虚拟现实技术论文大全11篇
时间：2023-03-29 09:20:37绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇虚拟现实技术论文范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。
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1)(Conceptdesign)概念设计;2)(Detaildesign)详细设计;3)(Manufacturingdesign)制造设计。由此可见，产品的概念设计的主导地位和重要性。
1概念设计的内涵
概念的设想是创造性思维的一种体现，概念产品是一种理想化的物质形式。下面以概念设计教学实例之一来说明其涵义:给出一个概念“断药”，让学生进行座椅的开发设计。步骤是，首先向学生讲述心理学中的一个名词———暗示心理，并分别举出一个“安乐死”实验和一个“挽救少女生命”的文学名著故事，从正反两个方面说明暗示对人的健康的影响;然后运用一个“民间故事”阐述如何将“断药”的概念物化到具体的产品上。因为，在民间曾有这样一个说法，就是将一把断了的钥匙用红线穿上挂在小孩的脖子上，取“断钥”的谐音“断药”暗示常生病的孩子挂上“断钥”这挂项链之后，就断了药，从此不再吃药，这也意味着孩子走向健康。所以，将一把断了的钥匙(断药)的概念物化到具体的产品上来为健康做设计时，用折断了的钥匙做椅架为主题，由学生创意出现了形形的座椅开发设计方案(其草图、效果图、视图等技术说明从略)，于是就有了一种新型的专用座椅的概念设计。其应用场合为疗养院、医院、不能自理的老人家庭等。
这是传统的产品概念设计。当然，产品的类型不止是这种无障碍设计思想指导下的专用座椅。产品即人之观念的物化，设计是一种思维行为。在这种思维创造活动中，产品概念的构思是丰富的，人的创作智慧是无穷的。概念产品的类型更是多种多样。
2概念设计与产品市场
概念设计只是第一步，能不能进行第二步Detaildesign，第三步Manufacturingdesign，甚至投放市场为开发商或企业带来效益等，这是个风险问题。设计师的概念设计毕竟与难以预料市场变化有着许多差距。如何缩短这一差距，是以往概念设计者的难题。在开发设计的许许多多产品中，只要一百件产品中有几件能够投放市场见效益就是成功。在追求“百分之几”的见效益成功的过程中，如何减少做“分母”的被动，扩大见效益的百分比，仍是最关键的，是公司管理决策人士和设计师共同努力的方向。
为了更好地接近产品的市场需求，目前国际上流行的一种“故事版情景预言法”的概念设计，就是将所要开发的产品置于一定的人、时、地、事和物中进行观察、预测、想象和情景分析，其形式是以故事版的平面设计表达展示给人们。于是，产品在设计的开始便多了一份生命和灵气。然而，设计表达在信息时代已是多元化的展示形式，计算机辅助工业设计的发展，尤其是虚拟现实技术在产品概念设计中的应用，已使设计师的设计思路和设计表达如虎添翼;可以想象面对一种虚拟的“故事版情景预言法”设计出的产品，让人更多了一种直观的、亲切的及交互的感受，这样开发设计的产品与传统相比，就大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据。虚拟现实技术能模拟整个产品开发过程，保证产品开发一次性成功，加快开发进程，甚至使设计者和用户融为一体，设计出满足市场需要的产品。
二、虚拟现实技术与虚拟产品
1虚拟现实系统(VirtualReality，VR)
虚拟现实系统又称为虚拟现实环境，是指计算机生成的一个实时三维环境。使用者可以在这环境中“自由地”运动，观察周围的景物，还可通过各种专用的传感交互设备与虚拟物体进行交互操作。用户看到的是全彩色景象，听到的是虚拟环境中的音响，感觉(手、脚或皮肤等)到的是虚拟环境所反馈的作用力，从而让使用者产生一种身临其境的感觉。产生虚拟现实环境的方法有:
1)基于模型的方法(ModelbasedMethod，MM)这种方法产生虚拟环境的步骤为:
①用放置在不同地点的多个摄像机将某环境或事物记录下来;
②利用计算机的视频技术抽取出环境或事物的三维模型;
③从虚拟摄像头的视角展示获得模型。具体的做法是:获得数据标度摄像头分离对象建立模型嵌入颜色交互回放。
2)基于图像的方法(ImagebasedMethod，IM)一般做法是:
用摄像头连续扫描周围空间来获取某一区域完整的景物图像，将获取的景物图像，通过图像处理技术，按坐标映射到图形工作站的虚拟全景屏上，用户载上头盔显示器就可以看到所摄周围景物环境。
2虚拟现实系统的常用设备及要求
虚拟现实系统常用设备有:三维鼠标(也称鸟标)、数据手套、数据衣、头盔显示器、立体声耳机等。对虚拟现实系统的要求除了应具有高性能的计算机系统(包括软、硬件)外，还必须有下列关键技术提供强有力的支持:(1)能以实时的速度生成具有三维全色彩的、有明暗、有阴影、有纹理的、逼真感强的景物图像;(2)头盔显示器能产生高分辨率图像和较大的视角;(3)能高精度地实时跟踪用户的头和手;(4)能对用户的动作产生力学反馈。
3虚拟产品(VirtualProduct，VP)
虚拟产品是虚拟现实技术应用于产品设计的产物，是一个数字化的产品。它具有真实产品所必须具有的特征。通过对产品实时的仿真，设计人员或用户就能够像使用真实产品一样使用虚拟产品。由于产品的设计过程是数字化的，因此节省了传统方法中需要制造的物理模型(包括概念模型、模拟实验模型、外观模型和生产模型等)的时间和物质。在计算机中由于对设计的产品进行反复设计、分析、干涉检查、模具设计等过程，使设计绘图的工作量比传统的绘图工作量大大减少。
三、虚拟现实技术在概念设计中应用前景
在概念设计中，如采用头脑风暴法进行方案创意时，可以将体验设计思想更好地融于其中，也就是更多地关注产品使用者的感受，而非产品本身。比如，针对不同用户及爱好者的要求，在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受;利用触摸屏来选择产品的造型、色彩、装饰风格等许多可选部件。在渲染和生成十分逼真的三维模型时，充分感受了自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。甚至还可根据用户的建议，邀请部分用户直接与设计者一起对模型提出修改意见，观察设计和修改过程，直至大多数人满意为止。
为了适应激烈的市场竞争，设计厂家不能坐等用户找上门订购产品，而应该主动把自己厂家的产品推向市场。利用虚拟现实技术做出虚拟产品的动画广告，再与计算机网络技术结合起来，使用户能够通过网络来游览设计厂家的设计产品，并能直接在虚拟环境中对产品的功能、结构、外形、色彩等方面进行实时交互、了解、观察;同时，还可以通过Email对产品提出意见和建议，让厂家参照各方面的意见修改和完善所设计的产品。这样可提高设计厂家的竞争力，为设计厂家谋得更多的市场份额。
若用户对厂家设计的产品引起购买的欲望，通过网上游览，将信息反馈到各商家，商家则会主动争先与厂家联系，网上定货，使厂家的产品提前占领市场。由于激烈的全球市场竞争，各国都投入了大量的资金对虚拟现实技术及其在工业设计领域中的应用进行深入地研究。将研究的成果及时转化为生产力，这是产品迅速占领市场的关键。
参考文献
1陈军等虚拟现实中虚拟景象产生的技术初探计算机应用研究，1999，6
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2虚拟现实技术在计算机通信中应用的重要意义
边防部队计算机通信实践中采用虚拟现实技术可全面提升部队信息化工作效率，使工作人员整体技术水平不断增强，更新以往滞后的管理工作模式与日常办公手段，符合目前计算机通信应用的现实需要，可保证边防部队计算机通信应用的整体安全。引入虚拟现实技术至计算机通信领域，还可进一步完善计算机通信体制，预防计算机通信形成更大的漏洞、提升边防部队计算机系统服务器的综合应用率，节省硬件设施的成本投入、缩减系统能耗成本。通过将各类计算机通信系统的整合处理使之在单独服务器之中进行运行，还可全面提升计算机通信整体安全工作水平。
3计算机通信中虚拟现实技术应用
3.1硬件组成
