基于虚拟现实技术的计算机辅助教学研究

时间:2017-12-01 作者:博学论文网
  摘要:随着计算机辅助教学技术的不断发展,计算机辅助教学在越来越多的高等学校中得到推广应用.本 文 通过对计算机辅助教学的发展和特点进行分析,深入研究了支撑计算机辅助教学的技术基础,并将虚拟现实技术引入计算机辅助教学过程中,以提高高校教学质量,并为高等院校的计算机辅助教学提供相应的借鉴.
 
  关键词:虚拟现实技术;多媒体;计算机辅助教学;人工智能

  虚拟现实技术是新世纪最新的技术成果,综合了计算机技术、信息技术等多项技术,在教育领域中具有广泛的应用前景.当前,虚拟现实技术应用的范围较小,但是在将来,虚拟现实技术将获得广泛的应用,这一项技术将彻底改变人们的生活方式,推动人类社会的发展.将虚拟现实技术应用到计算机辅助教学中,可以将教学内容生动的展现在学生的眼前,让学生仿佛身临其境,实现对学生听觉与视觉上的刺激,从而可以使学生全身心投入到教学活动中,提高学生学习的主动性,提升课堂的教学效果.
 
  1计算机辅助教学
 
  1.1计算机辅助教学的发展历程
 
  上世纪五十年代,计算机辅助教学开始出现.计算机辅助教学指的是让计算机系统模拟教师的教学过程,实现教学知识的传授,让学生获得教学信息,最终达到课堂教学的目标.在实际的计算机辅助教学过程中,计算机辅助教学的作用在于使教学内容得以更直观的体现,帮助学生更好的理解教学内容[1].计算机辅助教学的授课方式为:通过计算机有序的将新知识以及相关信息传递给学生,然后以传授的新知识为基础,主动向学生提问,与此同时,利用计算机通过对学生开展定期测试,了解学生的学习效果,并对学生的学习能力进行评估,发现学生学习中存在的不足之处,计算机会针对性的做出指导.学生在计算机辅助教学的过程中,可以自行选择授课的进度以及设定学习的速度,从而方便学生根据自己的兴趣爱好与学习能力来制定学习计划,从而提高教学质量.在上世纪六七十年代,西方发达国家对计算机辅助教学的研究较为热衷,先后研制出了多种辅助教学系统.我国从上世纪八十年代开始研制计算机辅助教学系统,华东师大现代教育技术研究所成为我国计算机辅助教学的研究中心[2].当前,随着信息技术的不断发展,人工智能技术以及网络技术的突飞猛进,进一步刺激了计算机辅助教学的研究,越来越多高质量的计算机辅助教学系统不断涌现.
 
  1.2计算机辅助教学系统的特点(1)界面性好.
 
  计算机辅助教学是通过显示屏上的界面进行信息显示,学生可以及时的对信息进行反馈,计算机辅助教学系统也可以对学生操作进行及时的反馈,实现了双向的快速交流,学生与计算机互动时,可以发挥学生的主动性,提高学生的学习兴趣,从而提升课堂教学的效果.
 
  (2)示教性强.
 
  计算机辅助教学可以实现对教学内容的动画模拟以及变化过程演示,对一些较为抽象的无法用言语表达的教学内容,可以通过画面、图表或者动画过程演示进行表达,从而使教学内容简单化,让学生更易于理解,从而提高课程的教学效果,更易于达到教学目标.
 
  (3)自学性强.
 
  计算机具有记忆功能,可以自动保存学生的相关信息,因此可以了解学生学习的习惯以及偏好,计算机辅助教学系统可以根据通过对学生学习偏好与基础的分析,因材施教,适当调整教学的进度.(4)模拟性强.
 
  计算机辅助教学系统可以对传统的教学进行改进,避免教学资源的浪费.并且,在一些教学实验中,可能会使用到一些较为复杂、昂贵的实验设备,使用计算机教学软件,可以使学生在计算机系统中展开模拟实验,从而提升学生对实验熟悉的程度,可以在一定程度上降低实验设备的损坏几率[3].同时,对于一些危险性较高的实验,可以通过计算机模拟实验代替实际实验,保证学生的安全.
 
  1.3计算机辅助教学的研究模式
 
  (1)认识论出发的研究模式.依靠程序教学与视听教学为计算机辅助教学的理论基础,制作出一种辅助教学系统.这种计算机辅助教学系统可以通过直观的、阶段性的教学方式,让学生逐步从感官获得的感性认知逐步形成理论上的认知,从而提升学生学习的效率,实现教学的目的.
 
  (2)方法论出发的研究模式.从方法论出发的研究模式是基于系统论与信息控制论建立的计算机辅助教学模式,这一教学模式旨在建立一种以计算机为中心的教学系统,为学生营造良好的教学系统环境,从而激发学生的学习兴趣,提高学生学习的主动性.
 
