對于虛擬現實(shí)技術(shù)在數控技術(shù)教學(xué)中的應用分析

前 言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的教學(xué)手段不斷涌現，繼多媒體技術(shù)之后，教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域又出現一種新型教學(xué)媒體，它就是虛擬現實(shí)技術(shù)。虛擬現實(shí)技術(shù)是近幾年來(lái)國內外科技界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，它的興起，為人機交互界面的發(fā)展開(kāi)創(chuàng )了新的研究領(lǐng)域，為各類(lèi)工程的大規模數據可視化提供了新的描述方法。

目前，虛擬現實(shí)技術(shù)已廣泛應用于航空航天、醫學(xué)實(shí)習、軍事訓練、建筑設計、教育培訓等眾多領(lǐng)域。以計算機仿真和數控加工技術(shù)為基礎，利用計算機來(lái)模仿真實(shí)的數控設備工作環(huán)境，形成了虛擬數控技術(shù)，如將其應用于數控技術(shù)教學(xué)上，必將對整個(gè)教學(xué)產(chǎn)生深遠的影響。

1 虛擬現實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)述

虛擬現實(shí)技術(shù)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是借助于計算機技術(shù)及硬件設備，實(shí)現一種人們可以通過(guò)視、聽(tīng)、觸、嗅等手段所感受到的虛擬幻境。虛擬現實(shí)作為一項尖端科技，它集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，由計算機圖形構成三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個(gè)以視覺(jué)感受為主，也包括聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的綜合可感知的人工環(huán)境，提供給人們通過(guò)計算機對復雜數據進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式。虛擬現實(shí)的最大特點(diǎn)是用戶(hù)可以用自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，改變了過(guò)去人類(lèi)除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效地擴展了人們的認知手段和領(lǐng)域。

2 虛擬現實(shí)系統的基本類(lèi)型

根據用戶(hù)參與虛擬現實(shí)的不同形式，可把虛擬現實(shí)系統劃分成四類(lèi)：

3.1桌面式虛擬現實(shí)系統

桌面式虛擬現實(shí)系統也稱(chēng)為簡(jiǎn)易型虛擬現實(shí)系統，它是利用個(gè)人計算機和低級工作站進(jìn)行仿真，將計算機的屏幕作為用戶(hù)觀(guān)察虛擬境界的一個(gè)窗口，使用者通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標便可與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。這種系統的特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，因此應用比較廣泛，是一套經(jīng)濟實(shí)用的系統。但桌面式虛擬現實(shí)系統會(huì )受到周?chē)F實(shí)環(huán)境的干擾，參與者缺少完全的沉浸，缺乏真實(shí)的現實(shí)體驗。

3.2沉浸式虛擬現實(shí)系統

沉浸式虛擬現實(shí)系統是一種高級的虛擬現實(shí)系統，它提供一個(gè)完全沉浸的體驗，使用戶(hù)有一種置身于虛擬境界之中的感覺(jué)。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，并利用位置跟蹤器、數據手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺(jué)。沉浸式虛擬系統是一套比較復雜的系統，它的優(yōu)點(diǎn)是用戶(hù)全身心地沉浸到虛擬世界中去，缺點(diǎn)是系統設備價(jià)格昂貴，難以普及推廣。

3.3增強式虛擬現實(shí)系統

增強式虛擬現實(shí)系統是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統，它既允許用戶(hù)看到真實(shí)世界，同時(shí)也可以看到疊加在真實(shí)世界的虛擬對象，這種系統既可減少對構成復雜真實(shí)環(huán)境的計算，又可對實(shí)際物體進(jìn)行操作，真正達到亦真亦幻的境界。

3.4分布式虛擬現實(shí)系統

分布式虛擬現實(shí)系統是利用遠程網(wǎng)絡(luò )，將異地的不同用戶(hù)聯(lián)結起來(lái)，多個(gè)用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，對同一虛擬世界進(jìn)行觀(guān)察和操作，達到協(xié)同工作的目的，從而將虛擬現實(shí)的應用提升到了一個(gè)更高的境界。

3. 虛擬現實(shí)技術(shù)的基本特征

虛擬現實(shí)技術(shù)具有以下四個(gè)基本特征:

