虚拟现实技术在计算机实验教学中应用的研究结题报告--评审版(1)(1).pdf

虚拟现实技术在计算机实验教学中应用的研究虚拟现实技术在计算机实验教学中应用的研究作为校本课题于 2008 年 6月立项。课题组共有 10 位主要成员，2008 年 6 月举行了开题会议，制定了虚拟现实技术在计算机实验教学中应用的研究 研究方案，确定了课题的预期目标、研究方法、具体工作进度等详细方案。目前本项目进展顺利，课题已进入实质性的实验研究阶段，并已取得了阶段性的实验成果。为此特提出结题申请。一、课题提出的背景计算机实验教学是整个计算机专业教学中的重要环节，实验教学改革是计算机专业课程体系改革的重要组成部分。实验课教学是为了检测、验证学生获取新的信息，通过技术性操作来观测学生动手能力，发挥学生创造性和独立思考、分析解决问题的重要课程。为适应计算机技术的迅猛发展，计算机课程实验内容必须要不断地更新，但随之带来了种种严峻的问题，平均不到两年，设备的配置就已无法满足学生的创新实验需要，由于设备仪器的被动淘汰，必然产生大量的更新需求，因此，高额的硬件采购费用始终是中职学校实验教学大踏步发展和改革的瓶颈。传统实验教学方法无法将抽象概念理论形象化、直观化，不容易达到帮助学生理解抽象概念的目的；部分带有危险的真实实验或操作，学生无法直接参与，无法获得感性认识；另外设备经常拆装，元器件的损坏也很严重等。面对这些问题，我们需要更新教学理念，开创新的教学教育环境，采用新的教育技术形态。二、课题研究的主要内容本研究课题通过调查学校计算机实验设备的现状，分析虚拟现实技术的应用，提出建立一套基于虚拟现实技术的计算机实验教学的新方案，从而减少硬件设备的更新换代，使学生能够感受虚拟实验室的效果，帮助学生对所学内容的掌握，1/15并将该技术的研究应用到计算机专业实验课程体系项目中。三、课题研究的方法与步骤本课题主要采用调查法、文献法、分析法等方法。课题的研究分为四个阶段。第一阶段：分析课题的含义，弄清课题研究的方向和主要内容，然后进行分工（时间为：2008 年 6 月）。第二阶段：调查学校计算机实验设备的配置情况，分析其中的不足和需要改进的部分。（时间为：20008 年 7 月）第三阶段：学习、分析虚拟现实技术的应用情况（时间为：2008 年 8 月）。第四阶段：结合计算机实验教学的要求，采用虚拟现实技术，进行虚拟机、路由器模拟器、虚拟实验室的开发与应用研究，确定适合我校教学的一套基于虚拟现实技术的计算机实验教学的方案（时间为：2008 年 9 月-11 月）。四、课题研究的主要过程1、调查计算机实验教学设备在计算机实验教学中，加强学生实践技能的培养是最受重视的问题，目前在计算机教学过程中基本上都采用多媒体课件教学以及结合教师演示来进行，教师配合课件及当场的操作演示，让学生学习和掌握实践技能，然而，在教学中也遇到一些问题，主要原因如下：1）计算机组装和计算机网络两门核心课程的实验设备极其缺乏。计算机组装实验室只有一些以前购置的旧配件，已经过时，即使硬件上能够组装成功，也不能安装合适的软件来运行。计算机网络实验室只是简单的交换机，学生只能进行网线的制作、简单的对等网的连接，复杂一点的网络实验根本无法进行。2）学校的机房通常都由机房管理员进行统一安装，通常都通过硬盘保护软件来实现对计算机系统的保护，所以机房的计算机一般是不允许学生动手来安装操作系统，更不准对系统和硬盘进行更改设置操作。即使学生自己有计算机，配置2/15也比较高，但也很少有学生在自己的计算机上进行频繁分区，格式化，安装操作系统等操作。如果经常对计算机硬盘进行分区和格式化，也会影响到计算机的硬盘使用。