虚拟现实技术在教学应用中的探讨

第21卷第4期2007年8月

　　中　国　医　学　教　育　技　术　　CH I N A ME D I CAL E DUCATI O N TECHNOLOGY Vol .21No .4

Aug .2007

收稿日期:2007202206

作者简介:刘小鸿(19782),男,福建泉州人,助教,教育技术学士,主要研究方向:影视媒作与应用研究,网络媒作等。

虚拟现实技术在教学应用中的探讨

刘小鸿1

,张　鹏

2

(1第二军医大教育技术中心,上海　200433;2大连舰艇学院教育技术中心,辽宁　大连　116018)

【摘要】:针对虚拟现实技术在院校教学应用中出现的各种问题进行分析,提出了具体的

解决方案,并对其如何更好地应用提出了建议。

【关键词】:虚拟现实;多元化;模块化;升级【中图分类号】:G434　【文献标识码】:A 　【文章编号】:100425287(2007)0420283204

Probe i n to the appli ca ti on of v i rtua l rea lity technology i n teach i n g

L iu X iaohong 1

,Zhang Peng

2

(1

Center of Educationa l Technology,S econd M ilitary M edica l U niversity,Shangha i 200433;

2

Center of Educational Technology,D alian N aval A cade m y,D alian 116018,China )

【Abstract 】:The article mainly analyzes vari ous p r oble m s arising in the app licati on of virtual reality technol ogy in teaching of m ilitary colleges and universities .Then it p r oposes concrete s oluti ons t o the p r oble m s and how t o app ly virtual reality technol ogy better in educati on .

【Key words 】:virtual reality;multi p licati on;modularizati on;update 　　虚拟现实(V irtual Reality,简称VR )是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境。具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、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。

随着计算机软硬件技术的高速发展,虚拟现实

导和影响“农远工程”的决策。我们应当充分重视,从项目管理、项目经费、项目设备、项目资源、项目培训五个方面进行全面的绩效评价,促进“农远工程”的有效实施。

“农远工程”是国家实施教育改革以来,以信息化带动教育现代化的战略举措,也是我国科学的发展观和人才观得以实践锤炼的重要基石。在“农远工程”的可持续发展中,我们仍有许多问题需要认真地思考和实践。

参考文献

[1]陈小娅.充分发挥电教馆系统的作用,不断提升为素质

教育和基础教育信息化服务的水平[E B /OL ].htt p://

www .ncet .edu .cn /1陈小娅.doc,2005212225

[2]张祖忻.绩效概论概论[M ].上海:上海外语教育出版

社,2005

[3]Darlene M .Van Tee m,Ja mes L Moseley ,Joan Con way

Dwssinget .Funda mentals of Perf or mance Technol ogy :A Guide t o

I m pr oving People,Pr ocess,and

Perf or mance [M ].

Washingt on:I nternati onal S ociety f or Perf or mance I m pr ove ment,2000

[4]贾璐.安徽农远工程可持续发展策略思考[J ].教育技术

资讯,2006,(4):11212

[5]张祖忻.绩效概论概论[M ].上海:上海外语教育出版

社,2005

[6]张祖忻.绩效概论概论[M ].上海:上海外语教育出版

社,2005

[7]农村中小学现代远程教育农远工程办公室.2005年第

二期农村中小学现代远程教育农远工程简报[E B /OL ].

htt p://ycjy .moe .edu .cn /A rticle .as p?A rticle I D =881,2005204205

技术凭借其独特优势,已逐渐被广泛应用,其开发制作已被越来越多的技术人员所掌握,但与此同时也暴露出了诸多问题。主要反映在开发周期长、设计思路窄、内容与实际应用脱节、情景设计单调、临场感不强、对使用者吸引力不足等问题上。本文主要对这些问题的产生及具体解决方案予以探讨。

1　目前在开发应用中存在的问题

1.1　与院校实际需求脱节

1.1.1　项目设计之前调研不够充分　虚拟现实技术作为一种载体,是用来达到更好的教学效果的一种工具[1]。在教学应用中如果要达到最好的效果,就要确定该技术适用于哪些科目的教学,院校实际需求是什么,学生需要什么样的学习模式和学习过程。目前的教学设计,多停留在设计人员和制作人员的主观判断和个人喜好上,没有能够深入到使用者群体,对使用者的知识结构、年龄结构、学习习惯、学习方法、兴趣点进行深入调研。有的虽做了一定调研,但实际设计项目过程中分析、考虑不够。比如,设计者和使用者有10～20岁的年龄差异,那设计者就不能以自己的认知方式和兴趣点来判断使用者。

