虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望

虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望（共6篇）

虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望 篇1

虚拟和增强现实（VRAR）技术在教学中的应用与前景展望

摘要 2016 年被称为“虚拟现实元年”，虚拟现实作为近年来极为火热的科技话题，给人们带来焕然一新的感官享受，激发了许多关于“虚拟现实 ”行业的发展想象与前景构想。同时，增强现实的出现，也让人们获得了极佳的体验感。本研究梳理了虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域，分析了虚拟现实和增强现实技术在教育中的应用、优势和存在的问题，阐述了虚拟现实和增强现实技术在创客教育和STEAM 教育中的作用，并对未来的发展前景进行了展望。关键词：虚拟现实；增强现实；VR；AR；创客教育；STEAM 教育；人工智能；大数据

一、虚拟现实和增强现实技术的起源、概念和应用领域

（一）虚拟现实和增强现实技术的起源

2016 年被业界称为“虚拟现实元年”，可能有人会误认为这项技术是近年来才发展起来的新技术。其实不然，虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术最早起源于美国，1965 年虚拟现实之父伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）在国际信息处理联合会（IFIP）会议上发表的一篇名为《终极的显示》的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，描述的就是我们现在熟悉的“虚拟现实”，早在虚拟现实技术研究的初期，苏泽兰就在其“达摩克利斯之剑”系统中实现了三维立体显示。增强现实（Augmented Reality，简称AR）是指在真实环境之上提供信息性和娱乐性的覆盖，它是苏泽兰在进行有关头戴式显示器的研究中引入的[1]。1966 年美国麻省理工学院（MIT）的林肯实验室正式开始了头戴式显示器（HMD）的研制工作。在这第一个头戴式显示器的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970 年，出现了第一个功能较齐全的头戴式显示器系统。1989 年，VPL 公司的Jaron Lanier 提出用“Virtual Reality” 来表示虚拟现实一词，并且把虚拟现实技术开发为商品，推动了虚拟现实技术的发展和应用[2]。虚拟现实技术兴起于20 世纪90 年代。2000 年以后，虚拟现实技术在整合发展中引入了XML、JAVA 等先进技术，应用强大的3D计算能力和交互式技术，提高渲染质量和传输速度，进入了崭新的发展时代。虚拟现实技术是经济和社会生产力发展的产物，有着广阔的应用前景。2008 年2 月，美国国家工程院(NAE)公布了一份题为“21 世纪工程学面临的14 项重大挑战”的报告。虚拟现实技术是其中之一，与新能源、洁净水、新药物等技术相并列。为了获得虚拟现实技术优势，美、英、日等国政府及大公司不惜巨资在该领域进行研发。

我国虚拟现实技术的研究起步于20 世纪90 年代初。随着计算机图形学、计算机系统工程等的高速发展，虚拟现实技术得到相当的重视。2016 年3 月17 日全国两会授权发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中指出：“大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。”[3] “虚拟现实”位列其中，同时，投身于虚拟现实的创业团队呈爆发式增长。有人在展望2020 年重要新兴核心科技的发展时也把虚拟现实和增强现实技术列入当前重要的八项新兴核心科技（八项新兴核心科技如图1 所示）。国家广告研究院等多家机构联合发布的《2016 上半年中国VR 用户行为研究报告》显示，2016 年上半年国内虚拟现实潜在用户达4.5 亿，浅度用户约为2700 万，重度用户约237 万，预计国内虚拟现实市场将迎来爆发式增长。虚拟现实用户群体以80 后、90 后为主，集中在26 ～ 30 岁之间的85 后，占比达到28.4%，这与年青一族乐于接触新鲜事物的特点有关。另外，用户群体有从北上广等经济发达城市逐渐向全国扩散的趋势[4]。

（二）虚拟现实和增强现实的概念、特征和应用领域 1.虚拟现实技术

虚拟现实，是一种基于多媒体计算机技术、传感技术、仿真技术的沉浸式交互环境。具体地说，就是采用计算机技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验[5]。

虚拟现实具有3I 特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)、构想性(Imagination)，是一个学科高度综合交叉的科学技术领域。虚拟现实与人工智能(AI)技术及其他相关领域技术结合，将会使其还具有智能(Intelligent)和自我演进演化(Evolution)特征[6]。头戴式虚拟现实设备如图2 所示，用手机扫描图3 二维码即可观看虚拟现实视频介绍。虚拟现实涉及门类众多的学科，整合了很多相关技术。虚拟现实是未来科技发展的方向之一，它可以从人的感觉系统上改变现有的空间感。虚拟现实现有的产业链大致可分为硬件设计开发、软件设计开发、资源设计开发和资源运营平台等几种类别。通过虚拟现实关键技术的突破以及“虚拟现实 ”的带动，会产生大量行业和领域的虚拟现实应用系统，为网络与移动终端应用带来全新发展，将会推动许多行业实现升级换代式的发展。虚拟现实可以应用于国防军事、航空航天、智慧城市、装备制造、教育培训、医疗健康、商务消费、文化娱乐、公共安全、社交生活、休闲旅游、电视直播等领域中。如2016 年10 月17 日中央电视台运用虚拟现实全息技术直播了“天宫二号”和“神舟十一号”交会对接及其共同建立组合体的过程，采用虚拟追踪技术，让“天宫二号”从大屏幕中“钻”了出来，通过机位的景别变换，观众可以直观地看到”“天宫二号”的数据和设计细节，使观众身临其境地全面了解“神舟十一号”“天宫二号”及其组合体内部构造和控制面板，同时主播文静还“走进”“天宫二号” 实验室内，逐一向观众介绍“天宫二号”的内部结构信息，与传统的新闻播报相比，电视直播应用虚拟现实技术显得更加生动活泼，视觉冲击力更强，观众感受更直观。2.增强现实技术

增强现实是在虚拟现实的基础上发展起来的一种新兴技术。增强现实技术基于计算机的显示与交互、网络的跟踪与定位等技术，将计算机形成的虚拟信息叠加到现实中的真实场景，以对现实世界进行补充，使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验[7]。

增强现实具有三大特点，即虚实结合、实时交互和三维配准[8]。

增强现实具有三种呈现显示方式，按距离眼睛由近到远划分分别为头戴式（head-attached）、手持式（hand-held）、空间展示（spatial）[9]。增强现实智能眼镜如图4 所示，扫描图5 二维码可以观看Magic Leap 增强现实演示视频。增强现实的应用领域非常广泛。如在教育领域增强现实可以为学生呈现全息图像、虚拟实验、虚拟环境等；在旅游业增强现实可以帮助游客自助游玩景区，以虚拟影像的形式为游客讲解景区概况、发展历史、人文景观等内容；在零售业中增强现实技术可以实现一键试穿，在网上销售中具有极大的应用空间。增强现实在工业、医疗、军事、市政、电视、游戏、展览等领域都表现出了良好的应用前景。3.混合现实技术

混合现实（Mixed Reality，简称MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。混合现实技术结合了虚拟现实技术与增强现实技术的优势，能够更好地将增强现实技术体现出来。根据史蒂夫·曼恩的理论，智能硬件最后都会从增强现实技术逐步向混合现实技术过渡。混合现实技术和增强现实技术的区别在于混合现实技术通过一个摄像头让你看到裸眼都看不到的现实，增强现实技术只管叠加虚拟环境而不管现实本身[10]。混合现实技术效果如图6 所示，扫描图7 二维码可观看混合现实演示动画和视频。4.扩展现实技术 扩展现实（Expander Reality, 简称ER）是人联网和物联网的整合，是虚拟现实发展的高级阶段，虚拟现实发展到扩展现实阶段，现实和虚拟的边界被抹去，人们很难分辨自己是生活在虚拟世界还是现实世界[11]。扩展现实场景如图8 所示。5.虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实的区别 虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实四者间的区别是：虚拟现实的主战场是“虚拟世界”，人们使用虚拟现实设备探索人为因素所建立的虚拟世界，追求沉浸感，虚拟现实是纯虚拟数字画面；增强现实的主战场是“现实世界”，人们使用增强现实设备产生的虚拟信息来提升探索现实世界的能力，具有极强的移动属性，增强现实是虚拟数字画面加上裸眼现实；混合现实是数字化现实加上虚拟数字画面，从概念上来说，混合现实与增强现实更为接近，都是一半现实一半虚拟影像；扩展现实是人联网和物联网的整合，是虚拟现实发展的高级阶段，现实和虚拟的边界将被抹去。

