虚拟现实技术的应用与展望
摘 要：主要介绍了虚拟现实技术的基本概念、发展历史和实际应用，通过阐述虚拟现实技术在教育教学、工业设计、机械制造等领域中的应用，突出了虚拟现实技术在科技发展和提高人们生活质量等方面的积极推动作用，并对虚拟现实技术的发展和展望做了简要的说明。
关键词：虚拟现实;工业设计;文化教育
前言：虚拟现实技术已经逐步走进了我们的生活，我们在更多时候是将虚拟现实技术带给我们的感觉当作了一种预知、或者是预先的一个概念认识。虚拟现实技术帮助我们由想到做的之间架起了一座可靠的桥梁，帮助我们尽可能的实现我们的想法，在最大限度内发现设计与现实的差距、误差甚至是错误，避免了一些由于没有前期经验而导致的错误的出现。虚拟现实技术的应用前景是很广阔的。它可用于教学仿真，也可应用于产品设计领域，也可应用于机械加工等领域。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。
一、虚拟现实技术
(一)虚拟现实技术。虚拟现实(Virtual Reality)，又称灵境、拟实，是近20年发展起来的一门新技术。它采用计算机技术和多媒体技术，营造一个逼真的具有视、听、触等多种感知的人工虚拟环境，使置身于该环境中的人通过各种多媒体传感交互设备与这一虚拟的环境进行实时交互作用，它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，并随着这些信息技术的突破而迅速发展起来。目前已经广泛应用于军事、科学计算可视化、教育与培训、设计与规划、虚拟测试、虚拟游览、购物、交互式娱乐、工程技术、科技探索等多方面领域。[1]
(二)虚拟现实系统的类型。虚拟现实系统根据用户参与形式的不同一般分为4种模式：桌面式、沉浸式、增强式和分布式。桌面式使用普通显示器或立体显示器作为用户观察虚拟境界的一个窗口;沉浸式可以利用头盔式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备，使得参与者获得置身真实情景的感觉;增强式是把真实环境和虚拟环境组合在一起，使用户既可以看到真实世界，又可以看到叠加在真实世界的虚拟对象;分布式是将异地不同用户联结起来，对同一虚拟世界进行观察和操作，共同体验虚拟经历。
二、虚拟现实系统的应用
(一)虚拟现实技术在教育教学上的应用。虚拟现实技术在教育教学上能实现课程的数字化学习， 可将课程学习内容作为学习者的学习资源， 并将其他的相关资源一并提供给学习者， 实现资源共享;能按照超文本、超链接的方式组织管理学科知识和各种教学信息， 有利于学习者主动发现、主动探索知识， 发展联想思维和建立新旧知识之间的联系; 能提供界面友好、形象直观的交互式学习环境， 不受时空和距离的限制， 可让各地的师生共处于一个虚拟空间中， 有利于激发学习者的学习兴趣和进行协商会话， 实现合作学习;能提供图文声像并茂的多种感官综合刺激， 提供生动活泼的直观形象思维材料， 使学生从思维、情感和行为三个方面参与教学活动， 有利于学习情境创设和大量知识的获取与保持;可以弥补实验教学条件的不足。
(二)在工业设计仿真方面的应用。产品是人类设计思想付之于实施的产物，产品设计所着重考虑的是产品的造型、结构和功能等方面， 目的是生产制造出符合人们需要的实用、经济、美观的物品。将VR 技术应用于工业产品设计， 是目前VR在工业设计领域应用的主要方式。运用虚拟现实技术， 美国波音公司无图纸化设计波音77 获得成功， 是近年来引起科技界瞩目的一件里程碑式的应用。如果把VR 技术与不同的产品设计领域结合， 随之会诞生许多新颖的概念： 如虚拟产品设计、虚拟环境设计、虚拟建筑设计、虚拟园林设计、虚拟装饰设计、虚拟人机工程学设计等等。
虚拟产品设计(VPD ) 就是借助于虚拟现实系统， 是将产品开发全过程数字化， 用集成的功能强大的VR 工具， 模拟整个产品的开发过程，在计算机的虚拟空间中进行产品的设计、分析、优化、加工、装配、测试、工艺、质量控制、人机工程学验证等过程。这种从设计到分析再到设计的循环， 反复多次直到满足设计要求， 全部是在虚拟空间中完成的。
(三)虚拟现实技术在制造业中的应用。目前，在这一领域，美国处于国际研究的前沿，许多大学和科研机构都在从事虚拟制造的研究工作。美国Boeing飞机公司设计的一架VS—X虚拟飞机，它可用头盔式显示器和数据手套来进行模具技术
2004.No.5 5 7观察与控制，当手指指向飞机时就可以看到跑道上的飞机起飞;手指向下，飞机便停下来。通过其它手势，还可以进入座舱，起动发动机，进行飞行试验或者打开应急门。这种虚拟飞机可以让设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外形、内部结构及使用性能进行考察。Michigan大学的VR实验室采用沉浸式虚拟现实对一艘PD337 海军运输船的生产过程进行了模拟。船的双层底模型是用AutoCad 生成，然后转换成虚拟原型。利用沉浸式虚拟现实可以步入实物大小的船体模型中观察其特性，发现在开始的CAD/CAM 模型中存在很多问题。比如： 有些间隔无法进行焊接，以及很多的刚性衍架放到船的另一侧去了。研究的第二阶段是船的装配。通过模拟一个真实的造船厂的标准装配过程研究了装配的不同阶段的焊接操作和起吊机的运动以及其他的步骤。
三、虚拟现实发展趋势与展望
(一)虚拟现实发展趋势。虚拟现实将应用于更多的领域之中，深入到人们生活的各部分，细化各项工作的可实现程度，尽最大的努力将可能发生的错误减小到最低，甚至是没有错，我们在真正实施某项工作之前会将其可实施性做一个虚拟现实的实现，将各种可能发生的情况加入其中，通过数据反馈得到结果，帮助我们判定此方案的可实施性。
虚拟现实技术也在帮助我们学习，学校的孩子能够通过虚拟现实技术重新看到白垩纪的恐龙，看到物种的演化和发展，帮助孩子们更真实的感受到学习带来的快乐。同样，老师在虚拟现实技术的帮助下，用更生动的形式讲述那些无法只用文字就能表述的清楚地课题。这种交互的反馈信息，能积极地将人们的学习动力提升。
在成人的学习中，很多无法通过实际操作的实验，虚拟现实技术帮助我们实现了，基于一定的数据基础的实验结果，帮助我们理解其中的各个操作过程。
(二)虚拟现实的展望。在符号化的虚拟世界里，实践主体、实践客体、实践中介都较以往固定的对实践三要素的认识所不同;虚拟现实技术深刻的改变了人类主客体相互作用的方式。人类的实践方式决定了人类的思维方式，虚拟实践在虚拟世界里建构了新的思维方式。因为本文是从广义的角度来理解虚拟现实技术的，即虚拟现实技术与网络技术的联姻，互联网代表了资源共享的含义，这种结合使得虚拟现实技术从“精英技术”转交为“平民技术”，也使得虚拟现实技术在社会上逐渐普及。
参考文献：
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[2] 曾怡.虚拟现实技术在教育领域中的应用[J].时代教育，No.9：182.