采用Vmware虚拟机通过桥接模式进行连接，该处理方式之下，便要求用户通过手工操作配置虚拟系统IP地址并设定子网掩码。同时，还要令其同宿主系统同处在相同的网段之中，方能完成两者间的通信应用。另外，倘若该虚拟系统处在局域网之中单独的主机系统内，则用户便可通过手工方式进行网络通讯协议的配置，进而可通过局域网网关或是路由器完成网络登录访问。另外，应用虚拟现实技术还要拥有属于自身的硬盘、光驱以及网卡等必要硬件设施，完成计算机通信信息资源的实时全面共享。还可对其完成分区操作、进行格式化处理。采用的传输模式应是全双工或者半双工，工作温度则要控制在零摄氏度至四十摄氏度、支持网管，对网络地址进行科学的规划，唯有如此方能保证网络系统的顺畅有序运行，全面提升通信系统自动化工作水平。
3.2VPN确保通信系统安全
虚拟现实技术应用阶段中，采用量子秘钥模式的VPN技术，可确保计算机通信应用的可靠安全，提升网络信息传输效率。倘若在计算机通信阶段中引发泄露现象，则此泄露出来的信息也仅仅是量子信息各个分块之中的一个单元，并不会对整体量子秘钥的可靠安全形成较大程度的影响。同时，针对窃听人的相关信息也并非全面的，可能有所增加或缩减，为此窃听人获取数据资源欠缺准确性。这样一来可全面预防秘钥窃听现象，确保VPN网络信息的完整与安全。另外，该系统模式还体现了抗攻击性特征，可全面提升分配秘钥的处理效率，通过相空间重构方式，并借助混沌系统以确保量子秘钥的可靠安全，提升虚拟现实技术的综合安全性。
3.3完成目标定位、进行虚拟化平台管理
计算机通信中需要借助GIS虚拟现实技术，将GPS设施用作移动终端进行导航与定位，发挥数字地图处理功能，以完成动态的电子图件传输，令人们可借助系统全面明确现场具体状况。该过程之中需要首先将项目图件、信息导入至系统内，变化为图形与相应的GIS格式，透过自动化处理以及手工方法掌握GPS有关位置信息，并利用网络系统设施传播，以细致全面的记录边防现场管理状况。计算机通信应用过程中采取虚拟现实技术完成有序管控，并借助语音应答、多媒体系统、数据库系统以及镜像功能取代人工作业，使边防部队计算机通信系统之中的人资管理职能有效的划分出来。借助计算机系统的更强大的存储功能可存储海量信息，并设定统一模式，透过远程监控系统召开视频会议、进行远距离的查哨，借助微波通信完成自动化的报警处理，并透过具备抵御干扰影响以及辐射作用的高清晰视频快速传递边防现场具体图像信息，完成快速的数据收集以及视频传输，透过虚拟现实技术使得工作路程更加优化，以加快整体工作业务的处理进度。
篇（3）
虚拟现实技术有沉浸感、交互性、想象力等三大基本特征。
(1)沉浸感:沉浸感可理解为浸入性，虚拟现实技术的发展已经可以使人“沉浸”在计算机模拟出来的虚拟环境中而不分真假，让使用者感觉已经成为了虚拟世界中的一部分，从而使用者从被动的观察者成为主动的参与者。理想的虚拟环境是可以达到让使用者难分真假的程度，由于目前科学技术发展的局限性，虚拟现实系统研究与应用比较成熟的只有视觉沉浸、听觉沉浸、触觉沉浸和嗅觉沉浸。
(2)交互性:交互性主要指使用者操作虚拟物体和从虚拟环境中得到反馈信息的程度。交互性是虚拟现实技术同传统多媒体技术差别最大的地方，强调人机交互的自然性，如植物的摇动、水系的流动、鸟虫的鸣叫等。当学生在虚拟环境中抓住一个实体，其感受都与自然环境中一致或者极为相似。但交互性的有效性和实时性就需要回馈设备等强大的硬件系统和特殊设备支持了。
(3)想象力:虚拟现实技术具有十分开放的构想性。使用者沉浸在虚拟的环境中，除了体验真实的自然感觉，还可以想象一些客观不存在的超越自然的环境。虚拟现实技术可以提供这种丰富想象空间的特点，能够使学习者增加兴趣，提高学习效率。
2.虚拟现实的软件系统
想要实现虚拟现实必须硬件和软件相互配合，软件系统是实现VR技术的关键。
(1)Virtools:是一款功能强大，整合丰富的产品，它能将各种复杂的3D模型，2D图片及声音文字很好地整合在一起，开发具备丰富行为模块的3D虚拟环境，已经运用于多种3D产品当中。
(2)VR－Platform:这款软件比较方便，可以在配置不是特别高的计算机上使用，运行流畅，但同时效果也有一定的损失，能够满足基本的3D浸入和360度视角观察。
(3)Quest3D:该款极具实用性的产品，有着良好的交互性，支持导入文件的格式非常多，音频视频都可以灵活方便的加载，Quest3D可以满足大多数编辑者的应用需求，利用它可以比较方便地创建出复杂的图形程序。
(4)EONStudio:在处理已经建模的3D模型时这款软件较为方便，可轻易在导入的模型上加入设计的动作。
(5)Converse3D:是一款比较成熟的整合软件，在兼容性方面比较突出，运用起来高效并稳定。
(6)WireFusion:这款软件在web3D中应用较多，不需要用户独立的编程，而采用简单的拖放式操作，就可以轻松地建立动态的web3D网页。
(7)CityMaker:是国内自主研发软件，很有专业的针对性，在建立虚拟建筑和虚拟城市方面有很强的应用能力，是一款面向规划与建筑行业的专用软件。当然，各种软件复杂多样，设计目的不同所以倾向性也各有不同。当前，适合园林植物景观设计教学的有Virtools、EONStudio、WireFusion软件。但是，大多数软件使用费用较高，并且专业方向不明显，与行业的结合不够紧密，使用时经常需要二次开发(如天正CAD、中望CAD)。
二、VR技术在“园林植物景观设计”教学中的应用
VR技术应用于“园林植物景观设计”教学是科学技术发展所产生的新形式。区别于传统教学，VR技术的优势非常明显。在VR技术应用现实系统中，按照项目分析、方案设计、施工图设计等教学流程完成“园林植物景观设计”课程作业。
1.项目分析阶段
在“园林植物景观设计”虚拟项目教学中，许多学生常常无法亲临项目现场进行实地考察，可以采用VR技术进行场地分析、环境评判，并通过网络平台，进入到虚拟项目的场地内部，全面了解项目的周边环境，包括气候条件、地质条件、交通状况、人流分布、水系分布、土壤条件、植物资源、历史文化等现状特征。
2.方案设计阶段
在方案设计阶段，学生需要将一些景观节点定位定量地表达出来，包括植物配置平面图、立面图、剖面图及局部效果图。采用VR技术使学生能够进入虚拟的场地空间中，直接摆放、移动、组合各种园林植物，反复调整植物种类、位置、数量，综合对比不同植物组合的景观效果和空间形态，较大程度弥补了传统教学中学生对植物空间与环境无法进行综合感知的缺陷，进一步激发学生的创作灵感。
3.施工图设计阶段
在该阶段，可采用VR技术对植物种植模式和植物空间组合进行高度仿真，模拟植物的栽植位置、植株大小及材料种类，最终完成植物种植总平面、体现高程和剖面的竖向组合图、植物与各种景观要素搭配立面图等，其间反复调整植株数量和树木株行距获取最佳的生态效益和景观效果，可以直观地展示出植物群落的景观特征和空间形态。
三、虚拟现实技术在“园林植物景观设计”教学中应用的难点
1.程序设计难点
园林植物景观设计是风景园林本科生的重点学习内容。随着季节的变化，四季中同一地点植物也会有着完全不同的景观效果，所以如何编写基于VR技术的程序，体现出植物景观的时效性，也就成为VR技术应用的难点。
(1)将植物群落四季交替的数据信息输入VRML的场景数据库中，当学生需要观察不同季节植物景观特征时，实时改变场景信息即可。但数据的获取较难，可以在教学中利用OnyxComputing公司的TreeProfessional，这款插件有一定的树木参数库可以利用。
(2)动画技术比较成熟，四季的情景很容易模拟，但运用在VR技术时缺点极为明显。动画每帧的顺序都是固定的，编辑好的，这样就大大降低了VR技术实时调整的交互性，同时动画无法提供操作人自然的物理互动，所以浸入性也大打折扣。
2.硬件支持难点
各种植物三维模型是由许多面组成的，达到理想的虚拟效果需要计算机有很强的运算能力。一株枝叶丰富的景观树模型大概需要几千个面，如果仿真一个很大的植物种植场景，可能产生上千万，上亿的面，对于计算机硬件的压力是十分巨大的。
3.教学推广难点
虚拟现实技术的应用需要较高专业水平和较强的计算机技术应用能力，而目前一些高校同时具备专业能力和计算机技术水平的教师较少，严重制约了虚拟现实技术在“园林植物景观设计”教学中的应用与发展步伐。
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（1）环境模拟
利用计算机模型产生实时三维图形，根据使用者所需工作环境或实验场所的空间方位及时间参数等数据模型，可以设计出很逼真的模拟图像，同时结合立体显示技术呈现给使用者完美的模拟系统，需要注意的是空间或环境变化时显示刷新频率对于使用者感观的影响。
（2）感观反馈
可以通过立体声效果实现声音方位和远近的改变，通过带有震动触点的道具模拟触觉感应，以此来实现虚拟系统中听觉触觉的反馈效果。
（3）人机互动
