虚拟现实技术在可视化教学中的应用研究.docx
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虚拟现实技术在可视化教学中的应用研究
附件1:
大学生创新训练项目
项目申请书
项目级别:
国家级□校级□(请在□中划“√”)
项目名称:
校级项目编号:
项目负责人信息:
姓名:
手机号:
QQ号:
专业班级:
所在学院:
E-MAIL:
指导教师信息:
姓名:
联系电话:
所在单位:
E-MAIL:
中南大学
2015年制
填写说明
1.本申请书所列各项内容均须实事求是,认真填写,表达明确严谨,简明扼要。
2.本申请书为大十六开本(A4),可网上下载、自行复印或加页,但格式、内容、大小均须与原件一致。
相关支撑材料附后,左侧用钉书针装订。
3.新申报项目可同时申报同一类型的国家级和校级项目,先评选国家级项目,后评选校级项目。
4.请项目负责人所在学院认真审核,签署意见并盖学院公章后,将申请书(一式一份)报送创新与创业教育办公室。
一、简况
项目名称
虚拟现实技术在可视化教学方面的应用研究
——以采矿专业为例论在中南大学推广的可行性研究
所属学科
采矿工程专业
申请经费(元)
10000
起止年月
2015年5月至2016年4月
负责人姓名
性别
身份证号
学号
指导教师1
职务
职称
电话
指导教师2
职务
职称
电话
项目参与人
性别
专业班级
所在学院
学号
项目中的分工
负责人曾参加与本项目相关的科学研究
指导教师承担本项目相关的科研课题
项目简介(200字左右)
采矿工程专业作为国内许多大学的重要学科,其课程开展总体来说较为完善,但目前为止各大学还是采取ppt模板式二维平面的方式教学,而采矿工程专业是一门需要大量实践的学科,传统教学方式显然不足,矿山安全问题也使得实践环节颇多障碍。
一种既能让老师教学授课更轻松,又能使学生能够更加清晰理解复杂抽象的采矿过程的工具——3D虚拟辅助教学系统将会有广阔发展空间,这也成为我们团队研究的重点。
该项目分为两个阶段:
第一阶段主要研究“采矿工程3D虚拟辅助教学系统”。
第二阶段主要研究“3D虚拟辅助教学系统”在我校推广的可行性。
我们希望通过此次研究,在中南大学推广“3D虚拟辅助教学系统”,让老师通过此系统可以更加轻松地授课,让学生可以身临其境般地学习,更加高效地掌握各项相关知识,从而达到良好教学效果,提高教学质量。
二、课题论证(5000字左右)
1研究目的和意义
1.1VR技术简介
虚拟现实技术(VirtualReality,简称VR)又称为真实幻觉或者灵境技术,实际上是一种可创建和体验虚拟世界(VirtualWorld)的计算机系统。
它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器(HMD)、数据手套等辅助传感设备,提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面。
使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化,产生沉浸感。
因而VR被誉为人机接口技术的一场深刻革命。
实际上,VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、信息技术、传感与测量技术、仿真技术、多媒体技术、语音与模式识别技术、人机接口技术、软件工程、网络技术和人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。
其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。
它同时具有沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和构想性(imagination),使人们能沉浸其中,超越其上,出入自然,形成具有交互效能多维化的信息环境。
【1】
总之,VR是一种表现形态生动灵活的技术,它可以通过模拟使用者的听觉、触觉、视觉等感官的感受,让使用者全方位的、没有限制的去观察通过计算机模拟出的三维虚拟空间,有如同身临其境的感受。
VR是信息科学领域中的新兴技术,它具有广泛深入研究的内涵和宽阔的应用前景。
1.2VR技术在采矿中的应用及意义:
VR技术作为构建三维虚拟学习系统的关键技术之一,可以构造出逼真的矿山工程三维空间环境,操作人员可以通过人机交互参与其间的活动。