作者：李巍杭
摘要 教育是一个传授知识的过程,通过亲身体验、积极参与能够加速这一过程和巩固所传授的知识。虚拟现实技术能够为人们提供三维的视觉、听觉及触觉等感官世界,并具有和谐友好的人机交互界面,使人可以自然地与计算机进行交互,能够创建与现实社会类似的环境,从而能够解决学习媒体的情景化及交互性的要求。虚拟现实技术与教育本质的契合,将会促成虚拟现实技术在教育中的广泛运用。
关键词 虚拟现实技术;交互性;虚拟实验室
Exploration of Virtual Reality Technology Applied in Education//Tan Yin
Key words virtual reality technology;interaction;virtual laboratory
Author’s address Department of Education Science, Luoyang Normal University, Luoyang, Henan, 471022, China
1 虚拟现实技术概述
虚拟现实(Virtual Reality),简称VR,又称灵境技术,是集计算机技术、传感与测量技术、微电子技术等于一体的综合集成技术。使用者沉浸在虚拟环境中,具有和真实环境中一样的感觉;不是被动地感受,而是通过自己的动作,改变感受的内容。人机交互是一种近乎自然的互动,使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知。
2 虚拟现实技术在教育中的应用形式
虚拟现实技术引入教育领域,一是再现现实生活和自然环境中无法观察到的自然现象及事物的发展变化过程,使学生获得生动的感性学习材料;二是可以进行现实生活中无法进行或者难以重复、难度大、成本高、危险性强的技能培训与实验。现今虚拟现实技术在教育中的应用形式主要有以下几个方面。
2.1 虚拟校园国内一些高校已经开始逐步推广、使用虚拟校园模式,先后有浙江大学、上海交通大学、北京大学、西南交通大学、北京四中等知名学校采用虚拟现实技术建设虚拟校园。中央广播电视大学远程教育学院投入较大的人力和物力,采用基于Internet的类游戏图形引擎,将网络学院具体的实际功能整合在图形引擎中,突破目前大多虚拟现实技术的应用仅仅停留在校园一般性浏览的应用上,并作为基础平台进行大规模应用,效果非常好,通过教育部和有关院校的技术鉴定。他们以学员为中心,构想一些人性化的功能,以虚拟现实技术作为远程教育基础平台,在国内甚至在国际上也属罕见。他们大胆的实际应用,让人们感受到全方位的教学、校园文化,这正是人们所需要的真正的教育。
2.2 虚拟实验室如北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用,浙江大学在建筑方面进行的虚拟规划和虚拟设计的应用,哈尔滨工业大学在人机交互方面有很好的成果,清华大学在临场感的研究颇具特色。利用虚拟实验室,学习者还可以进行仿真试验,如化学实验中有些药品具有剧毒、刺激性气味等特性,或者有些化学反应比较剧烈或时间较长,把这些实验放在虚拟实验室里做,就可以对实验现象或过程很好地仿真而不必担心会对学习者造成伤害。
2.3 虚拟图书馆虚拟图书馆是用虚拟现实技术生成的提供相关信息的场所。在虚拟图书馆里,不仅仅提供诸如文本、视频、音频等信息资源,而且分处不同地点的资源对于学习者来说是无差异的,在其中学习可以有身临其境的感觉。由此可见,虚拟图书馆不仅是提供丰富、生动信息的场所,而且还以崭新的方式,为远程教育和终身教育提供教学手段和学习途径。
3 虚拟现实技术对教育的影响
3.1 对教学系统设计模式的促进界面友好、形象直观的交互式学习环境,有利于激发学生的学习兴趣和进行协商会话、协作学习;能提供图文声像并茂的多种感官综合刺激,有利于情境创设和大量知识的获取与保持;还能按超文本、超链接方式组织管理学科知识和各种教学信息,有利于学生的主动发现、主动探索,还有利于发展联想思维和建立新旧知识之间的联系。虚拟现实技术突破时间与空间的限制,使部分危险实验不必在现实中进行,同时降低重复试验经费问题。可以培养出学生既具有很强的综合运用知识的能力,同时又具有严谨的分析能力及灵活多变的创新能力和解决问题的能力。所有这些都要求改变传统的以教师为中心的教学模式,建构一种既能发挥教师的主导作用,又能充分体现学生认知主体作用的新型教学模式。
3.2 对课程整合的促进课程问题在任何一个教育体系中都居于中心地位、实力地位。现今不论是在中学还是在高校,人们把信息技术应用在教学过程中时,都存在一个严重偏向,就是仅仅把信息技术作为演示工具,把太多的注意力放在单纯事物的演示和知识呈现上,而未能充分发挥它的数字化优势,更忽视与课程的有效整合。笔者认为,充分利用虚拟现实技术实现学习活动环境的数字化、学习资源的数字化、学习方式数字化,能够使传统课程更加灵活,更能激发学生的创造性。
3.3 对教学手段的影响通过身临其境的、自主控制的人机交互,提供生动活泼的直观形象思维材料,展现学生不能直接观察到的事物等,形成知识点。学生则从思维、情感和行为3个方面参与教学活动,有助于启发式教学的开展;在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境,有针对性地建构虚拟情境,引导学生进行探究,有利于以解决问题为中心的发现式教学;其具备动画虚拟现实的能力,能够把教学中抽象的概念原理、真实的实验过程等形象生动地表现出来,给学生创设真实学习情境,帮助学生获得示范性的知识,把握概念原理的实质,有利于情境式教学的进行。
4 结束语
通过以上的分析,可以看出虚拟现实技术在教育领域的应用,促进教育信息化的进一步发展,也极大地提高教育的质量和效率。就客观实际而论,目前虚拟现实技术在教学领域所取得的成就,只是应用了最基本的虚拟现实技术,仍存在许多尚未解决的理论问题和技术障碍。但有理由相信,随着虚拟现实技术的迅猛进展,它对传统教学将产生更加深远的影响,也将进一步帮助人们更加有效地传授知识、学习知识、创新知识,而最终将引发包括教育观念和教育模式在内的深刻变革。
参考文献
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作者：谭 音
【摘要】虚拟现实技术的发展与应用，极大程度上促进了数控技术教学工作的开展及教学质量的提高。本文首先简单概述虚拟现实技术的概念及其基本特征，其次就虚拟现实技术在数控技术教学中的应用展开深入分析，并提出虚拟现实技术存在的一些不足之处与展望，为丰富数控教学方法与手段提供一定的参考。
【关键词】虚拟现实技术;数控技术教学;应用分析
引言
随着科技的飞速发展，虚拟现实技术在教育培训、医学实习、建筑设计以及军事演练等众多领域得到了非常广泛的应用。如果将数控加工及计算机仿真技术作为基础，利用计算机将数控设备的实际工作环境模仿出来，并应用在数控技术教学中，那么将会对数控教学的效果及质量产生极为重要的影响。
1.虚拟现实技术的概念及其基本特征
1.1 概念
虚拟现实技术指的是以计算机及相关硬件设备为基础，融合计算机仿真、计算机图形、传感显示、人工智能、网络并行处理等多项技术，为人们提供可通过视觉、听觉、触觉等手段感受到的虚拟环境的一种极端技术。虚拟现实技术中的三维数字模型由计算机图形构成，并在计算机中编制、生成出以视觉感受为主的人工环境，使得人们可以利用计算机可视化操作、交互复杂的数据[1]。
1.2 基本特征
(1)沉浸性特征
虚拟现实技术根据人们的听觉、视觉的特点，利用计算机生成生动、逼真的三维图像，当用户戴上数据手套与头盔显示器等交互设备后，便处于虚拟的环境之中。此时，用户可以与虚拟环境中的不同对象产生相互作用，就好像置身于现实生活中。
(2)多感知性特征
虚拟现实技术不但具备视觉感知，而且还包括听觉、触觉、嗅觉、运动等多项感知，从而给用户一种身临其境的感受。
(3)交互性特征
在虚拟显示系统中，用户与计算机之间的交互接近于自然交互，用户不但可以利用鼠标、键盘等，而且还可利用数据手套、特制头盔等传感设备进行人机交互。
(4)构想性特征
虚拟现实技术具有极为广阔的想象空间，可将人们的认知范围进行拓宽，不但可以将真实环境再现出来，而且还可以构想出不存在的环境。
2.虚拟现实技术在数控技术教学中的应用分析
在现代化机械制造产业中，数控技术为其核心技术，产品的生产加工水平受到数控技术应用的直接影响。然而我国极度缺乏数控技术方面的人才，因而如何将先进数控技术高质、
高效传授给学生，已成为当前数控技术教学面临的重要课题。在数控技术教学中，需应用到较为昂贵的数控机床，给学校带来了一定的经济压力。倘若利用计算机仿真及建模技术，将数控加工的真实环境模拟出来，同样可以帮助学生对数控机床加工的真实环境及过程进行全面掌握，实现数控技术教学效果的提高[2]。虚拟现实技术在数控技术教学中的应用主要体现在以下方面。