通过语音识别系统或者计算机进行语音或命令输入。虚拟现实技术的以上特点完全适用于煤矿安全生产培训系统，通过计算机3D技术模拟出煤矿生产环境，用户以第一视角进入，可以熟悉工作环境、训练各种工作技能，应对突况等。
（4）三维动画效果
场景制作完成后需要使用AdobePremierePro将音效和动画进行合成和剪辑，还需要使用转场效果及特效来达到逼真效果。
2煤矿安全培训系统总体架构
矿井作业模拟系统由计算机控制系统来操控整个系统，用户登陆后通过计算机控制系统连接运动控制接口，可以通过启用采掘模块进行采掘模拟训练；通过启用风险识别模块训练工人判断、识别和处理危险的能力；通过互救、逃生训练锻炼工人自救和相互救助的意识。同时用户还可以通过传感器控制感受第一视觉漫游矿井，熟悉矿井生产环境和生产设备，这对于新员工来说非常必要，可以通过模拟系统尽快熟悉工作环境。
3模型构建
模型构建主要以创建不规范生产操作、重大生产事故示例和安全事故应急预案演练模型为主，使用户可以通过模拟系统达到亲身体验的目的，培训系统主要采用3DSMAX建模和渲染。其中大型设备采用多边形建模技术，以先精模后简模为原则，建模前需要根据设备的实际尺寸确定模型的比例，根据设备运行参数设置模型运动轨迹和参数；小型设备则使用图片处理软件和贴图技术进行处理，多采用纹理贴图以提高仿真度。井下巷道模型应该按照实际巷道的尺寸、复杂程度和矿井生产图纸来构建三维模型，力求模型比例与实际生产环境相符合，为了保证安全培训系统的可扩展性，按照由简单到复杂递进的顺序依次创建，形成系统的巷道模型库，应对生产环境随时扩展的可能性。场景建模主要是根据实际巷道环境创建包括电缆、机电设备、管道和支架等辅助设备，主要采用贴图技术，使场景模型更加逼真。利用特效编辑器生成烟雾，利用灯光设置达到瓦斯爆炸效果，后续连锁反应会涉及到物理模块及反应堆力学技术。人物模型的建立极为关键，人物造型是否逼真直接反映了模拟系统的仿真质量。在进行人物建模时首先进行外形创建，以实际生产的不同工种为原型进行分角色设计，人物运动效果要注重细节，如对安全事故发生时人物的反应和动作要进行动作采集并进行数据分析，作为突发事故时人物反应的分析资料。人机交互则利用VIrtools实现。
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二、虚拟现实技术在家电产品展示设计中的应用优势与价值
随着社会经济的发展科技的进步，在高速发展的经济时代的今天，人们对目前生活具有极大的便利性追求，网络信息充斥着各个角落，带给了我们极大的便利性，传统的静态的产品展示极大阻碍了人们的视线。传统的展示方式，已经让人们产生了审美的疲劳，已经不能够满足当代产品展示的基本需求，不能够体现产品的展示独特性、创新性和艺术性。使得人们只有亲自去购买现场才能够了解和体验产品属性。产品虚拟展示设计可以利用计算机技术营造出一个仿真的虚幻的坏境，设计者可以通过漫游动画、三维效果图等方法来展示产品设计效果，让决策者、设计者以及消费者来感受、认识、理解和评价。传统展示方法有一个类似的缺点，就是不能以人的视角深入其中，得不到全方面的设计效果和观察，而应用虚拟现实可以很好的做到这些。消费者可以从不同角度，实时真实互动地看到产品设计效果，虚拟展示是一种交互体验性、便利性相结合的新型展示手段，极大的满足了经济信息时代人们的需求。
（一）虚拟现实技术可以自由、人性化的互动式体验
目前，在市场销售活动中，家电产品的展示比较广泛的应用展示方式仍然是实物展示。但家电产品不同于其他的产品，促成消费者购买家电的众多要素中品牌口碑、技术领先、产品功能、安全性能、外观设计、产品质量、绿色环保、节能效果前8项指标使其无法全面的开放式的展示，一般消费者在观察及选购的时候自由度较低，不能够获得最佳的体验感。而基于虚拟现实技术的小家电产品虚拟展示方式更注重消费者体验，更关注提升用户的自由感知。在虚拟家电产品展示中，虚拟现实技术引入家电产品展示效果更加逼真，消费者可以根据需要放大细节，变换视角，实时修改颜色、造型、材质，从而挑选自己喜欢的款式进行交互式体验等，同时还可以通过网络与其他在线的消费者交流经验，从而可以在愉快轻松的体验中产生购买的欲望、坚定购买信心。消费者还可以及时与设计者进行沟通、探讨设计中存在的问题，进行协同化、协作化交流，这也是传统的实物展示和网络静态的图片展示无法比拟的，这也是较多消费者较喜爱的演示方式。基于虚拟现实技术的展示设计带来新奇、人性化且自由的互动式体验方法也有助于发掘潜在消费者。
（二）连续、直观的视觉效果
在目前较为常见的家电产品实物展示方式中，消费者受外在的条件影响很大程度上受到限制，以图片、文字或Flash多媒体技术往往只能提供家电产品的平面图，给消费者的信息量有限，与实物相比也有一定的差距，而且缺乏互动性。家电产品展示中应用虚拟技术，以虚拟的三维模型为家电展示的表现形式，不仅仅能全方位地展现家电产品，而且还能对它任意缩小、旋转，、放大获得多角度、多方位、连续性的展示。虚拟现实技术对产品可以进行实时渲染，具有传统的静态的展示不可比拟的优势，互动性体验的浏览方法使其比多媒体的展示方式更为先进。应用虚拟现实展示形式，不仅能够展示出家电产品外形的各个面面，再加上消费者通过人性化的互动性操作，对家电产品进行深入观察，能够有更全面的了解，使购买机率增加，从而为商家带来更多利润。
（三）提升家电产品的营销性能
为了争得消费市场份额，销售商竞争非常激烈。他们不断探讨最新的零售手段，以寻求销售额增加的新办法。最有效的销售方式就是展示。从有销售业开始，销售者怎样向消费者展示家电产品就是一件非常值得探究的事情。可以说家电产品虚拟展示是最目的最直接的提升家电产品的销售量。
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二、虚拟现实技术在中职院校建筑设计教学中的运用
(一)立体物体的展示
在教学过程当中，为了能够加深学生对知识的理解，经常要用到实物展示。在进行三维物体展示的时候，为了达到更好的效果，中职教师主要采取以下几种方式:第一种是用投影仪展示图片。这种方法的弊端是只能对物体的某些视角进行展示，学生无法进行全面、自主的观察。第二种是实物展示。这种方法比较实用，但是其缺点也十分明显。在课堂上学生所处的位置都不同，因而观察实物的角度也不同，难免会产生不正确的理解。第三种是利用计算机的三维造型和动画制作软件，建立一个与事物相同的三维模型，然后通过旋转展示其各个角度。这种方法相对更为理想，但是其最大的问题就是整个展示过程都是预先设定的动画过程，学生只能进行暂停或继续的操作，却不能根据自己的需求改变视角。而通过对虚拟现实技术的运用，教师可以建立与实物相同的三维物体，然后再利用3DSMAX建立模型，再通过VRML语言来建立虚拟境界。学生可以根据自己对知识的理解，对梁、柱、墙的数量、比例、排列方式、截面形式等各种因素进行调整。这样，就可以使枯燥的结构体展示出丰富的表现力。这对中职院校建筑设计教学的效率和效果具有极大的帮助。
(二)立体空间的展示
立体空间，包括了在现实世界中真实存在，或者在历史中曾经存在的空间。在进行建筑设计教学时，有时需要向学生展示这些空间。但是，由于条件上的限制，使得学生无法亲自进入这些空间当中，通过教师的描述和学生的想象，在学生的头脑中对立体空间进行虚拟。而利用虚拟现实技术，不但能在学生脑中建立这些立体空间，还能够让学生看见、听见这些立体空间，从而进行切身的感受和体会。因此，相比于传统的中职院校建筑设计教学来说，虚拟现实技术能够让学生更加直观、真实、深刻的对相关知识进行理解和掌握。在充分理解相关知识点的同时，也能够提高学生的想象力和创造力，以及对所学知识的应用能力。
(三)虚拟场景的构造
虚拟场景指的是在现实生活当中，可能出现或是曾经出现过的一些具体场景。利用虚拟现实技术能够随时随地的将这些场景展示出来。在传统的中职传统建筑设计教学当中，教师只能通过语言的描述、图片的展示、或者视频的播放来创设学习情景，而学生也只能被动的接受，无法进行直观的理解。例如，在进行圆明园的介绍与讲解的时候，虽然教师对圆明园当中包含的众多中外建筑形式的介绍和讲解，同时也向学生展示了大量的图片和视频，但学生仍然无法做到完全的认识和理解。而运用虚拟现实技术对圆明园进行模拟，就可以让学生亲自走进圆明园，亲身游览，面对面的观察圆明园当中的亭台楼阁。学生通过近距离观察圆明园当中的各种建筑形式，然后再与教科书当中的内容进行对照，可以大大提高学生对相关知识的认知，从而提高教学效果。如果学校的条件允许，还可以利用沉浸虚拟现实系统，让学生带声头盔显示器，使学生能够在身临其境中理解园林建造的理论知识，从而进行更加深刻的体会和感受，就能够取得更为理想的教学效果。
