第23卷第2期2007年2月甘肃科技Gansu Science and TeclnOIOgyVol.23 No.2Feb.2007［2］王楠.等.建设工程造价控制与案例分析.武汉：武汉理工大学出版社，2005.虚拟现实在工科实践教学中的应用张兰华，黄伟奇（三峡大学，湖北宜昌443002）摘要：文章介绍了虚拟现实的特点，并分析了虚拟现实技术在工科实践教学中的优势和局限性，最后探讨了虚拟现实技术在工科实践教学的应用。

关键词：虚拟现实；实践教学；人机交互中图分类号：!7281 虚拟现实的特点及构成虚拟现实（iirtuaI ReaIity，简称iR）是一种可以创建和体验虚拟世界（iirtuaI WOrId）的计算机系统。

其中虚拟世界为全体虚拟环境（iirtuaI Envi-rOnment）或给定仿真对象的全体，它是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。

因此，一个身临其境的虚拟现实系统是由包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音处理与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。

与传统的人机交互技术相比，虚拟现实具有三个最突出的特征：交互性，沉浸感和构想性.其中，交互性是指参与者通过使用专用设备，用人类的自然技能实现对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）；沉浸感是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度；构想性则是使iR技术的应用能解决在工程，医学，军事等各行业的实际应用问题，使人有可能从定性和定量综合集成的虚拟环境中得到感性和理性的认识，进而深化概念，产生新意和构想，主动地寻求，探索和接受信息，而不是被动地接收。

一个典型的虚拟现实系统主要包括以下五大组成部分：虚拟世界，计算机，虚拟现实软件，输入设备和输出设备.与虚拟世界交互的过程大致是：参与者首先激活头盔，手套和话筒等输入设备为计算机提供输入信号，虚拟现实软件收到由跟踪器和传感器送来的输入信号后加以解释，然后对虚拟环境数据库作必要的更新，调整当前的虚拟环境场景，并将这一新视点下的三维视觉图像以及其他（如声音，触觉，力反馈等）信息立即传送给相应的输出设备（头盔显示器，耳机，数据手套等），以便参与者及时获得多种感官上的虚拟效果。

2 虚拟现实技术在工科实践教学中的优势2"1工科实践教学的意义大学生实践教学是高等教育的重要教学环节之一，是指导学生理论联系实际、培养学生综合素质与创新意识的重要途径，在人才培养中尤其是在工科人才培养中有着其他教学方式不可替代的特殊作用。

实践教学的内涵包括实验、实习和实训，是基于专业知识、职业岗位能力和职业素质结构要求而设置的不同的实践教学环节，是三个不同类型的实践教学形式，同时也是相互关联和相通的，各自在实践教学中完成不同的任务。

实验是为具体课程教学设计，作为课堂理论教学的辅助，通过实验，使学生对课程理论和知识点加深理解。

创新实验是非验证性的、激发创新思维的实验。

实习是专业教学阶段性的认识性实践教学，是理解专业知识，熟悉专业设备和基本掌握操作技能的必要实践环节，同时也使学生了解本专业所对应的岗位、所从事工作的内容和对工作人员能力和素质的要求。

实训是对学生包括单项能力和综合技术应用能力进行的训练（含课程设计、毕业设计等），也包括职业岗位实践训练，是应用性实践教学。

通过各种实训，使学生能够掌握从事专业领域实际工作的基本操作技能和基本技术应用能力，尤其是综合实训，通过模拟项目、模拟案例对学生进行解决实际问题的综合能力训练。

2"2虚拟现实在工科实践教学中意义在实践教学中利用虚拟现实技术，许多动作程序可以先在计算机模拟环境中演练，然后再到现场实物操作。

这种教学方式不仅可以验证书本知识，也可以作为今后就业的先期实践。

使用虚拟现实技术，改变了以往一些教学观念和教学模式，成为高校产学结合的一种新形式。

它是现代教育技术给高等院校的实践教学带来的一个变化。

虚拟现实技术应用于实践教学，也是计算机辅助教学的形式之一。

这种教学方法可以进一步分为模拟实验（仿真实验）和模拟训练。

模拟实验是使用计算机多媒体技术制作仿真课件，营造一个可供观察并可以动手操作的实验环境，让学生通过动手操作，控制一些变量，引起虚拟世界中事物的一些变化。

例如，利用虚拟现实技术进行物理、化学实验等。

这种模拟试验主要是为了认识客观世界。

模拟训练是利用计算机多媒体技术，制造一个接近真实的训练环境，让学生身处其中，自己动手操纵仪器，获得经验，掌握工作能力。

如学生可以在模拟的驾驶舱里驾驶飞机、轮船等。

这种模拟实验目的在于培训技能。

当然，在教学实践中往往是二者兼而有之。

还有一种情况是单纯的教学演示，把需要观察的世界重现在学生的眼前，演示那些凭借肉眼难以看清楚的世界———宏观或者微观的世界。

利用虚拟现实技术，学生能够在模拟的超级信息化的环境中进行学习活动。

从实践中可以看出采用实用软件和模拟仿真系统进行实践教学具有的很多优越性，如节约经费、减少占地空间、避免大型装备的设施损坏、保证师生安全，以及有利于学生创新和自信力的提高等等。

（l）弥补教学条件的不足。

在实际教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。

利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。

同时实验反复进行，耗费较少，节省实验经费。

（2）避免真实实验或操作所带来的各种危险。

以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。

利用虚拟现实技术进行虚拟实验.则可以免除这种顾虑。

学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验，不用担心实验的失败对人身和设备造成的损坏（特别是破坏性实验、超负荷实验、危险实验）。