可以改变传统的只是靠文字和二维或者三维的图纸来了解和熟悉矿山的生产系统和运行等状况的培训、教学的模式,比以往印在纸上的静态信息要牢固、有效的多,使学习者可以在毫无危险的环境下进行精确模拟,亲身体验到在现实生活中体验不到的经历,可以让即将从事矿山工作和学习研究者更容易熟悉矿山系统的生产环节和施工工序,进而提高效率。
与此同时,VR系统辅助人类了解实际的矿山作业环境,进行风险预测和典型矿山事故的分析与再现等,更重要的是实现人机交互作用,使用户浸入所创造的环境中,实现灾害识别、救灾训练。
这种应用技术的研究开发无疑对提高矿山安全生产、矿工的安全保护意识和系统优化设计具有重要的实用价值。
1.3VR技术在教育中的运用及意义:
VR技术的重要性同时也被世界广大教育学家认可,教育学者在不断研究和发展可视化教育方法。
VR技术运用于实验教学中,能给学生提供一个虚拟实验的空间强化他们的操作技能,改善现有实验教学的现状,提高实验教学的效果。
在目前对多媒体教学系统虚拟实验的研究中,大多是构建了虚拟现实环境,但对实验设备的功能开发不全面,具体的功能效果在实验中未得到体现。
VR技术构建具体的虚拟实验应用平台,实现了多媒体系统中设备的具体功能。
本虚拟实验的运用一方面可作为多媒体系统实验教学的补充,强化和提高学生的操作技能,另一方面也可为学生的学习提供更丰富的资源内容,利于学生的自学及自主能力的提高。
同时VR技术在教育领域应用还只是一个开端。
它有着很好的发展情景。
1.4VR技术在我校的推广:
中南大学作为一个综合性大学,工科尤为突出,VR技术在工科类教学中具有优越性。
其优越性体现在四个方面:
◆VR技术具有直观性:
在工程类课程教学过程中,教师通过实物、图片等一些直观方法来织教学,使学生通过视听等感官来感知和认识所呈现的客观事物,加深对它们的理解,这就是直观性。
由于工业设计课程固有的特点,有些原理或模型结构很难仅凭想象去理解,相较于无形,有形的东西更容易让人接受和理解,“百闻不如一见”就说明了这个道理。
教师在教学过程中适当地运用一些图片、模型和动画,可以使学生加深对于所学知识的直观理解。
VR技术具有生动性:
VR可以将抽象、无味的概念生动地表述出来,避免学生由于想象力的缺乏难以理解抽象的知识。
教师在利用VR技术的过程中,充分利用计算机的图形显示、动画模拟、文字说明能力,配合教师的同步讲解,形成全新的教学环境,大大增强了学生对抽象事物与理论知识的理解,克服了传统教学中的许多弊端。
◆VR技术具有延展性:
工业设计不是一门孤立的学科,它与其他学科有千丝万缕的联系,如设计在教学过程中要用到其他知识来诠释,如美学,力学,结构等。
在教学过程中,利用VR技术对其他学科知识予以运用,不仅重现了教材中的内容,同时也深化充实了教学内容,扩充了教材的知识范围,拓展了学生的知识面,改变了旧教材的一些教学方式,增大了学习的信息量。
◆VR技术具有整合性:
VR技术可以对知识重新归纳分类,形成以问题分类的体系,有利于学生复习与巩固所学的知识。
但是可视化教学只是选择了课程中一部分内容来进行,没将全部教学内容可视化。
VR技术具有兼容性:
VR技术在运用中可以兼容各种学科,它主要研究两个方面的内容,一是如何运用可视的图片、动画来表达工程类课程的教学内容,二是研究可可视化工具的在工程类课程教学中的选择和运用。
可视化技术运用的过程中,融合了计算机学、心理学、数学、人机学、界面设计、色彩学等诸多学科,不仅要考虑到构图的平衡、视图的变换、色彩的选择,还要考虑运用什么可视化技术的软件。
总之,合理的运用VR技术,合理优化组合不同的媒体资源,将教学引入新的境界,才能更好地适应当代人才培养的要求。
◆VR技术具有传播的广泛性:
传统的教学是老师讲,学生听,有时候老师板书学生做笔记,由于记忆消退的规律性,随着时间的推移,人们对于文字的记忆时间远远短于对图像、颜色,以及身体感官的记忆。
同时,由于各个国家和民族的文化差异,人们对文字的阅读必须建立在受过一定教育的基础上,这使得用文字传播信息受到了一定的限制。
VR技术中的图形图像和动画和感官可以跨越语言文字甚至是文化的障碍,能够使教师更方便更快捷的运用到教学过程中。
同时,教师借助于可视化工具编写可视化教学软件,学生也可以借助于老师的教学软件进行复习,根据自己的实际情况和对知识的掌握程度巩固知识,这也就大大提高了学生学习效率,让学生能更好的自主学习。
2国内外研究现状
2.1国内外VR技术现状
在国外,VR技术的发展时间长,技术先进,有着很高的水平。
荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室(TNO-PEL)开发的训练和模拟系统,通过改进人机界面来改善现有模拟系统,以使用户完全介入模拟环境。
德国在VR的应用方面取得了出乎意料的成果。