如果想在系统里面进行一些与操作系统有关的“危险”性操作，在学生自己的计算机上操作很可能就会破坏原来的系统，甚至数据。3）学生在只有一台计算机的情况下，通常做网络实验就无法进行，至多也就是做一些上网实验。2、分析虚拟现实技术的应用情况虚拟现实（VRVirtual Reality）是通过多媒体技术与仿真技术相结合生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境，用户以自然的方式对虚拟环境中的对象进行体验和交互。1）虚拟现实技术特点：临场感：用户感觉到沉浸在浏览器中所呈现的虚拟环境中。多感知性：用户能以视觉、听觉等多种形式感知信息。交互性：用户能以接近自然的习惯，用常规的输入输出设备对虚拟环境中的物体或场景进行操作和得到反馈。真实性：虚拟环境中的物体运动接近符合物理定律。高效率：虚拟环境中三维空间的建立和显示不过分依赖客户机的硬件性能并可实时渲染，所需传输的数据量小且可流式传输。2）虚拟现实技术的作用：（1）知识学习。在教学中，学生对网络 VR 技术所表达的教学内容进行交互，从而学习相关的知识。采用网络 VR 技术表达教学内容可以使学生在浏览器中观察到在现实生活中不能或不易观察到的现象或事物，并提供了极为自然的理想观察模式。（2）激发创造。通过 VR 技术可将学生在学习过程中产生的假设进行虚拟，呈现相应的结果或效果。这样有力于激发学生的创造性思维，进行主动的探索性学习，培养学生的创造能力。（3）虚拟实验。采用 VR 技术可以将合适的实验在网上虚拟实验室中表达出3/15来，并由学生在这些虚拟实验室中完成实验。这样可以完成不易观察的、有危险的或费用高的实验，提高网络教学中实验课的效率。（4）技能培训。由于 VR 技术可实现在逼真的虚拟环境中以自然的方式进行交互，所以它非常适于进行技能培训，使学习者在接近真实的环境中更易于掌握相应的技能。虽然目前在网络上用普通输入输出设备不易实现直接的反馈，但可实现在虚拟环境中进行有关三维空间位置、变形、时间顺序、颜色纹理及音视频等方面的交互，从而可进行与这些内容相关的技能培训。3）流行虚拟现实技术比较目前应用比较广泛的技术主要是 360 度全景、VRML（虚拟现实标记语言）、以及 CULT 3D 和 Flash。（1）360 度全景技术是现在用得比较多的优势在于制作简便，利用特殊的镜头对现场进行照片拍摄，然后对照片进行无缝连接，最终使用户能够在各方位多角度的观察场景。其缺点是对用户提供的交互功能不强，用户除了多角度观察之外不能对场景中的物体进行任何交互。（2）CULT 3D 和 VRML 都是发展比较成熟的 WEB 3D 技术，它们都可以制作 3D模型交互功能，使用户全方位的了解展品，但是CULT 3D 技术由于其渲染引擎的原因，不利于3D 大场景的展示，它更多的是运用在商品的虚拟展示上。VRML 不仅对大场景的实时漫游有更好的支持，结合JAVA 和 JAVASCRIPT（流行的网页交互控制语言）语言，它所能提供的交互功能也更加丰富。（3）Flash 本身集成了众多多媒体特性，可以方便地引入声音、图像、动画等多媒体元素，加上易于实现的基于脚本的交互，因此在动画与交互方便效率很高。由于它文件量小，形式新颖动人，在互联网上颇受青睐。Flash 可以做到：模拟物体的三维展示分别拍摄展示物体在某个二维平面里的各个角度照片，一般拍摄十几幅即可，当然拍的越多越精细。然后把这些序列照片处理好以后导入到 FLASH 中做成一个 MC（影片剪辑），然后在场景中，通过按钮和 ActionScript(动作脚本)控制 MC 的播放，达到使物体前后旋转的效果，还可以加上放缩和鼠标交互功能。