（3）彻底打破空间、时间的限制。

利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。

大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。

例如学生可以进入虚拟发电厂内，考察发电机的每个部件的工作情况以及每个部件之间的相互联系，了解整个发电过程，这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。

（4）培养学生的创新精神和创新能力。

利用虚拟实验环境，可以发挥实验者的想像力，去实现自己的设计，而不受器材、仪表等的限制，为培养学生的创新意识和能力提供了广阔的实验空间，这是传统模式下无法实现的。

3 虚拟现实在工科实践教学中应用虚拟现在工科实践教学的应用十分广泛，下面仅就虚拟现实在工科实践教学中部分应用作简单介绍。

3!l电力系统实践教学电力系统的实践教学中，电力操作实训是一项既危险又重要的实践项目。

因为电力网络遍布全国，电力设备相对集中，因此远程操纵成为必然。

而远程操作设备的准确性必然降低，电力系统是不能出现任何偏差的系统，学习过程中，学生对于电力设备的操作训练就显得十分重要。

而将虚拟现实技术应用到传统的监控和数据采集系统中，使操作员在计算机制造的虚拟环境中，产生一种“身临其境”的感觉，将会使电力系统的安全级别上升。

3!2建筑规划与城市规划实践教学利用VR技术进行建筑规划课程设计或在建筑设计阶段就能以可视的、动态的方式全方位展示建筑物所处的地理环境、建筑物外貌和各种附属设施，可以让设计人员在虚拟建筑物内漫游，获得第一手材料，来验证自己设计的建筑物是不是合适。

在建筑设计中，除要考虑结构及强度等问题外，还要考虑采光、声音效果、通风等许多问题，而这些问题要预先估计出来是比较困难的。

利用VR技术，虚拟出建筑物，让设计人员到室内考查，这就方便多了。

对于讲演厅、电影院的设计，则可用VR技术来考查声音效果，帮助设计人员改进设计。

因而VR技术是建筑规划方案设计、装修效果展示、方案投标、方案论证及方案评审的有力工具，在建筑设计业、虚拟城市、房地产业和建筑装修业等领域有着日益广泛的应用前景。

3!3计算机原理实践教学利用虚拟现实技术，可以模拟显现那些在现实中存在的，但在课堂教学环境下用别的方法很难做到或者要花费很大代价才能显现的各种事物，供学432甘肃科技第23卷生学习和探索，当学生学习某种机械装置，如计算机的组成，结构，工作原理时，传统的教学方法都是利用图示或放录像的方式向学生展示，但这些方法难于使学生对这种机械装置的运行过程，状态及内部原理有一个明确的了解.这时，应用虚拟现实技术就可以充分显示出其优势：它不仅可以向学生直观地展现出计算机的复杂构造，工作原理以及工作时各个零件的运行状态，而且还可以模仿出计算机各部件在出现故障时的表现和原因，向学习者提供对虚拟物体进行全面的考察，操纵乃至维修的模拟训练机会，从而使教学与实验得到事半功倍的效果.4 虚拟现实技术应用于实践教学的局限虚拟现实技术应用于实践教学有一定的局限性，主要表现在：如果仅考虑交互的真实性，那么无论如何身临其境，真正动手操作机器的效果要强于任何媒体教学。

虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作。

建构主义主张研究性学习，这可通过教学模式改革得到实现。

学生利用虚拟现实技术进行学习是一个好办法，但是这与真正的科学研究毕竟不同。

科学家可以在自己的试验中发现人类未知世界，而仅仅依靠虚拟现实技术进行模拟试验，不可能得出新的科学结论。

举例来说，法拉第通过把磁铁穿越线圈的试验，发现磁可以转化为电，提出电磁感应原理，从而为制造发电机奠定理论基础。

但学生在电子模拟实验中，至多是重复前人已有的试验过程，了解这一理论。

原因在于学生所做的实验，已经局限于计算机所预先设置的情景和程序之内了，固定的操作，只能产生相应的结果。

因此，虚拟现实技术的使用不是完全意义上的实验，只能在一定程度上代替某些实验（主要是理工科的重复性实验），而不能完全代替实践教学，尤其不能代替有创造性目的的试验。

这种方法是认识科学原理或训练技能，而不是发现、发明（在发明过程中可以利用电脑来设计），它有助于实践教学，故而可以称作实践教学的辅助形式。

5 结语虚拟现实作为一门新兴的科学，目前也尚有诸多因素限制它在教育领域的广泛应用（例如：自身技术还不够成熟，用于教育和培训的应用系统依然较少，硬件设备比较昂贵等），但我们可以肯定地说，VR技术将会是继多媒体，计算机网络之后，在教育领域内最具有应用前景的"明星"技术，它将使21世纪的教育与培训事业发生质的变化.因此，我们应该尽快认识到虚拟现实技术的应用价值，尝试在各个教育和培训领域开发它，使用它.参考文献：［1］曾芬芳.虚拟现实技术.上海交通大学出版社，1977.［2］吴洪建，倪男奇，译.PrisciIIa Norton Karin M.Wibrrg 著.信息技术与教育创新［M］.中国轻工业出版社，2002.［3］张茂军.虚拟现实系统.科学出版社，2001.［4］邹范林.略论虚拟现实技术在教学中的应用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.（上接第246页）我们都不难看到，甘肃省中小企业融资问题没有根本解决，造成这种状况的原因除了上面提到的那些外，还有一个隐性的，但却是不可忽视的原因：那就是担保公司高额的手续费和反担保措施的实行。