用書面文字或地圖、數學公式來表述的，這只是知識的一種形式，還有一種知識是不能系統表述的，如我們有關于自己行為的某種知識。如果我們將前一種知識稱為顯性知識的話，那么我們就可以將后一種知識稱為緘默知識。”緘默知識往往不容易被人們所注意，但并不能說明緘默知識在人類實踐活動沒有價值或微不足道。恰恰相反，緘默知識是非常重要的一種知識類型，事實上它們在支配著人的認識活動的整個過程，是人們獲得顯性知識的“向導”。首先，只有通過緘默知識或緘默認識到途徑，人們才能發現一個有新意的真正的科學問題，因為這些科學問題還是問題，還不明了，處于隱蔽模糊的狀態，當然不可能有明確的邏輯證明，只能依靠經驗直覺(其中包含緘默知識)而達到；其次，科學家要做出科學的發現，就必須將那些一般意義上的科學技巧如觀察、記錄、描述、資料分 析等個性化 、實踐化，轉變 為他自己獨特的知識，這個個性化、實踐化的過程實 際上是把一般意義的科學技巧(顯性知識)與個人的緘默知識相結合的過程；再次，在任何科學理論的論證過程中，在各個階段都會有意想不到的情形發生，這是繼續進行研究還是終止，在很大程度上也是一個不能加以清晰表達的建模過程；最后，一個可與陳述是否被人們接受，也依靠人們的緘默知識來幫助，人們在心目中都有一套說不清道不明的認同這種說法拒絕另一種說法的標準，這些標準是緘默知識的一部分。由此可以看出，緘默知識在人的認識活動中是至關重要的。

(二)虛擬現實技術幫助學生獲取緘默知識

虛擬現實技術所具有的沉浸性和交互性使得學習活動具有實踐的性質，虛擬實踐以信息的符號化轉換為物質載體，這就擺脫了原始狀態下虛擬思維的對象的虛無與神秘，同時也解決了原型條件實踐下對象創設的諸多局限于無奈。在虛擬現實的環境下，學習者可以通過對大陸現實素材進行可控的疊加、分解、重組、試探和驗證，來尋找和發現事物各種新的可能性，并展示其接近現實的真實圖景。遨游于虛擬世界中，學習者學習到的知識將是帶有情境性的包含緘默知識在內的完整、豐滿的知識，而不只是抽去汁肉的骨架式的顯性知識。

二 “右腦革命”——虛擬現實技術改變學生的學習手段

布萊克斯利在 1980年出版的((右腦與創造》中寫道：“計算機革命，從根本上說，它乃是左腦革命的延伸。計算機實際上是擴展了我們 進行抽象邏 輯思維的能力。而對于右腦所進行 的那種類型的思維，不能對計算機抱有不恰當的奢望。”這段話 明確表明計算機技術只是能擴展我們進行抽象邏輯 思維的能力，而對于我們的形象思維的能力卻是無能為力。

在虛擬世界里，人們不僅僅可以通過邏輯的方式進行學習，更主要是通過形象化的方式進行學習。虛擬技術被稱為第一個推動人們身體活動獲取知識的智能技術。虛擬技術提供的學習和認識方式，不僅僅是邏輯和形象的結合，還特別有認知能力和感知能力的結合。

三、學生創新思維的培養

(一)培養學生的發散思維

虛擬現實技術打破了傳統的意向傳授知識的教學模式，學生可以最大限度地發揮主動性和積極性，夠開導學生思維的流暢性、變通性和精細性，為培養學生的發散思維提供了豐富的資 源和便利的空間，將學生的學習、練習及自我測驗結合起來，形成一種生動、活潑、積極的教學方式 ，這是任何傳統的教學方式、方法所達不到的，具有不可替代的功能和作用。

(二)培養學生的形象思維

形象思維的基礎是觀察能力、聯想能力和想象能力 (包括再 造想象和創造想象)。虛擬現實技術能夠構造出最佳的課堂教學環境，能夠提供和展示各種現實的學習情境，誘導學生即席思考，激發學生的聯想。例如利用計算機模擬物理中的電子云圖。核外電子運動的規律與普通物體的運動規律不同，用眼睛看不見，用儀器觀察不到、測量不出來，而且核外電子的運動也沒有確定的軌道，運算速度極快，既看不到、又不能測定算出它在某一時刻所在的位置，只能用統計的方法描述它。虛擬現實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬，通過虛擬系統便于工作可直觀地觀察到這一假設所產生的結果或效果。