2.1 在立体展示数控教学仪器设备、产品加工中的应用
在传统的数控教学模式中，学生只能通过观察实际教学仪器设备的外形或查看书本设备平面图实现感性认识的获得。然而，现场教学会给学校带来一定的资金投入，平面图形又对学生空间想象能力造成了限制。在此种形势下，可以应用虚拟现实技术构建出相同于实物的三维立体物体，例如应用Pro/E进行建模，虚化各种教学仪器设备及产品等，并以立体的形式将这些物体存放进虚拟的教室中，只需进入这个虚拟空间中，教師与学生便可随时对这些仪器设备及其内部构造进行观察，起到辅助数控技术教学的作用，在充分加强学生理解能力的基础上，实现教学质量的提高。
2.2 在模拟实验中的应用
在实际数控教学过程中，由于受到价格的限制，难以普及许多昂贵的器材及实验。然而，利用虚拟现实技术建立一个虚拟的实验室，学生便可在其中操作虚拟的仪器设备。此类实验操作不但不会消耗数控器材，而且也不受时间、场地等条件的限制，可进行重复操作。同时，虚拟的实验室具有绝对的安全性，完全避免因学生出现错误操作而导致人身事故的发生。
2.3 在数控加工仿真教学系统中的应用
随着计算机及虚拟现实技术的飞速发展，可将数控机床实际加工状态与环境模拟出来的仿真加工系统也得到了开发与应用。仿真加工系统利用计算机软件与硬件的功能，再通过实验人员的控制与演示，进而可以对数控加工的零件设计图直至切削动态演示等全过程进行全面、详细分析。仿真机床的操作包括定义毛坯、夹装工件、安装压板、安装刀具、手动操作机床等过程。由于虚拟数控仿真教学系统完全模拟数控零件的真实加工过程，因而可将数控指令正确与否检验出来，并向使用者提供完全相同于实际机床的操作面板，以及调试、修改、编辑、执行等全套功能[3]。学生可以身临其境对各种数控仪器设备进行操作。数控加工仿真教学系统有效解决了数控技术初学者需要进行大量操作练习这一难题，充分提高了学生操作时间。在实际数控教学中引入数控仿真教学系统，可有效避免因操作失误对机床造成的损害，同时也可让学生在操作仿真数控机床过程中，产生真实的感受与体会。
2.4 在联系虚拟仿真教学与实际生产加工中的应用
数控仿真教学系统可单机独立运行或在线运行。其中，单机独立运行指的是数控机床模型方式，只需一台计算机，在其显示出的仿真面板上进行机床模拟操作，机床模型利用三维动画将数控零件的切削过程演示出来。而在线运行则指的是数控机床的工作方式，教学系统连接实际的数控机床，由计算机硬件将零件的切削过程演示出来，此时操作者采用仿真面板进行操作，其他情况则与实际机床相同。在数控仿真教学系统中，具备完善的数据与图形接口，使用者可在真实环境中运行虚拟数控机床，对其运行参数进行全面观察，并且可直接调入加工UG、Pro/E等软件产生的三维设计处理的NC程序。
2.5 在网络数控培训与考核中的应用
在虚拟数控机床中，具备非常强的网络功能，可将其应用于远程教育培训中。在局域网方面，虚拟现实技术具备双向互动的教学功能;在互联网方面，此项技术具备双向远程教学功能，可利用卫星与宽带等手段传送数据。此外，还可充分应用远程网络的学习、考试等功能，并实现保存答卷、自动评分及查询成绩等功能，促进数控教学考核与测评的无纸化发展。
3.虚拟现实技术存在的不足及其展望
其一，虚拟环境与真实的生产存在差异性。虚拟环境中的学习与实际生产训练或多或少会存在不同之处，且相比于媒体教学，真正的动手操作具有更强的效果。因此，在数控技术教学过程中，不可将虚拟现实技术完全取代真实的机器操作。
其二，虚拟显示技术注重几何的表示，在物理、行为模型等方面较为缺乏;在感知方面，虚拟现实技术较多的研究视觉的合成，在听、触觉方面关注度不够，缺乏足够的实时性与真实性，还需进一步加强虚拟效果。
其三，在虚拟现实技术中，与此相关的仪器设备存在使用不便、效果不理想等问题，难以充分满足虚拟现实系统提出的要求，例如计算机处理速度无法达到虚拟操作中实时处理大量数据的需求，有关味觉与嗅觉的设备还未能实现商品化等，需进一步扩展虚拟现实系统的硬件设备品种。
综上所述，作为新型教学媒体方法的虚拟现实技术已得到了教育部门及学校的广泛关注。随着计算机及虚拟等技术的进步与发展，虚拟现实系统中的软件与硬件成本也在不断降低，此项尖端技术将会在数控技术教学中得到广泛应用，并在现代化的教育中产生深远的意义。
参考文献
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作者：徐大锋
虚拟现实技术在教学中的应用主要集中在桌面虚拟现实和分布式虚拟现实,沉浸型虚拟现实由于所需设备昂贵,在教学中的应用较少。虚拟现实技术在远程教育中的应用主要有制作三维网络课件、开设网络实验课程和建构虚拟教室。
1.制作三维网络课件
在教学中,基于HTML的网络课件在不断地发展完善,但却始终不能摆脱二维平面的约束。在课件中加入虚拟现实技术,能挣脱这一枷锁。将虚拟现实和文字、声音、图片、视频等各种媒体有机结合,可以弥补二维平面课件的不足。如,用VRML设计各种三维的模型、物质结构等,可以让学生多角度地观察和学习,更好地理解学习内容。虚拟现实技术还可以再现现实生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程,为学生提供生动、逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点。如学习物理知识时,利用虚拟现实技术,向学生展示原子核裂变、半导体导电等复杂的物理现象,供学生观察学习。
2.开设网络实验课程
虚拟实验在网络教育中有着巨大的优势,它可以弥补远程教学条件的不足。虚拟现实实验环境的开发可以真正打破空间、时间的限制,促进网络实验课程的开展。利用虚拟现实技术,还可以建立各种虚拟实验室,如物理、化学、地理、生物等实验室,在“实验室”里,学生可以自由地做各种实验,获得真实的体验。学生还可以通过虚拟实验验证所学的各种理论知识,提出各种假设模型进行虚拟,并通过虚拟系统观察这一假设所产生的结果或效果。例如,在虚拟的化学系统中,学生可以按照自己的假设设计某一化学反应,通过虚拟实验,可以看到相应的反应现象。通过这种探索式的学习方式,可以培养学生的学习兴趣,有利于激发学生的创造性思维,培养学生的创新能力。
3.建构虚拟教室
目前,在网络教育中,学生大部分是通过网络课程来学习的。学习时,学生能在网页上看到课程的相关文字材料和一些静止的图片。当然,好一点的网络课程,还提供了教学视频。但是不管是文本还是视频,师生之间都缺乏一种灵活的交互。应用虚拟现实技术,构建虚拟教室,能使这个问题得到一定程度的解决。虚拟教室是指运用分布式虚拟现实技术构造的一个虚拟真实的教学环境,分布在各个不同地方的学生,可以通过网络参与到虚拟课堂中。虚拟教室模拟了真实多媒体教室的整个场景,是师生共同活动的一个空间,在这里,可以完成教学、答疑等各种教学活动。借助网络通讯技术,视音频采集、处理技术以及交互代理等技术,参与到课堂的各个对象可以看到彼此,学生可以看到老师的板书,听到他的讲解。教师也能看到学生的表情和动作,可以听到学生的提问,并随时解答。这种教学方式,可以增强师生之间的实时互动,激发学生的学习兴趣,提高教学效率。
由于虚拟现实技术能够满足学习媒体的情景化及自然交互性的要求,从而在风景园林教学领域内有着极其广阔的应用前景。利用虚拟现实技术可以改变高校景观建筑设计专业传统的教学模式,改善实验环境,解决高校普遍存在的教学资源不足的问题,优化教学过程及培养具有创新意识和创新能力的人才。随着教育改革的深入和虚拟现实技术理论的不断完善和发展,虚拟现实技术在景观建筑设计专业中的应用也将不断的拓展。
(一)促进教学观念的变化
传统的教学观念主要是“传道、授业、解惑”,它决定了教学组织形式和教学方法,即以教为主,教师是教学的中心,由教师决定教学内容、结构、教学方法及教学进度,而学生始终处于被动的学习环境中。现代化的教学方法追求教与学的合作化,以讲授引导思维,以教导激发创新,并赋予学生学习的主动性。虚拟现实教学有利于创造这样的环境,以教师为中心的授课形式将会被改变,以学生为中心的个性化教学、合作化教学和虚拟现实环境中的自我探究得以真正实现。虚拟现实正是在现代教育思想指导下,使用新技术改进教学方法的尝试。把虚拟现实技术引入到教学中,从多媒体虚拟现实系统的组织形式看,虚拟现实是非线性的网络结构,逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能,在这个基础上教学内容的组织安排将特别强调由学生主动参与来构建知识结构,变学生的“被动听讲”为“主动学习”,由“要我学”转变为“我要学”。在这种情况下,教材的意义也将由传统的“教材控制”转变为“学习者控制”,教学内容外在形式的生动化与内在结构的科学化将更紧密地结合起来,这种环境将极大地促进教学观念发生变化。
(二)促进教学内容的变化
