虚拟现实和人工智能_用虚拟现实技术优化计算机硬件设备教学的方法探析
时间：2019-01-25 03:44:36 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要:本文首先分析了传统多媒体课件在突破计算机硬件设备的教学难点时存在的不足,再从虚拟现实技术的特点和类型出发,阐述了用虚拟现实技术解决该教学难点的优越性和可行性,并对其具体实现方法进行了探析。
关键词:计算机硬件设备教学;虚拟现实技术
本文中的计算机硬件设备主要是指主机箱内的硬件,该部分教学在中学是一个难点,对初中生尤其如此。如果处理不好,学生会出现以下几种情况:硬件实物与名称对不上、对主要硬件设备的作用和基本组成结构认识模糊。造成这种情况的主要原因如下:
一是跟学生的感性经验有关:随着计算机的普及,虽然现在的中学生已有了更多接触和使用计算机的机会,但同时受各方面条件的限制,只有相当少的学生有自己打开机箱装机的经历,因此对主机箱内的硬件缺乏感性认识。
二是与安全和经济条件的制约有关:绝大多数中学出于对学生安全的考虑,以及学校本身经济条件等的制约,很少能有机会让学生在真实的装机情境中学习该部分内容。
一、本方案的可行性分析
1.什么是虚拟现实技术
虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)又称幻境或灵境技术。它是在综合计算机图形学、计算机动画模拟与仿真、传感技术、显示技术等许多计算机学科的基础上发展起来的一种计算机应用新领域,它在用户眼前生成一个虚拟的环境,使人感到像真实存在的一种技术。它有非常优秀的人机交互界面,在军事、医疗、建筑、教育等多个领域都有很好的应用前景。目前,在教育上的应用受到越来越多的关注。
2.虚拟现实技术对教学产生的可能性影响
虚拟现实技术的特征可以表示为3I特征:Immersion (投入)、Interaction(交互性)、Imagination(构想),它对教学产生的可能性影响主要有:
(l)提高学生的学习兴趣:投入(Immersion)是VR系统的核心特点,它使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中,让用户在此场景中有“身临其境”之感。根据建构主义的观点,学习是从学习者对感觉经验的选择性注意开始的,学习成功的关键在于主动性,社会性和情景性。虚拟现实技术的“投入”性特点恰恰为学习者提供了一种有利于其知识建构的情景性。因此,在教学中运用虚拟现实技术将能够更好地引起学生的学习兴趣,并有利于加深对问题的认知和理解。
(2)提高学生的学习主动性和有效性:虚拟现实技术“交互性”的特点,指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力,是人机和谐的关键性因素。利用虚拟现实技术来解决教学重点和难点问题,学习者可以根据个人特点选择最佳认知策略,迅速掌握所学知识的精华。虚拟现实的这种自主性是其它媒体形式所无法比拟的。
(3)培养学生的创新思维能力:“构想”是虚拟现实技术的又一特点。它不仅仅是一个用户与终端的接口,而且可使用户沉浸于此环境中获取新的知识,提高感性和理性认识,从而产生新的构思。在新课程改革的背景下,学生创新思维的培养日益受到重视,虚拟现实技术无疑也为培养学生的创新思维能力提供了一个可行的途径。
3.适用于中学教学的虚拟现实技术
目前,实际应用的虚拟现实系统大致分为四类:
(1)沉浸虚拟现实系统:使用头盔显示器把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来,产生一种身临其境的错觉。
(2)分布式虚拟现实系统:它建立在沉浸虚拟现实系统和分布式交互仿真(distributed interaction simulation)的基础上,多个用户通过计算机网络连接在一起,同时参加一个虚拟空间,共同体验虚拟经历,这就是分布式虚拟现实系统。
(3)增强现实系统:增强现实性的虚拟现实系统不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界,而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。
(4)桌面虚拟现实系统:也称窗口中的VR,它利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互,这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。它要求参与者使用输入设备,通过计算机屏幕观察360°范围内的虚拟境界,并可以操纵其中的物体。
前三种虚拟现实技术由于对硬件设备等的要求很高,所以目前运用到中学教学的可行性较低。第四种“桌面虚拟现实系统”的特点是:参与者不能完全沉浸其中,因为它仍会受到一些现实环境的干扰,但由于其成本也相对较低,在个人电脑上就可以实现,因此,已经逐渐在中学教学中得到运用。下文中所提及的虚拟现实主要指的就是这种类型。
二、用桌面虚拟现实技术重构计算机硬件设备教学的比较分析
本文中所指的计算机硬件设备主要是指计算机主机内部的主要硬件,例如:主板、内存条、声卡等。相对于计算机的外设而言,这些平时存放在主机箱内的各“零部件”对绝大多数中学生而言是好奇而又陌生的。