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隨著計算機技術的飛速發展,涉及計算機圖形技術、人機交互技術、人工智能、傳感技術等領域的虛擬現實技術在近階段同樣高速發展。虛擬現實技術通過計算機模擬出一個三維的虛擬世界,為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬,令用戶如同身臨其境。由于虛擬現實技術所具有的突出特性,目前虛擬現實技術已廣泛應用在軍事、醫療、教育、文化、航天、水利、城市規劃等方面,無形中改變著我們的工作、學習、生活的方式,因此也成為學者們當前關注和研究的熱點。

工業旅游是伴隨城市化和工業化高速發展而產生的,是融合知識、觀光、休閑的一種旅游項目。工業旅游在滿足大眾好奇心的同時,也可以宣傳企業文化、提升企業形象,隨著工業旅游的深入發展,將來也可以成為企業新的經濟增長點。工業旅游最早出現在西方,人們把倒閉、廢棄的工礦企業重新進行改造,轉變成為工業博物館、景觀公園、藝術表演場地、設計公司的辦公場所等現代實用場所,逐漸發展成為工業遺產旅游。隨著工業遺產旅游的發展,旅游開始進入生產經營中的工業企業,從而形成現在完整的工業旅游概念。我國在經歷了幾十年的工業高速發展后,工業企業逐步成熟,對于工業旅游的認識不斷深入,近年來越來越多的工業企業開始加入到工業旅游中,并呈現出一種快速增長的趨勢。

一、虛擬現實技術涉及了多種學科的技術,綜合利用了多種先進技術裝備,具有如下三個主要的特點

1. 沉浸性。指用戶感覺完全置身于虛擬世界中,被虛擬世界所包圍。由于虛擬現實技術提供的多感知性,用戶不僅具有常見的視覺、聽覺感知,還具有觸覺感知、嗅覺感知、運動感知等。通過多感知性,使用戶沉浸于虛擬世界中,由被動的觀察者成為主動的參與者,參與虛擬世界的活動。

2. 交互性。在虛擬現實系統中,交互性的實現相比以往的人機交互方式有了巨大的改變,不再像以往那樣完全依賴于鍵盤、鼠標,借助于虛擬現實系統殊的硬件設備,人與虛擬現實世界可以通過自然的方式進行交互,例如人的走動、頭的轉動、手的移動等等。

3. 想象性。虛擬現實技術不僅可以虛擬構建真實存在的環境,還可以構建人們的想象空間,從而去體現設計者的思想,實現一定的目標。虛擬現實技術為人類認識世界提供了一種全新的方法和手段,為人類去探索和研究已知以及未知的問題提供了新的方法及思路。

充分利用虛擬現實技術所具有的鮮明特點,在工業旅游中發揮虛擬現實技術的優勢,從而完善、促進工業旅游。

二、增強工業旅游中知識的傳播與普及

在工業旅游過程中,工業企業或多或少都會對工業企業的制造流程、制造工藝進行一定的介紹,但是由于制造流程、制造工藝涉及的知識專業性、理論性較強,有些很難通過講解員的講解完全說明,并且很多機器設備內部結構也是無法直接觀察到的,因此目前的講解方式還不能十分有效的進行知識傳播。但是通過虛擬現實技術,就可以完全解決這些問題,通過對廠房、機器設備的虛擬構建,在計算機的虛擬平臺上就可以構建任何我們需要的部件,不僅可以渲染動畫進行工作原理、工作流程的介紹,還可以提供計算機終端設備供參觀者模擬操作,從而極大提高知識的普及和傳播。

三、增強工業旅游中的沖擊力、感染力

由于虛擬現實技術是以計算機平臺為基礎的,因此通過虛擬現實技術生成的虛擬環境、虛擬模型都可以利用計算機的圖形技術進行畫面的優化,從而為參觀者呈現出精美絢麗的畫面。在擁有了優質畫面的前提下,充分發揮計算機多媒體技術的優勢,聲覺、觸覺等設備營造出完整地虛擬現實環境將給予參觀者多感官的刺激,帶給參觀者強勁的沖擊力、感染力。