二、虚拟现实和增强现实技术在教学中的具体应用 虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用潜力巨大、前景广阔，主要体现在运用虚拟现实和增强现实技术具有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受心理沉浸、跨越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多方面的优势。虚拟现实和增强现实技术的应用，能够为教育工作者提供全新的教学工具，同时，能激发学生学习新知识的兴趣，让学生在动手体验中迸发出创新的火花。因此虚拟现实和增强现实技术应用于教育行业是教育技术发展的一个新的飞跃，它营造了自主学习的环境，由传统的“以教促学”的学习方式演变为学生通过新型信息化环境和工具来获取知识和技能的新型学习方式，符合新一轮教学改革的教育理念，有助于学生核心素养的培养。虚拟现实和增强现实设备有多种，这里分别介绍各种设备在教学中的具体应用。

（一）头戴式虚拟现实和增强现实设备在教学中的应用 头戴式虚拟现实设备一般包含头戴式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备等，分为移动虚拟现实头盔和分体式虚拟现实头盔。国外有脸谱、谷歌、微软、三星等公司的虚拟现实头盔产品，国内有微视酷、蚁视、暴风魔镜、中兴、乐视、华为、小米等100 多种虚拟现实头盔产品。结合国内外的研究报告以及目前虚拟现实教育实践情况，虚拟现实和增强现实技术在生物、物理、化学、工程技术、工艺加工、飞行驾驶、语言、历史、人文地理、文化习俗等教学中均可应用。

学生使用头戴式虚拟现实设备体验学习时具有置身真实情境的沉浸式感觉，能给学生以绝佳的真实体验，使人如身临其境，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。例如地理学科讲述关于宇宙太空星际运行的课程时，在现实生活中学生无法遨游太空，如果戴上头戴式虚拟现实设备，就可以让学生从各个角度近距离观察行星、恒星和卫星的运行轨迹，观察每个星球的地表形状和内部结构，甚至能够降落在火星或月球上进行“实地” 考察、体验星际之旅等。虚拟现实头戴设备如图9 所示，手机扫描图10 二维码观可看虚拟现实效果视频。2016 年，微视酷推出了一款虚拟现实课堂教学系统，在国内具有一定的代表性。该教学系统由一台教师用的平板电脑主控端、多套学生用的虚拟现实眼镜和IES 教育软件系统构成。系统具备一键操控、一键统计和一键打印功能，教师可根据教学进度需求，随时控制学生虚拟现实眼镜教学内容。微视酷开展了“VR 课堂1 工程”计划，跨越了全国多个省市。其中在陕西省榆林市高新小学呈现的“神奇星球在哪里”虚拟现实示范教学观摩课情景如图11 所示[12]。虚拟现实把学生从现实带到了虚拟世界，虚拟现实技术让学生成了一名宇航员，让学生看到了许多平常看不到的东西，与传统的课堂相比，虚拟现实课堂让学生获得身临其境的感受，有利于学生发挥想象力，能更直观地呈现授课内容，提高学生学习的积极性。

头戴式增强现实装置代表产品有微软HoloLens、MagicLeap 和Meta 2 等，均有酷炫的体验感，能够让使用者在任何地方观看虚拟电视，甚至可以把影像投影在墙上、手机屏幕或者面前的空气中，这些增强现实设备应用将取代所有的“显示器和屏幕”。以Ho-loLens 头戴式增强现实设备为例（如图12 所示），其主要硬件由全息处理单元（CPU GPU HPU）、光学投影系统（Lcos 微投影仪 光导透明全息透镜）、摄像头与传感器部分（6 个摄像头 惯性传感器 环境光传感器等）、存储部分、其他部件（耳机 麦克风 电池 结构件）等组成。学生在使用HoloLens 后，就可以扔掉电脑和手机，不用键盘、鼠标和显示屏幕，双手在空气中操作即可完成现在人们在电脑和手机上的所有操作，悬空操作即可完成机器人的3D 建模设计任务，如图13 所示。

（二）桌面式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用 桌面式虚拟现实与增强现实设备具有代表性的产品是美国zSpace 公司的虚拟现实教育一体机，美国从2013 年开始使用，现在使用的zSpace Z300 为第三代产品。根据美国最新的《新一代科学教育标准》，zSpace 开发出了包含 2 ～12 年级多门学科的课件，课件分布在六款软件之中，教师可采用系统平台自带课件实施教学计划，也可创造性地自主开发新课件。zSpace 不仅可以成为教学工具，还为学生、老师提供了丰富的素材资源。在美国的小学、中学和大学有250 多所学校上万名学生正在使用zSpace STEAM 实验室课件来进行学习。我国的云尚互动公司2015 年年底将zSpace Z300 引入中国，2016 年4 月“智创空间”获赠6 套该设备用于创客教育和STEAM教育的推广普及，至今共有2700 多人次来体验学习。zSpaceZ300 的内容覆盖了小学、初中和高中的生命科学、数学、物理、化学、历史、地理、地球与空间科学、艺术等多个学科，课件总数达440 多个。该平台还提供课件资源开发系统，教师可以根据需要将stl、obj 等格式的3D 模型文件导入系统，同时可以加入文本、图片、声音和视频文件，教师可以像制作PPT 课件一样进行修改和自主开发能够在Z300平台上运行的课件资源。Z300平台的使用方法有两种：一种是戴上3D 眼镜（含追踪和非追踪眼镜），戴追踪眼镜者用激光笔操作，其他人戴上非追踪眼镜都可以看到3D 虚拟现实效果；另一种是增加一个全息摄像头和平板电脑（或投影），将Z300 设备的3D 影像叠加投射到平板电脑上即可呈现出裸眼3D 的增强现实效果。

（三）手持式虚拟现实与增强现实设备在教学中的应用 手持式增强现实设备多采用移动设备与APP 软件相结合的方式。APP 有视 AR、AR、4D 书城、幻视、视视AR、尼奥照照等，另外有多种增强现实图书都有相配套的APP，如《机器人跑出来了》《实验跑出来了》《恐龙争霸赛来了》这套“科学跑出来”系列增强现实科普读物有iRobotAR、iScienceAR、恐龙争霸赛来了等多个APP，它们的原理都是采用手机摄像头获取现实世界影像，通过手机在现实世界上叠加虚拟形象的形式，实现增强现实的特殊显示效果。有的APP 中提供了丰富的教育资源，如安全教育、科普读物、识字卡片、益智游戏等，特别适合儿童教育。使用方法有两种：一种是手机APP 与相配套的纸质图书一起使用，用手机摄像头扫描图书上的图片，在手机屏幕上即可呈现出如图14 的演示效果；另一种使用方法是运用APP 下载增强现实资源并与外界实景叠加即可呈现出如图15 的演示效果。增强现实特效非常逼真，利用这些APP 进行学习，学习过程具有真实感、体验感、沉浸感，增强了学生学习知识的兴趣，可以达到寓教于乐的教学效果。

三、虚拟现实与增强现实技术在教学中应用的优势分析

（一）虚拟现实与增强现实技术为学生自主学习提供了有利条件

虚拟现实和增强现实教学资源存在形式多种多样，根据采用的设备不同，可以将教学资源保存在网络运营平台、桌面式设备、移动设备和纸质图书里，学生可以在不同的地方采用不同的设备调用虚拟现实和增强现实教学资源进行随时随地的自主学习。如果学生在课堂上有些知识点未能掌握，可以重新学习一遍，增加对知识的巩固和理解，有时学生因为特殊原因未能在课堂上学习，也可以课后弥补，同时可以将虚拟现实和增强现实设备作为载体采用“翻转课堂”或“微课导学”教学模式[13][14]组织教学，为学生提供自主学习条件，教师也可以从繁重的重复性讲解中解脱出来，有针对性地为学生答疑解惑，有助于传统教学方式的变革。