4/15点线面的三维模拟在 FLASH 中通过精确控制点的位移来达到模拟三维空间的真实效果，还可以加上贴图显得更加真实，较为复杂。视频的播放在网络上播放专业视频，一直让人头痛，FLASH 支持*.MOV 视频的导入，再配上声音，也能以假乱真。3、确定虚拟现实技术应用的课程通过分析，我们认为计算机组装与维修课程、组建局域网课程两门课程所需的教学实验设备严重不足，需要采用虚拟现实技术进行相应虚拟设备的制作。在计算机组装课程中采用虚拟机软件进行实验教学，同时开发虚拟组装实验室，进行计算机的虚拟模拟组装。在组建局域网课程中采用路由器模拟器软件，让学生通过虚拟设备来学校路由器、交换机的使用；采用虚拟机软件进行网络服务实验的操作。4、开发制作计算机虚拟组装实验室构建虚拟实验室,其实就是搭建一个网络平台系统,包括硬件、软件及管理三个方面。在硬件上，目前我校建立了校园网络并接入了互联网,这些基础设施基本可以满足需求，不需要太多的投入。我们所做的工作主要在软件方面，一个是实验室平台软件系统的开发，另一个是实验内容建设,这是实验室建设的关键。虚拟实验室应有可以做的实验来支撑,不然软件平台就是一个空架子,形同虚设。同时,该平台上还应有实验管理的支持,对实验仪器、实验报告、实验指导、实验成绩及网上答疑等进行有效管理,并对虚拟实验室进行监控。5/15五、课题研究成果1、在计算机组装、操作系统等课程中采用虚拟机虚拟机就是由虚拟机软件模拟出来的计算机，或称为逻辑上的计算机（Guest OS）。每个虚拟机都具有模拟出来的同物理计算机相同的运行环境，包括硬件层，驱动接口，操作系统及应用层，都建立在 PC 机的应用环境下，属于用户级的软件。同时利用虚拟机软件可以在一台物理计算机上模拟出来多个逻辑上的计算机，运行多个操作系统，还可以将这些计算机相互连接起来形成网络，虚拟计算机能同时运行的数量多少由计算机本身配置决定。而且在虚拟机的环境下，用户可以在同时运行的多台虚拟机中来回切换，而无需重新启动系统。目前，应用广泛的虚拟机软件主要有 VMware 公司的 VMware workstation及 Microsoft 公司设计的 Virtual PC，这两个虚拟机软件应用功能基本相同，它们有如下特点：（1）不需要对物理硬盘进行分区或重新开机就能够在一台 PC 机上安装使用多种操作系统。（2）完全隔离并且保护不同操作系统的操作环境及所有安装在不同操作系统上面的各种应用软件和资料，并且硬盘还原功能。（3）不同的操作系统之间能够进行互动操作，包括网络、周边设备，文件共享等。（4）能够设定并且随时修改操作系统的操作环境，如：内存、硬盘、其它外设等。（5）二者所安装的系统都是可以移动的，即可能通过移动设备虚拟机安装的文件拷贝的方式在其它的装有对应的虚拟机软件的计算机上使用。鉴于 Virtual PC 虚拟机软件占用系统资源不及 VMware workstation 多和操作应用简单等特点，同时考虑到学生的英文水平，所以在计算机课程的教学与实验环境的构建中，我们使用Virtual PC 汉化版，这也为学生提供一个界面良好、操作简单的实验环境。6/15采用虚拟机进行实验教学的方案如下：（1）操作系统的实验教学现在我校的计算机教学大部分都是从 Windows 2000，Windows XP 开始学习，对于 MS-DOS、Windows 3.2、Windows98、Linux、Unix 等接触不多。如何让学生学习多种操作系统，掌握在每一种系统下的操作技能是一个比较困难的问题。解决此问题的方法之一是多系统启动，但是此办法在安装 Windows 系列操作系统与Unix 和 Linux 操作系统并存时方法过于烦琐，另一种较好的解决办法是利用虚拟机进行多系统的安装。