四、增強工業旅游過程中的安全性

在工業企業中,總是有些區域是具有一定危險性的。在參觀過程中,由于人員數量多,人員的組成結構復雜,增加了工業企業管理上的難度。而利用虛擬現實技術,可以在實地參觀中避開潛在危險區,通過在虛擬廠區系統中模擬游覽來替代實地參觀,從而徹底避免危險情況的發生,增強工業旅游的安全性。

五、增強工業旅游企業的宣傳方式

通過虛擬現實技術完成了虛擬廠區的整個系統之后,可以利用系統在多種途徑進行知識傳播和企業宣傳。例如:在多媒體放映廳進行大屏幕播放、裝載在單機上供使用者單機操作、還可以通過互聯網使普通民眾在網絡上進行瀏覽操作、通過系統導出數據刻錄在光盤等媒介后,用戶可以在個人電腦上進行瀏覽。總而言之,虛擬現實技術可以極大豐富工業企業現有的宣傳方式。

六、增強工業旅游企業的規劃管理能力

通過擴展系統功能,可以為工業企業提供一個全三維可視化的規劃管理系統平臺,在管理系統中工業企業可以對廠區的改建、擴建規劃方案進行可視化的評估論證,為規劃方案的修改完善提供有力的支持。同時對于廠區中的地下管線等隱蔽設備,通過系統可以進行可視化的管理,從而極大提高地下管線等隱蔽設備的管理、維護水平。

本文從虛擬現實技術入手,對虛擬現實技術在工業旅游方面的應用進行了闡述,結合虛擬現實的技術特點對它在工業旅游應用中的優勢進行了初步的介紹,對于虛擬現實技術在工業旅游中更深入的應用,有待于以后的研究。隨著工業旅游的不斷發展,虛擬現實技術的進步,虛擬現實技術與工業旅游的結合必將更加緊密,推動工業旅游更加蓬勃的發展。

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1.虛擬現實技術

虛擬現實VR( Virtual Reality) 是近幾年來信息技術迅速發展的產物， 畢業論文是一門在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術和傳感技術的基礎上發展起來的交叉學科。其基本方法和目標是集成并利用高性能的計算機軟硬件及各類傳感器創建一個使參與者處于身臨其境的、具有完善的交互能力、能幫助和啟發構思的信息環境， 即讓用戶在人工合成的環境里獲得角色的體驗。

虛擬現實具有三個基本特征。沉浸性， 是指觀察者對虛擬世界的情感反映， 這種感覺能使用戶全方位地投入這個虛擬世界， 這是虛擬現實的首要特征。交互性， 是指虛擬現實是一個開放的環境， 能對用戶的輸入作出響應， 并能通過監控裝置來影響用戶和被用戶影響。想象性， 是指虛擬現實不僅是一個媒體、一個高級用戶界面， 還是一個應用系統， 它以生動形象的形式反映設計者的思想。虛擬現實的三個基本特征強調了人在這個系統中的主導作用。虛擬現實系統按其功能不同， 可以分為三種類型: 沉浸式虛擬現實系統、桌面式虛擬現實系統和分布式虛擬現實系統。其中，桌面式虛擬現實系統是運用軟件編程方法在顯示器上顯示三維場景， 用戶通過鍵盤、鼠標等設備與虛擬場景交互， 它的特點是結構簡單、成本較低， 易于推廣。

2.網絡虛擬實驗室

所謂網絡虛擬實驗室， 是指利用區域網或互聯網， 由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統， 包括相應的實驗室環境、有關的實驗儀器設備、實驗對象及實驗信息資源等。虛擬實驗室可以是某一現實實驗室的真實實現， 也可以是虛擬構想的實驗室， 虛擬實驗通過虛擬實驗室進行。在虛擬實驗中， 實驗者有逼真的感覺， 有身臨其境的感受， 好像是真正在現實實驗室里近距離進行現場操作。在虛擬實驗中， 沒有一個有形的實驗室， 也沒有以實物形態存在的實驗工具與實驗對象， 實驗過程主要是對虛擬物的操作。

3.計算機專業虛擬實驗室的創建

構建專業虛擬實驗室， 其實就是搭建一個網絡平臺系統， 包括硬件、軟件及管理三個方面。在硬件上，

目前各校都建立了校園網絡并接入了互聯網， 這些基礎設施基本可以滿足需求， 不需要太多的投入。在軟件方面， 一個是實驗室平臺軟件系統的開發， 它與網站建設相聯系; 另一個是網站的內容( 實驗內容) 建設， 這是實驗室建設的關鍵。虛擬實驗室應有可以做的實驗來支撐， 不然軟件平臺就是一個空架子， 形同虛設。同時， 該平臺上還應有實驗管理的支持， 對實驗儀器、實驗報告、實驗指導、實驗成績及網上答疑等進行有效管理， 并對虛擬實驗室進行監控， 計算機網絡虛擬實驗室系統各模塊的主要功能如下。

