淺析虛擬現實技術在計算機專業教育中應用
摘要：目前，虛擬現實技術已廣泛應用於航空航天、娛樂遊戲，以及建築設計等領域。在教育領域，虛擬現實技術也有廣泛的用途。文章介紹了虛擬現實技術及VRML語言，探討了虛擬現實技術在計算機教學和計算機實驗中的應用。如果虛擬技術廣泛應用於網路教育中，將對遠端教育產生深遠的影響。
關鍵詞：虛擬現實技術；虛擬實驗；VRML；計算機專業
隨著我國教育的不斷改革和科學技術的飛速發展，論文 網路教育的出現改變了傳統的教學方式。尤其是計算機更新速度非常快的特點使得傳統的教學方式難以滿足學習的需要。虛擬現實技術作為一門新的技術，它在教育領域的發展將為教育提供新的活力。本文主要從虛擬現實技術特徵和VRML語言的角度探討其在計算機專業教育中的應用。
1 虛擬現實技術
多媒體技術與網路技術的發展為現代教育手段的現代化帶來了新的機遇和挑戰。隨著計算機技術的快速發展，現代教育技術的應用已不再是停留在音像技術課堂中應用的常規模式層次上．而是朝著多媒體化、網路化、資訊化、教育技術應用模式多樣化和遠端教育普及化的趨勢發展，特別是基於計算機模擬技術的虛擬教學形式，是一種最新出現的教學模式，具有廣闊的發展前景，代表了教育的未來和發展的方向。
1．1 虛擬現實技術概念
虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)，又稱為靈境技術，畢業論文 它彙集了數字圖象處理、計算機圖形學、多媒體技術、人工智慧、人機介面技術、感測器技術，以及人體行為學等多項天技術．是計算機技術的綜合應用。具體地說，就是採川以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定範圍的虛擬環境，使用者藉助必要的裝置以自然的方式與虛擬環境中的物件進行互動作用，相互影響，從而產生如同真實環境的感受和體驗。儘管該環境並不真實存在，但它作為一個逼真的三維環境．彷彿就在我們周圍。由於使用者對計算機環境中的虛擬物體產生了類似於對現實物體的存存意識或幻覺，從而使得使用者在計算機所建立的維虛擬環境中處於一種全身心投入的狀態。
1．2 虛擬現實系統的構成
由圖1可以看出。一個虛擬現實系統由以下幾部分組成：
(1)虛擬環境。它由虛擬環境發生器所產生，且可讓使用者透過感測器件和作用器件與之互動，這種互動的結果是使用者有全身心進入這一環境的感覺。
(2)感測器件。它將虛擬環境中的物體的形、動作、聲音等進行轉換，使人能獲得視覺、聽覺、觸覺等多方面的感覺。這些感覺與他以往在實際環境中的感覺一致。
(3)作用器件。它將人的一些約定動作(如行走、手勢等)變成作用的資訊，讓虛擬環境有所察覺。
(4)人。虛擬現實實質上是一內含反饋的閉環系統，只有人的存在才能使這一反饋環路有效成立。碩士論文所以人是VR系統中不可缺少的成分。人透過感測器件感受虛擬環境的存在．又透過作用器件去影響虛擬環境，使其作出相應的變化。
(5)虛擬環境發生器。它能產生使用者所需要的虛擬環境，且能透過作用器件傳來的作用資訊。瞭解使用者的位置和動作。並對已產生的虛擬環境作出相應的修改。
1．3 虛擬現實技術基本特徵
(1)沉浸性。虛擬現實技術是根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體影象。使用者戴上頭盔顯示器和資料手套等互動裝置，便可將自己置身於虛擬環境中，成為虛擬環境中的一員。使用者與虛擬環境中的各種物件的相互作用，就如同在現實世界中的一樣。當使用者移動頭部時。虛擬環境中的影象也實時地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動而運動，而且還可以聽到三維模擬聲音。使用者在虛擬環境中，一切感覺都是那麼逼真，有一種身臨其境的感覺。
(2)互動性。虛擬現實系統中的人機互動是一種近乎自然的互動．使用者不僅可以利用電腦鍵盤、滑鼠進行互動，而且能夠透過特殊頭盔、資料手套等感測裝置進行互動。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調整系統呈現的影象及聲音。使用者透過自身的語言、身體運動或動作等自然技能．就能對虛擬環境中的物件進行考察或操作。