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中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号: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
在当今中国,技工教育受到全社会的高度重视,知识、技能和创造得到了充分的尊重和发挥,一个有利于技工教育发展的良好氛围正在形成。
随着经济全球化进程的加快,21世纪的中国已经成为全世界的制造中心,我国要想扮演好这个世界制造中心的角色,一大批高素质技术工人必不可少。现代产品的更新换代的周期已经完全的颠覆了一些人所能够承受时间概念高科技产品更是源源不断的推陈出新。传统的技工培训模式已经不能挑起这么艰巨的任务,亟待开发新的培训模式。
诸多难题阻碍着现代技工教育的发展,至今技工学校还没有走出一条适合中国国情的发展道路。我想基于虚拟现实技术的虚拟培训或许可以解决难题实现破冰,推动技工教育的良好的发展。
1 虚拟现实概念及特征
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是1989年美国的J.Lanier(后来曾是专做VR产品的VPL公司董事长)提出的,国内也有人译为“灵境”,国外与虚拟现实同类的术语,还有虚拟环境、人工现实及电脑空间等。
虚拟现实有三个突出的特征:沉浸性、交互性、构想性。
2 桌面虚拟现实与虚拟培训
桌面虚拟现实(Desktop Virtual Reality,DVR)主要是在个人计算机和低级别的工作站上进行环境仿真,依靠计算机的屏幕提供给用户一个虚拟的平台,运用虚拟现实的输入设备实现与虚拟世界场景之间的交互。
虚拟现实技术是利用计算机生成极为逼真的环境,通过生动的视觉、听觉、触觉等效果以及随参与者的动作而变化的场景使人获得身临其境的感觉。现阶段由于完全的虚拟现实系统价格昂贵目前只用于科学研究,其中基于虚拟现实技术的培训(简称虚拟培训)采用增强现实的虚拟现实系统(也称桌面虚拟现实)改变了原有的培训方式,为用户提供一个直观、友好的图形化培训环境,适应社会需求。使得用户在计算机提供的逼真的三维虚拟环境中熟练掌握某一装置或某一系统的操作使用方法。大大减少了技工培训中的各种资源的消耗提高了培训质量和培训效率,有助于实现对于危险作业或不具备试验条件的高级培训。
3 职业技能培训
职业技能培训是现代经济增长的不竭动力。著名经济学家舒尔茨在考察经济增长的主要原因时指出:对人力资本的投资是最重要的生产性投资,也是经济增长不竭的动力。根据人力资本理论,人力资本比物质、货币等资本要素具有更大的增值空间,因为作为“活资本”的人力资本,具有创新性、创造性,具有有效配置资源、调整企业发展战略等市场应变能力。因此,职业技能培训是人力资本投资的一个组成部分,而且职业技能培训是实现终身教育,建设学习型组织的主要教育形式,其良性发展能满足社会经济发展对高素质、技能型人才的需要,必然对GDP增长带来更高的贡献率。
4 虚拟培训系统的开发过程模式探究与设计实例
虚拟培训系统是利用虚拟现实技术生成的一类适于进行教育培训的虚拟环境,它可以是某一现实世界培训基地或设施的真实再现,也可以是虚拟构想的世界。受训人员通过与虚拟环境进行交互获得经验达到学习和培训的目的。
4.1 虚拟培训系统的开发模式
在中国知网上以虚拟培训系统开发模式为检索词分别以题名和全文项进行精确查找,查找结果都是没有相关的文献资料,通过阅读虚拟培训系统的相关论文资料后也没有发现关于虚拟培训系统开发模式的有关论述。通过阅读虚拟培训系统的相关文献,比较各种虚拟培训系统的开发过程,结合本人实际的设计经验总结归纳出虚拟培训系统开发模式。如图1所示。
虚拟培训系统的开发过程大致分为四个阶段:首先,对将要开发的课程进行系统分析,其中包括对学习内容的分析判断虚拟培训系统是不是内容表现的最佳选择。如果可行就要继续将学习内容进行必要的分解分成若干的模块和单元,这样有利于将复杂的任务简单化使整个任务比较容易的得以实现;另外要对学习任务进行分析即通过培训要求学习者掌握的知识经验的总和并为接下来的教学策略的选择提供支持,在这项工作中还需要明确学习者要掌握预期的知识经验需要学习的各种理论知识、动作要领、技能流程以及必须完成的操作练习。其次,同时进行3D图像建模与交互的设计与实现两个阶段的工作。这两个阶段也是系统开发的两条主线,在3D图像建模阶段依据前期的素材的准备运用3D建模工具开发虚拟学习环境。这个阶段是整个开发过程中工作量最繁重的一个阶段,需要开发人员熟练掌握3D建模工具,通过反复细致的设计修改才能开发出逼真的虚拟环境。要根据学习者的特征(不同群体适应不同的交互方式)依据相关的交互理论运用恰当的交互工具科学合理的进行设计与实现。交互的设计与实现阶段要特别的引起重视,因为大部分学习任务的完成都有赖于系统的交互功能,交互设计的好坏与最终的学习效果有着直接的联系。最后,是系统的合成与调试,这一阶段能够保证系统顺利的得以实现并应用在教学中。在该阶段中包括了将必要的教学策略、理论知识以及一些必要的文字说明嵌入到系统中使它真正成为一个用于教学的工具。在调试是比较繁杂的工作,需要我们有足够的耐心和精益求精的精神通过不断的发现问题解决问题使系统不断的得到完善保证系统发挥最大的作用。
4.2 虚拟现实系统的设计实例
4.2.1 案例简介
数控机床是技工培训中的重要课程,由于数控技术较为复杂所以学习难度比较大,学员往往要用很长的时间来了解数控机床的工作原理之后才能够进入现场实际操练或是根本找不到相应的设备操练。我们设想开发这样一个虚拟训练系统使学员能够利用电脑实现理论与实践相结合,通过使用这么一个系统学员能够掌握数控技术的基本理论知识、数控机床的组成及工作原理、基本的操作练习。让学员在进入实训现场之前形成必要的知识经验的准备,增强训练的针对性提高培训效率。
4.2.2 设计构想
该虚拟训练系统首先呈现出的是数控技术的基础知识和数控机床的工作原理,此处用带有碰撞的行走动画来表现。围绕数控机床的工作程序来设计活动和交互,在给出零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后学员被要求编制出零件加工的数控程序单。对于形状复杂的零件,学员可以在计算机上进行自动编程(APT)或CAD/CAM设计;编好的数控程序学员会被要求输入到数控装置的一种存储载体上,用动画形式抽象表现数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序,经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理,输出各种控制信息和指令给驱动装置,经功率放大后按照指令信息的要求驱动机床移动部件,以加工出符合图样要求的零件;再用动画显示位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来,经反馈系统输入到机床的数控装置之后,数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较,控制驱动装置按照指令设定值运动;学员在呈现的辅助控制操纵界面中按下按钮后随之会发生相应的变化比如刀具的转换、指令交换工件和机床部件的松开、夹紧等动作。在以上几个步骤中适时现实必要的文字补充材料以便于学员理解。
4.2.3 技术实现
本系统的开发工作主要集中在虚拟场景建模、虚拟动画的制作以及交互的设计与实现三个环节。
在建模方面,3DSMAX的建模功能是非常强大的完全能够满足桌面虚拟现实系统的建模需求。在虚拟动画的制作方面,可以用普通的动画制作软件如flash等。但是这样就存在一个不同格式文件相融合的问题,如果直接用3DSMAX制作的话相对来说会比较容易。在交互方面,较为简单的交互可以将MAX格式转换成VRML格式通过VRML内部的交互传感器来实现。在一些较为复杂的交互实现上编程语言更具优势,但是难度也是很大的。有很多交互我们根据学习任务要进行设计的但是实现起来难度很大,我们就要灵活掌握通过对能够实现的交互功能进行有限的组合达到预期的效果。在交互的设计实现过程中还要重点关注的一个问题就是有效的教学设计的使用。
5 结束语
全文主要探讨了虚拟现实技术应用于技工技能培训的新模式,介绍了虚拟培训系统的开发过程,至于具体的应用于技工教育的虚拟培训系统(软件)的设计和开发我们正在进行进一步的研究。
参考文献:
[1] 宋达.虚拟现实技术在教育领域中的应用与设计[硕士学位论文].长春:东北师范大学,2005.