( 1) 實驗管理模塊， 由學生管理、教師管理、儀器管理和學生成績管理等組成。碩士論文在學生管理方面， 學生通過瀏覽器進行注冊登錄， 登陸成功后可瀏覽實驗項目， 查看實驗的詳細資料， 預約實驗項目及做實驗的時間， 在線發送和接受消息， 進行問題討論， 進行實驗登記， 實驗完成后可通過網絡寫實驗報告并提交報告。教師管理方面， 可對實驗內容添加、修改、整理、刪除， 對學生提交的實驗報告列表， 批改實驗報告， 填寫評語和成績， 提交批改結果， 與學生進行討論。儀器管理方面， 對新設計開發的虛擬儀器上傳并進行分類整理， 以便實驗使用。成績管理方面對學生的實驗情況( 實驗次數、實驗報告及完成情況) 給出成績， 并進行統計分析及提供查詢等。

( 2) 儀器展示模塊， 對虛擬實驗室可用虛擬元器件、虛擬儀器設備分門別類地進行管理， 以圖形的方式直觀呈現出來， 供學生在實驗時進行選擇。

( 3) 實驗指導模塊， 包括實驗介紹、實驗方法、實驗項目的重點及難點、實驗目的、實驗原理、實驗準備、實驗任務、實驗過程、實驗報告的要求及實驗應注意的事項等。

( 4) 實驗報告模塊， 主要對學生完成實驗后， 提供相關的實驗報告模板， 供學生下載， 由學生填寫相關內容以及實驗的結果， 完成后上傳電子版實驗報告， 由教師進行批閱， 并進行記載。

( 5) 實驗答疑模塊， 由專業教師對學生實驗中出現的疑難問題進行及時解答， 幫助學生順利通過實驗。同時了解學生對實驗的掌握程度， 并及時反饋、調整教學。

( 6) 論壇交流模塊， 教師和學生可以通過論壇進行充分的交流， 學生可以將實驗中的收獲、經驗和體會及問題到論壇上， 教師可以將一些典型的問題提出來， 供大家探討。學生在這樣寬松的環境下發表自己的見解， 教師從中可以得到及時的實驗教學反饋信息， 以便整改。

( 7) 虛擬實驗模塊， 是虛擬實驗室建設的重要部分。學生通過該模塊進行虛擬實驗， 醫學論文以達到鞏固強化知識的目的。該模塊內容根據專業學習的具體情況及實驗建設條件， 可不斷增加。計算機專業網絡虛擬實驗室系統的建設， 可以引入其他學校的虛擬實驗室中。這種方式比較簡單， 容易實現， 見效較快。但需要投入較多的軟件購置費用，同時也需要結合本校的實際情況進行一些調整， 有一個磨合期。另一種是因地制宜， 自主開發。根據本校的實際教學和實驗情況， 結合學生的實際水平， 由任課教師或聘請部分專家組成開發小組， 進行一系列的虛擬實驗項目的開發研究， 并將研究的成果連接到虛擬實驗室中， 逐漸擴充直至完善。這種方式比較靈活， 能充分發揮教師的積極性， 能有針對性地進行設計開發， 適合學生的實際情況， 學生容易接受， 并且經費投入較少。缺點是開發周期較長， 系統性不夠， 水平有限。也可以將上述兩種方式結合起來， 一是引入、購置部分自己不宜開發的實驗項目， 二是結合自身的優勢和長處開發一些實驗項目， 如非交互性的、演示性的虛擬實驗項目等。

二、加強網絡虛擬實驗室的管理

1.加強用戶管理， 為每個學生分配賬號。對學生進入虛擬實驗室， 使用實驗室做虛擬實驗等進行登記保存。鼓勵學生經常訪問虛擬實驗室， 在上面提出問題、發表見解， 做好實驗， 努力提高虛擬實驗室的人氣。