(3)多感知性。由於虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的感測及反應裝置，因此，使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。
1．4 虛擬現實系統的型別
虛擬現實技術按其功能，可分為以下幾種型別：
(1)沉浸式虛擬現實系統
沉浸式虛擬現實系統是利用頭盔顯示器、資料手套、三維滑鼠等感測跟蹤裝置與虛擬世界進行互動。由於這種系統把人的視覺、聽覺和其它感覺封閉在虛擬的感覺空間，能使人全身心投入並沉浸其中。不足之處在於專用裝置複雜而且昂貴，難以在教育行業普及推廣。
(2)桌面式虛擬現實系統
桌面式虛擬現實系統是運用軟體程式設計的方法在顯示器上顯示三維場景．使用者透過鍵盤、滑鼠等簡單的裝置與虛擬場景進行互動。這種系統由於使用者坐在顯示器前，透過螢幕觀察虛擬世界並與之互動，往往會受到周圍環境的影響，難以做到完全投入．但是結構簡單、成本較低，易於普及推廣。
(3)分散式虛擬現實系統
分散式虛擬系統是多個使用者透過網路共享一個虛擬空間，共同參與虛擬活動。
(4)增強現實性虛擬現實系統
增強現實性的虛擬現實系統不僅是利用虛擬現實技術來模擬現實世界、模擬現實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環境的感受，也就是增強現實中無法感知的感受。
1．5 虛擬現實造型語言VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language1即虛擬現實建
模語言，是一項和多媒體通訊、因特網、虛擬現實等領域相關的，在Intemet上營造虛擬環境的技術。它用來在網路上建立可導航的、超連結的三維虛擬場景。
VRML的基本工作原理可概括為：文字描述、遠端傳輸和本地計算生成。所謂文字描述，是指VRML並不是用三維座標點的資料來描述三維物體的，因為這樣會有很大的資料量．在Intemet上傳輸會遇到很多困難．VRML是用類似HTML的標記文字語言來描述三維場景．就像我們的程式語言。比如，一個立方體的描述文字是：Box(size 3.0 3.0 3.0)。VRML就是一種描述語言標準，規定了用來描述三維場景的文字描述語言。遠端傳輸是指使用者瀏覽VRML描述的虛擬場景時，需要透過Intemet將描述場景的文字傳送到本地。一般來說，文字描述是嵌在WEB頁面中，在瀏覽器請求相應頁面時與頁面描述文字一起傳送本地。本地計算生成是指描述虛擬場景的資料傳送到本地後，瀏覽器對它進行解釋計算，動態地生成虛擬場景。比如，描述球形的文字，瀏覽器會在螢幕上繪製一個立體的球形。概括地說，就是用文字資訊描述三維場景．在Intemet網上傳輸，在本地機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景．解釋生成的標準規範即是VRML規範。
VRML檔案主要包括四個主要成分：VRML檔案頭、原型、造型節點、指令碼和路由。在這四個要素中．醫學論文只有檔案頭部分是必須的，它用來告訴瀏覽器該檔案符合的規範標準以及使用的字符集等資訊。原型定義了建立帶有指定名稱、介面和整體的新節點型別。一旦成功地定義了原型，它就可以在VRML檔案的其他地方隨意使用。造型節點是VRML中的基本建造模組．它構成了VRML檔案的主體部分，正是由於造型節點定義而產生了虛擬的VRML空間。指令碼可以看作是一個節點的外殼，它有域、eventIn事件和eventOut事件。其本身沒有任何動作．然而你可以透過程式指令碼來賦予你指令碼節點的動作。程式指令碼實際上是一種簡化了的應用程式，一個典型的指令碼是由Java或JavaScript程式語言寫成的程式。路由是一種文字描述的訊息．一旦在兩個節點之間建立了一個路由．第一個節點可以順著路由傳遞訊息給第二個節點，這樣的訊息被稱為事件。VRML還可以包含下列條目：註釋、節點和域值、定義的節點名、使用的節點名等。
