王凯英 廖明军

北华大学 吉林吉林 132013

虚拟现实技术在土木工程教学中的应用探讨

王凯英 廖明军

北华大学 吉林吉林 132013

随着计算机软硬件技术和信息技术的发展，虚拟现实技术得到长足的发展，也推动教育技术的信息化和现代化。本文介绍了虚拟现实技术相关知识及虚拟现实教育技术环境创建的问题。

虚拟现实；土木工程；教学

土木工程涉及工程结构范围广且复杂，同时，新材料、新结构、新技术不断涌现，有些结构物或施工技术学生在校园根本无法接触，虽然教学过程中安排一定比重的实践环节，但由于时间和条件限制也无法全面了解。因此如何使学生在教学环节摄取更多的知识，培养学生的理解能力、实际操作能力和创新能力，益显重要。这就需要教师充分利用现代教育技术进行教学设计，改进教学手段和教学环境，使学生既掌握工程方面的理论知识，又具有一定的实践能力。使学生更适应毕业后的理论和实践工作。随着信息、计算机技术的突飞猛进，教育技术也经历深刻的变革，如网络化，多媒体化，虚拟现实等技术。其中虚拟现实技术是近年兴起的一门综合性信息技术，在教育领域内具有广泛的前景，将对传统教学产生很大的冲击。但毕竟虚拟现实技术是一项高新技术，具有一定的技术门槛。本文将就教师应用虚拟现实技术进行土木教学内容和教学方式的开发和设计进行探讨。

一、虚拟现实技术

1.基本概念

虚拟现实(Virtual Reality，VR)，有时也称为灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境(Virtual Environment)或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真。一般来说，有3种典型的虚拟现实系统：桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、分布式虚拟现实。(1)桌面虚拟现实是利用个人计算机和工作站去进行仿真，计算机的屏幕是用户观察虚拟环境的一个窗口。桌面虚拟现实在沉浸感方面较差，但对设备要求不高，成本较低。普通用个人计算机就可以实现。(2)沉浸式虚拟现实系统则使用户完全进入一个虚拟环境，产生强烈的沉浸感。它通过让用户完全沉浸在一个四面具有投影的房间中，或者通过头戴一些设备来实现这一效果。一般来说，对设备具有很高的要求。(3)分布式虚拟现实系统是利用网络，将不同地理位置的用户联结起来，共享一个虚拟环境。用户通过选择一个代表自己的化身进入该环境。在这个环境中，多个用户可以相互看到，并进行交互协同作业。由于桌面式虚拟系统软硬件成本低，用于教学演示已经足够，所以本文只介绍该系统。

2.桌面虚拟现实开发方法

在土木工程教学中，虚拟现实一般用于复杂结构物和复杂工艺流程的演示。系统设计技术难点是三维(3D)模型的建立和交互式动作的设定和驱动。桌面虚拟现实系统构成与设计和其他两种相比相对简单(如图1所示)。

目前，随着计算机和图形学的发展，不少从事虚拟现实技术开发的公司，推出了许多开发工具。建模工具有流行的三维建模软件3D Max，Maya，Creator等。驱动工具有Vega，Cult 3D，Virtools等。不同驱动软件要求不同的模型格式,通常相关公司提供格式转换的插件。另外,一种标准的虚拟现实语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)可以用于建模和事件驱动。为了方便在网络上共享、传播和浏览，需要下载不同的播放插件。除了上述利用第三方提供的开发平台外,当然,也可以从底层开发,这要求开发人员具有很高的编程能力和虚拟现实技术方面的专业知识。它周期长,而且复杂。一般教师采用前者。

二、虚拟现实教育技术应用于土木工程教学

在土木工程教学领域，目前虚拟现实主要应用在课堂讲解演示与试验实践教学环节中。

土木工程专业的结构物构造、设计和施工工艺流程的讲解可以通过制作三维交互的虚拟现实模型得以实现。图2是简支梁桥成桥过程动画的一个画面。

图2 简支梁桥成桥动画截屏

土木工程试验也是土木工程的一个重要教学实践环节，现在由于高校扩招，教学资源严重不足，同时实验室利用效率低。导致实验教学质量低。运用虚拟现实技术构造虚拟实验室可以弥补这一缺憾。虚拟实验室包括逼真的实验设备、环境模型，试验流程的演示和交互，试验指导和提示模块。

虚拟现实技术同时可以丰富网络教学，利用HTML和网络技术，教师把教学课件放在校园网上，供学生在课前预习和课后复习。特别是网络化的虚拟现实土木工程实验室，可以大大提高实验教学的效果，因为学生可以在每堂实验课前，在网上虚拟的实验室就可以直观熟悉试验环境、试验仪器，操作步骤及注意事项，因此，实际的教学效率得到极大提高。

虚拟现实技术具有人机交互，寓教于乐，直观形象，便于记忆，实现局域网或远程教育，自然模拟和逼真体验等优点。课堂引入虚拟现实大大激发学生的学习兴趣，增强求知的渴望和好奇心。在虚拟系统中，三维土木工程结构物可以360º视角观察，还可以从外到内观察细部。俗话说，百闻不如一见，长篇空洞的描述抵不过一个虚拟现实动画的效果。与传统的二维静态教学演示相比，虚拟现实技术可以让学生在短时间内获取和体验工程知识的经验。从图3的经验之塔可以看出，它把工程做的和观察的经验都集中于虚拟现实系统。学生更快更容易地从具体经验上升到抽象经验。

因此，引入虚拟现实的现代教育技术避免传统教学模式课堂教学机械、沉闷、劳动强度大和效率低的局面。

三、虚拟现实技术教学环境的创建

教育现代化是建立适应现代社会、经济及科技发展需要的，以培养创新人才为目标的新型现代教育体系。要实现教育现代化，就要充分利用现代教育技术、加快教育信息化的程度、加大教育改革的力度。要达到这个目的，是一个复杂系统工程，它需要社会发展大环境、学校、教师和学生的协调和配合。才能使系统达到最佳化。要摆脱传统教学模式，在科技进步条件下，学校首先要具备适当的适用于现代化教学和学习的软硬件设备，在这个基础之上，同时，对教师进行培训，提高教师的学习能力，展开研究型的教学工作；学生也可以在教师指导下进行研究型的学习。例如，教师在进行虚拟现实教学课件研究设计时，可以吸纳学生参与进来，相互促进，提高教和学的效果。总之，在这个创建的教和学环境中，既要有展开虚拟现实教学的硬件，也要有现代教育理论的指导和教学系统过程设计的软件，同时需要在教师的引导下，学生的积极参与和互动。

四、结束语

虚拟现实技术经过20多年的发展已经比较成熟，也进入了教育领域，但是要在学校广泛应用尚需努力，毕竟该技术需要一定计算机水平。笔者在教学过程中引入了虚拟现实技术，并在课程结束后做了一个调查，几乎所有的学生认为这种方式易于理解知识。考查证明学生取得了比往届学生更好的学习效果。

[1]吴疆，王润兰.21世纪现代教育技术[M].北京：人民邮电出版社，2001

The discussion on the application of virtual reality technology in civil engineering teaching

Wang Kaiying, Liao Mingjun
Beihua university, Jilin, 132013, China

With the development of computer hard and soft technology and information technology, a great progress was made in virtual reality technology (VR). Consequently, virtual reality technology stimulates the modernization of education technology. This paper introduces related knowledge about VR，and，the advice about the environment of the instruction technology of VR.

virtual reality; civil engineering; teaching

2010-06-08

王凯英，本科，讲师。