2.全天候開放虛擬實驗室。學生可以隨時進入虛擬實驗實自己動手組織實驗， 自己設計實驗方案， 動手完成實驗， 整理和總結實驗數據， 職稱論文提交實驗報告， 培養學生的分析能力和創新能力， 逐步向以“學生為中心”的自主個性發展模式轉變。

3.組織專業教師網上指導與答疑， 參與論壇討論交流， 及時批改實驗報告， 為學生順利完成實驗提供服務。在虛擬實驗室中， 教師應對學生提出的疑問盡快給出幫助和解答， 并進行必要的指導。在實驗室論壇上發表觀點， 提出問題讓學生思考， 使師生在虛擬實驗室中有較強的互動性， 教師應充當好學生實驗的合作者和知識的建構者的角色。

4. 對學生在虛擬實驗室的表現及實驗效果進行

評價。針對學生每一門課程的虛擬實驗完成情況、實驗報告、網上提問、論壇發帖的情況， 給學生一個成績和評價， 反饋給學生， 英語論文并與該課程的正常實物實驗一起記入實驗總分。教師也要在對學生評價的同時， 征求學生對虛擬實驗室的意見， 對學生反饋的信息進行整改。

計算機網絡虛擬實驗室的建立， 可以很好地解決目前硬件設備跟不上實驗的要求、學生實驗時間不夠用等問題， 對于提高學生的動手能力、分析問題和解決實際問題的能力具有非常重要的意義。但在具體應用中還要注意處理好“虛擬實驗”和“實物實驗”的關系， 不能一味地強調虛擬實驗， 要“虛實”結合， 既相互補充， 又各有側重， 這樣才能取得很好的實驗教學效果。同時， 在虛擬實驗中要注意培養學生嚴謹的、一絲不茍的科學實驗作風。 參考文獻

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隨著國家發展“大學科”及交叉學科的教育建設思想的推進，現代教育要求不僅掌握知識、學習能力和方法，更要進行必要的人文主義教育，交互式教學法實現了教師與學生以及學生之間的交互。虛擬現實技術的發展和應用，使人機交互更好地與日常生活經驗相契合，為交互式的教學方法提供了技術支持。本研究旨在通過研究人的行為，運用交互式的教學方法，探究以虛擬現實技術為代表的先進技術在未來數字教學模式中的應用。

一、基于虛擬現實的交互式數字教學方法研究與分析

1.人機交互。人機交互過程是指人通過人機界面向計算機輸入指令，計算機處理后把輸出結果呈現給用戶的過程。人機交互的發展歷史，是從人適應計算機到計算機不斷地適應人的發展史，它經歷了幾個階段。

人機交互的方式可以分為數據交互、圖像交互、語音交互和行為交互四類，其中行為交互是當今社會研究的重點，它是指通過身體的姿態和動作來表達意思。行為交互是計算機通過定位和識別人類，跟蹤人類肢體運動和表情特征，從而理解人類的動作和行為，并作出相應的智能反饋過程，它將帶來全新的、最自然的交互方式。計算機通過用戶行為能夠預測用戶想要做什么，并以此來滿足用戶的需求。比如，計算機通過跟蹤人們的視線，就能預測用戶的意圖，是想要瀏覽什么網站還是需要打電話等，它有助于形成更適合未來數字教育的交互方式。現代教學，教的內容趨于多樣化，學生的需求也趨于多樣化、多層次，每個學生的個體差異也更為突出，怎么針對這些新的特征，利用更好的交互技術，使教與學的內容在數字化的平臺上，更好地照顧學生的個性化特征和需要，更好地實現教師個體與學生個體之間以及學生群體之間的相互交流、互動學習就變得尤為重要。

前面提到，人機交互需要由相應的人機界面來使之形象化。人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面，它是人機雙向信息交互的支持軟件和硬件，也是進行交互設計最終展現給用戶的結果，所以，對人機界面的充分了解對分析數字教學中的交互設計不可或缺。

2.虛擬現實技術。要實現上面所述的自然交互過程，需要運用高科技手段，比如近幾年逐漸成熟的虛擬現實技術，利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，提供使用者視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，及時、無限制地觀察三度空間內的事物。在教學中，它運用于實驗模擬、場景再現，可以把枯燥繁瑣的文字知識形象地進行轉化，幫助學生主動地思考、學習，是既有意思又是符合未來教育模式的一種技術。