設計VRML虛擬場景時。最簡單的方法是直接使用文字編輯器來編輯描述文字，它類似於程式設計，這種方法簡單方便．但不是很直觀．對設計者的空間想象能力要求也較高，設計的效率不高。現在有很多的視覺化的VRML設計工具，如CosmoWorld和WebWorld等．這些工具將VRML的標準節點都做成可視的元件，使用者設計時，只需要將這些元件組全自己需要的虛擬場景就可以了．而且設計的效果在設計時就可以看到。設計完畢後，系統自動將這些可視的虛擬場景生成標準的VRML描述文字，這樣，這些文字傳送到使用者的瀏覽器後．便會在使用者的螢幕上重現這個虛擬場景。
VRML使得Intemet的平面世界出現了三維場景。它的問世在世界上引起了極大的反響．得到眾多的軟硬體廠商的支援，成為了Intemet上最有發展前景的新興技術。VRML在各方面都展現出了強大的應用可能性。蘊藏了無限生機。在教育領域的WEB站點中，它可廣泛用於學習情景創設上，以增加學習內容的形象性和趣味性。例如：建立網上三維圖書館，它的好處就在於書籍歸類整理更接近真實並將高於真實，彙編或查閱時書籍只需要滑鼠輕輕地點選對應的虛擬圖書。另外，使用VRML做模擬訓練是一種可行性極高的措施，它不僅可以減少某些情況下現實空間中操作的難度和危險．
更為重要的是它可以使訓練造價得到大幅度降低，這樣就使得在教育方面的應用成為可能。由於這種模擬系統具有高度的真實性，所以並不會因為沒有真實系統介入而造成較差的訓練效果。現在虛擬校園、虛擬考場也已經陸續地出現在網路中，這些新興的教育形式必將因其優越的一面而在未來教育領域中佔有一席之地。
2 虛擬現實技術在計算機專業教育中的應用
2．1 虛擬現實技術在輔助課堂教學中的應用
眾所周知，計算機課程實踐性很強，在書本上體現難免會給人們的理解帶來困難。利用虛擬現實技術製作的課件能夠很好地解決這一問題。例如，在計算機基礎課程中介紹計算機中各個元件的結構和講解計算機組裝的過程時，書本的文字難以讓學習者瞭解元件結構和組裝的過程。利用虛擬現實技術可以將文字、聲音、圖片、動畫等幾種媒體表現形式有機地結合，設計出生動活潑的介面。製作出一些三維的、交式的、具有沉浸感的內容，滿足學習者從各個角度觀察和學習，彷彿身臨其境，更好地理解學習的內容。
製作VRML課件的基本思路是：
(1)製作一系列空間形體的三維造型和動畫．並且為這些造型指定所需要的顏色、大小等。
(2)引入VRML的相關節點，建立虛擬運動空間。實現課件多媒體功能。
(3)最佳化VRML場景，即在構建場景的過程中，利用VRML提供的高階造型技術適當最佳化程式。
(4)VRML檔案的輸出，將已建立的空間場景輸出為．wrl形式的檔案。
例如，設計VRML課件來實現網上虛擬計算機元件結構和組裝的輔助教學。
首先，在介紹計算機元件選擇知識同時。可以在網上從各個角度來觀察VRML製作的計算機元件的造型．增強感性認識，並使學習者對怎樣組裝計算機有個初步的瞭解。利用VRML的造型設計和VRML Script的.動畫連結．虛擬出組裝計算機過程中所需的主要硬體，再透過把VRML檔案嵌入到網頁的方法，使學習者既能在網頁中看到二維不同型號硬體的圖片和一些描述硬體的文字．又能看到三維的虛擬製作出來的硬體模型。這樣使學習者能真切地、直觀地感受到二維和三維的不同．感受到虛擬世界的美妙。然後，透過文字和圖片向學習者介紹如何將各計算機元件組裝到一起。接著，透過VRML的動畫節點控制和VRML Script的結合。製作出安裝、註釋和視點切換的效果，然後按照六個安裝步驟：第一，機箱、主機板的安裝；第二，風扇、記憶體的安裝；第三，光碟機、軟碟機、硬碟的安裝；第四，音效卡、顯示卡的安裝；第五，電源的安裝；
第六。顯示器、鍵盤、滑鼠的安裝，組合完成整個在虛擬三維世界中組裝計算機的過程。
在學習的過程中，只要點選相應的按鈕，就可以按相應的步驟進行安裝。拖動滑鼠或按鈕可以隨意地移動計算機元件到指定的位置進行安裝。在安裝完光碟機和軟碟機後，點選光碟機的開、關鍵，光碟託會自動拖出和送入，點選軟碟機的按鈕，
軟盤會自動取出．使學習者能動態地觀看到效果。有一種身臨其境的感覺來完成學習的過程。