1.1.2　项目周期长,影响实际应用　虚拟现实项目开发是一个大的工程,需要很多专业技术的整合。如,利用虚拟现实技术制作一个教学系统,如果最终它能够发挥应有的作用,就必须具备详实系统的知识体系、完善体贴的交互界面、漂亮真实的画面以及对使用者足够的吸引力[2]。而一个能满足这些要求的系统,不是一个人或者几个人一朝一夕就可以完成的,也不是某个单一专业的一批技术人员可以做好的。

因此,虚拟现实项目的制作周期往往比较长。另一方面,随着科技的迅猛发展,知识的更新和信息的刷新速度越来越快,甚至会出现一个教学系统在最需要它的时候,制作没有完成,等制作完成了,它的很多内容、数据已经过时了,或者它所教授的设备已经换代了。开发周期控制不好,就会导致人力和资源的浪费,导致本来很好的教学系统错过了发挥作用的时机。

1.2　开发队伍不完善

在院校目前的开发制作中,开发队伍往往是由软件设计编程人员组成,或由他们为主体,而其他专业人员不完备。这些人员在界面设计、图像处理、模型建构等诸多方面缺乏专业技能,出现了边学边做,做了质量不高,甚至做完了不能满足要求再重复制作等问题。界面设计单调影响观感尚为其次,模型和贴图处理不好会严重影响整个系统的视觉效果粗糙导致运行速度缓慢,浪费大量计算机系统资源,使多元素复杂地形的大场景无法实现。此外,软件设计编程人员长年受工作特点影响,侧重于使用编程方式实现效果,使得很多本来可以轻松高效实现很好效果的地方,浪费了大量的时间和气力,却效果不佳。这些问题都导致了开发制作周期大幅度延长,同时为制作过程增加了很多不必要的困难。

1.3　开发思路单一,内容设计单调,缺乏吸引力

虚拟现实技术被大量应用到很多方面,其中用作虚拟教学训练系统和虚拟战场仿真最为常见。

首先来参照一下美方训练用虚拟战场系统VBS1(V irtual BattleField Syste m s1),VBS1为美国海军陆战队执行致命环境与非致命环境下的虚拟战场训练任务,它可以划分为题材、本土防御题材和快速反应训练题材[3]。作为一个互动式的三维立体训练系统,它可以为小队的战略战术训练提供复杂多变的自然环境、用户可自行定义的任务环境以及交通工具和装备的编辑,并且利用环境状况的变化来提高小队在不同环境中的作战经验。行动结束后的评定功能可以帮助总结训练人员的成绩和未来有待于提高和改进的方面。

参照美方训练用虚拟战场系统VBS1,我们来思考一下。作为虚拟现实系统,一般认为需要具备3个基本特征—交互(I nteracti on)、沉浸(I m mersi on)和想象(I m aginati on)[4]。这3个特征也就体现了虚拟现实技术的优势,它可以为使用者提供的、全面的、真实的、深刻的感官体验,同时它也具有了传统方式所不具备的吸引力。这就要求我们选择这种系统的开发人员,要充分发挥它的特性,使它可以为使用人员带来更多的自主性和更多元化的受教育体验。而目前大多数模拟系统往往场景简单,内容单调,任务模式少且缺少变化,画面元素粗糙且缺乏视觉美感,这极大地了受众的感官体验,影响了系统对受众的吸引力和影响力。

虚拟现实系统作为一种载体,可以给使用者带来真实全新的感官体验[5]。在开发运用它时,由于其本身优势,就可以考虑为它赋予更多的元素,为它赋予更多领域的思想内涵。比如,我们以上提到的VBS1系统,它所具备的题材、本土防御题材和

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快速反应训练题材等,就涵盖了更多的思想教育因素在里面。以往我们在开发过程中,往往只注重强调对单一知识或战场情况的模拟。在思想政治教育和意识形态领域,如果受教者在不经意间受到思想观念和意识形态的渗透和影响,往往比直接的说教和表面的宣传更为有效。因为使用者本身的体验过程就是一种经历,在经历和体验的过程中形成的理念,是经过自身的思考和提炼而自我形成的,而不是被动地被灌输的。虚拟现实技术在这方面的优势,如果在开发过程中没有得到充分的重视和利用,就等于摒弃了其自身最大的优势。