虛擬現實具有三“i”的基本特征，即immersion-interaction-imagination(沉浸—交互—構想)，強調虛擬系統中人的主導作用。沉浸感指用戶沉浸于計算機生成的虛擬環境中，有身臨其境之感。交互性指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，是人機和諧的關鍵性因素。想象力則是用戶從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，從而可以深化概念，萌發新穎的認識。

按照用戶參與的形式以及沉浸程度，虛擬現實可以分為桌面虛擬現實、沉浸式虛擬現實、增強現實性的虛擬現實和分布式虛擬現實系統四類。虛擬現實系統強調的是人與虛擬環境之間的交互作用，或是兩者相互作用，從而反映出虛擬環境所提供的各種感官刺激信號以及人對虛擬環境做出的各種反應動作。虛擬環境給人提供的各種感官刺激包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺、力覺、身體感覺及前庭感覺，在物理、化學及設計類課程的互動教學中應用前景廣闊，虛擬環境能夠逼真模擬物理中的力覺與觸覺，生物化學中的嗅覺和味覺，而各種設計類課程中的大量視覺圖像圖形的動態信息也能夠更好地呈現出來，在教學中起到很好的演示作用。另外，虛擬現實的技術能夠較好地調動學生的學習積極性，使枯燥的內容更形象化呈現出來，同時教師也可以應用虛擬現實的仿真模擬技術，將邏輯思維較強的教學內容，通過仿真模擬的方式，預測到由于公式及參數的改變而可能產生的預期結果，并科學地呈現出視覺、聽覺、觸覺、力覺等多種感知的結果，加深學生的感性認知，“上手(Hands-on)”和“交互式”的教學能夠引發更多的積極的注意力，幫助學生更透徹地理解抽象的原理。

3.現代教育與數字教學。數字教學是指教師和學習者在數字化的教學環境中，遵循現代教育理論和規律，運用數字化的教學資源，以數字教學模式培養適應新世紀需要的具有創新意識和創新能力的復合型人才的教學活動。隨著計算機和互聯網技術的日益發展及應用，數字教學模式主要應用于多媒體教學和網絡教學領域，并逐漸深入到學習的方方面面。

但現階段的數字教學仍然存在缺陷。首先，計算機無法對學生的情緒變化作出相應反饋，而且它也無法取代教師在教學過程中一些暗示性的語言所起到的微妙效果。其次，在教學的許多領域中，計算機無能為力，特別是非邏輯判斷方面。最后，教學課件在實際使用中存在著局限性。這一系列的問題，相信通過運用交互設計的方法，結合虛擬現實技術的應用，都會被逐一解決。

[論文摘要]以虛擬現實技術為發展趨勢的信息技術日新月異，當它被應用到教育領域時，能夠提供逼真的實驗環境和事件場景，內容組織安排特別強調學生主動參與來構建知識結構，使學生由“被動聽講”轉變為“主動學習”，教與學之間能產生更好更強的互動，是信息時代教學模式的主要發展趨勢。文章旨在分析探索以虛擬現實技術為基礎、以交互式為導向的數字教學模式，并從教學資源、師資隊伍、個性化教學及整合網絡教育平臺四個方面詳細闡釋了基于虛擬現實技術的交互式數字教學模式的構建。

[論文關鍵詞]數字教學 虛擬現實技術 交互式 教學模式

隨著國家發展“大學科”及交叉學科的教育建設思想的推進，現代教育要求不僅掌握知識、學習能力和方法，更要進行必要的人文主義教育，交互式教學法實現了教師與學生以及學生之間的交互。虛擬現實技術的發展和應用，使人機交互更好地與日常生活經驗相契合，為交互式的教學方法提供了技術支持。本研究旨在通過研究人的行為，運用交互式的教學方法，探究以虛擬現實技術為代表的先進技術在未來數字教學模式中的應用。

一、基于虛擬現實的交互式數字教學方法研究與分析

1.人機交互。人機交互過程是指人通過人機界面向計算機輸入指令，計算機處理后把輸出結果呈現給用戶的過程。人機交互的發展歷史，是從人適應計算機到計算機不斷地適應人的發展史，它經歷了幾個階段。