（二）虚拟现实与增强现实技术为学生提供更加真实的情景 在传统的教学课堂上，知识的传输主要通过文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现。遇到比较复杂的情况，比如数学课的立体几何、地理课的天体运动、物理课的磁力线和电力线、化学课的微观粒子结构、生物课的细胞结构等，教师用语言很难把这些知识点表达得非常清晰，同时由于每个学生的理解力不同，教学效果也会因人而异，甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学，三维立体效果的呈现可以弥补这样的缺憾，能够把知识立体化，把难以想象的东西直接以三维形式呈现出来，让学生直观感受到文字所表达不出来的知识，真实的情景可以帮助学生对知识的理解和记忆，使学生的想象变得更加丰富。

（三）虚拟现实和增强现实技术能提高学生的学习兴趣 由于虚拟现实和增强现实技术具有视觉、听觉和触觉一体化的感知效果，学生具有真实情境体验、跨越时空界限、动感交互穿越的感受，能身临其境般在书海里遨游，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。身临其境的感受和自然丰富的交互体验不仅极大地激发了学习者的学习动机，更给学习者提供了大量亲身观察、操作以及与他人合作学习的机会，促进了学生的认知加工过程及知识建构过程，有利于实现深层次理解[15]。传统的学习方式让很多学生觉得枯燥乏味，为了应付考试不得不去死记硬背，但很多知识学生考完之后很快会忘得一干二净，而采用虚拟现实和增强现实技术组织教学，新颖的学习方式和丰富多彩的学习内容能够极大地提升课堂教学的趣味性，生动形象的场景会加强学生的记忆，激发学生的学习兴趣。“兴趣是最好的老师”，兴趣也是学生学习新知识的不竭动力。

（四）虚拟现实和增强现实技术应用能促进优质资源均衡化 我国幅员辽阔，地区之间贫富差距较大，存在教学资源分配不均的情况。经济发达地区无论是软硬件配置，教学师资和教学资源都非常丰富，而经济落后、地域偏远的山村学校学生连接受最基本的教育都难以实现。各级政府和教育主管部门都在大力推进教育均衡发展，加大教育投资力度，而虚拟现实和增强现实技术应用将是解决城乡教育资源不均衡问题的一把金钥匙，有利于缓解教育资源两极分化，扩大优质资源的分享范围，能让教育资源不再受限于地区和学校，让教育发达地区的名教师通过虚拟现实和增强现实课堂走进山村学校，能通过整体优化教育资源配置，来缩小城乡差距，实现教育公平，同时这也是教育扶贫的较佳途径。

四、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中存在的问题 虽然虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用可以改变传统的教学方式、提高学习兴趣、实现教育均衡发展，但虚拟现实和增强现实技术发展还处在初级应用阶段，在技术瓶颈、资源开发、教学内容和推广普及等方面还存在很多问题。

（一）虚拟现实设备应用中的眩晕问题

人们在使用虚拟现实设备时会出现眩晕感，从硬件结构来看，由于现在的科技还无法做到高度还原真实场景，许多用户使用配置达不到要求的虚拟现实产品时会产生眩晕感；虚拟现实界面中的视觉反差较大，实际运动与大脑运动不能够正常匹配，影响大脑对所呈现影像的分析和判断，从而产生眩晕感；虚拟现实设备的内容有相当一部分资源是从PC电脑版上移植过来的，UI 界面不能很好地匹配虚拟现实设备，不同的系统处理上也无法达到协调统一，画面感光线太强或太弱都不能让用户接受；虚拟现实设备帧间延迟跟不上人的运动，会有微小的延迟感，当感官与帧率不同步时也会让使用者产生眩晕感。

（二）虚拟现实和增强现实技术在教学中资源短缺

目前虚拟现实和增强现实产业刚起步，软硬件设施不完备，开发人员技术力量不足，很多学校未配备虚拟现实和增强现实设备；中小学校的很多教师还没有接触过虚拟现实和增强现实，不知道如何在教学中应用，更谈不上如何去开发虚拟现实和增强现实教学资源。因此，针对中小学教学所开发的虚拟现实资源很少，课程资源短缺是虚拟现实和增强现实在中小学推广的最大瓶颈。但随着虚拟现实和增强现实技术的迅猛发展，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学势在必行，未来虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用势必带来课堂教学方式的颠覆性改变。

（三）虚拟现实和增强现实教学平台和资源的设计重形式轻内容

当前很多虚拟现实教育平台都只是在一个3D 视频或虚拟现实软件游戏的基础上构成虚拟现实教学。虽然学生在虚拟世界玩得津津有味，课堂气氛很活跃，学生互动、交流和讨论很热烈，表面上看学生得到了沉浸式的体验感，但是有些虚拟现实教育平台所提供的知识点讲解还停留在现实世界中，课本内容的单调、枯燥并没有因软件的存在而得到缓解，知识要点的讲解没有变得更加生动、有趣和有针对性，这种只重视形式而不重视内容、教与学完全脱节的虚拟现实课堂只能称为“伪虚拟现实课堂”。

（四）虚拟现实和增强现实设备价格较高和技术条件限制导致普及困难

企业的前期研发成本较高、设备销售量较少，导致多数虚拟现实和增强现实设备销售价格居高不下，很多学校因资金问题望而却步，无力购买售价高昂的虚拟现实和增强现实设备，进而导致虚拟现实和增强现实技术在学校的推广普及步履艰难。如zSpace Z300 刚引入我国时每台售价20 多万元，微软的HoloLens 还未上市，公布的预售价在每台2 万元以上，普通头戴式虚拟现实设备的价格也在2000 ～ 5000 元之间。大多数虚拟现实软件普遍存在语言专业性较强、通用性较差和易用性差等问题。受硬件局限性的影响，虚拟现实软件开发花费巨大且效果有限。另外在新型传感应用、物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能等领域，都有很多问题亟待解决。三维建模技术也需进一步完善，大数据与人工智能技术的融合处理等都有待进一步提升。以上诸多原因的存在制约了虚拟现实和增强现实技术在中小学教学中的推广和普及。

五、虚拟现实和增强现实技术在教学应用中的前景展望

（一）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学形式的影响 随着科学技术的迅猛发展，在云计算、雾计算、物联网、“互联网 ”、大数据、人工智能突飞猛进的新时代背景下，虚拟现实和增强现实技术与人工智能、大数据和物联网融合，将会让虚拟现实和增强现实技术应用如虎添翼。根据国际数据公司的预测，未来一年里，在以消费者为导向的全球2000 强公司中，预计有30% 的企业将在营销活动中试验虚拟现实和增强现实技术。2021 年时，虚拟现实和增强现实技术将获得大规模应用，全球会有超过10 亿人通过虚拟现实和增强现实平台经常访问应用程序、内容和数据[16]。随着虚拟现实和增强现实软硬件设备的性能提升和价格降低，会有更多的教育投资公司开发出更加丰富多彩的教学资源，让虚拟现实和增强现实技术快速走进中小学课堂，在教学中大面积应用普及。依托其具有的沉浸性、交互性、构想性、虚实结合、实时交互和三维配准等超级体验感的优势，教师的教学方式和学生的学习方式都将会发生改变。虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用普及将会颠覆传统的教育方法和教学形式，具有巨大的应用潜力与应用前景。