在改造传统产业方面,一是用于产品设计、降低成本,避免新产品开发的风险;二是产品演示,吸引客户争取定单;三是用于培训,在新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平。
2008年10月27-29日在法国举行的ACMSymposi-umonVirtualRealitySoftwareandTechnoogy大会,整体上促进了虚拟现实技术的深入发展。
在美国,麻省理工学院(MIT)是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。
MIT原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋,这些技术都是VR技术的基础,1985年MIT成立了媒体实验室,进行虚拟环境的正规研究。
这个媒体实验室建立了一个名叫BOLIO的测试环境,用于进行不同图形仿真技术的实验。
利用这一环境,MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。
另外,MIT还在进行“路径计划”与“运动计划”等研究。
而在我国,北京航空航天大学计算机系也是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一,其虚拟实现与可视化新技术研究室集成了分布式虚拟环境,可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等,并在以下方面取得进展:
着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示与处理;在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件并提出有关算法及实现方法。
清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”,采用了QuickTime技术,实现大全景VR制;浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统;哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像,解决了表情的合成和唇动合成技术问题,并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。
【2】
我国的虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离,但随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展,虚拟现实技术已经得到了相当的重视,引起我国各界人士的兴趣和关注,研究与应用VR,建立虚拟环境,虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展。
国家科委国防科工委部已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目,国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用并取得了一些不错的研究成果。
2.2国内外VR技术在矿山上的应用
在矿业方面,国内外研究机构己经认识到虚拟现实的巨大潜力,他们也正在积极研究开发矿业领域的虚拟现实系统,并取得许多成果。
德国DMT大学开发的矿井决策模拟系统STMBERG,是采矿专业学生的训练软件。
该软件包括地质、采矿、通风、机械、管理等内容,可以在虚拟现实环境中提供地质、开采设计、工作面状况、工人、市场等方面的简化条件,学生可以进行管理和决策。
还有德国Freiberg大学采矿研究所和Dresden技术学院联合开发的矿井设计3D自动立体展示系统。
该系统将3D技术应用于矿井设计中,可以根据钻孔数据模拟矿床分布,进行矿井设计,由于VR系统具有实时性,可以及时对设计进行修改,避免设计过程出现错误,提高设计准确性,提高矿井的经济效益。
系统可以模拟矿井废水、废气的扩散边界、开采过程中地表的下沉范围,有利于环境保护。
而且可以模拟矿井中发生的各种危险情况,给出危险情况下采取的应急措施和方法,提高工作的安全性。
目前国内利用虚拟现实技术在矿业方面的研究还处于起步阶段,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室和中国矿业大学合作,针对大空间建筑火灾的特点,建立了大空间建筑火灾VR系统;中国矿业大学和德国DMT大学合作,把矿井决策模拟系统STMBERG应用于真实矿井中,利用可视化虚拟现实技术可以模拟井下火灾的发生过程、变化趋势,帮助人们研究矿井防、灭火技术。