教学内容是教学过程中传递的教学信息,是学生获取知识、掌握技术、发展能力的主要源泉。多媒体虚拟现实技术的引入使教学内容无论是外在形式还是内在结构都产生了很大的变化。
1.教学内容外在形式的变化
学生的技术水平和动手能力是在实验、实训中培养出来的,在传统的实践教学中,实验课内容主要是学科性的理论验证和学会使用设备、仪器,并从中归纳、总结出规律。这些年来,随着教育技术的发展,从原来只是用录音、录像来辅助文字教材进行教学的方式发展为使用具有人机交互的多媒体技术。多媒体的信息类型有静态的、运动的、超级链接的视觉和听觉信息,媒体信息形式通过计算机的集成处理,提供了超文本、图形、图像、图表、音频、视频和动画。多媒体信息表现形式多样,对于抽象的、概括的概念和原理,除了用文字和语音协同描述以外,还可以用三维实景虚拟现实过程,对于不可视的变化、无法触摸的物体或有危险的场所,甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件,也可以通过虚拟现实技术去展现。多媒体技术存贮信息量大,教学内容可以用最有效的方式来表现;而且,同一教学内容还可以用多种信息形式来表现,这就有利于克服单一媒体表现及难以协同表现的弊端。虚拟现实所提供的人机交互的特点尤其适用于个性化教育,因人施教、因材施教,培养高素质的综合型景观设计人才。
2.教学内容内在结构的变化
虚拟现实的应用将带来教学内容结构的变化。教学内容的内在结构就是学科知识结构设计,知识结构是学科知识间的逻辑关系,是学科内含智力因素的信息源。传统的教材及实验指导材料都是以线性结构来组织学科知识结构的,知识内容的结构及顺序都是以教为主,教学顺序性很强,学生只能在教师的讲授下获得正确的概念、原理及逻辑关系。这种形式的学习,学生对教师的依赖性很大,教材也只是一种教授材料,学生利用它学习的自由度不大,灵活性不强,难以促使学生从已建立的知识结构向新知识结构迁移。使用虚拟现实技术以后,多种媒体的信息通过网络化超链接,就可以接近人类认知特点的方式去组织和展示教学内容、构建知识结构,这种网状的信息组织方式是一种非线性结构,链是知识之间的层级逻辑关系。虚拟现实与普通多媒体是多媒体信息处理的高度集成,把信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性结合起来,为学生提供了一种动态、开放的结构化认知形式,它既包括了学科的基本内容,又包括了学科内容之间的逻辑关系,既注重知识的形成过程,又注重知识的结构,凭借视觉、听觉、触觉信息的协调作用使教学内容的统一与灵活性得到了完善的结合。虚拟现实的这种非线性结构有利于学生进行扩散思维,联想原有的知识,获得新知识。
(三)促进教学手段的变化
1.互动启发式教学
虚拟现实有助于启发式教学的开展,在演示教学内容方面能以一种直接的信息传递方式,通过亲临其境的、自主控制的人机交互,由视觉、听觉、触觉获取“外界”的反应,提供生动活泼的直观形象思维材料、展现学生不能直接观察到的事物等,形成知识点。学生则从思维、情感和行为3个方面参与教学活动。
2.发现式教学
发现式教学是以解决问题为中心的教学形式,虚拟现实在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境,有针对性地建构虚拟情景,引导学生进行探究。虚拟现实教学提供良好的人机交互,还允许学生出错时,自行了解错误的根由及后果,发现解决问题的方法。
3.协同工作式教学
虚拟现实教学不受空间位置和相互距离的限制,可让远距离的师生或位置分散的学生共处于一个虚拟空间中,通过共同参与,且必须具备协同操作能力才能完成某些项目的设计或训练。
4.情境式教学
虚拟现实技术具有动画虚拟现实的能力,能够把教学中的抽象概念原理、真实的实验过程等形象生动地表现出来,给学生创设真实的学习情境,帮助学生获得示范性的知识,把握概念原理的实质。
(四)实际使用
虚拟现实技术最大的优势在于场景的模拟与再现，一旦场景建成，不再受地理空间、时间的限制。可以随时随地调取已有场景信息。运用在景观教学上，主要可以用在:
一、 古建、古典园林教学板块(适用课程中西方古典园林史、西方现代景观的理论与实践)
实用意义
中国古典园林是中国传统园林的精髓，分布广泛，各有各自的特色。包括北方园林，南方园林、岭南园林、皇家园林、等众多形式。但是由于地域原因、实地考察学习是一件非常困难的任务。费时费力费钱，并不是所有人都有机会实地考察，也不是所有人一次考察就能体会到精髓。
软件功能构造
通过虚拟现实模拟可以
1) 模拟现场建筑、植物、四时、季相变化，现场实际模拟出全部景观。
2) 顶视图搭配结构分析、交通分析、功能分区、区域划分、建筑名称分布等。 3) 同时软件搭配讲解功能，讲解现场石材、建筑由来、古建结构、园林造景手法讲解(全面展示园林造景中的借景、透镜、框景、障景等)、现场全景图展示等。 4) 使用者可以通过各个角度，各个方向进行观赏。实际使用过程中所观赏不到的地方(比如鸟瞰、四时变化、)
优势分析
1) 可以经常性的游览园内场景，体会古典园林的造景手法(以往讲解仅仅局限于图片展示，我们可以模拟现场实际景观，感受体量关系)
2) 模拟现场的四季，实时变化。感受阴晴雨雪、感受植物生长对整个环境空间带来的改变。
3) 恢复已被破坏的景观，提高人们的参与性，提高可到达性。使人们不仅仅局限在人视点的观察。
4) 形象生动的讲述平时口述难以讲清的课程内容。如古建中的斗拱形式，就可以简单生动的展示给学生。
5) 提高学生的接受程度、提高课程兴趣、提高学生的参与度。
二、 景观案例学习
实用意义：
现代景观大师有相当一部分具有代表性的经典案例，而以往我们对这些案例的学习仅仅局限于平面图、CAD、以及部分的效果图。很难感受到实际的比例关系、尺度、景观效果。更感受不到一个方案从其设计构思、到场地周边环境分析、到基地分析、功能分区、再到方案形成的整个过程。 软件功能构造：
1) 将完整的方案信息进行展示，以二维或者三维的方式。介绍场地周围的大环境。同时可通过文字或者动画形式展示整个方案的历史环境，政治背景、以及其历史意义。 2) 将整个设计的骨架信息一层一层展现，包括道路、水体、节点、植物、功能分等。让学生更深入的了解。
3) 方案经典介绍。将方案的经典之处进行展示与介绍。同时进行季相、时间变化。 4) 让学生自行进行设计，之后与经典案例进行比较。 优势分析：
1) 将经典案例通过三维方式进行展示，直观形象。
2) 整合资料，将案例周边环境、历史环境进行详细叙述。 3) 深入的剖析方案的设计构思与形式。加深理解。
三、 植物认知
1) 通过动画形式对植物的基础知识进行介绍，包括树叶、树皮、树干形式名称介绍。 2) 建立植物库，模拟植物的的生长过程，対植物的科属，生长习性，搭配方式进行详细介绍。
3) 对不同科属的植物进行分类，以便植物认知。
4) 按照季相分类，常绿，落叶，观花、观果等进行详细分类。以便植物认识学习，同时便于设计中随时调取使用。
四、 通过增强现实技术辅助设计
1) 在设计领域，虚拟现实技术作为一种独特的技术手段，可以有效的解决抽象思维与其所产生的实体间的联系问题。设计师不仅能够充分发挥其艺术想象力，更能够在前期设计阶段就与实际相结合，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。虚拟现实技术可应用于建筑和艺术信息模型项目全生命周期的信息化管理。
2) 协助设计师科学准确分析设计信息可快速获取复杂建筑模型进行分析，为建筑师提供全局、客观的设计信息理解。
3) 辅助设计在设计过程中，会提出不同的设计方案，对未来的设计形象做多种设想，利用虚拟现实技术建立一个全面、直观、可交互、如实反映设计的三维虚拟模型，便于设计者更直观、全面了解设计，也方便设计师对某个设计细节作局部修改，并实时地与修改前的方案进行分析比较。
2.探索学习
是指通过虚拟现实技术对学生在学习过程中所提出的各种假设进行模拟,直接观察到这一假设所产生的结果或效果。这有利于激发学生的创造性思维,培养学生的创新能力。例如,利用虚拟技术,学生还可以进行温室效应的探索学习,从而分析城市建设对周边环境以及园林绿地和水体对城市小气候的相互影响,探索景观建筑设计新的研究方向。
3.实验实训
是指利用虚拟现实技术建立数字城市与风景园林技术平台,进而方便地创建如规划、建筑、照明、水景、工程机械等各种虚拟实验室,方便师生实验实训。
在虚拟景观建筑实验室里,学生可以对自己设计的景观建筑进行反复的修改和论证,并研究加入“时间因素”后的四维模拟,真实感受时间的艺术,也可以进行建筑环境的分析以及建筑物对周边环境影响的研究。在虚拟照明实验室里,学生可以研究不同电光源在不同配光方式和投光方法下的照明和景观效果,进行道路、广场、建筑、庭院、水景、树木、雕塑、溶洞等各种照明实验。在虚拟的水景工程实验室里,学生可以组装水循环系统,了解工艺流程,研究不同流量和扬程下各种喷头组合的水型效果以及配上灯光后的夜景效果。