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[3] 历俊丰.数控切割机虚拟训练系统研究[硕士学位论文].哈尔滨:东北林业大学,2007.
[4] 徐颖.新公共管理背景下的职业技能培训体系改进的研究:[硕士学位论文].上海:上海交通大学,2007.6
[5] Andies van Dam,Andrew S.forsberg et.al. Immersive VR for Scientific Visualization:A Progress Peport[R].IEEE Computer Graphics and Applications 2000.11.27
[6] 尹晓.虚拟培训技术在石油工业中的应用研究:[硕士学位论文].大庆:大庆石油学院,2006.
[7] 段新昱.虚拟现实基础与VRML编程[M].高等教育出版社,2004:1-2,53-59.
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一、 虚拟现实帮助学生获取缄默知识
(一)缄默知识
缄默知识是英国学者波兰尼于 1958年首次提出的一个新概念。他指出：“人类有两种知识，通常所说 的知识是用书面文字或地图、数学公式来表述的，这只是知识的一种形式，还有一种知识是不能系统表述的，如我们有关于自己行为的某种知识。如果我们将前一种知识称为显性知识的话，那么我们就可以将后一种知识称为缄默知识。”缄默知识往往不容易被人们所注意，但并不能说明缄默知识在人类实践活动没有价值或微不足道。恰恰相反，缄默知识是非常重要的一种知识类型，事实上它们在支配着人的认识活动的整个过程，是人们获得显性知识的“向导”。首先，只有通过缄默知识或缄默认识到途径，人们才能发现一个有新意的真正的科学问题，因为这些科学问题还是问题，还不明了，处于隐蔽模糊的状态，当然不可能有明确的逻辑证明，只能依靠经验直觉(其中包含缄默知识)而达到；其次，科学家要做出科学的发现，就必须将那些一般意义上的科学技巧如观察、记录、描述、资料分 析等个性化 、实践化，转变 为他自己独特的知识，这个个性化、实践化的过程实 际上是把一般意义的科学技巧(显性知识)与个人的缄默知识相结合的过程；再次，在任何科学理论的论证过程中，在各个阶段都会有意想不到的情形发生，这是继续进行研究还是终止，在很大程度上也是一个不能加以清晰表达的建模过程；最后，一个可与陈述是否被人们接受，也依靠人们的缄默知识来帮助，人们在心目中都有一套说不清道不明的认同这种说法拒绝另一种说法的标准，这些标准是缄默知识的一部分。由此可以看出，缄默知识在人的认识活动中是至关重要的。
(二)虚拟现实技术帮助学生获取缄默知识
虚拟现实技术所具有的沉浸性和交互性使得学习活动具有实践的性质，虚拟实践以信息的符号化转换为物质载体，这就摆脱了原始状态下虚拟思维的对象的虚无与神秘，同时也解决了原型条件实践下对象创设的诸多局限于无奈。在虚拟现实的环境下，学习者可以通过对大陆现实素材进行可控的叠加、分解、重组、试探和验证，来寻找和发现事物各种新的可能性，并展示其接近现实的真实图景。遨游于虚拟世界中，学习者学习到的知识将是带有情境性的包含缄默知识在内的完整、丰满的知识，而不只是抽去汁肉的骨架式的显性知识。
二 “右脑革命”——虚拟现实技术改变学生的学习手段
布莱克斯利在 1980年出版的((右脑与创造》中写道：“计算机革命，从根本上说，它乃是左脑革命的延伸。计算机实际上是扩展了我们 进行抽象逻 辑思维的能力。而对于右脑所进行 的那种类型的思维，不能对计算机抱有不恰当的奢望。”这段话 明确表明计算机技术只是能扩展我们进行抽象逻辑 思维的能力，而对于我们的形象思维的能力却是无能为力。
在虚拟世界里，人们不仅仅可以通过逻辑的方式进行学习，更主要是通过形象化的方式进行学习。虚拟技术被称为第一个推动人们身体活动获取知识的智能技术。虚拟技术提供的学习和认识方式，不仅仅是逻辑和形象的结合，还特别有认知能力和感知能力的结合。
三、学生创新思维的培养
(一)培养学生的发散思维
虚拟现实技术打破了传统的意向传授知识的教学模式，学生可以最大限度地发挥主动性和积极性，够开导学生思维的流畅性、变通性和精细性，为培养学生的发散思维提供了丰富的资 源和便利的空间，将学生的学习、练习及自我测验结合起来，形成一种生动、活泼、积极的教学方式 ，这是任何传统的教学方式、方法所达不到的，具有不可替代的功能和作用。
(二)培养学生的形象思维
形象思维的基础是观察能力、联想能力和想象能力 (包括再 造想象和创造想象)。虚拟现实技术能够构造出最佳的课堂教学环境，能够提供和展示各种现实的学习情境，诱导学生即席思考，激发学生的联想。例如利用计算机模拟物理中的电子云图。核外电子运动的规律与普通物体的运动规律不同，用眼睛看不见，用仪器观察不到、测量不出来，而且核外电子的运动也没有确定的轨道，运算速度极快，既看不到、又不能测定算出它在某一时刻所在的位置，只能用统计的方法描述它。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟系统便于工作可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。
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随着计算机技术的飞速发展,涉及计算机图形技术、人机交互技术、人工智能、传感技术等领域的虚拟现实技术在近阶段同样高速发展。虚拟现实技术通过计算机模拟出一个三维的虚拟世界,为用户提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟,令用户如同身临其境。由于虚拟现实技术所具有的突出特性,目前虚拟现实技术已广泛应用在军事、医疗、教育、文化、航天、水利、城市规划等方面,无形中改变着我们的工作、学习、生活的方式,因此也成为学者们当前关注和研究的热点。
工业旅游是伴随城市化和工业化高速发展而产生的,是融合知识、观光、休闲的一种旅游项目。工业旅游在满足大众好奇心的同时,也可以宣传企业文化、提升企业形象,随着工业旅游的深入发展,将来也可以成为企业新的经济增长点。工业旅游最早出现在西方,人们把倒闭、废弃的工矿企业重新进行改造,转变成为工业博物馆、景观公园、艺术表演场地、设计公司的办公场所等现代实用场所,逐渐发展成为工业遗产旅游。随着工业遗产旅游的发展,旅游开始进入生产经营中的工业企业,从而形成现在完整的工业旅游概念。我国在经历了几十年的工业高速发展后,工业企业逐步成熟,对于工业旅游的认识不断深入,近年来越来越多的工业企业开始加入到工业旅游中,并呈现出一种快速增长的趋势。
一、虚拟现实技术涉及了多种学科的技术,综合利用了多种先进技术装备,具有如下三个主要的特点
1. 沉浸性。指用户感觉完全置身于虚拟世界中,被虚拟世界所包围。由于虚拟现实技术提供的多感知性,用户不仅具有常见的视觉、听觉感知,还具有触觉感知、嗅觉感知、运动感知等。通过多感知性,使用户沉浸于虚拟世界中,由被动的观察者成为主动的参与者,参与虚拟世界的活动。
2. 交互性。在虚拟现实系统中,交互性的实现相比以往的人机交互方式有了巨大的改变,不再像以往那样完全依赖于键盘、鼠标,借助于虚拟现实系统殊的硬件设备,人与虚拟现实世界可以通过自然的方式进行交互,例如人的走动、头的转动、手的移动等等。
3. 想象性。虚拟现实技术不仅可以虚拟构建真实存在的环境,还可以构建人们的想象空间,从而去体现设计者的思想,实现一定的目标。虚拟现实技术为人类认识世界提供了一种全新的方法和手段,为人类去探索和研究已知以及未知的问题提供了新的方法及思路。
充分利用虚拟现实技术所具有的鲜明特点,在工业旅游中发挥虚拟现实技术的优势,从而完善、促进工业旅游。
二、增强工业旅游中知识的传播与普及
在工业旅游过程中,工业企业或多或少都会对工业企业的制造流程、制造工艺进行一定的介绍,但是由于制造流程、制造工艺涉及的知识专业性、理论性较强,有些很难通过讲解员的讲解完全说明,并且很多机器设备内部结构也是无法直接观察到的,因此目前的讲解方式还不能十分有效的进行知识传播。但是通过虚拟现实技术,就可以完全解决这些问题,通过对厂房、机器设备的虚拟构建,在计算机的虚拟平台上就可以构建任何我们需要的部件,不仅可以渲染动画进行工作原理、工作流程的介绍,还可以提供计算机终端设备供参观者模拟操作,从而极大提高知识的普及和传播。
三、增强工业旅游中的冲击力、感染力
由于虚拟现实技术是以计算机平台为基础的,因此通过虚拟现实技术生成的虚拟环境、虚拟模型都可以利用计算机的图形技术进行画面的优化,从而为参观者呈现出精美绚丽的画面。在拥有了优质画面的前提下,充分发挥计算机多媒体技术的优势,声觉、触觉等设备营造出完整地虚拟现实环境将给予参观者多感官的刺激,带给参观者强劲的冲击力、感染力。
四、增强工业旅游过程中的安全性
在工业企业中,总是有些区域是具有一定危险性的。在参观过程中,由于人员数量多,人员的组成结构复杂,增加了工业企业管理上的难度。而利用虚拟现实技术,可以在实地参观中避开潜在危险区,通过在虚拟厂区系统中模拟游览来替代实地参观,从而彻底避免危险情况的发生,增强工业旅游的安全性。
五、增强工业旅游企业的宣传方式
通过虚拟现实技术完成了虚拟厂区的整个系统之后,可以利用系统在多种途径进行知识传播和企业宣传。例如:在多媒体放映厅进行大屏幕播放、装载在单机上供使用者单机操作、还可以通过互联网使普通民众在网络上进行浏览操作、通过系统导出数据刻录在光盘等媒介后,用户可以在个人电脑上进行浏览。总而言之,虚拟现实技术可以极大丰富工业企业现有的宣传方式。
六、增强工业旅游企业的规划管理能力