这是国内目前安全领域所建立的VR系统。
除此之外,国内各大院校、研究所及社会公司团体正在开始着手这方面的研究,发表了不少相关文章,但利用虚拟现实技术开发出的VR系统很少。
中国矿业大学利用虚拟现实技术在矿业方面的研究主要有:
针对露天矿的规划研究建立了露天矿三维模型和生态重建模拟系统,运用三维图形技术模拟综采工作面生产过程。
而当把范围再次缩小到采矿工程三维可视化虚拟学习系统,至少在国内是暂无先例的。
【3】
3研究内容、研究方法以及重点和难点
3.1课题研究内容:
(1)介绍分析可视化技术、可用性的概念。
通过文献分析研究方法,了解可视化技术的概念、可视化技术在教学过程中的优势、可视化技术在国内外的应用状况以及现阶段所存在的问题。
分析可视化的视觉要素和可用性的易学性、有效性、易记性、出错频率和严重性、用户满意度五个基本属性的内涵。
(2)分析可视化技术运用到工程类课程教学的理论基础。
通过运用心理学、生理学、教育传播学方面的一些知识来支撑教学中运用可视化技术的科学性和可行性。
(3)结合可视化技术可用性的易学性、有效性、易记性、出错频率和严重性、用户满意度五个基本属性对学生用户进行研究分析,主要从学生的知觉特性、认知特性和心理三个方面研究。
(4)分析归纳影响可视化技术实现的要素。
主要包括包括点、线、面三个视觉形态要素;色彩的色相、明度、纯度;图形形状、大小、数量的改变等。
通过对这些要素的分析总结能提高可视化教学软件可用性要遵循的原则和规律。
(5)选取采矿工程这门课程进行可视化教学实验研究,编写教学软件,对教学软件进行分析研究,用软件中的例子来论证可视化技术在教学中可用性的科学性和有效性
本课题主要研究虚拟现实技术在采矿工程课程体系教学中的应用的可行性和相对于传统的教学手段的优势及推广到其他类工程类学科的可行性。
3.2课题研究方法:
本课题主要采用文献分析法、实地考察法、个案研究法进行研究。
一是采用文献分析法进行研究。
本课题中可以利用的文献资料包括著名学者撰写的大纲、教师所列的教学计划和教学大纲、教授或者学者在一些期刊或者杂志上的发表的论文、中国优秀硕士学位论文等。
二是采用田野考察法进行研究。
本课题主要通过调查问卷、学生访谈等手段,收集本课题研究中涉及到的关于教学中遇到的问题、学生用户的年龄、性别、性格取向、教育程度等用户背景和用户特征,通过收集的数据为论文提供数据支撑。
三是采用个案研究法进行研究。
个体和整体是相互依赖相互依存的关系,就像是现实生活中个人和社会的关系。
研究一个理论就需要一个例子或者多个例子去论证,这样才具有科学依据和说服力。
同时,在研究个例的过程中会发现更多的问题,发现问题就会促使人去思考解决问题的办法,这样从另一个方面就可以推进理论的深化和发展。
3.3开发系统的重点:
本文所开发的虚拟实验系统针对的是具体的实验教学活动。
学生通过本虚拟实验系统进行操作后达到学习目的即是本系统设计的最终目标。
因此,系统开发的始终都是以学生的需求为中心,具体的开发过程中重点考虑以下因素:
◆方便的导航控制。
学生在实验操作过程中能够自主地控制学习模式及学习进度。
学生在实验过程中对实验的先后顺序、实验步骤、实验操作过程等提示要求系统都会给出明确的指示,学生可以按照系统的指示逐步地完成实验的操作过程,同时学生也可以根据自己的实际情况有选择地进行实验模块的操作,针对自己的特点进行针对性地实验操作练习。
◆实验中的实验效果力求与真实实验操作一致。
虚拟实验的最大好处即在于能够以较小的成本仿真现实实验操作,同时实现最大范围的资源共享,满足学生的个性化需求。
虚拟实验进行的基础是实际的实验操作,因此虚拟实验的设计所依据的蓝本是实际的实验场景。
在虚拟实验过程中所发生的所有实验现象都是在实际实验过程中可能发生的情况,虚拟实验只是对实际实验现象的一种事前预见,根据实际实验操作情形进行程序的设计、实验现象的模拟。
◆保证网络环境的使用。
虚拟实验的进行要适合当前的网络状态,让学生在计算机屏幕上能够流畅地进行浏览并进行实验操作。
实验场景的制作及交互功能设计等都要考虑网络实际状况,让学生能够在可以接受的网络反应时间下进行实验操作,达到系统应用的目的。
3.4研究难点:
(1)系统维护难点,多媒体教学虚拟实验系统建立在当前校园网络环境基础上。
校园内的用户通过校园网络能够快速登陆系统进行操作,而外部用户也可通过因特网访问校园网内应用服务器登陆系统进行学习。