透過VRML Script語言的連結。製作出生動有趣的動畫效果和逼真的聲音效果。例如．當你點選軟碟機上的按鈕，會發出聲音並彈出一張軟盤；當你點選光碟機按鈕時，盤盒會自動地彈縮併發出逼真的聲音。為了方便學習。還可以實現註釋資訊，當學習者的滑鼠碰到硬體裝置時。在物件的旁邊會出現一個註釋資訊，說明該物件名稱。
又如，在《資料結構》課程中，對於常用的資料結構的演算法思想．由於其抽象程度高。使得學生很難理解。我們也可以透過虛擬技術將其製作成課件進行教學。將抽象的演算法過程以淺顯易懂、形象直觀的形式展現出來。例如，遞迴演算法是學生比較難理解的，因為其演算法是靠隱形呼叫堆疊來實現，而透過虛擬技術可以將堆疊內部情況的變化動態、直觀、形象地表現出來，這樣學生就很容易理解。同樣在講解樹和圖的遍歷時，可以從視覺化的角度觀察遍歷的順序。二叉樹與樹的概念的區別、Hanoi塔等問題都可以直觀地表現。方便教師的教學和學生的理解。
總之，透過製作課件來輔助課堂的教學，能為學習者提供生動、逼真的感性學習材料，使抽象的學習直觀化、形象化，幫助學習者解決學習中的重點和難點，提高學習者的積極性。
2．2 虛擬現實技術在計算機實驗中的應用
由虛擬現實技術生成的適用於進行虛擬實驗的實驗系統，包括相應的實驗室環境、有關的實驗儀器裝置、實驗物件。以及實驗資訊資源等。虛擬實驗室可以是某一現實實驗室的真實再現。也可以是虛擬構想的實驗室。例如，在都會網路和廣域網的網路建設過程中，不必真正把網路構建起來就可以親身體驗，猶如進行現場的操作。在數位電路的課程實驗中，可以透過虛擬的電路器件來達到電路設計的目的，而沒有購買器件問題所帶來的麻煩。在電子商務課程實驗中，可以虛擬商務環境，讓學生進入這個虛擬環境。身臨其境地體驗現場交易的氣氛和參與交易的過程。計算機作業系統的安裝是比較基礎但又是難做好的一個實驗。由於在計算機上安裝新的作業系統不可避免地會對原有的作業系統產生影響。
使用虛擬計算機來進行作業系統的安裝試驗就十分的方便了。工作總結使用虛擬機器的軟體VMware可以建立與真實計算機一模一樣的虛擬機器。建立的虛擬機器有自己的CPU、記憶體、硬碟、光碟機，在這個虛擬機器上，可以安裝Windows、Linux等真實的作業系統以及各種應用程式。透過在虛擬的作業系統環境中進行操作，熟悉操作和新技術，達到事半功倍的效果。VMware只是一個軟體。可以幫助你在一個作業系統的環境下安裝另一個作業系統，而不會對當前的作業系統產生影響。
虛擬現實技術還可以對學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬．透過虛擬系統便可以直接地觀察到這一假設所產生的結果或效果。利用虛擬技術。學生還可以進行網路裝置設計、電路設計等方面的學習探索，設計出新型的網路裝置和電子器件．從而激發學生的創造性思維，培養學生的創造能力。
透過虛擬的實驗室進行實驗，既可以縮短實驗的時間，又可以獲得直觀、真實的效果，還能對那些不可見的結構原理和不可重組的精密裝置進行模擬實訓，避免真實實驗操作帶來的各種危險。並且，虛擬實驗具有先進性和共享性，易擴充．易於改變教學專案，減少裝置投入經費，使教學內容在虛擬的環境中不斷更新．使實驗實踐及時跟上技術的發展。但是在採用虛擬實驗進行教學的過程中，並不能完全代替真實實驗。虛擬實驗是虛擬的實驗，缺少“實物感”，正如在網上看書與拿真實的書看時，會覺得真實的書更實在。在網路實驗中，用到的網路裝置像路由器、交換機等種類、型號都很多，在虛擬實驗中．學生很難見到這些裝置，如果在真正的實踐中可能會無從下手。因此，在具體實施中，應該虛實進行結合。有目的地安排一些實驗在真實環境中操作，這樣，他們會對實驗的裝置有親身的體會，更能加深實驗的印象，提高實驗的效果。
3 結束語
虛擬現實技術在計算機教育領域發展的潛力是巨大的，只有親身去經歷、親身去體驗去感受，比空洞抽象的說教更具說服力，主動地去互動與被動地觀看有質的不同。虛擬現實技術能形象、生動、逼真地表現教學內容，有效地營造一個發展的教學環境。提高學生掌握知識和技能的效率和積極性，達到最佳化教學過程、提高教學質量的目的，從而解決傳統教學方式無法解決的問題。隨著計算機網路技術的飛速發展，基於WEB的虛擬現實遠端教育具有廣泛的應用前景，必將成為21世紀教育的主流。