人機交互的方式可以分為數據交互、圖像交互、語音交互和行為交互四類，其中行為交互是當今社會研究的重點，它是指通過身體的姿態和動作來表達意思。行為交互是計算機通過定位和識別人類，跟蹤人類肢體運動和表情特征，從而理解人類的動作和行為，并作出相應的智能反饋過程，它將帶來全新的、最自然的交互方式。計算機通過用戶行為能夠預測用戶想要做什么，并以此來滿足用戶的需求。比如，計算機通過跟蹤人們的視線，就能預測用戶的意圖，是想要瀏覽什么網站還是需要打電話等，它有助于形成更適合未來數字教育的交互方式。現代教學，教的內容趨于多樣化，學生的需求也趨于多樣化、多層次，每個學生的個體差異也更為突出，怎么針對這些新的特征，利用更好的交互技術，使教與學的內容在數字化的平臺上，更好地照顧學生的個性化特征和需要，更好地實現教師個體與學生個體之間以及學生群體之間的相互交流、互動學習就變得尤為重要。

前面提到，人機交互需要由相應的人機界面來使之形象化。人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面，它是人機雙向信息交互的支持軟件和硬件，也是進行交互設計最終展現給用戶的結果，所以，對人機界面的充分了解對分析數字教學中的交互設計不可或缺。

2.虛擬現實技術。要實現上面所述的自然交互過程，需要運用高科技手段，比如近幾年逐漸成熟的虛擬現實技術，利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，提供使用者視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，及時、無限制地觀察三度空間內的事物。在教學中，它運用于實驗模擬、場景再現，可以把枯燥繁瑣的文字知識形象地進行轉化，幫助學生主動地思考、學習，是既有意思又是符合未來教育模式的一種技術。

虛擬現實具有三“i”的基本特征，即immersion-interaction-imagination(沉浸—交互—構想)，強調虛擬系統中人的主導作用。沉浸感指用戶沉浸于計算機生成的虛擬環境中，有身臨其境之感。交互性指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力，是人機和諧的關鍵性因素。想象力則是用戶從定性和定量綜合集成的環境中得到感性和理性的認識，從而可以深化概念，萌發新穎的認識。

按照用戶參與的形式以及沉浸程度，虛擬現實可以分為桌面虛擬現實、沉浸式虛擬現實、增強現實性的虛擬現實和分布式虛擬現實系統四類。虛擬現實系統強調的是人與虛擬環境之間的交互作用，或是兩者相互作用，從而反映出虛擬環境所提供的各種感官刺激信號以及人對虛擬環境做出的各種反應動作。虛擬環境給人提供的各種感官刺激包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺、力覺、身體感覺及前庭感覺，在物理、化學及設計類課程的互動教學中應用前景廣闊，虛擬環境能夠逼真模擬物理中的力覺與觸覺，生物化學中的嗅覺和味覺，而各種設計類課程中的大量視覺圖像圖形的動態信息也能夠更好地呈現出來，在教學中起到很好的演示作用。另外，虛擬現實的技術能夠較好地調動學生的學習積極性，使枯燥的內容更形象化呈現出來，同時教師也可以應用虛擬現實的仿真模擬技術，將邏輯思維較強的教學內容，通過仿真模擬的方式，預測到由于公式及參數的改變而可能產生的預期結果，并科學地呈現出視覺、聽覺、觸覺、力覺等多種感知的結果，加深學生的感性認知，“上手(Hands-on)”和“交互式”的教學能夠引發更多的積極的注意力，幫助學生更透徹地理解抽象的原理。

3.現代教育與數字教學。數字教學是指教師和學習者在數字化的教學環境中，遵循現代教育理論和規律，運用數字化的教學資源，以數字教學模式培養適應新世紀需要的具有創新意識和創新能力的復合型人才的教學活動。隨著計算機和互聯網技術的日益發展及應用，數字教學模式主要應用于多媒體教學和網絡教學領域，并逐漸深入到學習的方方面面。

但現階段的數字教學仍然存在缺陷。首先，計算機無法對學生的情緒變化作出相應反饋，而且它也無法取代教師在教學過程中一些暗示性的語言所起到的微妙效果。其次，在教學的許多領域中，計算機無能為力，特別是非邏輯判斷方面。最后，教學課件在實際使用中存在著局限性。這一系列的問題，相信通過運用交互設計的方法，結合虛擬現實技術的應用，都會被逐一解決。