虚拟现实的沉浸性和交互性,使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色,全身心地投入到学习环境中去,这非常有利于诸如园林工程机械操作、园林栽培和修剪等各种职业技能的训练。例如,在虚拟的园林起重机训练系统中,学员可以反复操作仿真控制设备,练习在各种用地环境下操作园林起重机的驾驶、起吊和准确落点等,达到熟练掌握相关技能的目的。而虚拟修剪系统也可以低成本地模拟修剪,掌握各类植物修剪的关键,并可直观地评价修剪后的效果。
虚拟现实技术在规划设计领域的运用已得到国内外学者的重视,在景观规划设计方面,国内研究主要集中在景观建模、可视化表达以及技术运用的介绍性研究成果。在历史文化景观再现研究中,景观所包含的历史和文化的内涵,最终都通过人们的感知而传递。作为一种利用人们的感知和构想,具有三维表现力并且富于交互性,从而可以很好地模拟现实的技术,虚拟现实技术在历史文化景观中的应用将会是激动人心的。
虚拟现实技术改变了人们只能从现实生活中获得感知的方式,通过计算机模拟人类的感知,从而制造一个虚拟世界。如果说虚拟现实技术拓展了人们的感知能力,这样一个虚拟世界则增加了人们的生存空间,改变了人们的生活方式。虚拟现实技术还提供了一种超越时间和空间约束,提供人们逼真体验的手段。从时间上说,虚拟现实技术不仅可以模拟现在存在的,再现以前有而现在不存在的,而且可以通过构想,模拟以后可能有的,甚至可以构造现实生活中不可能有的现象和体验。而从空间上来说,虚拟现实可以在甲地模拟乙地的风景,从而用户在甲地就可以体验到身处乙地的感受。这使得人们生活的空间扩大,可以得到的实践和体验增加,如果说人生的价值在于一种实践和体验,这无疑增加了人生所具有的价值。虚拟现实技术还提供了一种超越时空进行信息传递的方式,分布式虚拟现实中,人们可以与来自地球另外一端的用户相遇在一个虚拟世界中,看到彼此的表情和动作,相互进行语言沟通等。
一虚拟现实与虚拟世界 一个虚拟现实系统具有以下三个基本特征,通常称为虚拟现实的特征:(1)沉浸感(Immersion);(2)交互性(Interaction);(3)构想性(Imagination)。根据虚拟现实系统所倾向的特征的不同,虚拟现实系统一般分为四类:桌面虚拟现实系统,沉浸式虚拟现实系统,增强现实系统及分布式虚拟现实系统。虚拟现实技术主要提供给用户一个直观并具有很强交互性的与计算机系统交互的界面。所以其本质是一种人机界面技术,它使人们与计算机打交道的方式产生了革命性变化,使人们的生活方式随之发生变革,它同时是一种影响了或即将影响普通用户生活的特殊文化现象。
也就是说，在系统中，人们的目的是使计算机及其他传感器组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不很亲切的计算机系统。
虚拟现实技术在安全工程中应用的领域
综合虚拟现实技术的特点，笔者认为安全工程在以下方面可充分应用虚拟现实技术：
科学
研究、实验及计算机模拟结果的真实化再现
安全科学的研究成果需要用直观的形式表示出来，使用技术与多媒体及可视化技术相结合，可以创造一种虚拟的真实环境，可以将孤单的研究公式、计算数值用完全真实的立体效果表示出来，并且好范文版权所有人们可以交互式地控制这种表示结果，可以通过动态改变参数(这种改变不一定要由人输入数据，而可以由人操纵某种设备，如数据手套等进行近乎自然的交互方式)来观察计算结果。
安全性能设计
任何社会产品(也包括安全产品)都应该有其自身的安全性。而人们在产品未生产出前，是无法真实感受其安全性的，而技术可以预先为其提供一种虚拟的真实产品模型，让设计者和使用者在产品付诸生产之前就能亲身感受到该产品的安全性能，从而为设计者提供改进的依据。
救灾指挥决策
发生事故时，救灾指挥者一方面需要准确掌握事故现场的情况，另一方面要了解事故可能的发展趋势，甚至有时需要进行远程指挥(如主要事故处理专家一时无法到达事故现场)，这时可以应用技术与其它模拟技术相结合的方式来完成。此外，还可以利用技术来模拟未发生的事故，进行对人员的训练工作。
)日常安全教育与避灾训练
可以针对某些事故及一定区域建造事故模拟和训练的系统，让人们在真实的环境中接受事故预防的教育及事故抢险人员的操作训练，从而提高人们对事故的感知度及抢险人员的技术操作水平和战斗力。
安全工程虚拟现实系统结构
由于安全工程涉及范围广泛，所以对不同领域的安全工程系统的侧重面就可能有所不同。本文以大空间建筑火灾系统为例进行介绍。
中国科学技术大学和中国矿业大学合作，针对大空间建筑火灾的特点，建立了大空间建筑火灾系统。这是国内目前安全领域所建立的唯一系统。建筑火灾的系统主要有两个方面，一是要考虑建筑物本身的结构模型的真实性;二是火灾模拟的真实性。本文论述的大空间建筑火灾系统结构主要包括两个模型、两个接口及一套外围设备，即：
建筑物真实感三维立体模型系统;
火灾烟气及火焰模型系统;
三维模型运动及控制接口;
外围设备与两个模型的接口;
虚拟现实外围设备系统;
各部分关系，如图所示：
图大空间公用建筑火灾虚拟现实系统结构
使用者通过外围设备系统经由主计算机系统使用外围设备，例如：计算机鼠标、数据手套等操作设备，通过三维模型运动控制接口程序控制建筑物及火灾的运动。建筑物模型及火灾模型本身由专用三维处理程序建立，具有真实三维立体感。经过控制运动的两个模型，通过外围设备与模型接口程序，将结果显示输出到外围设备，例如：计算机显示器、立体眼睛等。操作者可以根据这一循环的结果，决定下一个循环的操作过程。从而经过不停地循环，达到真实模拟和实时控制的操作环境。
用户可以使用鼠标，控制人员在建筑物中漫游，例如：按动鼠标左键，然后移动鼠标可以沿各个方向运动;按动鼠标右键，左右移动鼠标，可以实现建筑物的左右旋转用上下光标键，可以上下移动建筑物。用户也可以使用数据手套拾取灭火器并对其进行开启操作，以实现灭火的操作;可以用大拇指按动模拟人对灭火器开关的操作，从而使人感觉到似乎是在真实地操作灭火器。而用户若通过立体眼睛观察时所得到的三维模型为具有极强的深度感的三维物体，即两个有前后距离的物体，看起来其间有一段真实的距离前边的物体似乎是在计算机屏幕外边。
系统软件支撑环境和硬件设备的选择
系统软件支撑环境选择是建立真实感模型及控制的关键。选择时，要考虑程序的使用范围。硬件设备的选择应根据经济条件来决定。
模型的建立，可采用专用的软件系统，例如：×、等，然后再使用专用的转换软件转换到所使用的三维开发环境中;还可以直接用三维开发环境进行开发，例如：、×及虚拟现实专用软件开发系统等。本系统采用开发语言，调用三维立体图形接口建立模型。是公司开发的三维图形绘制接口，它可以运行在多种系统中，因而具有应用范围广泛的特点。
选择计算机主系统时，应考虑系统的运行速度、显示卡的性能等指标。专业的系统可以采用专用的工作站。本系统采用机系统，系统为Ⅱ，内存为，显示卡采用，显示内存为。所采用的输入设备应考虑人员操作的方便及功能的多样性。如果只要完成基本的漫游功能，则
【摘要】虚拟现实技术所具有的沉浸性、交互性、构想性和全息性，使它在实验教学领域显示出独特的优势。将虚拟现实技术应用在会展实验教学中，改变了传统会展实验教学的模式，给教学过程带来划时代的变革，这为培养专业的会展应用型人才起到了重要的促进作用。
【关键词】虚拟现实会展实验教学
【基金项目】广西高等教育教学改革工程项目(项目编号:2013JGA292);桂林旅游高等专科学校重点项目(项目编号:2013JGA292)。
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2014)05-0225-02
一、引言
会展专业是一门实践性和应用性较强的专业，会展实验教学是会展专业教学的重要组成部分。目前，除一些教学条件较好的高校拥有自己的会展实训室外，很多高校的会展实验教学还只是局限于教师讲解、幻灯片演示、视频播放和实地参观的教学模式，很难发挥学生的主观能动性。当前我国会展业发展迅速，对会展专业人才需求迫切，而会展业的竞争对会展从业人员的质量会提出更高的要求，现阶段高校中的会展专业学生都偏重于书本知识，学生的实践能力相对欠缺。如何更大、更好地发挥会展实验教学的作用，提高学生的实践能力，使知识积累和实践能力相结合，培养出真正的会展专业应用型人才，满足会展业发展的需要，是今后会展实验教学的改革和发展方向。
随着信息技术的飞速发展，虚拟现实技术得到不断成熟和完善，这是一门利用计算机对真实世界进行仿真的一项技术，用户借助一些专业设备就可以利用虚拟现实系统融入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象。虚拟现实技术的出现改变了以往一些教学观念和教学方式，对现代教育产生了深远的影响。它打破了时间和空间的限制，使用学生处于一种虚拟的环境之中，使之成为课堂主角，发挥主观能动性，学生在虚拟的多信息的环境中主动探索，能够真正培养他们的实践能力[1]。