  (3)认识心理学出发的研究模式.认识心理学出发的研究模式基于人工智能、认知、思维等科学理论,其方法在于研究人思维认知的规律,找出其思维历程与特征,从而形成学习认知模型.这一研究模式在当前受到了较大的欢迎,其主要优点在于该模型研发的计算机辅助教学系统,可以让学生自主、灵活的学习,提升学生学习的主动性.
 
  1.4计算机辅助教学的相关技
 
  (1)人工智能与计算机辅助教学.计算机辅助教学系统在发明之初,是模板化、固定化的,学生只能根据教学系统的设定,进行课程的学习.并且,在教学中,学生基本上是处在较为被动的地位,只能被动的回答计算机教学系统筛选的问题,而无法主动提问[4].将人工智能技术应用到计算机辅助教学中,计算机不但能对学生回答问题的正确与否进行判断,也能根据学生回答问题的时间,评估学生的反应速度以及学生掌握知识的程度.计算机可以通过对这些数据的分析,自动调整教学的速度,安排最佳的教学方案.将人工智能引入到计算机辅助教学中,指的是将人工智能的技术知识融入到计算机的辅助教学中,从而实现以学生为主体的教学方式.
 
  (2)多媒体与计算机辅助教学.在学生学习的过程中,同时调动学生的视觉与听觉,可以让学生的注意力集中,提高学生学习的效果.因此,在计算机辅助教学中,加入多媒体技术,可以让计算机辅助教学同时发挥图像、声音、文字处理等能力,使计算机与学生可以直接通过声音交流,扩展了计算机与人交流的途径,可以有效地改善学生与计算机之间的关系,从而提高学习的效果.(3)计算机协同技术与计算机辅助教学.将计算机协同技术与计算机辅助教学相结合,可以让学生之间协同工作,实现学生之间的共同学习.这一模式改变了传统的一对一的学习模式,从一个教学目标调整为多元化的教学目标,实现了竞争学习、合作学习,从而提升了计算机辅助教学中学生之间的信息交换量,增强了学生之间的协作[5].
 
  2虚拟现实技术
 
  2.1虚拟现实技术的发展历程
 
  虚拟现实指的是将某些事物与环境的图像投放到观察者眼前,让观察者仿佛身临其境.虚拟技术在上世纪四十年代就已经开始出现,当时的美国科学家试图研制模拟飞行器来训练飞行员,到上世纪六七十年代,虚拟技术继续发展,科学家发明出了头盔显示器,测试人员带上头盔显示器之后,随着大脑的转动,显示器中的图像也会变化.
 
  一直到了上世纪八十年代,虚拟技术综合了实时仿真技术、多媒体技术等多种技术,才由美国科学家正式提出[6].虚拟现实技术可以创建一种真实的虚拟世界,这个虚拟世界包括虚拟环境以及虚拟世界中出现的全体事物,用户在虚拟世界中,当触摸某类物体时,计算机系统会将触摸物体的视、听、触等多种感觉反馈给用户,让用户真正的体会到虚拟世界的真实感.可以说,虚拟现实技术是通过计算机计算大量的数据,并让这些数据与体验者交互.随着近几十年来虚拟现实技术的发展,该技术在教育、军事、商业等多个领域获得越来越广泛的应用.2.2虚拟现实技术的特点
 
  (1)实时交互性.实时交互性指的是体验者与虚拟世界之间可以产生相互作用的能力.比如当体验者在进入虚拟世界时,体验者触碰到虚拟世界中的一块石头,体验者可以感受到石头的重量,也能感受到手触摸石头的感觉,而这块石头也会随着体验者手臂的移动而移动.
 
  (2)多感知性.虚拟现实技术相比于计算机技术,具有更多的感知性.计算机技术只具有视觉感知,而虚拟现实技术同时具有听觉感知、视觉感知、触觉感知、嗅觉感知等,虚拟现实发展到极致时,人的所有感知都能通过计算机模拟[7].当前,传感器技术的发展还未达到可以模拟人的一切感知的程度,因此,在一定程度上无法实现对人所有感知的模仿,目前只实现了听觉感知、视觉感知、触觉感知、嗅觉感知以及力觉感知等.
 
  (3)投入性.虚拟现实技术的投入性主要体现在:体验者在进入虚拟世界时,可以调动体验者的多种感官,让体验者难以辨认出虚拟世界与现实世界的区别[8].最理想的虚拟世界就是进入虚拟世界的体验者无法分出虚拟世界与现实世界之间的区别.
 
  (4)自主性.虚拟现实技术的自主性主要体现在:虚拟世界中物体的运动与环境的变化基本上不受到外界的干扰,虚拟世界的运行主要依靠设计者编写的虚拟世界的规律,比如当体验人员给虚拟世界中物体一个力时,物体会按照虚拟世界的规律顺着力的方向移动,不受设计人员的控制,只受物理规律与变量的左右.
 
