基于虚拟现实技术的职业学校网络课程中实训室建设

吴 旭

苏州工业园区工业技术学校，江苏 苏州 215123

随着网络技术的高速发展，通过网络课程学习不仅可以通过图形和视频图像看到远方的机器设备，通过动画来了解设备的结构和动作原理，而且学习者还想随心所欲地能够自己动手去触摸、控制这些设备，从而增强操作能力，这就需要为这些机器设备建立三维模型，要能具有人机交互的功能。也就是说要构建—种虚拟设备的环境，学习者能处身其中，感受到这些虚拟设备的存在。这就要用到虚拟现实技术。在职业学校中，往往有些课程在实施中成本高，满足不了学生反复观察和操作的教学实训要求，因此在职业学校网络课程的设计中，应用虚拟现实技术来构建开发虚拟实验室作为教学实训的补充。

1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是在计算机多媒体技术广泛应用后兴起的更高层次的技术，它充分利用三维图形生成技术、多传感交互技术及高分辨显示技术，形成一个三维逼真的虚拟环境，具体地讲：虚拟现实技术是利用计算机技术生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投身”到该环境中，实现用户与该环境能够直接进行自然交互的技术。

虚拟现实技术的主要特点包括以下3个方面：第一，更加自然的交互性。用户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）更加自然；第二，多重感知性。除了具有一般计算机所能有视觉和听觉感之外，还有其他一些感知，比如力学感知、触觉感知、运动感知、甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实就是应该具有人所具有的所有感知功能；第三，沉浸性。是指用户作为虚拟环境中的一员存在于虚拟环境之中，即感觉到身临其境。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度，使得参与者产生一种身临其境、投入和沉浸其中的感觉。

从本质上说，虚拟现实技术就是一种先进的计算机用户接口技术，它通过给用户提供诸如视、听、触等各种直观的同时而又十分自然的具有实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作。

根据虚拟现实实现的手段，我们可以把虚拟现实技术分为以下两大类：一是使用专用的硬件设施来实现的虚拟现实技术，但是由于硬件设施的价格昂贵、操作复杂，因此使用专用硬件的技术近期不可能普及，只能停留在实验室或者小范围试用阶段；二是通过Internet在个人计算机上实现的虚拟现实技术，在Internet网上，我们可以应用VRML语言、全景环视技术、Java语言等技术来实现虚拟现实，也称网上虚拟现实技术。它是桌面虚拟现实与Internet相结合的产物。其优点是使用更加简单，便于推广。

2 VRML技术

众所周知，World Wide Web是基于HTTP的网络协议和超文本的信息内容的基础上而建立起来的，HTML语言描述了不同类型文本、图像、声音、视频如何进行超文本的二维表示格式和方法。HTML是面向二维的，它规定二维文档如何表示。但是随着网络技术的发展，很多领域都需要突破这种二维限制，以便能够实现环境与参与者的动态交互功能，于是，一种能够描述三维文档表示的语言VRML应运而生。VRML的出现使得虚拟现实像多媒体和Internet一样走进了人们的生活，简单地说，以VRML为基础的第二代万维网是多媒体、虚拟现实和因特网技术之总和。

VRML是一种放的、可扩充的三维场景建模语言，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界（Virtual World）。VRML的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体，基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。

VRML是面向三维的，它描述的是在World Wide Web上能够创建出和浏览三维的一些场景。由于二维是三维的一个子集，所以说法所有二维对象都能在三维环境中轻松地表示出来。web之父Tim Berners-Lee预测，VRML是web的未来，对人们来说，沉浸在三维空间之中要比在二维平面上按动鼠标要自然得多。VRML是以因特网作为应用平台，利用一定的工具，就可以浏览和创作出具有文本、图像、动画、声音、音乐，甚至视频的丰富多彩的三维世界。现在，由于加入了与Java和Javascript程序的接口将支持复杂的三维动画、模拟和行为，设计者可以引导参观者在三维空间游览并把注意力放在感兴趣的问题上，而不是要强制参观者做出选择，就像在现实世界中，如何去观察一个对象完全是由人们自己做出控制一样。事实上，目前采用VRML技术在很多领域已取得了成功，例如探路者到达火星后的信息就是利用VRML在网上即时发布的，网络用户可以以三维方式随探路者探索火星。