学校的机房都是由机房的管理员负责安装好系统，一般不允许学生自己安装系统，更不准学生对硬盘进行分区、格式化等操作。在虚拟机环境下，学生可以任意进行系统安装、格式化、分区设置等等一些计算机维护操作。即使操作出现了问题，也可以非常方便地恢复所用的操作系统。（2）网络实验现在的我校网络实验室建设还不是很规范，学生在学习计算机网络、网络操作系统等课程时经常需要做网络实验。但对于一些大型的网络实验，学校无能为力。例如在讲授 Windows 2000 Advanced Server 支持“群集”服务功能，学生要想做群集的实验，至少需要二台群集主机，一个共享 SCSI 的磁盘柜，这至少需要二、三十万元。如果安装了虚拟机，此类实验可以迎刃而解。（3）网络安全实验在网络环境下,病毒、木马、黑客程序非常盛行，让上网者防不胜防。教师在讲解网络安全时，很多时候需要演示病毒、木马黑客程序等，这会对教学用机产生损害，如何既让学生对病毒知识有感性认识，又不对自己的教学产生不良影响，虚拟机能胜任此工作。（4）制作课件计算机专业课教师在制作课件时，常常在需要多种操作系统下操作。使用虚拟机，会一改原来操作系统抓图、屏幕录像等方面的不便。7/15为便于教学，我们制作了虚拟机应用的实验表格。课程名称课程名称系统安装磁盘分区、格式化磁盘操作系统添加删除程序添加输入法安装Windows Server 2003系统配置域控制器配置WWW服务组建局域网配置DHCP服务配置DNS服务配置WINS服务NAT代理上网配置WWW服务中小型网站建设配置VOD点播服务配置SMTP、POP3服务实验名称实验名称2008年上半年，课题组的某老师就使用了虚拟机进行教学。在2005计算机3+2班的组建局域网课程中，大量的实验要用到两台微机。为每个学生配置2台微机是不现实的。为保证实验的顺利操作，我们在机器上安装了Virutal PC 2007虚拟机软件，然后安装了一个操作系统为Windows Server 2003，一个操作系统为Windows XP 的两个虚拟机。通过这两个虚拟机，我们顺利地完成了该门课的教学任务。学生对使用虚拟机做实验都很满意，这样既保证每一个同学都有一套自己的实验设备，又不会弄坏设备，同时也拓宽了学生的视野，知道可以通过虚拟设备解决实验问题。课程结束后我们总结，使用虚拟机能够解决我们学校的硬件设备有限的问题。我们可以在其他的课程中采用虚拟设备来进行教学。下面为上机课时的电脑屏幕截图：8/159/152、在组建局域网课程中采用路由器（交换机）模拟器路由器（交换机）模拟器也和虚拟机一样，是采用软件方法实现的虚拟路由器（交换机）。目前比较出名的路由器（交换机）模拟器是思科的、华为的路由器模拟器。思科、华为是计算机网络设备全球知名的生产商，他们生产的设备在全球得到了大规模的应用。华为的路由器模拟器为中文界面，便于学生接受，我们决定使用这种软件进行教学。路由器模拟器实验方案如下表所示：课程名称课程名称实验名称实验名称计算机和交换机基本设置配置端口聚合基本 VLAN 设置配置 primary VLAN和 secondary VLAN交换机的镜像与生成树路由器 BootROM 升级组建局域网直联路由单臂路由静态路由实验动态路由实验访问控制列表实验地址转换配置10/152008 年上半年，课题组某老师也使用了这个软件。在2005 计算机 3+2 班的组建局域网课程中，针对缺少交换机的情况，他使用华为的路由器模拟器来教学，让学生了解网络的连接，数据包的传送。