2　问题的具体解决方案

2.1　充分调研,从用户角度进行项目设计

充分的调研是项目成功的前提,开发设计人员要深入到用户群中,了解他们需要什么样的教学系统。主要包括:现有文化程度,曾经用过什么学习系统,对这些系统哪些功能比较满意、哪些功能感觉存在不足,希望有什么样的学习过程,喜欢什么样的交互方式和考核方式等。通过一定的调查研究,就可以针对用户群体的各方面特点对项目的整体形式、结构和内容进行设计。

2.2　统筹规划,建立完善的开发思路和制作群体

在制作之初,就必须建立完备的制作群体。

2.2.1　任命专门的项目负责人　主要负责制定完备的计划,并在以后的项目制作过程中协调各专业制作人员。

2.2.2　具有一批相关领域的专家　主要负责为项目设计情景和任务,力求在项目之初为项目的各个方面定出清晰规划和明确的技术指标。

2.2.3　拥有一批满足特殊要求的制作人员　以编程人员为主,再配备必要数目的三维动画人员、美工人员和音频处理人员,这些人员要了解虚拟系统对各方面素材的特殊要求。

2.3　拓宽设计思路,使系统功能多元化

2.3.1　突破一个教学系统一个教学目标的传统　突破传统思路束缚,使系统在具备教授知识或锻炼实战经验等本身功能之外,具备多元化的功能。将爱国主义情操、大无畏的精神等各种思想教育元素和品质意志培养元素加入其中,使系统使用人员在知识学习的同时,通过各种感官的刺激,通过接近现实的虚拟体验,在不知不觉中情操、荣辱观和军魂意识同时得到提高。

在这方面,各国有很多成功的先例,譬如,美军曾经发行了《美国陆军》、《士兵》等虚拟游戏,让青年人更好地了解,了解为保卫国家而战斗的骄傲,从而对征兵工作的宣传、士兵军魂意识的建立以及训练起到了很好作用。

2.3.2　添加情境设计,突出吸引力　在一定程度上,如果我们加入一些情节元素在系统中,通过一些特定情境、特定背景的模拟,提高使用者的兴趣,将会有意想不到的功效。譬如,在一场以卫国战争为背景的前提下,进行一场虚拟战争的模拟。在制作过程中,设计人员适当加一些情节元素,不仅达到战术演练的目的,而且会给使用者带来成就感和更真切的体验,系统本身对使用人员的吸引力也大大提升。

2.3.3　完善信息交互、信息反馈功能　信息交互以网络为载体,实现教师与学生、学生与学生的信息交换,尤其在协作演练中尤为重要。

传统的多媒体往往是单向的,而且施教者很难判断受教者的学习情况和学习过程。信息反馈功能很好地解决了这一问题,在虚拟现实系统中建立信息反馈功能,对学生的访问情况、访问内容、学习时间长短等进行分类、总结、反馈,有助于教师对学生情况的把握,以便更好地调整教学计划。

2.4　专业整合,发挥各自优势

制作过程中,各个专业人员之间的职责不同,应各司其职:

专门的项目管理者和负责人对整个项目负责,控制并检验各方面人员的工作进度和工作质量,及时协调各个方面专业人员的交流与合作。项目所涉及专业的专家负责确保武器装备性能以及专业知识的准确性系统性。

模拟专家要把握好场景设计、情节分支的多元化,模拟空间的交互体验效果,同时要把握视觉元素和听觉元素的使用和搭配。

编程人员主要负责项目中的程序编写工作,整合其他各方面专业人员的素材,为使用者提供完备的交互体验和流畅的交互速度。

三维动画设计人员主要负责模型的搭建和贴图的提供,这一部分对系统的运行速度有很大影响,必须用最精简的面数表现尽可能多的细节,同时还应该为编程人员能够便利地使用和大场景的实现打下基础。