通过扩展系统功能,可以为工业企业提供一个全三维可视化的规划管理系统平台,在管理系统中工业企业可以对厂区的改建、扩建规划方案进行可视化的评估论证,为规划方案的修改完善提供有力的支持。同时对于厂区中的地下管线等隐蔽设备,通过系统可以进行可视化的管理,从而极大提高地下管线等隐蔽设备的管理、维护水平。
本文从虚拟现实技术入手,对虚拟现实技术在工业旅游方面的应用进行了阐述,结合虚拟现实的技术特点对它在工业旅游应用中的优势进行了初步的介绍,对于虚拟现实技术在工业旅游中更深入的应用,有待于以后的研究。随着工业旅游的不断发展,虚拟现实技术的进步,虚拟现实技术与工业旅游的结合必将更加紧密,推动工业旅游更加蓬勃的发展。
参考文献:
[1] 张 洁 李同升:我国工业旅游发展的现状与趋势[J].西北大学报(自然科学版),2007年6月,第37卷第3期.
[2] 莫毅华:基于VRML的可视化技术在科普展教中的应用[D]:(硕士学位论文).华中科技大学,2006.
[3] 黄心渊:虚拟现实技术及应用[M].北京:北京科学出版社,1999.
[4] 方 丽:虚拟校园的研究与实现[M].西安科技大学,硕士学位论文,2007.4.
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1.虚拟现实技术
虚拟现实VR( Virtual Reality) 是近几年来信息技术迅速发展的产物， 毕业论文是一门在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术和传感技术的基础上发展起来的交叉学科。其基本方法和目标是集成并利用高性能的计算机软硬件及各类传感器创建一个使参与者处于身临其境的、具有完善的交互能力、能帮助和启发构思的信息环境， 即让用户在人工合成的环境里获得角色的体验。
虚拟现实具有三个基本特征。沉浸性， 是指观察者对虚拟世界的情感反映， 这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界， 这是虚拟现实的首要特征。交互性， 是指虚拟现实是一个开放的环境， 能对用户的输入作出响应， 并能通过监控装置来影响用户和被用户影响。想象性， 是指虚拟现实不仅是一个媒体、一个高级用户界面， 还是一个应用系统， 它以生动形象的形式反映设计者的思想。虚拟现实的三个基本特征强调了人在这个系统中的主导作用。虚拟现实系统按其功能不同， 可以分为三种类型: 沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中，桌面式虚拟现实系统是运用软件编程方法在显示器上显示三维场景， 用户通过键盘、鼠标等设备与虚拟场景交互， 它的特点是结构简单、成本较低， 易于推广。
2.网络虚拟实验室
所谓网络虚拟实验室， 是指利用区域网或互联网， 由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统， 包括相应的实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现， 也可以是虚拟构想的实验室， 虚拟实验通过虚拟实验室进行。在虚拟实验中， 实验者有逼真的感觉， 有身临其境的感受， 好像是真正在现实实验室里近距离进行现场操作。在虚拟实验中， 没有一个有形的实验室， 也没有以实物形态存在的实验工具与实验对象， 实验过程主要是对虚拟物的操作。
3.计算机专业虚拟实验室的创建
构建专业虚拟实验室， 其实就是搭建一个网络平台系统， 包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上，
目前各校都建立了校园网络并接入了互联网， 这些基础设施基本可以满足需求， 不需要太多的投入。在软件方面， 一个是实验室平台软件系统的开发， 它与网站建设相联系; 另一个是网站的内容( 实验内容) 建设， 这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑， 不然软件平台就是一个空架子， 形同虚设。同时， 该平台上还应有实验管理的支持， 对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理， 并对虚拟实验室进行监控， 计算机网络虚拟实验室系统各模块的主要功能如下。
( 1) 实验管理模块， 由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成。硕士论文在学生管理方面， 学生通过浏览器进行注册登录， 登陆成功后可浏览实验项目， 查看实验的详细资料， 预约实验项目及做实验的时间， 在线发送和接受消息， 进行问题讨论， 进行实验登记， 实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面， 可对实验内容添加、修改、整理、删除， 对学生提交的实验报告列表， 批改实验报告， 填写评语和成绩， 提交批改结果， 与学生进行讨论。仪器管理方面， 对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理， 以便实验使用。成绩管理方面对学生的实验情况( 实验次数、实验报告及完成情况) 给出成绩， 并进行统计分析及提供查询等。
( 2) 仪器展示模块， 对虚拟实验室可用虚拟元器件、虚拟仪器设备分门别类地进行管理， 以图形的方式直观呈现出来， 供学生在实验时进行选择。
( 3) 实验指导模块， 包括实验介绍、实验方法、实验项目的重点及难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验任务、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等。
( 4) 实验报告模块， 主要对学生完成实验后， 提供相关的实验报告模板， 供学生下载， 由学生填写相关内容以及实验的结果， 完成后上传电子版实验报告， 由教师进行批阅， 并进行记载。
( 5) 实验答疑模块， 由专业教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答， 帮助学生顺利通过实验。同时了解学生对实验的掌握程度， 并及时反馈、调整教学。
( 6) 论坛交流模块， 教师和学生可以通过论坛进行充分的交流， 学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题到论坛上， 教师可以将一些典型的问题提出来， 供大家探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解， 教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息， 以便整改。
( 7) 虚拟实验模块， 是虚拟实验室建设的重要部分。学生通过该模块进行虚拟实验， 医学论文以达到巩固强化知识的目的。该模块内容根据专业学习的具体情况及实验建设条件， 可不断增加。计算机专业网络虚拟实验室系统的建设， 可以引入其他学校的虚拟实验室中。这种方式比较简单， 容易实现， 见效较快。但需要投入较多的软件购置费用，同时也需要结合本校的实际情况进行一些调整， 有一个磨合期。另一种是因地制宜， 自主开发。根据本校的实际教学和实验情况， 结合学生的实际水平， 由任课教师或聘请部分专家组成开发小组， 进行一系列的虚拟实验项目的开发研究， 并将研究的成果连接到虚拟实验室中， 逐渐扩充直至完善。这种方式比较灵活， 能充分发挥教师的积极性， 能有针对性地进行设计开发， 适合学生的实际情况， 学生容易接受， 并且经费投入较少。缺点是开发周期较长， 系统性不够， 水平有限。也可以将上述两种方式结合起来， 一是引入、购置部分自己不宜开发的实验项目， 二是结合自身的优势和长处开发一些实验项目， 如非交互性的、演示性的虚拟实验项目等。
二、加强网络虚拟实验室的管理
1.加强用户管理， 为每个学生分配账号。对学生进入虚拟实验室， 使用实验室做虚拟实验等进行登记保存。鼓励学生经常访问虚拟实验室， 在上面提出问题、发表见解， 做好实验， 努力提高虚拟实验室的人气。
2.全天候开放虚拟实验室。学生可以随时进入虚拟实验实自己动手组织实验， 自己设计实验方案， 动手完成实验， 整理和总结实验数据， 职称论文提交实验报告， 培养学生的分析能力和创新能力， 逐步向以“学生为中心”的自主个性发展模式转变。
3.组织专业教师网上指导与答疑， 参与论坛讨论交流， 及时批改实验报告， 为学生顺利完成实验提供服务。在虚拟实验室中， 教师应对学生提出的疑问尽快给出帮助和解答， 并进行必要的指导。在实验室论坛上发表观点， 提出问题让学生思考， 使师生在虚拟实验室中有较强的互动性， 教师应充当好学生实验的合作者和知识的建构者的角色。
4. 对学生在虚拟实验室的表现及实验效果进行
评价。针对学生每一门课程的虚拟实验完成情况、实验报告、网上提问、论坛发帖的情况， 给学生一个成绩和评价， 反馈给学生， 英语论文并与该课程的正常实物实验一起记入实验总分。教师也要在对学生评价的同时， 征求学生对虚拟实验室的意见， 对学生反馈的信息进行整改。
计算机网络虚拟实验室的建立， 可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题， 对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系， 不能一味地强调虚拟实验， 要“虚实”结合， 既相互补充， 又各有侧重， 这样才能取得很好的实验教学效果。同时， 在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。 参考文献
[ 1] 王嗣源.虚拟实验室建设的初步探讨.西安邮电学院学报， 2005( 4) .