沉浸性——指用戶(hù)感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。虛擬現實(shí)技術(shù)是根據人類(lèi)的視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)的生理心理特點(diǎn)，由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現實(shí)世界中的一樣。

交互性——指用戶(hù)對模擬環(huán)境內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。虛擬現實(shí)系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤(pán)，鼠標進(jìn)行交互，而且能夠通過(guò)特殊頭盔，數據手套等傳感設備進(jìn)行交互。

多感知性——是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺(jué)感知之外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、力覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運動(dòng)感知，甚至包括味覺(jué)感知、嗅覺(jué)感知等。由于虛擬現實(shí)系統中裝有視、聽(tīng)、觸、動(dòng)覺(jué)的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感知，從而達到身臨其境的感。

構想性——是指虛擬現實(shí)技術(shù)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類(lèi)的認知范圍，不僅可再現真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構想客觀(guān)不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境，它不僅可實(shí)現實(shí)物虛化，還可實(shí)現虛物實(shí)化等處理。

4 虛擬現實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的實(shí)現意義

隨著(zhù)計算機、信息、網(wǎng)絡(luò )等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，計算機作為一種高效能的信息傳播工具，在教育教學(xué)過(guò)程中得到越來(lái)越廣泛的應用，如果將虛擬現實(shí)技術(shù)作為一種新興的教學(xué)媒體應用到教育教學(xué)中，這種嶄新的技術(shù)會(huì )帶給我們嶄新的教育思維，解決我們以前無(wú)法解決的問(wèn)題。

4.1虛擬現實(shí)技術(shù)開(kāi)創(chuàng )了全新的學(xué)習場(chǎng)景——徹底打破空間、時(shí)間的限制

利用虛擬現實(shí)技術(shù)，可以徹底打破空間的限制，學(xué)生可以進(jìn)入物體的內部進(jìn)行觀(guān)察，如學(xué)生可以進(jìn)入虛擬的分子、原子、航天工作站等內部，考察物體內部的工作情況。虛擬技術(shù)還可以突破時(shí)間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀(guān)察的變化過(guò)程，通過(guò)虛擬現實(shí)技術(shù)，可以在很短的時(shí)間內呈現給學(xué)生觀(guān)察。虛擬制造技術(shù)還可以應用計算機、交互外設及軟件來(lái)構建一個(gè)虛擬的生產(chǎn)環(huán)境，使學(xué)生能如同在制造現場(chǎng)一樣，與熒屏上出現的制造過(guò)程進(jìn)行自由交流?；诰W(wǎng)絡(luò )的虛擬現實(shí)技術(shù)為學(xué)習者提供了全新的學(xué)習場(chǎng)景，構造出開(kāi)放性的教學(xué)環(huán)境。

4.2虛擬現實(shí)技術(shù)提供了嶄新的教學(xué)手段——構建實(shí)物虛化、虛物實(shí)化的方法

通過(guò)虛擬現實(shí)、多媒體、網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的綜合應用，可在課堂和實(shí)驗室中展現在傳統的教學(xué)模式中無(wú)法實(shí)現的教學(xué)過(guò)程。虛擬現實(shí)技術(shù)可以對學(xué)生學(xué)習過(guò)程中所提出的各種假設模型進(jìn)行虛擬和虛物實(shí)化，通過(guò)虛擬系統便可直觀(guān)地觀(guān)察到這一假設所產(chǎn)生的結果或效果。虛擬現實(shí)系統可以進(jìn)行實(shí)物虛化，虛擬各種人物，創(chuàng )建虛擬課堂，在虛擬的課堂氣氛中，學(xué)生可以與虛擬的教師、學(xué)生一起交流討論，開(kāi)展啟發(fā)式教學(xué)。運用虛擬現實(shí)技術(shù)，還可以使學(xué)生通過(guò)在虛擬場(chǎng)景的身臨其境和自主控制的人機交互，由視、聽(tīng)、觸、覺(jué)獲取外界的反應，通過(guò)學(xué)生自我組織，制定并執行學(xué)習計劃，進(jìn)行自我評價(jià)，開(kāi)展適應式學(xué)習。還可通過(guò)小組或團隊的形式，組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習，成員間共享成果，開(kāi)展協(xié)作式教學(xué)。