（二）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学效率的提升 虚拟现实和增强现实技术与教育的结合，将会提高未来课堂的教学效率。因为传统教学模式是教师面向全班同学以灌输式、无差异的方式组织教学，而采用虚拟现实技术教学将使课堂教学采用个性化、自主式、体验式的方式组织教学，通过因材施教，每一位学生都可以在虚拟环境中，个性化地听老师为自己讲课，还能与虚拟环境中的老师互动交流。传统课堂为一人讲多人听，而虚拟现实课堂则相当于每个学生面前都有一位自己的老师。同时增强现实技术还可以将静态的文字、图片读物立体化，增加阅读的互动性、趣味性和真实感，创设现实情境，通过3D 模型使抽象的学习内容变得形象化、微观的学习内容变得可视化、复杂的学习内容变得简单化，帮助学生理解和识记抽象的概念。虚拟现实和增强现实作为教育工具应用在课堂上，将为学生展现一个能够交流互动的虚拟世界，既能满足学生的体验感和好奇心，又能以创新的方式传授知识，从而可以大大提升教师的教学效果、激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率。

（三）虚拟现实和增强现实技术发展对未来教学的创新 虚拟现实和增强现实技术能为学生提供多种形式的数字内容和虚实结合的情景化的学习环境，增强了学生在学习中的存在感和沉浸感。通过虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟场景与现实世界相结合，通过穿越时空的方式进行交流互动，增强了学生的动手操作能力，提升了学生的感性认识和真实体验，激发了学生的创新意识和创新思维，培养了学生自主探究和自主学习的能力。虚拟现实和增强现实技术是多种先进技术的应用和多学科知识的汇聚与融合，是创客教育和STEAM 教育的较佳载体，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学中，为学生的创客学习创造了条件，学生在创客空间里利用虚拟现实和增强现实技术通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能，利用先进的虚拟现实与增强现实技术为载体开展创客教育和STEAM 教育，学生在虚拟与现实交互和时空穿越的过程中通过“玩中做”“做中学”“学中做”“做中创”[17]，能够拓展发散性思维，迸发出更加丰富的创新火花，创意“智”造出更加丰富的创客作品。新一轮教学改革已经到来，“中国学生发展核心素养”总体框架正式发布（如图16 所示），其中实践创新作为六大综合表现之一被提出。而虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用正是一种教学模式的创新，将有助于推动教学改革的进程，有助于创客教育和STEAM 教育普及，有助于学生核心素养的培养。

六、结束语

人工智能、大数据分析与虚拟教育（VR 教育）被称为影响未来的三大科技创新方向。未来的虚拟现实和增强现实技术将结合更多高新科技元素如人工智能、云计算、大数据和移动技术等，而随着虚拟现实和增强现实技术的发展，其在教育领域的发展前景也将会越来越广阔。虚拟现实和增强现实学习环境带给我们的不仅仅是一个技术平台或工具，更会孕育出一种新型的教学模式和教学方法。将虚拟现实和增强现实技术广泛地应用到课堂教学中，对于贯彻落实教育部关于“发展未来学校”和“智慧课堂改革”的设想有重大意义。虚拟现实和增强现实技术能够将虚拟对象与真实环境相融合，通过其较强的交互性能给学生带来更多的学习乐趣，并为学生提供一种新的学习媒体和学习体验，促使学生在愉悦的状态下进行移动学习、自主学习、项目学习和创客学习。依托虚拟现实和增强现实技术为创客教育的载体，能让学生通过自主探究、跨界融合、团队协作、开拓创新来提升核心素养。让虚拟现实和增强现实技术与教育完美结合，快速走进中小学课堂，将为开启未来教育创新之路做出巨大贡献。参考文献：[1]百度百科.伊凡·苏泽兰[DB/OL].（2015-04-28）[2016-12-23].http://baike.baidu.com/item/%E4%BC%8A%E5%87%A1%C2%B7%E8%8B%8F%E6%B3%BD%E5%85%B0.[2][15] 高媛, 刘德建, 黄真真, 黄荣怀.虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J].电化教育研究, 2016，(10):77-87，103.[3]新华网.中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[DB/OL]（2016-3-7）[2016-12-23].http://news.xinhuanet.com/politics/2016lh/201603/17/c_1118366322.htm.[4]微视酷VR 课堂.2016 半年度VR 用户报告：上半年国内潜在用户达4.5 亿[DB/OL].（2016-10-10）[2015-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMjUyOTcwNg==&mid=2247483743&idx=1&sn=2064e3b574d1f958862fbb688d4641a0&chksm=96dc0f9aa1ab868c0f0bcfc518b0409b3f9dcee101f517e664 386f48f192e39af13d0da0007c&mpshare=1&scene=23&srcid=0105DOdlurJU3dkoq6sFxiO6#rd.[5]张建武, 孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究,2010,(4):109-112.[6]战略前沿技术.赵沁平院士：VR 进入爆发前夜，“VR ”将产生大量行业颠覆性应用[DB/OL].(2016-5-20)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDQyNzYyNw==&mid=2650613898&idx=3&sn=f0aaf47e8236c26caaa5d4964c4429f7&mpshare=1&scene=23&srcid=0101pavIUz59bxP2 D5RcLxFp#rd.[7]汪存友, 程彤.增强现实教育应用产品研究概述[DB/OL].(2016-5-16)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NzU4MDM0MA==&mid=2650852785&idx=1&sn=221b20320bea14557abc2d1db74f0487&mpshare=1&scene=23&srcid=1222DOnb2MBJNymgkrp11InU#rd.[8]蒋中望.增强现实教育游戏的开发[D].上海:华东师范大学,2012:2-6.[9]战略前沿技术.增强现实（AR）产业深度报告：超越现实，重塑世界[DB/OL].(2016-7v18)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NDQyNzYyNw==&mid=2650615288&idx=4&sn=f29d29d72e4264cb8af7a4f3c60df4ac&mpshare=1&scene=23&srcid=01010TOG9jjH1CFvhGY bq9Z9#rd.[10]百度百科.混合现实[DB/OL].(2016-10-13)[2016-12-23].http://baike.baidu.com/item/ 混合现实/9991750.[11]翟振明.黑科技惊爆出世，抹掉现实和虚拟界限的ER 你知道吗[DB/OL].(2016-12-14)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTU5NTYyOQ==&mid=2658506720&idx=1&sn=0292f25ddde6cc0ebdd45ca4ec99a318&chksm=80dc0862b7ab8174a635ebe8da6e8c3dce24bea34cdbd8beaa00147f1fa12484a9ea02673b9c&mpshare=1&scene=23&srcid=1214odt7K3yBxP5Qn5 tGQS58#rd.[12]微视酷VR 课堂.微视酷VR 课堂挺进大西北，榆林市高新小学首堂VR 课正式启动[DB/OL].(2016-12-05)[2016-12-23].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMjUyOTcwNg==&mid=2247483828&idx=1&sn=6d2133357210a9b538bce1fe73c74e2a&chksm=96dc0f71a1ab8667d4410944e4a3bbfbbeefb2163de11ba3e1 d66640fb0d6f6dc36ef0c287ba&mpshare=1&scene=23&srcid=0105JIRz71LCDcr8bEu1BUDg#rd.[13]王同聚.中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究[J].中国电化教育,2014，(6)：107-110，126.[14]王同聚.“微课导学”教学模式的构建与实践——以中小学机器人教学为例[J].中国电化教育,2015，(2)：112-117.[16]WPR.2017 新技术展望（1）： 创新创业机遇与发展趋势分析[DB/OL].(2016-12-28)[2016-12-29].http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwODMzNjU4Ng==&mid=2651218140&idx=2&s=67639383384f9fe3275490 813068f6a3&chksm=8082a579b7f52c6f0e9a5b5020e2a9578c79dee076b461fcfd21528eaf9fbed087894c7a1afa&mpshare=1&scene=23&srcid=0101PDDVIc9wuKK4nVVCqtRJ#rd.[17] 王同聚.基于“创客空间”的创客教育推进策略与实践——以“智创空间”开展中小学创客教育为例[J].中国电化教育,2016，(6)： 65-70，85.本文发表于《数字教育》2017年第1期（总第13期）特稿栏目，页码：1-10。作者简介：王同聚（1968—），男，河南泌阳人，硕士生导师，中学高级教师，智创空间创始人，研究方向为智能机器人创客教育、STEAM 教育、教育信息化应用等。

虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望 篇2

这些系统还尝试扩展人机界面形式, 使界面不再局限于鼠标和键盘的范畴。比如为了栩栩如生地表现具有空间感的图象和声音, 系统采用放置在头部的位置感应器来追踪头部的倾斜度和方向;有些系统使用数据手套, 以便测读手指的动作方向。这些系统采用三维空间模拟和提示, 允许使用者走动、穿行在虚拟现实空间。还有一些系统, 可以使用户操纵虚拟物体, 再借以相应的设备, 系统能读取用户的手势, 用户则可以移动虚拟物体或改变虚拟物体的状态。

栅格影像技术则为后者的发展。Markerless 3D Interactions栅格影像无标识交互三维虚拟是法国I N R I A-Alpes研发的一项新试验, 这个新实验结合了多媒体摄像机三维建模、物理仿真、及实时技术。这是最新的科技, GrImage (一个试验台, 专责互动式应用) 的主要设备为高性能视频采集、计算、图形绘制计算机, 你可以把任何一件物品放入作用空间中, 就会即刻在虚拟空间中进行三维建模, 把物体变成我们可触及的软的东西, 通过移动或这挤压, 可以对电脑中虚拟空间中这个东西进行各种操作, 这项技术可以缩短生活中人物、地点之间的距离, 在虚拟世界中实现更多的惊奇体验。

在法国国家信息与自动化研究所, 虚拟和现实只有一步之遥, 运用栅格影像技术人们可以自由在虚拟和现实之间转换, 比如, 把双手放入栅格影像环境中, 14个摄像头首先从不同角度捕捉双手的图像, 然后软件系统迅速将这些图像进行识别, 并且建立三维模型, 接着添加颜色和纹理, 形成逼真的三维影像, 虚拟双手此刻不仅轻松地进入了虚拟世界, 并且能够和虚拟世界中的其他物体互动, 比如挽袖子或者握手之类的动作, 此类实验使用了多台摄像机, 多个微型PC, 多个多处理器PC, 1个高分辨率的显示器, 这多台摄像机分别处在一个立方体的多个位置, 而这个立方体空间范围则是摄像机捕捉图像实现模拟的范围, 一些计算机专门负责视频采集和其他图形渲染。

在现实生活中这项技术不单有趣更有广泛的应用前景。例如用于网真 (telepresence) 。这是一种通过结合高清晰度视频、音频和交互式组件, 在网络上的虚拟空间中创建的一种独特的“面对面”体验缩短实际距离的技术。实时的任务或是物体三维建模能够实现高质量的虚拟克隆。它可缩短生活中重要的人员、地点和活动之间的距离 (社区、工作地点、玩游戏、教学……) 。比如在国际网络会议中, 与会的各国代表可以进入虚拟会议室中, 促膝而谈。人们不需要做任何记号, 也不要戴任何装备, 可以在虚拟世界中任意做动作, 比如在虚拟环境中拆装仪器, 医生甚至可以用真实器械为虚拟人体做手术, 学习驾驶的人员可以驾驶真实的汽车行驶在虚拟的道路中。

栅格影像技术能够在相互空间中三维快照俘获真实物体并克隆, 然后这些物体就变成用户可触及的东西。这个结合计算机的视觉效果、物理仿真、实时功能的新技术将推进下一代虚拟现实的应用。随着计算机技术的进一步发展, 虚拟现实与我们的生活将日益密切, 而栅格影像技术也将为虚拟现实艺术揭开新的篇章。

摘要：虚拟现实技术是许多相关学科、领域交叉、集成的产物。其涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等, 本文就目前先进的栅格影像技术的实现与应用讨论虚拟现实技术的应用前景。

关键词：虚拟显示,栅格影像,Gimage

参考文献

[1]童芳.新媒体艺术.东南大学出版社

虚拟现实技术在临床教学中的应用 篇3

虚拟现实技术是一种全新的智能互动教学方法,是在计算机模拟技术的基础上发展起来的。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、构想性等特点[1],是推进临床教学的重要方法之一。

目前,国内外很多医学院校对虚拟现实技术应用于医学教育领域展开了广泛的研究和实践,通过构建医学虚拟教学系统改善了传统教学方式和教学手段的不足,取得了较大的成果。由于这是一种省钱、安全、有效的培训方法,除在医学教育领域应用广泛以外,还被推广、应用于疾病诊断、手术模拟、远程医疗等方面。虚拟现实技术在临床医学科研领域的应用也很广泛,在虚拟环境中,它可以建立虚拟的人体模型,借助跟踪器、感觉手套,可以很容易地了解人体内部各器官结构[2]。在医患之间矛盾日益增加的医疗环境中,虚拟教学系统在临床医学教育中体现的无创伤、无事故、无医疗纠纷等优点,优化了日益紧张的医患关系,增加了医学生的实践操作机会,提高了低年资医师的医疗业务水平,虚拟现实技术的出现无疑将对现代临床教学产生了深远的影响。

2 虚拟现实技术

虚拟现实技术主要分为2个部分:(1)硬件部分,由高性能计算机组成虚拟现实工作站;(2)软件开发平台,承担着三维图形场景驱动的建立和应用功能的二次开发等任务,是整个虚拟现实系统的核心部分。虚拟现实技术是一个多技术的综合体,其关键技术主要包括环境建模技术、立体声合成和立体显示技术、触觉反馈技术、交互技术、系统集成技术等。

3 虚拟现实技术在临床教学中的应用

虚拟现实技术在医学教育领域具有重要的作用和影响。我院主要应用于3个教学项目:(1)本科生临床教学项目,培养对象为本科生,针对本科生的教学特点主要为感性体验,使其熟悉和了解虚拟系统操作的整个过程,为临床服务做基本知识准备;(2)研究生临床教学项目,培养对象为研究生,针对研究生的教学特点主要为掌握性教学,要求研究生必须熟练掌握虚拟系统操作的全部过程,培养合格的临床手术执行者;(3)临床住院及专科医师培训项目,培养对象为临床低年资医师,为培养医师的高难度手术技巧作准备。我院已将购置的内窥镜虚拟培训系统、腹腔镜虚拟培训系统、血管介入手术模拟器以及虚拟临床思维培训系统软件等投入到临床医学教育中。

3.1 内窥镜虚拟培训系统

内窥镜虚拟培训系统是唯一的集支气管镜手术和上消化道、下消化道于一体的触觉反馈虚拟训练平台,使用该系统可在节省时间和费用的同时以最快速度提升操作技能、减少操作失误、缩短教学时间。学生在虚拟的诊疗环境中,通过计算机软件与配套电子硬件载体的结合,模拟出集视觉、听觉和触觉为一体的医学虚拟系统,并配合有力的反馈技术,更加逼真地模拟诊疗环境,加深了使用者对操作感觉的体会[3]。

3.1.1 支气管镜手术模块

支气管镜手术模块能够模拟医师进行操作时的力反馈,给操作医师一个真实的手感,呼吸道的正常解剖结构以及病理状态下的肿瘤,息肉都能通过正确的操作显示在电脑屏幕上。我院ICU已经运用支气管镜手术模块,针对低年资医师及护师等20人进行了培训。培训方法:由ICU主任医师,厂家软件工程师及实验室教师作为培训教师,共对20名医护人员进行培训及考核,培训效果非常好,考核通过率达90%。

3.1.2 消化道内镜手术模块

消化道内镜手术模块主要包括食道、胃、十二指肠镜检和内镜下逆行胰胆管造影术及结肠镜检3个部分。食道、胃、十二指肠镜检模块的教学训练包括上消化道内镜检查、细胞学取样活检以及手术并发症处理等,并提供若干解剖结构和病理变化各不相同,难度渐增的手术病例;内镜下逆行胰胆管造影术模块精确再现了造影术真实操作情景、声音和感觉,学员可以看到能随内镜移动做出实时反应的真实3D模型,其触觉反馈技术可让学员充分体会手术真实操作感觉,包括内镜操作的阻力感、组织牵拉感和困难插管手感;结肠镜检可以帮助学员在真实的解剖环境中进行活检及基础的息肉切除术训练。这个模块使学员所学的医学基础知识得到了扩展,学员的手术技巧和手术中对病情的判断能力得到了提高,达到了临床手术要求。