二、交互式數字教學模式構建

基于虛擬現實技術的交互式數字教學模式，能夠通過虛擬現實技術，以文本、圖片、影像、聲音、數據采集及感應技術、影像及數字感知內容為主要交互媒體，以自然式的交互方式，配合可互動操作的動態信息、仿真模擬、各種感覺與知覺的數字反饋技術，多維度、多媒體、多人互動式地展示IM及時通訊、留言板、互聯網上的博客、Tag、SNS、RSS、Wiki等多種形式的數字內容，以教學的核心內容為課程組織的基礎，構建適應當下以數字信息為主要教學內容的互動式教學模式。基于虛擬現實技術的交互式教學模式的構建主要從以下幾個方面入手:

1.提供多維度的豐富教學資源。有效傳播多種媒體的多樣化信息，提高學生對于教學內容的注意力。虛擬現實的技術能夠為交互式數字教學模式設計立體的教學模式效果，將課堂理論教學、實驗室教學、企業基地等實地教學相結合，理論專題研討、案例教學、技術實踐小組協作等多種教學方法交叉，利用虛擬現實技術呈現理論公式，如化學課中的元素周期表，可以將分子、原子等抽象的結構可視化表現出來，還可將復雜的實驗通過虛擬現實技術模擬出來，如用虛擬現實模擬火山噴發，模擬火箭的發射過程，模擬汽車內引擎的工作原理，模擬復雜機構之間的關系和相互作用，智能地調配物流情況，模擬資金流及相關的經濟問題等，還可運用CAVE計算機輔助虛擬現實環境技術，模擬汽車的設計、裝配等實踐教學環境，運用虛擬現實技術搭建在企業基地等實地教學的內容，實現教學的開放性、時效性、針對性和實戰性，提供多維度的豐富的教學資源。

2.構建多學科交叉的綜合型師資隊伍。隨著信息社會的迅猛發展，圍繞信息社會的人文、技術、經濟等各種交叉學科領域，發展數字內容的交互式教學模式需要培訓一支具有綜合學科背景的師資力量。而虛擬現實等先進的信息技術，能夠整合各學校的優秀師資力量，通過構建虛擬、虛擬名師等方式，將各高校、研究機構及企業社會的優秀師資集合起來，通過虛擬人的名師角色，遠程指導或虛擬地呈現其學術內容與教學思想，有效地彌補師資力量不足的問題，隨時更新名師提供的動態電子教材，提供多學科交叉的綜合型教學內容與綜合型師資隊伍。

3.實現交互式因材施教的個性化教學。參與式教學的交互教學模式能夠充分調動學生的積極性，構建虛擬現實的實驗學習環境，根據每個學生的個性特點及專長，搭建適合學生的個性化教學實驗環節，模擬搭建實驗環境，讓學生充分展開想象，模擬仿真其實驗效果，預演實驗結果，有助于提高學生對于課程內容的參與度和認知程度。另外，學生還可根據自身的興趣點，專項選擇適合自己發展特點的學習內容，個性化地定制學習內容。教師可根據每個學生的學習情況，跟蹤分析其學習結果，對癥安排輔導及進一步深入學習的內容，提高學習效率，增強交互式學習的效力。麻省理工學院媒體實驗室在1993年推出了實體交互設計的數字教學產品，它整合了個人空間和共享學習工作空間，能讓兩位用戶在個人空間和共享空間之間實現輕松的轉換。這種交互式的教學產品是一種電子白板，產品使用生活中自然的互動交流方式，如教學過程中交流雙方各自的頭部動作，雙方眼神的交流和凝視方向等，這些交流的姿勢能夠被3D攝像頭等裝置識別出來，并通過計算機進行智能判斷，根據計算機圖形、圖像識別技術，判斷教學雙方用戶姿勢的變化，同時和姿勢所代表的含義進行映射匹配。這種交互式的教學電子白板的隱喻是“讓用戶自由地交流，使用電子白板進行交流的時候就像在巨大的透明玻璃板上畫畫一樣自然”。經實踐證明，這種交互式的電子白板增強了教學雙方用戶的 “凝視注意力”，能夠使用戶看到使用電子白板的同伴的凝視方向，從而進一步了解對方關注的內容，達到更加自然的互動式交流。教學雙方在對話中可以更加輕松和準確地說出交流的對方在看哪一個屏幕對象，甚至比在普通的白板交流環境中更容易。這種虛擬現實技術的交互式教學方式能夠以學生為教學中心，尊重學生個體差異，有效提高教師與學生及學生之間的交流效果，調動學生的主動參與性。