虚拟现实技巧在生物学教授教化中的应用.docVIP

虚拟现实技术在生物学教学中的应用 【摘　要】　虚拟现实是多媒体模拟仿真技术的高级发展和突破，它一经介入教育教学领域，就以其强大的实验模拟功能和使学生沉浸其中，动手操作的鲜明特色为教师呈现教学信息，培养学生的实践能力提供了一个崭新的手段。它应用生物学教学可以构建虚拟实验室，进行知识发生过程教学和帮助学生探索那些接触不到的领域。 【关键词】　虚拟现实技术 模拟实验 生物学教学 多媒体技术虽然只有生动的模拟呈现功能，但由于其实现手段上的限制，往往更偏重于对媒体本身的处理，给人的感觉还是有明显的“人工”成分。并且，当多媒体呈现丰富多彩的教学信息时，学生只是一个被动的旁观者，只能进行观察、思考，很难动手操作，参与其中。这与建构主义学习论、皮亚杰的活动教学论、自主学习、主体性教学等现代教育理论是不相吻合的，不利于培养学生的创新梢神和实践能力。20世纪90年以来，一种模拟仿真功能更强大，能使学习者身临其境，亲自动手操作的多媒体技术——“虚拟现实”悄然进入教育领域，从而克服了多媒体技术的种种不足。 1、虚拟现实的含义 虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，是由多媒体计算机生成的交互式人工世界。它综合了对视觉、听觉、触觉、运动觉、体觉等感官认知模式的模拟，隔绝真实世界的信息，使人与计算机生成的环境融为一体，让使用者仿佛置身于电脑虚构的空间，感知其中的事物并能与虚构世界的人物、环境进行交流互动，从而产生亲临真实环境的感受和体验。在虚拟环境中，使用者不再看着计算机屏幕，而是成为屏幕上活动的一部分，成为“虚拟真实”世界的参与者。虚拟现实的一个重要特征是“沉浸感”。虚拟现实运用计算机图形。声音和图像再造逼真的情境，使用者完全沉浸其中而无法将其与真实世界区分开来，从而全身心地投入到人工的一个虚拟现实世界中去，给人很好的“临场感和逼真感”。使用者的感觉和行动都与人在自然状态下相似，产生与现实中同样的体验，虚拟现实的沉浸功能使操作者从虚拟空间的内部向外观察，而不是作为一个旁观者由外向内观察。这样可以更真实地注视数据，将注意力的重点集中在观察所研宄的对象和怎样获取知识上；虚拟现实的另一个特征是交互性。即使用者能通过专用设备(如HMD头盔显示器，数据手套、数据衣、控制球、跟踪设备、三维立体眼睛等)，用人类的自然技能在模拟环境里漫游，不仅能强烈地感知而且能动操作虚拟世界中各种对象。而计算机将仿真现实环境的图像、音响语言和压力等通过人机接口系统作用到使用者的感官，并通过传感器测试及跟踪使用者的行为与反应，随着操作者不同的动作(位置、姿势、方向等)变化，虚拟现实世界也随之改变。例如：当使用者用手去抓取模拟环境中的物体时，用户将有抓取东西的感觉，可以感觉到东西的重量（尽管手里并没有实物），现场中被抓起的物体也立刻随着手的移动而移。因此虚拟现实使人机交互更加自然和谐。虚拟现实的应用最初是源于对一些特殊环境的需要，如各种高难度和危险环境下的作业训练。现在已被广泛地应用于飞行训练、工业制造，医学领域以及数字战场各军兵种对抗演练等等。例如：在手术前，脑外科医生利用虚拟现实技术可以在一个模拟的“病人”身上排演一个外科手术程序。首先，通过三维重组技术将人脑CT片输入计算机，形成大脑三维结构模型，当医生手拿模拟手术刀（空间定位红外线发射器）朝颅脑模型肿瘤部位“下刀”时，可立即显示出“手术”部位上下、左右、前后的组织结构变化及受损悄况。从而可以确定为真实病人手术时最佳的治疗方案。 2．在生物学教学中的应用 虚拟现实是现代仿真技术的高级发展和突破，由于其具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性以及使操作者沉浸其中，超乎其上的现实仿真功能，推动了虚拟现实技术在教育教学中的发展和应用。 2.1 虚拟演练真实实验 生物学实验有的环境要求高，所需仪器、设备、材料价格昂贵；有的实验周期长，耗时多，课堂上实际演示或亲自做这些实验不可能；有的实验现象转瞬即逝，再现性与可见度较差，学生不易观察到；有的实验，教师较难控制实验完成的时间、速度，在具体操作时还有可能得不到期望的结果或者完全失败。对于一些牵涉到动物解剖或必须用动物作实验材料的实验，如果教师在课堂上喋喋不休地大讲“人与动物和谐共处，保护生物的多样性，保护生态平衡”，但却要求学生每人解剖一只动物，这本身不是很矛盾吗？况且国际奥林匹克竞赛的实验要水是“不见血”，不破坏动物的生态境。凡此种种原因，给生物实验造成种种困难，影响实验教学效果。现在已经开发成功的“虚拟实验室”教学软件可以成功地实现这些实验。 虚拟实验室是指在计算机系统中，采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成，实验者可以像在真实的环境中—样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优化于在真实