3.1.3 内镜超声模块

内镜超声模块可为学员提供内镜超声引导下微创外科手术检查无风险技能训练,包含丰富的模块、不同难度病例、多个实时监测窗口、各种操作器械和辅助工具。专利力反馈技术、双屏幕液晶监视器和多种操作器械使得学员完全沉浸于高度逼真的训练环境,在短时间内快速实现内镜超声的多项训练目标,收到良好的学习成效。

3.2 腹腔镜虚拟培训系统

腹腔镜操作虚拟培训系统采用了最新的技术,通过使用外科模拟器的基本模块:基本操作技能训练模块、手术操作技能训练模块、普通外科手术训练模块、妇产科手术训练模块、培训管理模块,提供给临床医生和医学生一个反复实践的平台,在微创外科的实践教学中发挥着重要作用。腹腔镜操作虚拟培训系统将真实解剖和生理特点的案例相结合,准确模拟了真实操作中的三维模型,学员通过反复练习,手术技能得到全面提高。我院医学模拟教学中心于2008年底引进了美国依默森公司生产的腹腔镜操作虚拟培训系统。2009年3月至2011年10月,我们已对42批307名学员进行了腹腔镜虚拟训练考核,收到了较好的教学成效,考核通过率达81%。

3.3 血管介入手术模拟器

血管介入手术模拟器可以模拟血管介入治疗中所遇到的各种情况,使受训的学员不但可以学习到各种手术技能,还可以进行完整的手术操作。其模拟成像技术使荧光透视下的人体解剖图像和医疗器械可视化;触觉感知技术令操作模拟导管和血管造影装置的视野和感觉与真实的手术相同。通过模拟训练,学员可以提高介入性经皮血管内手术所需的各种技巧,例如:针对性血管造影、血管成形术、血栓溶剂治疗等。另外,学员还可以学习如何处理各种并发症。目前,我院血管介入手术模拟器已准备投入使用,为提高心血管内科以及介入科的研究生、进修生、低年资医师的手术技能精细度、准确度创造了优越的条件。

3.4 虚拟临床思维培训系统软件

虚拟临床思维培训系统软件可以让学生利用虚拟的工具,对一个拥有真实资料的虚拟患者进行临床诊疗工作,训练学生正确的临床诊疗步骤及观念。该软件的病历及临床诊断资料夹记载虚拟患者初期的评估资料,包括脉搏、呼吸、体温、血压等数据,医疗病历,药物及心理状态。提供虚拟患者各式的检验报告资料及数据。学生可以利用系统所提供的虚拟工具对虚拟患者进行检查。让学生对最后的各种临床诊断结果建立对应的治疗计划。学生完成临床诊断治疗结果之后还可显示虚拟患者的病情进展状况。目前我院本科生105人已经分批完成了多项病例的实践,对以后进入临床接触真实患者打下了一个坚实的基础。

4 虚拟教学系统在临床教学中应用的必要性

随着医患矛盾的日益加深及实习医师的逐年增多,在患者身上实践的模式已经不能适应现有的医疗环境,虚拟教学系统应运而生。启用虚拟教学系统,对住院医师的基础知识、临床操作技能、医学论文实践均能有效提高。合格的临床医师都是经过多年的实践操作和经验积累,才能出色完成各种临床技能操作。在患者身上进行实践操作的旧教学模式,具有不可重复、风险大、纠纷多的缺点,以虚拟教学系统为主的新教学模式具有可重复性、零风险、多人操作性等优点,在临床教学中起着不可或缺的作用。从以人为本的角度出发,虚拟教学系统不会对患者造成伤害,减少和避免了医疗纠纷和事故的发生,改善了目前日益紧张的医患关系,也增加了医学生及低年资医师的实践操作机会,提高了医疗业务水平。

5 结语

虚拟现实技术的培训系统作为一种新的教学方法在我院已推广应用于医学教育,为医学生在校早期接触临床,研究生及住院医师的临床操作技能训练提供了良好的条件,激发了他们的学习热情和潜力,使他们能够运用临床理论知识较快地掌握临床诊疗实践规律。近几年,虚拟现实技术在医学教育中的运用得到了广泛的关注,特别是西方各国的医学院校,相继建立了临床技能中心,使用各种虚拟设备对学生、专业人员进行培训[4]。我院于2005年也成立了医学模拟教学中心,通过6 a的摸索及努力,建设成了一个比较完善的实践技能教学中心,在实践教学中获得了一定的优秀成果。目前,虚拟现实技术在我院临床医学教学方面的应用虽然已经取得了较大的进步,但仍存在着一些不足之处,技术上还有很多问题亟待解决,例如,视觉图像质量、手感真实性、空间声学及非语音听觉方面的改善,虚拟现实内建模的软件工具的开发,多用户虚拟现实的支撑软件的研制等。当然,随着虚拟技术的发展以及国内外对虚拟技术运用于临床教学的日益重视,这些问题一定会得到解决,相信虚拟现实技术在医学教育上的应用定会培育出新一代卓越的医学人才。

摘要：介绍了虚拟现实技术的应用现状及发展趋势,阐述了腹腔镜虚拟培训系统、内窥镜虚拟培训系统、血管介入手术模拟器以及虚拟临床思维培训系统等虚拟设备在临床教学中的应用优势,指出了虚拟现实技术在医学教育领域中应用的重要性。

关键词：虚拟现实技术,虚拟培训系统,临床教学

参考文献

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[3]霍刚.计算机虚拟现实技术在临床医学教育中的应用初探[J].继续医学教育,2008,22(2):24-27.

虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望 篇4

关键词：数控教学,虚拟现实技术,应用

计算机技术以及信息技术的日益改进, 使得虚拟现实技术逐渐被运用到各个领域中。现阶段, 国际上对于教育领域如何运用虚拟现实技术的研究力度逐渐加大。在数控教学过程中, 应用虚拟现实技术, 具有一定的先进性及实用性。

一、虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术指的是在创建高速计算机系统的基础上, 让人能够感受到身临其境, 且能够和环境交互体验的一种虚拟实践技术。该技术结合了信息处理技术、传感技术、职能技术、图像处理技术、模式识别技术、网络技术以及计算机图形学等诸多科学, 利用计算机, 将数字化信息转化为成人能够直接感知的多维信息。此外, 虚拟现实环境主要是由生成系统、图像识别、图形识别、声音识别、感触识别、人工智能系统、传感器系统以及网络通信系统等构成。

而虚拟现实技术的运用, 能够让教师带领学生在虚拟教学环境中学习数控知识, 学生身临其境, 获得直接经验, 提高了感性认知;学生在掌握了基本实践方法后, 敢于尝试, 从而更好地激发了学生对数控学习的主动性及积极性;学校并不需要花费大量资金用于购买设备上;在仿真软件中, 学生能够进行零件加工, 在掌握了各种操作技能后再进行机床实践, 降低了机床、道具等不必要的损耗。

二、在数控教学中应用虚拟现实技术

通过虚拟现实技术, 建立虚拟数控系统, 组织教学活动。虚拟数控系统能够模拟真实机床及数控机床的全部功能, 且不会由于利用了某种相似功能而造成机床结构的失真, 也不会造成数据信息的丢失;学生能够在虚拟环境内完成机床运动以及切削流程等, 继而直接获得有关加工数据信息。

(一) 具体运用

其一, 在数控理论教学中运用软件仿真。数控深入学习是以理论为基础, 数控专业的技术性极强, 要求学生打好数控理论基础, 同时还要对数控设备有准确了解。而软件仿真模式以图文并茂的形式为主, 是一种行之有效的教学手段, 也是必不可少的教学资源, 在数控教学中, 能够激发学生学习的积极性。