二、虚拟现实技术概念及特点
(一)概念
虚拟现实技术最早由美国学者J.anier提出，他将虚拟现实定义为：用计算机运算生成一个逼真的鼠标、键盘等设备“进入”虚拟世界，在“虚拟世界”中浏览和交互。虚拟现实技术是融合计算机图形学、智能接口技术、传感器技术、模式识别、多媒体技术和网络技术等综合性高新技术，虚拟现实系统应具备与用户交互、实时反映所交互的结果等功能[2]。虚拟现实技术是一项计算机图形技术、人机接口技术、传感技术、显示技术、心理学及人工智能等技术相结合的综合技术。
(二)虚拟现实技术的特点
1.沉浸性
沉浸性是虚拟现实技术的最主要特点，是指使用者利用交互设备能够沉浸到计算机所创造的虚拟环境中，所体验到的真实程度。在虚拟环境中用户不但能够听到和看到，还可以触到及嗅到这个虚拟环境中所发生的一切，如同真实的世界一样，这是虚拟现实的最主要特点。
2.交互性
交互性是指用户与计算机构建的虚拟场景进行交互，产生一种参与感。在虚拟世界中用户可以使用鼠标、键盘、立体显示头盔、数据手套、立体眼镜、嗅觉传感器等设备进行交互，依据用户的头、手、脚等身体的动作和语言的变化，虚拟现实系统能够给用户呈现出不同的声音与图像，同时用户通过调节自身动作和语言，就可以轻松实现对虚拟世界中各种物体的观察与操作。
3.构想性
构想性是指用户借助虚拟现实技术，能够在虚拟世界中感知使抽象概念具像化的程度。例如在要建造一座体育场馆或博物馆，那么首先在设计阶段要对外形和内部结构进行详细的构思，如果让一般的外行人来读懂复杂的设计图纸是非常困难的，借助虚拟现实技术人们可以直观的看到建筑的外形以及内部结构，这比看图纸更加形象和生动。
4.全息性
全息性是指虚拟现实系统能提供的感觉通道和获取信息的广度和深度。虚拟现实旨在提供多维感觉通道和类似现实的全面的信息，让参与者通过全息传感及反应装置，在虚拟环境中获得视觉、听觉、触觉及嗅觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。全息性是人们全身心沉浸到虚拟现实最基本的前提条件和技术基础[3]。
三、虚拟现实技术在会展实验中的应用形式
(一)构建了虚拟会展知识学习系统
虚拟会展知识学习系统是指在利用虚拟现实技术所构建虚拟环境中，学生进行会展相关知识学习的系统。该系统为学生提供了网上学习的服务技能，学生可在任何一台联网的计算机上进行课程学习，可帮助学生进行课前预习和课后的分析检验，课上实践不了的内容可在课下通过网络继续完成。
(二)构建了虚拟会展实验教学系统
虚拟现实技术构建了虚拟的实验场所，学生可以通过网络“走进”会展中心、会议中心和展览馆，使学生产生身临其境的效果;同时学生可以像在现实中一样，与虚拟世界中的各种对象进行交互;教师可以像在真实的场景里上课一样，进行课程的讲解和布置作业。不受空间和时间的限制，而更好地完成实验教学。
四、虚拟现实技术在会展实验教学中的应用优势
(一)节省教学成本
实验教学最重要的目的是让学生能够亲自实践，这样才能对理论知识有深刻体会，达到理论与实践相结合，从而为学生在今后的工作中能够快速进入角色，尽快适应工作岗位打下基础。在以往的会展实验教学中，教师必须要带领学生到会展中心、会议中心和展览馆等去实地上课，但受到教学经费，以及各种天气、安全等条件的限制，不可能多次上这样的实验课，特别是外地以及外国的会展中心等场所那更加是不能去的，这严重制约了会展实验课的教学效果。而虚拟现实技术构建的虚拟教学环境，可以突破时间和空间的限制，让教师和学生足不出户，随时随地通过网络走便可以“走进”会展中心、会议中心和展览馆，在虚拟的教学环境中，虚拟的场地和虚拟的设备可以重复使用，而不会产生损耗，虚拟的实验地点可以随意前往，这最大程度上节省了教学成本。
(二)实现体验式教学
目前国内高校会展专业实验教学中，大多还是采用单一的图像、视频展示和走访参观的教学手段，而虚拟现实技术的应用，使教学手段向互动启发式教学、发现式教学和协同工作式教学发展，从而推动了教学手段的科学化和智能化。采用虚拟现实技术可以使学生完全沉浸到教学所需要的会展场馆和会议室中去，实现“体验式”学习，身临其境地熟悉整个会展场馆和会议室其周围环境，从而可以针对具体的内容进行体验学习。虚拟现实技术通过逼真的声音、图像构建真实的学习场景，从而帮助学生获得示范性知识、把握概念原理的实质，展现了学生不能直接观察到的事物[4]。
如图1所示，在模拟回旋式会议室与课桌式会议室布置中，学生可以全角度、全方位地了解两种会议室的区别，不仅能在学生头脑中建立这两种会议室的构成，而且可以让学生看得见、听得见，从而全方位地了解两种会议室中桌子和椅子摆设的位置等。这种类似于游戏式的沉浸感会使学生对相关知识点记忆深刻。体验式的教学方式完全区别于传统的授课方式，是一种教学方式的革新，适合其他学科领域推广。
(三)实现互动式教学
虚拟现实技术的沉浸性、交互性、构想性和全息性等特征，可以使学生融入到虚拟的世界中，实现教师、学生与计算机的互动、教师和学生的互动以及学生与学生之间的互动。
图2特装展台
在如图2中所示的特装展台布置课中，通常情况下，老师只能告诉学生如何布置展台，但在虚拟现实中，学生可以根据身临其境的体验，自行设计布置展台，然后在计算机上共享，教师和同学之间还可以就此方案进行讨论。在这样实验教学环境中，从而充分激发与调动每一位学生学习的热情和主动性。
五、结束语
虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，将虚拟现实技术应用于会展实验教学，是对传统教学的有力补充，虚拟现实技术将展览馆、会议室等“搬进”了教室，实现学生足不出户就能体验实景的效果，大大提高了学生的实践能力，节省了教学成本。目前已有一些院校将虚拟现实技术应用于会展实验教学，并取得了不错的效果，这为培养专业的会展应用型人才起到了重要的促进作用。
参考文献：
[1]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京:科学出版社,2007.
[2]高瞩;吉晓民.基于虚拟现实技术的工业设计方法论的探寻[J].机电产品开发与创新,2009(1).
[3]丛海勃.浅析虚拟现实技术在旅游实验教学中的应用[J].辽宁教育行政学院学报,2013(1).
[4]张玉茹,杨镜.虚拟现实技术在实验教学中的应用[J].软件导刊,2013(2).
作者简介：
董彦佼(1980-)，男，广西桂林人，硕士研究生，讲师，研究方向：会展信息化。
班级：化学1001班 姓名：代有来
学号：2010254030107虚拟现实技术在中学化学实验教学中的应用
摘要：化学式自然科学的重要组成部分，着重研究物质的组成、结构和性质的关系，以及物质转化的规律和调控手段。化学课程可以帮助学生从化学的视角去认识科学技术和社会生活方面的问题，在基础教育阶段，化学课程的教学呈现出“通过实验学化学”的发展趋势，将实验贯穿整个化学课程实施。目前，中学化学课程中探究性试验占有重要地位，是学生积极主动的获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动，也是构建化学基础知识和提高学生素质的需要。随着信息技术的发展和课程整合成果的不断涌现，将虚拟实验系统引入中学课程教学，成为教育工作者关注的热点。在化学学科教学过程中合理运用虚拟现实技术，将虚拟实验室与化学学科实验课程有机整合，根据虚拟实验室特有的优势，应用虚拟实验室进行探究性试验教学。
关键词：虚拟现实;实验教学;探究实验 正文：
一、中学化学实验的分类
化学是一门比较成熟的基础自然科学，实验是化学事实的重要组成部分，也是化学 基本理论和观点的重要支撑点，化学科学领域的任何一项重大突破，无一例外地都要经 过化学实验这一环节，化学实验是化学科学赖以形成和发展的基础，因此，化学实验也 是化学教学的重要内容。
中学化学实验是根据培养目标和教学任务，遵循学生认知规律，体现化学学科发展
特点而精选的基础实验，其内容丰富，形式多样。为了研究方便，按照不同的分类维度， 对中学化学实验有不同的分类方法。
按照实验的主体不同，可将实验划分为：演示实验、学生实验、实验习题、家庭小 实验;按照实验内容分类，可分为：化学基本操作实验、元素化合物性质和制备实验、 阐明化学概念和基础理论的实验、化学反应应用于化工生产中的实验、解释日常现象或 解答化学问题的实验、趣味实验;按照实验中质与量的关系分类可分为定性实验和定量 实验。