好奇是因为:计算机对大多数孩子而言,是一个高级的“玩具”,相对于软件应用知识,中学生普遍缺少对硬件的了解,因此对新生事物向来就有好奇心的青少年当然对此也不例外。陌生是因为:大多数的中学生虽然过去曾从各种途径或多或少地听说或看到过这些硬件的名称或实物,但对其作用还是知之甚少。因此一旦打开机箱,看到这么多不认识或似曾相识的“零部件”时,难免会心生畏惧,觉得自己还是不能了解它们。因此,该部分内容对初学者来说,是一个难点。该部分的教学如果处理得当,学生会在最初的好奇心的驱动下,逐步发展为自主学习,从而达成学习目标;反之,也很有可能会挫伤学生学习的积极性。下面将分别从传统的处理方法和用虚拟现实技术的处理方法两方面来比较分析。
1.传统的计算机硬件设备教学的难点处理方法
(1)教师边播放硬件资料图片,边讲解
通常做法:教师预先准备一些硬件设备的图片,在上课过程中边播放图片边讲解其名称、作用及其安装方法。
该方法的主要优点:操作难度低、教师在教学过程中可视学生的具体情况选择详讲、略讲等。
该方法的主要缺点:直观性较差,因为学生往往看到的只是硬件设备的某个侧面;对安装方法这样的动态过程的教学,更是很难仅用图片就可以表达清晰。整个学习过程以老师讲授为主,学生缺少学习主动性。
(2)实物展示讲解
通常做法:由于经济条件、安全等多方面因素的限制,绝大多数中学不可能给每位学生配备一台主机作为实验学习之用,甚至只有非常少的学校按小组的方法分给学生主机进行实验学习。通常情况是:教师在讲台上拆开一台计算机主机用于讲解和演示。
该方法的主要优点:直观性强,比图片更能吸引学生,也方便展示设备和演示安装方法。
该方法的主要缺点:后排学生很难看清教师的演示过程。因为缺乏让学生也动手摸一摸、试一试的操作环节,教师实物演示的最终效果也会大打折扣。
(3)播放视频录像
通常的做法:播放一段关于机器组装的视频片段,让学生通过观看该片段来学习各部件的名称和安装方法。
该方法的主要优点:对硬件的安装过程观看得比较清晰。
该方法的主要缺点:这是一种线性结构的交互方式,教学过程预设性强,缺少与学生的互动性。
(4)Flash动画
通常的做法是:Flash动画具有动感、交互性强的特点。目前,最常见的是用Flash动画制作表示计算硬件设备工作原理的动画。
该方法的主要优点:与学生的交互性较强,并且可以设置一些反馈性的文字练习。
该方法的主要缺点:Flash属于二维平面动画,显示的硬件设备只能是某一侧面,不利于学生形成对硬件外观的整体性认识,而且由于二维动画的局限,较难表现硬件的安装过程。
综合上述的具体分析,不难看出用传统的多媒体课件在处理该部分内容时,都或多或少地存在不足,若仅用其中一种多媒体课件很难达到。
2.传统多媒体课件与虚拟现实技术课件的效果比较
与传统媒体课件相比,用虚拟现实技术制作的课件主要有以下两大优点:
(1)具有三维立体效果,且学习者可以按意愿选择观察的角度和侧面,可以远观,也可以近看,更可以进入机箱内部对其结构进行考察,这无疑会极大的调动学习者的积极性和主动性,使其迅速掌握计算机主机内部主要硬件的外观特点及其安装位置,有效提高学习者的学习效率和兴趣。
(2)具有互动性,在学生学习过安装过程后,还可以在电脑屏幕上,进行一次虚拟装机实验,具有很好的反馈与强化作用。
因此,我们可以发现运用虚拟现实技术制作该部分内容的课件,将有其它多媒体课件无法比拟的优势。
三、应用方案设计
1.常见的虚拟现实软件
3D虚拟现实技术是以3D多边形为基础的3D技术,它是实时建模和渲染的结果,有很强的真实性。适合一般中学计算机设施配备情况的3D桌面虚拟现实软件大致有以下几种:
(1)VRML
VRML(Virtual Reality Moduling Language)是虚拟现实建模/造型语言。它可以直接接入互联网以创建3D网页与网站,实现三维动画效果以及基于三维对象的用户交互。由于文件量小,易于网络传输,同样适合在校园网内构建虚拟3D社区。
(2)Viewpoint
Viewpoint由Viewpoint Scene Builder、Viewpoint media publisher、Viewpoint Media Player三个部分组成。用户可以通过鼠标控制,任意旋转、缩放和移动屏幕上的物体。
(3)cult3D
cult3D是近年来被广泛使用的又一个网上三维产品展示软件。它由cult3D Designer、cult3D Exporters和cult3D Viewer组成。它可以通过编程,设置动作演示和交互,同时技术难度也相对较低,因此比较适合本课件的制作。它的程序界面如图1所示:
2.本设计的主要步骤
(1)课件的制作目的
以教学目标为指导,分析课件的具体表现形式和结构,设置虚拟的反馈练习任务,例如:虚拟装机。
课件目的:让学习者在认识各主要硬件的外观和作用的基础上,了解各硬件在主机箱中的安装位置等,并可以进行虚拟装机的反馈性练习。
课件表现形式和结构:需要认识的主要硬件设备有主板、硬盘、内存条、显卡、声卡等。一方面,这些硬件设备都可以通过鼠标和键盘改变观看的视角。另一方面,不仅可以进行装机的动画虚拟演示,还可以进行自己动手的虚拟装机演示,并会对学习者的操作做出即时反馈。
(2)创建模型
按照教学要求,创设主要硬件设备的外形特征(如尺寸、颜色等信息)在3D Studio MAX中建立三维模型,部分设备还要收集图片作为模型的纹理,保存时注意选择能够在cult3D软件中可以导入的格式“.C3D”,必要时还要对模型进行优化处理。
(3)场景制作
在该cult3D软件中导入第二步生成的模型,并对场景进行美化修饰。
(4)设计交互
按第一步的分析结果,在场景内添加交互功能,使其能够符合虚拟装机实验的要求。
(5)集成发布
检查虚拟实验场景是否与设计目标一致,并生成最终作品。
四、结束语
计算机技术作为教学的辅助设施,近年来已经取得了很好的应用效果。虚拟现实技术也正以它独特的优势,随着计算机技术的发展和普及逐渐进入中小学,从而使教育进入一个全新的形式。