其二, 在实践课程, 如编程及数控加工等课程教学中的具体应用。因为数控机床并不多, 无法为班级所有学生提供足量的机床。但是采取虚拟现实技术, 通过仿真软件, 为每位学生掌握机床性能、数控知识创造了可能。

(二) 注意事项

将虚拟现实技术与多媒体相结合, 使得抽象的数控理论教学更加形象化, 学生直接感知数控知识。因为在虚拟现实技术的运用过程中, 教学场所更加逼真, 以往的被动实践教学局面被打破, 学生和虚拟环境相互作用, 从虚拟环境中直接获得了数控知识及实践操作技能。这种新型主动学习模式, 取代了以往的“以教促学”模式, 达到了双向教学目的, 使得学生更容易掌握及内化数控知识, 同时也能够锻炼学生的科学素质及观察能力。

学校对于数控专业学生的培养目的在于提升学生的实践能力, 确保学生能够掌握相关理论知识, 特别是数控专业, 更要注重对学生操作技能的培养。

因为软件仿真教学存在不足之处, 例如:通过软件仿真, 将进给量设定成F10.0 mm/r, 将切削深入ap设定成20.00 mm的情况下就能够完成正常加工流程, 且不会出现警示信息。然而在通常情况下, 数控机床无法在此切削用量下正常工作。所以, 笔者认为虚拟现实技术并不能解决全部的数控教学问题, 还应通过实际操作来弥补, 软件仿真并不能和实际加工混为一谈, 这两者依旧存在一定差距。因此, 在数控教学期间, 应对软件仿真进行科学的运用, 但也不能只依靠软件组织实习教学活动。

在数控教学期间, 对虚拟现实技术进行科学地运用, 还应注重和实践教学相结合, 确保仿真软件真正服务于教学, 将虚拟现实技术作为学生加深数控知识学习的桥梁, 而不是唯一的教学手段, 减少虚拟现实技术应用的负面问题, 发挥出该技术的最佳教学作用。

参考文献

[1]徐大锋.虚拟现实技术在数控技术教学中的应用[J].电子世界, 2014, 11 (18) .

[2]姚芳, 李哲.应用虚拟现实技术推动普通高校教学改革[J].吉林工程技术师范学院学报, 2008, 11 (8) .

[3]龚成泉.虚拟现实技术在数控教学中的应用[J].职业教育:中旬刊, 2014, 12 (5) .

虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望 篇5

1 虚拟现实技术

虚拟现实 (Virtual Reality, VR) 技术利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及显示技术, 生成三维的虚拟环境, 介入者利用键盘、鼠标等输入设备, 或者带上头盔、数据手套等传感设备进入虚拟环境, 在虚拟环境中进行实时交互, 并且能够感知和操作虚拟环境中的各种对象, 获得身临其境的感受和体验。[1]虚拟现实的特征可归纳为三个“I”, 即沉浸、交互、构想 (Immersion, Interaction, Imagination) 。近年来, 随着计算机科学技术的发展和计算机性能的提高, 虚拟现实技术已广泛应用于国防、军事、医学、建筑和工程、科学、金融、电子商务、游戏和教育等方面。虚拟现实的三个基本特征沉浸感、交互性和构想性使之在教学上具有特殊优越性, 其在教育教学领域中的应用前景非常广阔。

2《工程测量》课程特点与教学中存在的不足

在非测量类专业中, 《工程测量》课程是一门专业基础技能课, 也是一门实践性很强的必修课, 它应用于多学科专业中。目前, 我院的《工程测量》课程主要面向土建类各专业, 包括建筑工程技术、道路与桥梁、市政工程、铁道工程、给排水、工程造价、工程管理、城市规划、建筑设计、园林等专业。对这些专业学生来说, 《工程测量》许多理论内容和仪器构造比较抽象, 学生不容易理解和掌握;对于仪器的操作过程如果只用文字和图片讲述课程, 学生根本不懂得操作, 教学难度比较大。

其次, 这些专业的计划学时52~120不等, 其中实验学时约占50%, 课程结束后还安排两周测量实习, 其实践环节在教学总学时中占的分量可见一斑。但随着教学改革的深入, 专业教学计划的修订冲击着每一门课程, 《工程测量》课时也有了不同程度的减少, 课后的两周实习也部分专业减少为一周。目前测量新知识新技术却越来越多, 使得工程测量实验内容非但没有减少, 一些新的实验内容如全站仪的使用、数字测图、激光仪器使用、GPS的应用等正在不断地被增加进来, 课程学时数满足不了实践教学的需要, 这样大大削弱了工程测量教学的实际效果。

再者, 由于实践教学经费严重不足, 测量实验仪器严重落后, 实验教学仪器设备跟不上现代测绘技术的发展。随着测绘技术的发展, 测量仪器已向数字化、自动化、智能化、实时化和信息化方向发展, 新型测量仪器不断出现, 并且在工程建设中已经广泛使用。[2]先进的仪器设备不在高校实验室而在工程设计和施工单位, 给高职类工程教育把握学科前沿、培养零距离上岗的高技能综合人才的目的同样地带来了严重的挑战。而如何把施工现场已普遍使用的先进的测绘技术的一些实用而简便的施工放样方法教授给学生, 是我们急需要解决的问题。虚拟现实技术的应用能够很好地解决《工程测量》课程教学中遇到的上述问题。

3 虚拟现实技术和多媒体技术在《工程测量》教学中的应用

3.1 虚拟仪器

把常用的测量仪器:水准仪、经纬仪和全站仪进行分解, 用3ds max建立仪器的三维数字模型, 既可展示仪器的整体形状, 又可展示仪器的各个部件如图1所示。仪器的三维模型经过虚拟现实 (Virtual Reality, VR) 软件的处理, 可在电脑上实现漫游, 即老师或学生可以自主地从不同角度和不同远近看仪器, 并且能通过虚拟现实技术实现仪器的拆装和检校。在课堂教学或学生自学时, 可以很方便地认识测量仪器的构造及说明仪器的使用。

3.2 虚拟仪器操作

水准仪、经纬仪是常规的测量仪器设备, 也是学习的重要内容。在三维模型的基础上, 利用电脑技术模拟仪器的操作, 使得仪器的操作过程和实际测量的方法的学习更加方便和直观。微倾式水准仪的使用容易出错的地方是仪器的精平, 通过虚拟动画的操作展示出精平时具体调节螺旋和达到的效果如图2所示, 使学生每次读数都记得精平。

仪器的“对中—整平”是经纬仪角度测量学习的难点, 为了提高设置仪器的速度和精度, 仪器在“对中—整平”时, 要注意先调整三个脚架的长度, 使全站仪的圆水准器居中, 仪器达到粗平的状态。然后松开中心连接螺旋, 移动全站仪使仪器精确对中, 最后再通过长水准器精确整平仪器, 使仪器精确整平, 从而达到仪器精确对中和整平的目的。在图3的动画中, 做到即又动作演示, 又有配音和操作指导, 效果更佳。

对于全站仪主要是通过模拟器训练距离测量、角度测量、坐标测量、放样、自由设站、数据传输等功能使用中的各按键操作和作业流程, 通过模拟器的训练和操作提示, 使学生真正实践时就会使用仪器。图4为南方测绘NTS-300系列全站仪模拟器。

3.3 虚拟实际工程测量过程

建筑工程测量以室外作业为主, 与地表形态和建筑物关系密切, 如何更多地变换实训环境, 或者更好地重现实际工作场景, 对提高教学效果有重要意义, 这也是本类课程的难点之一。我们利用虚拟现实技术, 在计算机中对真实的工作场景进行逼真的虚拟再现。这是一种全方位的三维数字模型, 就像三维游戏一样, 可以在场景中自由漫游行走, 从不同的角度观察每个细节。