总之，VRML能够创造出融多媒体、三维图形、网络通信、虚拟现实为一体的一种新型媒体，兼具先进性和普及性。

3 职业学校网络课程中虚拟实训室设计

熟练的操作技能或现场解决技术问题的能力是职业学校网络课程内容的重心所在。网络课程的设计应该强化学生职业能力训练，综合开发学生的职业能力，提高学生就业上岗和适应职业变化的能力以及增强课程的灵活性，适应行业和社会对应用型人才规格多变的需求。

职业学校人才的培养必须要有培训场所（如实习车间、实习基地）和实验、实训设备。教学设施与设备不仅品种多、数量大，而且更新快.这势必造成职业技术教育的投入量大。此外，高价的现代化设备（如数控机床），也无法让学生有足够的机会来反复操练，难以达到工作岗位业务要求的水平。

在职业学校网络课程的设计中，应用虚拟现实技术构建和开发虚拟实训室成为必然，作为日常教学实训的补充。以便能为学习者提供真实的情境或提供实际操作的模拟，让学习者首先通过感性认识快速进入知识的学习；安排真实环境中真实任务，让学习者获得专家所具有的技能。

网络课程中虚拟实训室就是通过WWW创建一个可视化三维立体环境，其中每一个可视化的三维物体都代表一种试验对象，通过鼠标点击等操作，用户可以进行虚拟控制等操作从而能够达到试验和训练目的。

虚拟实训室的主要优点有：一是使用非常方便，无需回到现实的实训室，随时随地只要能上网就可以开展训练；二是成本低廉；三是减少干扰，可以避免现实实训室中无关干扰，比如设备故障等。四是应用广泛，以网络为载体，适应性好。

在应用虚拟现实技术构建和开发虚拟实训室中注意以下问题：

1）明确所要操作任务的目标

学习者是否能够明确操作任务，对完成的目标是否清晰，能否形成符合自己能力水平和任务难度水平的目标，是影响学习者操作效率的重要因素。在演示操作之前，应向学习者介绍并说明具体操作任务的目的或目标。

2）操作过程演示和示范的设计

（1）引起学习者对示范操作的注意

要学习者掌握所演示的操作，首先要让学习者对示范内容中的关键部分引起注意，在设计中可以利用视觉上明显的对比和差异引起注意。另外还应该注意坚持简洁性原则，在画面中应尽可能删除无关的背景和多余的细节。

（2）模拟真实的任务情境

要模拟实际的操作过程，需要提供真实的任务情境，其中包括呈现真实的操作环境、操作过程以及真实的操作结果等。

（3）选择适当的媒体，清晰示范操作过程

对实际任务情境以及操作过程的示范，需要适当的媒体表现形式。例如，对计算机软件操作过程的模拟，主要通过界面抓图和Flash动画结合的方式来模拟。

（4）按顺序逐一演示操作步骤，同时给予必要的讲解

按照实际操作的流程或顺序进行示范，对每一个步骤的操作给予适当的讲解，说明其要领和注意事项。

（5）适当的示范速度和信息量

操作过程的示范速度不宜过快，每次进行示范的操作步骤不宜过多，对于较难的任务，可以将整个操作过程分为几个小部分，依次示范讲解。实际操作过程中，为了让学习者掌握操作过程，应给予学习者控制示范操作速度的权利，使其可以根据自身情况选择上一步操作示范、下一步操作示范以及重复示范等。

3） 学习者模拟操作的设计

系统在学习者模拟操作的过程中，应该跟踪记录学习者每一次交互行为，对每一次交互行为提供反馈信息，及时强化学习者的操作行为，促使学习者掌握正确的操作过程，消除不正确的操作行为。反馈信息可以是声音信息、文本信息或动画等形式。在学习者遇到困难时，系统应及时为学习者提供适当的操作提示或帮助。在学习者操作错误的地方，再提供适当的讲解。

[1]武法提.国外网络教育的研究与发展.北京：北京师范大学出版社，2003.

[2]李克东.教育技术学研究方法.北京师范大学出版，2002.

[3]祝智庭.现代教育技术一走进信息化教育.高等教育出版社.