[ 2] 蒋光明.基于互联网的开放式虚拟实验模型研究.西南师范大学学报( 自然科学版) ， 2002( 3) .
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随着国家发展“大学科”及交叉学科的教育建设思想的推进，现代教育要求不仅掌握知识、学习能力和方法，更要进行必要的人文主义教育，交互式教学法实现了教师与学生以及学生之间的交互。虚拟现实技术的发展和应用，使人机交互更好地与日常生活经验相契合，为交互式的教学方法提供了技术支持。本研究旨在通过研究人的行为，运用交互式的教学方法，探究以虚拟现实技术为代表的先进技术在未来数字教学模式中的应用。
一、基于虚拟现实的交互式数字教学方法研究与分析
1.人机交互。人机交互过程是指人通过人机界面向计算机输入指令，计算机处理后把输出结果呈现给用户的过程。人机交互的发展历史，是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展史，它经历了几个阶段。
人机交互的方式可以分为数据交互、图像交互、语音交互和行为交互四类，其中行为交互是当今社会研究的重点，它是指通过身体的姿态和动作来表达意思。行为交互是计算机通过定位和识别人类，跟踪人类肢体运动和表情特征，从而理解人类的动作和行为，并作出相应的智能反馈过程，它将带来全新的、最自然的交互方式。计算机通过用户行为能够预测用户想要做什么，并以此来满足用户的需求。比如，计算机通过跟踪人们的视线，就能预测用户的意图，是想要浏览什么网站还是需要打电话等，它有助于形成更适合未来数字教育的交互方式。现代教学，教的内容趋于多样化，学生的需求也趋于多样化、多层次，每个学生的个体差异也更为突出，怎么针对这些新的特征，利用更好的交互技术，使教与学的内容在数字化的平台上，更好地照顾学生的个性化特征和需要，更好地实现教师个体与学生个体之间以及学生群体之间的相互交流、互动学习就变得尤为重要。
前面提到，人机交互需要由相应的人机界面来使之形象化。人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面，它是人机双向信息交互的支持软件和硬件，也是进行交互设计最终展现给用户的结果，所以，对人机界面的充分了解对分析数字教学中的交互设计不可或缺。
2.虚拟现实技术。要实现上面所述的自然交互过程，需要运用高科技手段，比如近几年逐渐成熟的虚拟现实技术，利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，提供使用者视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，及时、无限制地观察三度空间内的事物。在教学中，它运用于实验模拟、场景再现，可以把枯燥繁琐的文字知识形象地进行转化，帮助学生主动地思考、学习，是既有意思又是符合未来教育模式的一种技术。
虚拟现实具有三“i”的基本特征，即immersion-interaction-imagination(沉浸—交互—构想)，强调虚拟系统中人的主导作用。沉浸感指用户沉浸于计算机生成的虚拟环境中，有身临其境之感。交互性指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，是人机和谐的关键性因素。想象力则是用户从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新颖的认识。
按照用户参与的形式以及沉浸程度，虚拟现实可以分为桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实性的虚拟现实和分布式虚拟现实系统四类。虚拟现实系统强调的是人与虚拟环境之间的交互作用，或是两者相互作用，从而反映出虚拟环境所提供的各种感官刺激信号以及人对虚拟环境做出的各种反应动作。虚拟环境给人提供的各种感官刺激包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、力觉、身体感觉及前庭感觉，在物理、化学及设计类课程的互动教学中应用前景广阔，虚拟环境能够逼真模拟物理中的力觉与触觉，生物化学中的嗅觉和味觉，而各种设计类课程中的大量视觉图像图形的动态信息也能够更好地呈现出来，在教学中起到很好的演示作用。另外，虚拟现实的技术能够较好地调动学生的学习积极性，使枯燥的内容更形象化呈现出来，同时教师也可以应用虚拟现实的仿真模拟技术，将逻辑思维较强的教学内容，通过仿真模拟的方式，预测到由于公式及参数的改变而可能产生的预期结果，并科学地呈现出视觉、听觉、触觉、力觉等多种感知的结果，加深学生的感性认知，“上手(Hands-on)”和“交互式”的教学能够引发更多的积极的注意力，帮助学生更透彻地理解抽象的原理。
3.现代教育与数字教学。数字教学是指教师和学习者在数字化的教学环境中，遵循现代教育理论和规律，运用数字化的教学资源，以数字教学模式培养适应新世纪需要的具有创新意识和创新能力的复合型人才的教学活动。随着计算机和互联网技术的日益发展及应用，数字教学模式主要应用于多媒体教学和网络教学领域，并逐渐深入到学习的方方面面。
但现阶段的数字教学仍然存在缺陷。首先，计算机无法对学生的情绪变化作出相应反馈，而且它也无法取代教师在教学过程中一些暗示性的语言所起到的微妙效果。其次，在教学的许多领域中，计算机无能为力，特别是非逻辑判断方面。最后，教学课件在实际使用中存在着局限性。这一系列的问题，相信通过运用交互设计的方法，结合虚拟现实技术的应用，都会被逐一解决。
[论文摘要]以虚拟现实技术为发展趋势的信息技术日新月异，当它被应用到教育领域时，能够提供逼真的实验环境和事件场景，内容组织安排特别强调学生主动参与来构建知识结构，使学生由“被动听讲”转变为“主动学习”，教与学之间能产生更好更强的互动，是信息时代教学模式的主要发展趋势。文章旨在分析探索以虚拟现实技术为基础、以交互式为导向的数字教学模式，并从教学资源、师资队伍、个性化教学及整合网络教育平台四个方面详细阐释了基于虚拟现实技术的交互式数字教学模式的构建。
[论文关键词]数字教学 虚拟现实技术 交互式 教学模式
随着国家发展“大学科”及交叉学科的教育建设思想的推进，现代教育要求不仅掌握知识、学习能力和方法，更要进行必要的人文主义教育，交互式教学法实现了教师与学生以及学生之间的交互。虚拟现实技术的发展和应用，使人机交互更好地与日常生活经验相契合，为交互式的教学方法提供了技术支持。本研究旨在通过研究人的行为，运用交互式的教学方法，探究以虚拟现实技术为代表的先进技术在未来数字教学模式中的应用。
一、基于虚拟现实的交互式数字教学方法研究与分析
1.人机交互。人机交互过程是指人通过人机界面向计算机输入指令，计算机处理后把输出结果呈现给用户的过程。人机交互的发展历史，是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展史，它经历了几个阶段。
人机交互的方式可以分为数据交互、图像交互、语音交互和行为交互四类，其中行为交互是当今社会研究的重点，它是指通过身体的姿态和动作来表达意思。行为交互是计算机通过定位和识别人类，跟踪人类肢体运动和表情特征，从而理解人类的动作和行为，并作出相应的智能反馈过程，它将带来全新的、最自然的交互方式。计算机通过用户行为能够预测用户想要做什么，并以此来满足用户的需求。比如，计算机通过跟踪人们的视线，就能预测用户的意图，是想要浏览什么网站还是需要打电话等，它有助于形成更适合未来数字教育的交互方式。现代教学，教的内容趋于多样化，学生的需求也趋于多样化、多层次，每个学生的个体差异也更为突出，怎么针对这些新的特征，利用更好的交互技术，使教与学的内容在数字化的平台上，更好地照顾学生的个性化特征和需要，更好地实现教师个体与学生个体之间以及学生群体之间的相互交流、互动学习就变得尤为重要。