  2.3虚拟现实技术的类型
 
  (1)桌面虚拟现实技术.桌面虚拟现实技术是通过电脑桌面作为体验者体验虚拟世界的入口,借助个人计算机的计算能力,制造出一个虚拟世界.这种虚拟现实技术的虚拟体验较差,因为体验者容易受到现实环境多方面因素的干扰,使体验者的注意力不集中,从而影响虚拟现实体验的效果.但是这种虚拟现实技术的普及率较高,一般家庭可以承受体验虚拟世界的成本.
 
  (2)增强虚拟现实技术.增强虚拟现实技术可以让虚拟世界与体验者周围的世界重合,虚拟图像与现实世界相叠加.这一技术通过穿透型头盔式显示器,将周围世界的图像与虚拟世界的图像叠加在一起,从而增强虚拟环境的真实感[8].这一技术的实现需要相关设备能对周围环境进行定位,从而实现与周围环境的精确重叠,但是,当前的技术还未达到这样的技术高度.
 
  3虚拟现实技术与计算机辅助教学的结合
 
  3.1虚拟实境描述模型语言
 
  虚拟现实技术是当前较为热门的研究主题,该技术可以实现文字、图像、声音等多方面的结合,调动体验者多方面的感官.将虚拟现实技术应用到课程教学中,可以融合声音、图像、文字等多种课程信息,将这些课程信息与虚拟世界相结合,形成生动的教学环境,可以实现对学生多感官的刺激,提高学生对课程的投入度,提升教育效果[9].当前,计算机辅助教学基本上是通过网页等平面结构进行课程教学或展示教学资源,体验者对这些图片或文字展示的教学资源往往不会很感兴趣,体验者与计算机辅助教学场景的互动频率是较低的.而使用虚拟实境描述模型语言,可以将图片与文字表述的教学内容放入到三维展示的虚拟教学场景中,极大地提高学生与教学场景的互动.虚拟实境描述模型语言是描述虚拟场景的途径,使用这一语言,可以将图片与文字信息通过虚拟场景表述出来,从而建立一个三维的交互式多媒体情境.随着虚拟实境描述模型语言的发展,虚拟现实将使互联网中由图片与文字描述的信息,通过虚拟实境描述模型语言表达出来.该语言通过54个节点来构建虚拟场景,可以实现在虚拟模型中贴图、附上声音等的操作.在使用虚拟实境描述模型语言编写虚拟场景时,可以结合JAVA、HTML等语言进行编写[10].
 
  3.2虚拟实境描述模型语言在网络教学中的应用
 
  网络教学在近些年来获得了较大的关注,该类型教学借助互联网技术与多媒体技术两种技术的结合来实现.网络教学的服务对象一般是学生与教师.在网络教学中,如何使网络教学资源更生动地展示在学生面前,增强学生点击教学资源的兴趣,成为网络教学的一大问题.使用虚拟实境描述模型语言,可以将图片与文字展示的教学资源以虚拟场景的形式展现,解决了教学资源复杂的模型构造问题,可以提升学生与教学资源的互动频率[11].此外,通过虚拟实境描述模型语言构造的虚拟教学环境可以提升学生的参与感,让学生可以在一个逼真的教学环境中学习.
 
  3.3虚拟实境描述模型语言在计算机辅助教学中的应用
 
  通过虚拟实境描述模型语言可以构建一个虚拟学习空间,学生与教师在虚拟空间中可以自由的进行交互,使学生产生一种身临其境的感觉.营造这样的虚拟学习空间,符合人们的认知心理,可以极大地激发学生的学习兴趣.学生通过计算机与互联网进入虚拟教学空间,参与到虚拟教学中,虚拟系统可以给学生真实的教学体验,师生之间可以同步浏览,也可以实现实时语音交流,或者学生可以进入到教学资源空间,点击需要学习的课件,然后进入课件中设计的教学环境中参与课程教学[12-13].这样的教学方式,可以极大的满足学生的参与感,提升学生的学习兴趣,从而增强教学的效果.
 
  4结语
 
  将虚拟现实技术与计算机辅助教学相结合,可以创新教学的形式,让教学场景更加生动形象,学生更具有参与感,对学习也就更加投入,从而可以提升教学的效果.本文通过对计算机辅助教学、虚拟现实技术的分析,深入探讨了虚拟现实技术与计算机辅助教学结合对教学的意义,对现代教育的发展具有重要的作用.基于虚拟现实技术的计算机辅助教学的不断发展,将形成覆盖全球的教育网络,推动全球教育的变革与发展,我国教育的发展,需要顺应这一教育发展的趋势,一步一步推动计算机辅助教学的普及,加快虚拟现实技术在计算机辅助教学中的应用.
 
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