以上分类标准是按照不同的研究目的、不同的研究方法等对化学实验进行的不同维 度分类，在这里我们按照建构主义思想，从学生的认识出发，按照实验在认识过程中的 作用分类，将中学化学实验分为：验证型实验、探究型实验、模拟型实验和对照型实验。 验证型实验：验证型实验是为检验化学理论、验证化学假设、提供实验事实而进行 的一种实验。验证实验是科学的研究方法和科学的研究态度的重要组成部分，在化学研 究中没有被验证的理论、假说或者事实都被认为是不确定的。在化学课程的教学过程中， 验证型实验通常用来验证或证实所学的化学知识。这种类型的实验在中学化学中如：碘 升华实验、完全燃烧和不完全燃烧等。
探究型实验：探究，是指围绕问题展开的活动，是逐步分析和解决问题的过程。探 究学习是指运用探究的方式进行的学习活动和过程，亦即学生在教师的指导下，主动发 现问题，以一种类似科学研究的方法对问题进行分析和研究，从而达到问题解决和知识 获得的过程与活动¨。通过以上对于探究学习的研究可知，探究型实验是指围绕某一化 学研究对象，在观察和总结研究实验现象和实验数据的基础上，归纳总结出结论的一种 学习模式。探究型实验以实验作为基础，启发引导学生独立的探索知识，是学生了解知 识的产生和发现过程，让学生通过自身的努力，通过积极的思维活动，概括得出有关的 结论，并进行科学探究过程和探究方法的系统训练。新的化学课程标准中指出“化学实 验是进行科学探究的主要方式，教师应改变传统的实验教学，精心设计各种探究型实验， 促使学生主动的学习，逐步学会探究”通过这种教学方式，既激发学生学习兴趣，使学 生掌握实验技能，又能够改变学生传统的学习方式，是学生主动学习、自主探究，逐步 形成科学探究的能力。我们这里将详细探讨探究型实验在中学化学实验中的应用。 模拟型实验：由于受到实验条件限制、安全性制约、常规环境下反应现象不明显等 因素的约束，通常教师借助模拟的方法，选定替代物对实验进行模拟。这种实验在中学 化学实验中如实验室里用模拟接触法制硫酸等。
对照型实验：这种实验通过对比或对照来研究物质的某种属性的一种实验。这种实 验要设计两个或两个以上的对比组实验，一个作为标准组;另一个为实验组，通过对比 实验对比、对照判定实验组是否有相同或类似的性质。
二、虚拟环境下的教学模式选择
教学模式这一概念最早是由美国学提出，它是指在一定的教育思想、教育理念指导 下，结合大量的教学经验，将教学四要素有机的组织起来，形成相对稳定的教学活动框 架。也就是在相应的教育思想、教育理论、学习理论的指导下，结合一线教师的实践经 验，将教师、学生、教学媒体、教学内容有效组织起来。教学设计的过程模式可以作为 学校和委托教学培训机构的沟通手段，还可以作为管理教学系统设计活动的指南，以及 作为整个教学设计过程的依据。
为了更好的分析中学化学的教学情况，从而总结归纳出实践性好并且符合学生认知 规律的中学化学实验课程的教学模式及教学设计过程，我观察并分析了2007年、2008 年和2009年全国中学信息技术与课程整合优质课大赛(化学部分)的视频、音频、幻 灯片及说课稿等资源，其中涉及来自全国12个省市的45名中学教师，从中总结出信息 技术支持下探究型教学模式的教学设计过程和学生探究学习流程。首先对教师教学模式 的选择和教学的支撑环境情况进行分析
多数教师在教学过程中采用探究型的教学，其中在分析
的45节获奖课程中，有27节应用的探究型教学模式。义务教育阶段，化学课程中的探 究型实验教学，是一种重要的学习方式，也是义务教育阶段化学课程的重要内容，对发 展学生的科学素养、化学基础知识和技能的培养具有不可替代的作用。多数一线教师已 经意识到信息技术在教学过程中的重要作用，大多采用多媒体环境下的教学，少数教师 结合网络平台开展探究教学活动。
与探究活动的一般过程相同，中学化学的探究型教学过程仍然在教师和学生两个方 面研究教学过程。所不同的是，中学化学的探究过程首先是教师的教学准备阶段，这一 阶段无学生参与，教学准备阶段由教学分析阶段、探究准备阶段和设置并说明问题阶段 组成。教学分析阶段又包括学习者特征分析、学习任务分析、解决问题可行性分析、三 维教学目标分析阶段等;探究准备阶段是教师为学生的学习过程提供必要的前提，包括 先行组织者的准备、探究平台准备、探究工具准备等;学生的探究学习是在教师预先设 定的范围内开展探究活动，在学生探究活动开始前，教师要设置探究问题，并对探究主 题作简要说明。
进入教学过程阶段，这一阶段分为教师活动和学生活动两个方面进行，这两个方面 是同一教学过程下的两个方面，而不是分开的教学过程。教学过程方面，教师在探究活 动开始前对学生学习进行启发、引导。教师在整个教学过程中引导、监控整个学习过程， 并适时的组织讨论，并对实验现象作出解释，最后教师对整个虚拟探究过程进行总结， 对探究活动进行总体说明，讲虚拟实验回归真实实验，促进学生知识的拓展和迁移，促 使学生能力的提高。
学生方面，由于是在虚拟环境下开展的学习活动，首先进行虚拟仪器的使用练习和 对于先行组织者的学习，然后是整个探究学习过程，在学习过程结束后与同伴交流，并 反思探究过程，最后进行自我评价和教师评价，对学习结果升华。
我们将在此教学模式的指导下，运用相关教学设计思想，从教师和学生两个方面设 计探究过程：
三、虚拟环境下学与教的教学系统化设计过程
在这种教学模式下，对于教学过程的系统化设计也与传统的教学设计流程有较大的 差异。在建构主义思想和新课程理念及素质教育思想的指导下，我们根据我国一线教师 的教学经验，并结合“主导一主体”的教学设计思想，以“学教并重’’理念为指导设 计出适合虚拟环境下中学化学探究型实验教学的教学系统化设计流程。
对教学过程进行分析可以反映出中学化学实验课程教学的基本情况，最终目的是要 得出出在初中化学教学中教学设计过程和学生自主探究流程。由此我们选择了观察法、 数据统计法、内容分析等方法对优质课大赛资源进行分析。根据教学过程中探究活动的 开展情况，再结合科学的教学理论和新课程及素质教育理念，归纳出适合于探究型实验 教学的教学模式和教学设计流程。我们分别在教学分析阶段、教学目标分析、教学准备、 教学指导、平台利用、评价反思等几个方面进行了分析。
对于信息技术与课程整合大赛中的资源进行分析，我们得出，在教师方面探究过程 基本包含以下基本环节：学习者分析、教学内容分析、学习目标分析、学习指导、教学 媒体设计、数字化学习资源的利用、教学评价和教学反思等。对以上问题的对研究虚拟 环境下中学化学课程探究实验的过程和步骤提供了良好的依据。
通过教师教学过程表的分析，可以看出一线教师在教学过程中，着重对学习者分析、 教学内容分析、学习目标分析、学习指导、教学媒体设计、和教学反思等;多数教师在 教学过程中涉及数字化学习资源的利用、教学评价;较少教师在教学过程中使用先行组 织者策略;几乎没有教师对解决问题的可行性分析进行分析。然而在实际的教学中先行 组织者策略和解决问题的可行性分析是教学过程中的重要内容，尤其是在虚拟环境下的 探究实验中，这两方面显得格外重要。
其中，先行组织者策略是能促进有意义学习的发生和保持的最有效策略，是利用适 当的引导性材料传递当前所学的新内容加以定向与引导。这些引导性材料通常和新知识 间存在着包容性、概括性、和抽象性上的联系，便于新旧知识间建立联系，从而促进新 知识的学习。这种策略尤其适合探究型学习，在学生进行探究学习前，将先行组织者呈 现给学生，便于学生探究学习的进行。
解决问题的可行性分析，在处理教学中遇到的问题时，分析造成这种问题的原因是 什么，这种问题是什么性质的，运用虚拟环境下的探究实验以及教学系统化设计是否能 解决这一问题，这一步骤在教学过程中是极为重要的一步。然而，通过分析我们得知， 在实际的教学中，教师很少考虑这一问题，造成了人力及资源的浪费。
对于虚拟环境下的探究型教学实验，与以往的教学方式有很大差异，教师在整个实 验过程中起到引导和辅助学生学习的作用，由此，教学设计环节也较传统的教学设计有 很大差异，下面我们从教师角度探讨一下虚拟环境下中学化学实验课程的教学设计流 程：
整个教学设计环节分为三个阶段进行，其中包括教学分析阶段、教学目标确定阶段、 准备阶段、指导阶段和探究型实验的总结性评价阶段。
教学分析阶段包括学习者分析、学习任务分析和解决问题的可行性分析。
学习者分析：教学的最终目的是为了有效促进学生的学习，学生的原有认知结构和 认知风格对学习的结果起到至关重要的作用，对教学设计起到重要作用的心理因素进行 分析，为后续的教学系统设计步骤提供依据。
学习任务分析：探究型教学是以学习任务为基础的，教师在探究活动开始前对学习 任务进行分析，找出其中的重难点及学生难以解决的问题，在探究活动开始前向学生说 明。 探究问题的可行性分析：了解并掌握学生已有的知识同本次探究活动的相关性以及 学生对以往知识的掌握情况，判断学生探究活动的可行性。