根据学院的地形图和建筑设计图, 利用VR技术建立了整个校园的三维数字模型如图5所示, 利用该模型能够清晰、容易地介绍控制测量中学生比较茫然的控制点选择问题和控制测量的方法, 地形测量地物地貌特征点选择问题, 地形图绘制和应用问题, 以及如何根据建筑物的总平图及建立的1∶1的三维数字模型获取定位所需的坐标数据进行定位测量, 并根据建筑物的平面图进行施工放样等工作, 让学生直观、轻松地学习实际工程的测量工作。

4 结束语

虚拟现实技术在《工程测量》教学中的应用将有助于优化教学过程、激发学生学习的积极性、提高专业教学质量, 而且能让学生全方位观察仪器及其内部结构、实际工程测量过程, 使抽象的测量理论与直观的视觉印象能相互转换, 同时培养了学生建立正确的测量方法和科学获取数据的态度及创新能力, 适应了现代高职人才培养模式的要求。随着虚拟现实技术的发展, 它将在《工程测量》教学中发挥更大的作用。

摘要：将虚拟现实技术应用在《工程测量》教学中, 可以有效地克服《工程测量》教学中的不足, 有利于提高学生创新能力和解决工程实践中遇到的实际问题能力, 从而促进《工程测量》课程教学质量的提高。

关键词：虚拟现实,工程测量,教学

参考文献

[1]杨义刚.虚拟现实在《工程测量》教学中的应用探索[J].科教纵横, 2011 (6) :188.

虚拟和增强现实(VRAR)技术在教学中的应用与前景展望 篇6

虚拟现实 (Virtual Reality, 简称VR) , 是一种伴随多媒体技术发展起来的计算机新技术, 它通过三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨率显示等技术, 生成三维逼真的虚拟环境, 并综合利用计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术, 模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能, 使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中, 并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互, 创建了一种适人化的多维信息空间, 随着计算机软硬件技术的快速发展, 虚拟现实技术应用前景越来越广阔。

虚拟现实技术中以虚拟原型取代物理原型, 虚拟原型指的是可用于观察、操纵、装配、拆卸的三维数字模型。建立虚拟原型 (即建立几何模型与物理模型) 成为建筑施工过程中的重要环节, 虚拟施工就是建立系统的模型, 并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计的系统。

1 虚拟现实技术在建筑施工中的应用

建筑施工是复杂的大型的动态系统, 它通常包括模板、绑扎钢筋、浇捣混凝土、拆模、养护等多道工序, 其主要特点是: (1) 建筑工程的主体是固定的, 而生产是流动的, 这就要求建筑施工过程中的空间布置与时间排列要合理有序; (2) 建筑工程的生产周期长、工序多、综合性强, 工作地点多样性, 不少工序要在高空或地下进行; (3) 在建筑施工任务中, 人员关系具有复杂性, 因而他们之间的配合关系也较为复杂, 这主要是因为建筑施工生产任务较为复杂, 其完成必须通过专业相异、工种不同的人员之间的交流、合作, 再加上各种材料、机械和设施。建筑施工的这些特点, 无疑给施工方案的设计、施工现场的管理和施工操作带来相当的复杂性和困难。通过虚拟现实技术模拟施工过程可以提前发现实际施工中存在的问题或隐患, 并及时给予解决处理, 因此虚拟现实技术在建筑施工中有着多方面的应用。

1.1 建筑工程施工方案的选择和优化

建筑工程施工的施工方法及施工组织的选择和优化主要是建立在施工经验的基础上, 但是现代的建筑基本都追求独具一格, 建筑工程施工成为不可完全重复的过程, 因此这种模式存在一定局限性, 使用施工虚拟仿真技术就可以直观、科学地展示不同施工方法和施工组织措施的效果, 可以定量地完成方案的对比, 有助于施工方案的选择和优化, 真正实现最优施工。

1.2 施工技术的革新和新技术引入

施工虚拟现实技术能使工程技术人员通过计算机试验施工新工艺和革新思路, 激活人员的创新思维, 也能真实展示新技术的效果, 缩短建筑业新技术的引入期和推广期, 降低新技术、新工艺的实验风险。

1.3 施工管理方面

施工虚拟现实技术能事先模拟施工全过程, 对于提前发现施工管理中质量、安全等方面存在的隐患有极大的帮助, 以便及时采取有效的预防和强化措施, 提高工程施工质量和提升施工现场管理效果。

1.4 安全生产培训方面

施工虚拟现实技术能实时、直观地显示施工过程的实际状况, 有助于操作人员全面了解操作流程, 在进入实际操作环节之前进行模拟培训, 有利于在实践生产中优质安全地完成施工生产。

1.5 大型工程设计

施工虚拟现实技术可以通过建立计算机模型考察建筑设计是否合理, 方便地对设计不合理的部位进行修改或比较, 从而得到满意又直观的设计结果, 该技术的应用也有利于设计单位与业主、施工单位进行设计交底。

1.6 建筑市场管理

施工虚拟现实技术在招投标过程中能直观对比各方的施工方法和成效, 增加评标的透明度和公正性, 有利于建筑市场的规范化管理。

2 虚拟现实技术应用实例

2.1 主要内容

本案例模拟泉州市龙宫商住楼的施工过程, 该建筑为框架结构。结合施工进度计划表, 使用三维软件及音视频编辑软件分别模拟出相应进度的施工过程和现场。主要内容有:基础工程, 包括土方开挖、混凝土垫层、扎基础钢筋、浇混凝土、回填土;主体工程, 包括扎柱钢筋、支柱梁板模、浇柱混凝土、扎梁板钢筋、浇梁板混凝土;其他工程包括拆模板、砌墙、内地面、外墙面、天棚、内墙、、屋面等。使用三维互动软件模拟模板实体, 实现一定的三维动态人机交互, 并使用图形影像展现该栋大楼完工后的全貌。

2.2 基本工作流程

(1) 运用Auto CAD软件进行精确制图, 通过现有的平面图纸, 根据正、立、剖面, 在Auto CAD中建立适当的三维模型, 并导出DWG、3DS格式文件。

(2) 在3DS VIZ、3DS MAX中导入Auto CAD所制的图形, 建好所需要的场景模型并进行材质贴图, 在该操作系统中设定好环境, 加上泛光灯, 模拟太阳光;选择好所需位置设置照相机, 模拟人的观察角度;指定好摄像机的移动路径, 创建虚拟漫游环境;保存并导出C3D、AVI、BMP格式的文件。

(3) 运用三维互动软件CULT3D给导出的C3D格式文件中的对象指定相应的动作和行为, 如旋转、移动、缩放, 形成虚拟的三维互动, 并导出CO格式文件, 可通过IE等浏览器进行观看互动, 方便通过互联网传播。

(4) 由前面生成的多个视频文件, 通过视音剪辑软件Winproducer进行剪辑组合, 最后形成连续播放的视频文件。

(5) 导出的BMP格式文件通过Photoshop软件进行图形处理, 最终形成效果图。

3 结束语

将虚拟现实技术用于建筑施工的模拟, 不仅能够以三维图形、影像等形式实时地、动态地显示施工方案实施的全过程, 且工程技术人员可以通过软件方便地选择观察角度对施工现场进行实时漫游, 以获得全面的印象, 并可以对方案反复进行试验, 有利于对各道工序的协调组织。同时, 随着计算机技术尤其是网络技术的不断进步, 虚拟现实技术将会得到更为长足的发展, 必将更为广泛地应用于各个领域为人类的生产生活带来全新的体验。

摘要：介绍了虚拟现实技术的概念以及在建筑施工领域的应用情况, 解析了工程实例的计算机虚拟制作流程, 探讨虚拟现实技术应用的基本思路和发展前景。

关键词：虚拟现实,建筑施工,应用

参考文献

[1]周思跃.虚拟现实定义的探讨[J].计算机仿真, 2006 (9) .

[2]黄华平.在建筑施工中引入虚拟现实技术[J].城市建设, 2010 (7) .

[3]郑磊.虚拟建设及其实施的理论问题研究[D].南京:东南大学, 2005.