对虚拟实验系统的维护只需要在服务器上进行操作就可实现,如改善实验操作流程、增加实验操作模块、扩充实验功能等。
这样可大大减少系统维护的工作量,同时也可保证系统运行的可靠性能
(2)在校园内进行调查问卷时,由于同学对VR技术不了解,会使调查数据产生偏差,进而影响到数据分析以及计划的制定。
所以我们会根据不同的人群设计不同的问卷,分层次来研究问题。
4研究计划及预期研究成果
4.1人员分工
小组成员五人分工,将采矿工程主要环节做成一个整体的3D虚拟现实系统,同时对中南大学进行可行性分析研究:
4.2研究计划
(1)2015年5月-2014年9月,完成对某个金属矿场的数据及必要资料的采集与整理工作,包括设计图纸,生产图纸,设备情况,生产情况;联系校方院方申请专用实验室;并筹划第一次实地调研。
(2)2015年9月-2015年10月,通过学习,完成对3D虚拟辅助教学系统程序的编程及虚拟场景的合成。
(3)2015年10月-2016年12月,完成程序的检测与测试,并让老师在实际教学中应用。
同时找出该系统的错误之处与不足,改进该系统,使3D虚拟辅助教学系统能完美的应用于采矿工程的实际教学中。
(4)2015年12月-2016年2月,进行对中南大学其他专业的市场调查,统计分析数据,进行虚拟教学系统的可行性研究。
(5)2016年2月-2016年4月,制定在中南大学推广的计划,联系相关领导及老师给予支持。
(6)2016年4月-2016年5月,总结项目成果,撰写论文。
4.3预期研究成果
1.通过本课题的研究,我们首先对VR可视化技术有逐步成熟的了解及应用,随后通过了解的知识完成相应创新科技论文并发表2篇左右。
2.将理论研究应用于在实践中。
让采矿专业专业的学生“进入”巷道内部,身临其境的学习采矿工程凿岩、爆破、通风、出矿、充填等相关课程,切身“感受”巷道内设备、管线、轨道布置情况。
3.帮助其他专业实现在VR技术上的应用,包括应用VR技术可视化教学帮助其他专业老师更便捷的对学生进行虚拟现实教学。
让其教学效果要比口述、照片、CAD图片等更加直观,让学生对工业流程印象更加深刻,提高学生学习的主动性,同时培养学生浓厚的学习兴趣。
4.让更多学生深刻体会VR技术,培养同学们对VR可视化技术的兴趣,将此项技术推广到大众。
5研究基础和保证(已取得的相关研究成果、研究时间保证,资料设备等科研条件)
5.1研究时间保证:
大二暑假实习之后可以花大量时间做出一个好的开端;
明确分工合作,但是会定期召开小组会议并寻求导师的指导建议;
大都电脑操作,因而不用每次都花大量时间,集体的研究制作多安排在周末,而平时主要看个人时间分配,也可以将一些琐碎时间也利用起来;
一般在假期才会安排外出调研考察,尽量不占用上课时间。
5.2资料设备保证:
因为我们自身专业在VR技术的应用已经逐渐成熟,所以我们可以利用图书馆书籍,也可以上中国知网下载,还能通过本专业导师或院里其他老师得到另一些资料,,所以在资料准备与收集方面是有相当丰富资源的。
并且院里有相关虚拟现实的实验室,这对于我们今后的实验将会有决定性的帮助,也是团队产生此创新项目的出发点之一;同时还有一个模型健全的采矿模型实验室,包括采矿中各个作业模型,矿山模型、巷道模型等等,对于我们通过采矿的VR技术来实践于其他专业并做出仿真会有很大作用。
参考文献:
[1]蒋庆全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹,2002,
(1):
27-34.
[2]许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代商贸工业,2009年,第二期:
P279-P280
[3]张俊文.基于仿真技术综采工作面虚拟现实系统的研究与初步体验[D].山西太原:
太原理工大学,2004年5月
三、经费预算
开支科目
预算金费
(元)
主要用途
备注
资料费
2000
购买相关文摘、专著,
以及打印相关资料的费用
差旅费
4000
实地调研时需要的费用支持
聘请费
3000
聘请专业人员对研究做相关指导和技术支持
通信费
500
用于研究时的通信支出
软件费
1000
用于购买相关的专业软件
机动资金
1000
研究过程中不可预测支出
预算经费总额
11500
四、指导教师意见
签名:
年月日
五、学院初审意见
负责人签名:
(盖章)
年月日
六、学校专家组复审意见
负责人签名:
年月日
七、学校领导小组审批意见
负责人签名:
(盖章)
年月日
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 虚拟现实 技术 可视化 教学 中的 应用 研究