前面提到，人机交互需要由相应的人机界面来使之形象化。人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面，它是人机双向信息交互的支持软件和硬件，也是进行交互设计最终展现给用户的结果，所以，对人机界面的充分了解对分析数字教学中的交互设计不可或缺。
2.虚拟现实技术。要实现上面所述的自然交互过程，需要运用高科技手段，比如近几年逐渐成熟的虚拟现实技术，利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，提供使用者视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，及时、无限制地观察三度空间内的事物。在教学中，它运用于实验模拟、场景再现，可以把枯燥繁琐的文字知识形象地进行转化，帮助学生主动地思考、学习，是既有意思又是符合未来教育模式的一种技术。
虚拟现实具有三“i”的基本特征，即immersion-interaction-imagination(沉浸—交互—构想)，强调虚拟系统中人的主导作用。沉浸感指用户沉浸于计算机生成的虚拟环境中，有身临其境之感。交互性指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力，是人机和谐的关键性因素。想象力则是用户从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性的认识，从而可以深化概念，萌发新颖的认识。
按照用户参与的形式以及沉浸程度，虚拟现实可以分为桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实性的虚拟现实和分布式虚拟现实系统四类。虚拟现实系统强调的是人与虚拟环境之间的交互作用，或是两者相互作用，从而反映出虚拟环境所提供的各种感官刺激信号以及人对虚拟环境做出的各种反应动作。虚拟环境给人提供的各种感官刺激包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、力觉、身体感觉及前庭感觉，在物理、化学及设计类课程的互动教学中应用前景广阔，虚拟环境能够逼真模拟物理中的力觉与触觉，生物化学中的嗅觉和味觉，而各种设计类课程中的大量视觉图像图形的动态信息也能够更好地呈现出来，在教学中起到很好的演示作用。另外，虚拟现实的技术能够较好地调动学生的学习积极性，使枯燥的内容更形象化呈现出来，同时教师也可以应用虚拟现实的仿真模拟技术，将逻辑思维较强的教学内容，通过仿真模拟的方式，预测到由于公式及参数的改变而可能产生的预期结果，并科学地呈现出视觉、听觉、触觉、力觉等多种感知的结果，加深学生的感性认知，“上手(Hands-on)”和“交互式”的教学能够引发更多的积极的注意力，帮助学生更透彻地理解抽象的原理。
3.现代教育与数字教学。数字教学是指教师和学习者在数字化的教学环境中，遵循现代教育理论和规律，运用数字化的教学资源，以数字教学模式培养适应新世纪需要的具有创新意识和创新能力的复合型人才的教学活动。随着计算机和互联网技术的日益发展及应用，数字教学模式主要应用于多媒体教学和网络教学领域，并逐渐深入到学习的方方面面。
但现阶段的数字教学仍然存在缺陷。首先，计算机无法对学生的情绪变化作出相应反馈，而且它也无法取代教师在教学过程中一些暗示性的语言所起到的微妙效果。其次，在教学的许多领域中，计算机无能为力，特别是非逻辑判断方面。最后，教学课件在实际使用中存在着局限性。这一系列的问题，相信通过运用交互设计的方法，结合虚拟现实技术的应用，都会被逐一解决。
二、交互式数字教学模式构建
基于虚拟现实技术的交互式数字教学模式，能够通过虚拟现实技术，以文本、图片、影像、声音、数据采集及感应技术、影像及数字感知内容为主要交互媒体，以自然式的交互方式，配合可互动操作的动态信息、仿真模拟、各种感觉与知觉的数字反馈技术，多维度、多媒体、多人互动式地展示IM及时通讯、留言板、互联网上的博客、Tag、SNS、RSS、Wiki等多种形式的数字内容，以教学的核心内容为课程组织的基础，构建适应当下以数字信息为主要教学内容的互动式教学模式。基于虚拟现实技术的交互式教学模式的构建主要从以下几个方面入手:
1.提供多维度的丰富教学资源。有效传播多种媒体的多样化信息，提高学生对于教学内容的注意力。虚拟现实的技术能够为交互式数字教学模式设计立体的教学模式效果，将课堂理论教学、实验室教学、企业基地等实地教学相结合，理论专题研讨、案例教学、技术实践小组协作等多种教学方法交叉，利用虚拟现实技术呈现理论公式，如化学课中的元素周期表，可以将分子、原子等抽象的结构可视化表现出来，还可将复杂的实验通过虚拟现实技术模拟出来，如用虚拟现实模拟火山喷发，模拟火箭的发射过程，模拟汽车内引擎的工作原理，模拟复杂机构之间的关系和相互作用，智能地调配物流情况，模拟资金流及相关的经济问题等，还可运用CAVE计算机辅助虚拟现实环境技术，模拟汽车的设计、装配等实践教学环境，运用虚拟现实技术搭建在企业基地等实地教学的内容，实现教学的开放性、时效性、针对性和实战性，提供多维度的丰富的教学资源。
2.构建多学科交叉的综合型师资队伍。随着信息社会的迅猛发展，围绕信息社会的人文、技术、经济等各种交叉学科领域，发展数字内容的交互式教学模式需要培训一支具有综合学科背景的师资力量。而虚拟现实等先进的信息技术，能够整合各学校的优秀师资力量，通过构建虚拟、虚拟名师等方式，将各高校、研究机构及企业社会的优秀师资集合起来，通过虚拟人的名师角色，远程指导或虚拟地呈现其学术内容与教学思想，有效地弥补师资力量不足的问题，随时更新名师提供的动态电子教材，提供多学科交叉的综合型教学内容与综合型师资队伍。
3.实现交互式因材施教的个性化教学。参与式教学的交互教学模式能够充分调动学生的积极性，构建虚拟现实的实验学习环境，根据每个学生的个性特点及专长，搭建适合学生的个性化教学实验环节，模拟搭建实验环境，让学生充分展开想象，模拟仿真其实验效果，预演实验结果，有助于提高学生对于课程内容的参与度和认知程度。另外，学生还可根据自身的兴趣点，专项选择适合自己发展特点的学习内容，个性化地定制学习内容。教师可根据每个学生的学习情况，跟踪分析其学习结果，对症安排辅导及进一步深入学习的内容，提高学习效率，增强交互式学习的效力。麻省理工学院媒体实验室在1993年推出了实体交互设计的数字教学产品，它整合了个人空间和共享学习工作空间，能让两位用户在个人空间和共享空间之间实现轻松的转换。这种交互式的教学产品是一种电子白板，产品使用生活中自然的互动交流方式，如教学过程中交流双方各自的头部动作，双方眼神的交流和凝视方向等，这些交流的姿势能够被3D摄像头等装置识别出来，并通过计算机进行智能判断，根据计算机图形、图像识别技术，判断教学双方用户姿势的变化，同时和姿势所代表的含义进行映射匹配。这种交互式的教学电子白板的隐喻是“让用户自由地交流，使用电子白板进行交流的时候就像在巨大的透明玻璃板上画画一样自然”。经实践证明，这种交互式的电子白板增强了教学双方用户的 “凝视注意力”，能够使用户看到使用电子白板的同伴的凝视方向，从而进一步了解对方关注的内容，达到更加自然的互动式交流。教学双方在对话中可以更加轻松和准确地说出交流的对方在看哪一个屏幕对象，甚至比在普通的白板交流环境中更容易。这种虚拟现实技术的交互式教学方式能够以学生为教学中心，尊重学生个体差异，有效提高教师与学生及学生之间的交流效果，调动学生的主动参与性。