美工人员的主要职责是对于界面的设计,并为

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其它各个专业人员提供相关的辅助。

音频处理人员主要负责对整个项目的配音,着重是关键部分通过音乐来渲染氛围,烘托情感。

网络技术人员主要负责完成系统中的信息交互功能、协作功能。

在各专业人员的协同中,互相交流非常重要。在整个开发过程里,必须及时了解彼此的进度,理清自己的任务和伙伴的要求。在模型、数据、图像、音频的提供过程中,更要有完备的标准和命名规则,以便能够高质高效地完成项目。

2.5　采用灵活的开发思路,充分运用可借鉴的资源

世界上很多国家在开发虚拟训练系统的过程中,除自行研发以外,大量采用市场上的各类虚拟游戏为蓝本,经过适当的修改,使其真实表现出武器装备的性能和细节,并具备适应训练需要的战略战术系统[6]。经过有针对性的修改,这些虚拟游戏就可以很好地满足训练的要求,这也是一种可借鉴的好方法。在院校虚拟现实技术项目的开发研制过程中,我们应当尽力挖掘和利用一切可利用的现有资源,为项目的开发研制不断寻求便捷有效的新途径。

2.6　模块化设计,开放性系统

虚拟现实由于其本身的特点,存在着制作难度大、制作周期较长的特点,这就要求设计人员必须考虑尽可能保证其有更长的使用周期。现今的知识和信息飞速发展,知识的更新周期越来越短,要保证教学系统的内容能够适时跟上知识的更替,就必须实行模块化、易于升级的制作思路。

模块化就是要将项目的各部分划分为多级子模块,每一模块自成整体,拥有统一规范的接口,以方便今后可以根据需要对模块进行局部升级。

开放性系统是指给用户提供简单的更新功能,预留给教师专供今后更新的模块,以便在一些可能会发生数据变化的地方,教师可以根据需要自行更新。由于用户在技术上有很大的局限性,因此,更新模块要简洁、方便、易懂。

3　关于虚拟现实技术在应用的趋势

3.1　向高效率低成本、内容趋向多元化方向研发

当初,美军SI M NET坦克训练模拟系统投资高达1.4亿美元,上百名设计人员花费了长达10年的时间才开发研制完成。现在一款与之相似的《DOO M启示录》只需投入2.5万美元,用8个研究人员花费6个月的时间就可以完成,效果却和SI M NET作战模拟系统几乎一样。

软硬件技术的高速发展,为系统研制的高效率提供了坚实的基础。此外就成本而言,与动辄硬件花费数千万美元的高端军用模拟器相比,适用于普通计算机的虚拟现实模拟系统,由于其硬件极其低廉,便于普及,将会有很大的发展空间。虽然其相对高端系统在虚拟体验的感受上有较大差距,但已足够满足绝大多数需求。高效率、低成本的研发模式将会更好地适应院校信息化建设和装备普及的要求,从而得到普遍运用和巨大的发展,内容的多元化也会逐渐显现优势。

3.2　制作人员以复合型人才为主体

上文讨论了虚拟现实项目开发中所需的各种专业人员及其职责,随着时代的发展,同时精通多种相关专业的复合型人才将会凭借其知识的多元性而成为虚拟现实项目开发研制的主力。这些人才不再是边学边做,而是已经精通多种专业知识,他们的出现将会在很大程度上节省人力、物力资源,提高项目制作的效率。复合型人才开发虚拟现实系统更符合实际需要并具备诸多优势,必将成为将来虚拟现实系统开发的主力军。

本文参照国外的发展状况,就院校在虚拟现实技术开发运用过程中的一些问题进行了探讨。随着虚拟现实技术日趋成熟和进步,相信在不久的将来,虚拟现实技术将会在院校建设中发挥更大的作用。

参考文献

[1]周岩.虚拟现实及应用的研究[J].哈尔滨理工大学学

报,2000,(4):15216

[2]李慧.数字交通中的“虚拟现实”技术应用[J].信息技

术,2006,(6):627

[3]胡晓峰.编译.美军训练模拟[M].北京:国防大学出版

社,2001

[4]Burdea G.V irtual Reality Syste m and App licati ons[C].

Electr o’93I nternati onal Conference,1993

[5]王惠刚.计算机仿真原理及应用(第二版)[M].北京:

国防科技大学出版社,2000

[6]李尊营.虚拟现实系统及应用[J].临沂师范学院学报,

2002,(6):12214

682