3、开发计算机虚拟组装实验室虚拟实验室是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情景，供学生观察与操纵其中的对象，使他们获得体验或有所发现。虚拟实验是利用鼠标的点击、拖动，将微机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验。（1）计算机硬件展示平台的制作计算机硬件发展可以用飞速来形容，采用最新的设备来教学显然是不可能的。我们从网络或电脑科技商城获得最新的电脑配件的图像资料，使用 360 度全景技术，将从不同角度拍摄的同一个配件的图像文件进行合成，生成 mov 文件。系统安装了 QuickTime Player（一种视频播放器）以后，在浏览器中就可以拖动鼠标进行图像的旋转、缩放，从不同的角度来观察。这样，学生就能够了解到最新的计算机的硬件设备。我们按主板、CPU（中央处理单元）、散热器、硬盘、光驱、显示器、机箱进行分类整理，制作了一系列的 360 度全景文件，最后形成了硬件展示的平台。展示平台截图如下：11/15（2）整机组装平台配件模型的制作：将各种计算机配件的图像导入到 Flash 中，每一个配件都制作成 movie clip；脚步的编写：根据组装计算机的步骤，分为安装CPU、安装RAM、安装主板、安装硬盘、安装光驱、连接线缆等六个步骤，逐一编写了相应的操作脚本。交互的实现：采用action script 进行编程，每一步操作都有提示和反馈信息。比如CPU 的安装，在安装的过程中，一直进行位置的判断，只有放置在合适的位置，才能进行下面的操作。计算机虚拟组装实验室的应用如下：课程名称课程名称计算机硬件展示安装 CPU安装 RAM计算机组装与维修安装主板安装硬盘安装光驱接口连接12/15实验名称实验名称组装平台截图如下：安装 CPU 场景图安装内存条场景图13/154、虚拟设备与真实设备的差异计算机虚拟实验室的建立,可以很好地解决目前硬件设备跟不上实验的要求、学生实验时间不够用等问题,对于提高学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力具有非常重要的意义。但在具体应用中还要注意处理好“虚拟实验”和“实物实验”的关系,不能一味地强调虚拟实验,要“虚实”结合,既相互补充,又各有侧重,这样才能取得很好的实验教学效果。同时,在虚拟实验中要注意培养学生严谨的、一丝不苟的科学实验作风。六、课题研究存在的主要问题及今后的设想短短几个月的研究，我们取得了一定的成绩。但时间有限，我们所做的事情还很不完善。由于技术水平有限，计算机组装平台的开发效果还不够理想，与实际的组装情形差距较大。今后考虑尽可能抽出更多的时间进行编程方面的研究，提高老师们的技术水平，从而更好进行此类课题的研究。另外根据情况的需要，也需要从外面购置必要的设备来弥补我们的不足。14/15参考资料1、虚拟现实技术及其在现代教育中的应用崔海燕，段作章 中国现代教育装备 2007年第 1 期2、多媒体动态交互式网络虚拟实验室系统的研究与实践宋伟奇，张 毅3、浅析虚拟现实技术在计算机专业教育中的应用钟毅 江西教育学院学报-CNKI4、综述虚拟现实技术及其应用 5、浅谈计算机组装与维护的教学改革6、基于虚拟仪器的网络实验室的建立 周毅,江建军测控技术 2003 年 12 期7、虚拟机 VMware 在 Linux 操作系统课程教学中的应用8、虚拟机技术在计算机组装维护课程教学中的应用张金华，谭春茂，谢锦平9、基于虚拟现实技术的医学实验室的构建研究10、虚拟机在中职计算机教学中的应用黄少山,陈华昌11、12、虚拟现实技术在职业技术教育中应用初探国内外虚拟现实技术发展现状和发展趋势的技术报告15/15