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《探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用論文關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)交互論文摘要:本文對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)做了介紹,指出了虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì),并給出虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建的基本思想以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu),闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用手段和方法。實(shí)驗(yàn)一直都是與教學(xué)息息相關(guān)的重要活動(dòng)之一。它可以使學(xué)生更好地感受、理解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程,讓枯燥的理論知識(shí)變得形象,易于理解。實(shí)驗(yàn)不僅能幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí),提高通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段探索科學(xué)知識(shí)的能力,還能激發(fā)學(xué)生探索未知世界的興趣,增強(qiáng)創(chuàng)新能力。然而,當(dāng)前實(shí)驗(yàn)方面存在的諸多難題卻嚴(yán)重限制了教學(xué)質(zhì)量的提高。
2、如實(shí)驗(yàn)成本過(guò)高,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的儀器和設(shè)備往往代價(jià)昂貴,實(shí)驗(yàn)材料也比較貴,而且有些實(shí)驗(yàn)儀器損耗較大,需要經(jīng)常更新。而許多學(xué)校在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)上又捉襟見肘,要么是實(shí)驗(yàn)配套的設(shè)備和儀器不完善,要么就是儀器設(shè)備陳舊過(guò)時(shí)。即使有完善的較新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上的限制也可能無(wú)法滿足大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要。為了緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壓力,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量,可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(ⅥrnJalReaJ時(shí),簡(jiǎn)稱vR技術(shù))出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代,隨著處理器技術(shù)的大幅度提高以及圖形繪制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理
3、技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展,近幾十年來(lái)在國(guó)內(nèi)外形成了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究熱潮。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種先進(jìn)的人機(jī)界面,它通過(guò)為用戶提供視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等直觀而自然的實(shí)時(shí)感知交互的方法和手段,最大程度地方便用戶的操作,從而減輕了用戶的負(fù)擔(dān),提高了系統(tǒng)的工作效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有3個(gè)突出特征:沉浸性、交互性、想象性。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由兩部分組成:一部分為創(chuàng)建的虛擬環(huán)境,另一部分為介入者。虛擬現(xiàn)實(shí)的核心是強(qiáng)調(diào)兩者之間的交互操作,即反映出人在虛擬環(huán)境中的體驗(yàn)。我們可以給出如圖1的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型。二、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)共享程度高
4、。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在地域和時(shí)間上的限制,它不僅可以接受本地用戶的訪問(wèn),有訪問(wèn)權(quán)限的異地用戶也可以使用系統(tǒng)。并且也無(wú)需考慮使用時(shí)間的問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問(wèn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,極大地提高了信息與實(shí)驗(yàn)資源的共享程度。(2)強(qiáng)大的交互能力。為了向用戶提供一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往都具有強(qiáng)大的交互能力,實(shí)驗(yàn)者和虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間可以通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊或者拖曳操作進(jìn)行交互,實(shí)驗(yàn)者可以實(shí)時(shí)地觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(3)支持協(xié)作。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了多種方式來(lái)完成用戶間的信息
5、交流。2.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模如何構(gòu)建教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),使其能夠擁有豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容表現(xiàn)方式、提供形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,讓讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從感知到理解的過(guò)程,一直是研究教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。4虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建是將多種技術(shù)綜合運(yùn)用,首先構(gòu)建實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需要的各種儀器設(shè)備,對(duì)于場(chǎng)景進(jìn)行建模。三維虛擬場(chǎng)景模塊的建立是以某一實(shí)景為基礎(chǔ)的,因此在虛擬場(chǎng)景建模之前需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)地考察并對(duì)建筑物進(jìn)行篩選,從而構(gòu)建具有真實(shí)感的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對(duì)于儀器設(shè)備完全用ⅥML語(yǔ)言建立復(fù)雜的三維模型是相當(dāng)煩瑣的,而且建模方法缺乏直觀性,而3DSMAX強(qiáng)
6、大的三維建模功能以及對(duì)具有轉(zhuǎn)換為V文件格式輸出的功能,使其在三維虛擬場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用。我們?cè)趯?shí)際的建模過(guò)程中根據(jù)要建立模型的特點(diǎn)選擇建模方法。簡(jiǎn)單模型,直接采用VRML中簡(jiǎn)單幾何體拼貼紋理的方法,對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景則采用3DsMAx建模后以VRMI,文件格式輸出。當(dāng)然在虛擬實(shí)驗(yàn)的建模過(guò)程中的龐大建模工作量對(duì)軟件的建模效率以提出了很高的要求,于是,在該建模過(guò)程中我還采用了高效的照片建模軟件Canoma,Canoma是MetaCreations公司(即現(xiàn)在的Vie、vpoint公司)的軟件產(chǎn)品,利用它可以讓我們無(wú)需建模,即可直接從一張或幾張
7、照片制作三維模型,因?yàn)槭褂谜鎸?shí)照片直接生成三維模型,所以效果非常真實(shí);而且CaIloma可生成網(wǎng)絡(luò)使用的VRM,文件格式。為了能夠反映真實(shí)儀器設(shè)備的特性,有時(shí)還采用FLASH技術(shù)來(lái)達(dá)到儀器設(shè)備外觀的逼真性,并提供一些基本的交互。3.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的交互交互性是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要問(wèn)題。一類是用戶在瀏覽場(chǎng)景的時(shí)候,主要的輸入設(shè)備就是鼠標(biāo),這時(shí)候檢測(cè)器實(shí)際上是檢測(cè)用戶對(duì)于鼠標(biāo)的各種操作動(dòng)作,如鼠標(biāo)的單擊、指向、拖動(dòng)等等,從而場(chǎng)景做出相應(yīng)的反應(yīng)。檢測(cè)這類動(dòng)作的監(jiān)測(cè)器是接觸型監(jiān)測(cè)器。描述這類監(jiān)測(cè)器的節(jié)點(diǎn)有接觸監(jiān)測(cè)器節(jié)點(diǎn)TouchSe
8、nsor以及PlaneSensor節(jié)點(diǎn)、SphereSensor節(jié)點(diǎn)、CylinderSenS0r節(jié)點(diǎn);另一類是用戶和場(chǎng)景中某對(duì)象接近的程度,對(duì)象做出相應(yīng)的反應(yīng),使得用戶和虛擬對(duì)象之間形成交互。將所有儀器設(shè)備成功地加入到場(chǎng)景當(dāng)中之后,用戶應(yīng)該可以隨意地拿起自己需