教学目标分析阶段，新课程标准下，将学习过程的目标分为三个维度：知识与技能、 过程与方法、情感态度与价值观目标。教学无论是探究型的实验教学还是其他形式的教 学，其目标都是促使学习者朝着目标所规定的方向发生变化，在教学的系统化设计中， 教学目标是否明确、规范、具体，直接影响到学习活动能否沿着正确的方向进行，它是 纵贯整个学习、探究活动的整个过程的一种指导思想，是对教学活动的一种原则性规定。 准备阶段：是教师对于学生探究活动的准备，其中包括准备并提供给学生探究新知 识的先行组织者、实验平台的提供、探究工具的提供。尽管这一过程是在虚拟环境下完 成，但这些步骤仍必不可少，尤其是虚拟环境下探究平台的准备和探究工具的提供，是 学生在虚拟环境中进行探究的必要前提。
提供先行组织者：先行组织者是利用适当的引导性材料对当前所学的新内容加以引 导，这类引导性材料与当前所学新内容之间存在包容性、概括性和抽象性符合同化理论 的要求。
探究平台的准备：在虚拟实验室中完成探究实验，实验平台是完成探究过程的必要 前提。虚拟实验同实物的操作实验相同，需要教师做大量的准备工作，包括实验虚拟实 验平台的使用和调试等。
探究工具的准备：探究工具包括相关资料的搜索工具，实验记录工具、数据处理工 具以及实验过程的协作交流工具等。这些工具在虚拟环境的探究实验中显得尤为重要， 也是探究过程必不可少的条件之一。
指导阶段：这一阶段是学生实施探究活动的过程，也就是课堂教学过程。在这一阶 段教师的教学功能已经转变为指导、辅助功能，教师在这个过程中回答学生的疑问，对 所有同学都遇到的共性问题做及时的纠正。真正做到“以学生为中心"的教学，所有虚 拟资源和非虚拟资源都是为了支持学生的“学”，而非教师的“教”，教学的中心已经从 教师向学生转变。逐渐形成以教师为“主导”，学生为“主体”的新型教学结构，以适 应新型教学环境，实现信息技术与学科教学的深层次整合，实验教育改革的跨越式发展， 最终实现培养创新型人才的目标。
探究的成果评价：对于探究学习过程的评价要基于三维教学目标，从多个角度出发， 尤其是实验课程的探究过程，涉及到各种实验过程、步骤的规范性、探究过程的态度、 协作交流情况等涉及到所有探究过程的环节。对于课堂教学的评价通常是总结性评价， 总结学生探究过程的不足。将学生学习过程中的表现即时的反馈给学生，供学生修正自 己的探究模式，便于学生更好地进行以后的学习。
教师是整个探究活动的指导者和促进者，涉及到给学习者指定方向，通过各种手段 提升学习者的兴趣;为学生解释任务和对实验资源的基本操作做出解释;对整个探究过 程作基本的描述，使学生不至于漫无边际的探究，为学生提供完成探究所需的所有策略、 步骤等;最终在同学问完成评价后，教师对整个探究过程做最后的总结性评价。 学生是整个探究式学习活动的主体，一切问题的出发点和归宿都是促进学生学习， 学生的探究学习过程可参照科学探究的一般过程：发现或提出问题、提出猜想和假设、 制定研究计划与设计实验、进行实验搜索证据和分析数据得出结论。与一般的探究活动 所不同的是，学生的所有探究活动都是在教师的指导和监控下进行的;学生的探究活动 不同于科学探究，其目的在于通过探究活动获取知识，学习过程要在教师设定的总体目 标下进行，进行探究活动前，学生要仔细阅读教师对探究活动的总体要求;鉴于学生探 究活动的学习目的，在完成探究活动后要进行小组或组间的交流协作，教师对整个探究 活动给予评价反馈，最终实现学生学习目标的实现。 总体说明：学生在教师的指导下进行探究活动，根据三维教学目标，并且结合多数 学生的认知特点和思维习惯，分析学习任务，给学生探究实验指定方向，通过各种手段 提升学习者的兴趣。并向学生提供先行组织者，使学生掌握与新的知识相关或相近的知 识;对实验的目标作概括性的描述，必要时要向学生说明该实验的注意事项，把实验的 难度控制在合理的范围内，既激发了学生探究知识的兴趣，又不至于是学生由于无法完 成实验而产生挫折感。
猜想与假设：学生根据已掌握的知识和技能，对新问题提出假设。这一过程中可以 和同伴或教师交流，以优化自己的假设，为自己下一步设计实验奠定基础。
设计实验：根据上一步自己的假设，设计自己实验步骤和过程，其中包括仪器的连 接、药品的选取等。
实验过程：这一步是进行实验的过程，学生独立或者小组跟组设计的实验步骤实施 实验方案。在虚拟环境下的实验，可以充分满足学生的探索欲望，适当扩大学生药品的 使用范围和仪器数量，在实验过程中学生要认知观察实验现象。
收集数据：实验过程中不断的对实验现象和实验数据进行记录，这一过程培养学生 对待科学的态度，绝不错过任何一个实验现象，也绝不漏掉任何一个实验数据，为之后 的实验分析打下良好的基础，进一步培养自己科学探究的能力。
验证假设并解释结论：通过对收集到的数据和实验现象的认真分析，得出自己的结 论，并回头验证自己的假设。这是一个反复的过程，学生可以根据得到的数据修正自己 的实验过程重新设计自己的实验。同时，这一阶段完成后可以和同伴交流，并且形成最 终的汇报，将最终的结果反馈给教师，作为教师评定探究过程的一项依据。
反思与评价：整个实验过程结束，学生对自己的实验过程反思，总结自己在探究过 程中的得失同时进行自身评价、小组间的评价和教师的总结性评价。
表达与交流;这一环节是总结与提高的过程，同学间通过不同的假设与步骤，通过 不同的途径，探究完成了实验任务。通过表达与交流可以取长补短，为以后的实验学习 和科学研究奠定良好的基础。
形成性评价：这一过程由教师完成，教师在观察分析整个实验组的探究过程后，对 实验进行相对性评价，总结学生探究过程的不足。将学生学习过程中的表现即时的反馈 给学生，供学生修证自己的探究模式。
在实际的探究学习过程中，并不是所有的探究虚席活动都完全遵照以上探究过程， 进行探究实验的目的主要是使学生模仿科学家在进行科学探究过程中的过程，完成教学 目标，学习科学探究的各种技能，提高学生的科学探索素养。在整个探究过程中，学生 的探究活动表现为：学生是整个探究活动的主体;利用虚拟环境为学生提供尽可能多的 探究条件和实践探究思想的机会;充分发挥学生探究活动的主观能动性。
虚拟现实技术在竞技体育仿真中的具体应用范围如下:运动训练的科学监控;体育训练信息采集、分析系统;先进训练技术综合应用示范;训练比赛及其器材、设备研制;各种体操动作的编排。这些研究成果将广泛应用于蹦床、跳水、体操等竞技体育运动训练中,因而基于VR的竞技体育仿真有很广阔的开发前景。
基于真实场景的大规模虚拟人群的快速生成方法
利用Poser的三维人体建模功能和3DS MAX强大的修改功能,结合MAXScript脚本语言,实现了对三维人体模型骨架的自动生成、匹配和蒙皮。通过对人物动作的建立与分解,实现了连续多个人体三维模型的生成与导出,并由此建立了一个包含不同人体及动作姿态的角色库。通过调用库中的角色,并将由图像信息获得的人群分布参数赋予这些虚拟个体人,实现了基于真实场景的虚拟人群快速生成。
为了更真实地表现虚拟现实中人的心理和生理的感觉，日本于2004 年开发出一种嗅觉模拟器，2009 年 3 月英国的工程和物理科学研究会上展示了能提供味觉、嗅觉和皮肤温度感受的原型虚拟茧(virtualcocoon)
VR 技术的发展是与 VR 软件相辅相成的。OpenGL是通用共享的开放式三维图形标准;WorldToolKit(WTK)是提供完整的三维虚拟环境开发平台;Vega 主要应用于实时视觉模拟;OpenInventor 是面向对象和交互式的专业3D 图形开发工具包;OpenGVS 用于场景图形的实时开发;EON 是实时视觉效果与物理机制以及真实的人体动作有机结合体;VRML 和X3D 常用于基于Internet的网络虚拟现实;AVS/Express 涉及工程分析、航空航天、遥感和国防等领域;STK 用于航天和卫星的虚拟仿真;STAGEScenario 是作战指挥等高度灵活开放的开发平台;CG2VTree是基于便携平台的图象开发包;VRAX和NavMode 的沉浸感做得比较好VirSSPA 通常用于虚拟医学手术流程VEStudio 主要应用在三维地理信息、展示和古迹复原等。
荷兰 Eindoven 大学Calibre 研究院的产品、美国洛杉矶和费城的虚拟建筑三维模拟系统被认为是全球最成功的虚拟建筑模拟系统之一。
在灾难模拟与重现方面，虚拟现实技术正发挥着惊人的作用，如矿山事故模拟与分析、火灾重现、飞机遇难模拟、交通事故再现和犯罪现场重现等。这些VR技术产生的“重现”与分析，对减少和避免灾难的发生意义重大。
国内虚拟现实研究蓬勃发展，研究机构包括北京航空航天大学、浙江大学、中科院计算所、清华大学、武汉大学和华南农业大学等。
虚拟现实技术的真实感主要体现在视觉和听觉上，“多感知交互”正在成为热点。对力反馈系统的进一步研究、嗅觉、味觉和体表感受都是未来虚拟现实的内容。基于互联网的虚拟现实伴随互联网的发展而成为热点。
国内的食品安全问题严峻，利用虚拟现实技术重现农作物生产过程中的病虫害和治理过程，并计算污染程度等，在源头杜绝污染是食品安全监测的有效手段之一。
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