虚拟现实技术在实验教学中的应用

钱宏武

【摘要】虚拟现实技术是21世纪的前沿技术，通过虚拟现实技术可以实现在现实社会无法实现或者很难实现的操作。本文通过一个实践教学案例讨论了虚拟现实技术在实验实训教学中可以发挥的重要作用，展现了虚拟现实技术在教学中的应用前景。

【关键词】虚拟现实 职业教育 实践教学

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）01-0254-01

虚拟现实（Virtual Reality）是通过以计算机技术为核心的现代高科技生成的视、听、触觉一体化的虚拟环境，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、相互影响，从而产生等同真实环境的感受和体验。通俗地说，“虚拟”是指用计算机生成的意思，“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在的任何事物或环境，可以是实际上的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。

一、虚拟现实技术及其在教学中的作用

虚拟现实是用计算机技术模仿已知的事物变化规律构造出来的一种人工环境，可以使人置身于这种虚拟环境中产生等同真实环境的感受和体验，并可与之相互作用，验证实际效果和进一步探索事物的发展变化规律。软件是指运用现代计算机技术根据真实变化规律开发出来的虚拟现实软件；硬件包括以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器。

1.视景仿真方面

据统计，人对外部世界的认知约75%来源于视觉。两只眼睛所看到的这种物体的深度和观察视差经视觉中枢综合后便产生了真实的立体三维观察效果，从而达到身临其境的效果。

理想的模拟环境能让用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中。该环境中的一切看上去都是真的，如同在现实世界中的感觉一样难以分辨真假。

2.交互仿真方面

虚拟现实与一般立体电影的不同之处在于能够人机交互。三维虚拟现实中的虚拟空间是动态的、可操纵的。用户可以借助一些专门的外部设备以自然的方式来操纵虚拟世界的物体，这些物体可对这种操纵作出响应。

3.实时跟踪计算方面

虚拟现实系统可根据用户的不同要求，根据已知原理的理论、公式和经验建立相应的数学模型，开发相应的实时计算软件，即时报告相应数据。在虚拟现实系统中人们可以实时地从定性和定量两个方面得到综合集成的感性认识和理性认识，从而激发创造性思维，拓宽人类的认知范围。

二、虚拟现实教学系统的优点

1.教学手段先进

一般来说专业实训设备体积较大而实训教学场地很有限，而用现代化计算机仿真技术，通过大屏幕投影可以将有关设备真实地展现在学生面前，有利于学生的正确理解和掌握。

2.办学成本降低

专业实验实训设备往往结构比较复杂，单价较高。为实训教学增加设备的台数势必大幅度增加购置经费和后期的维护保养成本。利用现代化计算机仿真技术可以减少设备台数和占地面积，而且没有原材料消耗，大大减少办学成本。

3.学习效果明显提高

用计算机仿真技术将设备三维“虚拟”出来，可以提高学生的学习兴趣，并且在教学过程中互动，学生就像在现实工程设备上进行操作一样得到最全面最切身的实操体验。

三、虚拟现实软件Packet Tracer在实践教学中的运用

PacketTracer是由Cisco（思科）公司发布的一个虚拟各种网络设备的工具，为学习网络技术提供了设计、配置网络，排除网络故障的虚拟环境。软件的使用和视窗操作系统（Windows）环境一致，用户可以在软件的图形界面上通过拖曳的方法搭建网络拓扑，可以模拟现实设备的配置过程，现实网络设备绝大部分的配置命令都可以在这个虚拟环境中实现。

1.搭建实验拓扑结构

打开PacketTracer软件，选择一台路由器，两台交换机和若干台终端计算机。

2.基本参数的设置

网络拓扑搭建完毕后，提示对PC机、Web Server及路由器各端口的IP地址等参数进行设置。

3.协议封装分析

通过分析协议数据的构成，来理解物理地址、IP地址在通信中的作用及数据的封装过程。“事件列表”中选择“来源设备”是PC1，而目标是WebServer的数据包。在拓扑中Switch1设备上出现一个模拟的数据包。

四、虚拟化实践教学的局限

如果从交互的真实性方面考虑，不管虚拟现实技术如何身临其境，学习效果与真正的动手操作是无法比较的。学生利用虚拟现实技术进行学习是一个好办法，但是这与真实的实践毕竟不同，虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作。

首先，在虚拟实验中，学生无法体验一些在真实实验中出现的问题。其次，在虚拟实验中，学生很难得到新的发现或科学结论。此外，由于虚拟现实技术的发展，某些在真实设备上的操作还无法在虚拟现实软件中实现。因此，虚拟现实的实验不是完全意义上的实验，只能在一定程度上代替某些演示、验证性实验，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。

五、结束语

虚拟现实技术应用于高校教学是必然趋势，它将在探索和发展现代教育思想、提高教育技术水平、改造实验环境和优化教学过程、培养具有创新意识和创新能力的人才等方面发挥重要作用。