虛擬現實技術在電子類專業職業教育中的應用*

劉穎（天津職業技術師范大學電子工程學院 天津 300222）

虛擬現實技術在電子類專業職業教育中的應用*

劉穎
（天津職業技術師范大學電子工程學院 天津 300222）

針對電子類專業職業教育的培養目標，論述了虛擬現實技術在理論教學與技能培訓中的應用前景。將虛擬現實技術應用于電子類專業職業教育，不僅可以適應學生理論學習中情景化及交互性的要求，而且也能更好地滿足鍛煉和提高學生實際動手能力的需要。

虛擬現實技術；電子類專業；職業教育

電子類專業職業教育的目標，是培養能夠從事與電子信息技術有關的信息處理、通信技術、電子技術、計算機技術等領域工作的應用型技術人才，要求畢業生動手能力強、專業基礎扎實，并能夠很快適應崗位工作。職業能力的養成，需要學生不僅扎實地學習理論課程，還須接受大量的實驗、實訓、課程設計、專業實習等實踐環節的訓練。這就意味著職業院校需要投入大量的人力、物力來滿足這些實踐環節的需要，如多個指導教師、多套電子設備的投入以及大量元器件的消耗等。此外，當今電子信息技術及其應用的迅猛發展，對學生的電子信息技術應用能力提出了更高的要求，如何在有限的教學時間內，提高學生的專業應用能力以適應專業技術的發展，是亟待解決的問題。因此，合理利用最新技術改變舊的教學方式與實踐方式，縮短理論與實踐相結合的時空距離，減少實踐環節長期持續的人力、物力消耗，無疑是一條值得探索的有效途徑。

虛擬現實技術是一門新興的高端綜合性信息技術，它融合了計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術、數字圖像處理、人工智能等多個信息技術分支。隨著虛擬現實技術的飛速發展，其應用也由最初的網絡游戲領域擴展到了航空航天、建筑設計、三維醫學成像、電力、化工、教育、制造業等多個領域。虛擬現實技術具有多感知性、沉浸感、實時性和交互性等突出特征，對電子類專業職業教育培養動手能力強、專業技能扎實的專業技術人才具有極大的輔助作用。

虛擬現實技術的特點及虛擬現實系統的組成

虛擬現實技術具有如下特點：多感知性，包括視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、味覺感知及嗅覺感知等；沉浸感，指用戶在虛擬現實技術構造的三維虛擬環境中產生身臨其境、沉浸其中的感覺；實時性，指虛擬環境中的各種“物體”會按照各自的規則根據用戶的操作指令實時響應；交互性，指用戶可通過專用設備或接口實現對模擬環境的考察和操作，并能從環境中得到反饋。

構建一個虛擬現實系統的基本手段和目標就是利用并集成高性能計算機軟硬件及各類先進的傳感器，結合計算機圖形學、圖像處理與識別技術、人機接口技術、分布處理技術、數據庫技術、多媒體技術等，創建一個具有沉浸感、交互性的虛擬環境。構造這種虛擬環境，在硬件方面需要跟蹤系統、觸覺系統、音頻系統、圖像生成和顯示系統以及高性能計算機處理系統等；在軟件方面，除一般軟件支撐環境外，還需要能把各種數據庫及各種CAD軟件進行調用和互聯的集成環境。

虛擬現實技術應用于電子類專業職業教育的意義

虛擬現實技術是一種能有效地模擬人在某種環境中的各種感受及動作行為的高級人機交互技術。它所產生的局部世界并非真實世界，而是人造的虛構世界。但是當用戶通過人機接口進入這種虛構世界時，卻感覺與現實世界基本相同。在虛擬現實世界中，用戶通過視、聽、觸等感覺的逼真體驗，直接參與和探索虛擬對象的作用和變化，從而產生對相應真實對象的理解和感受。虛擬現實技術應用于電子類專業的職業教育領域，可以很好地解決教學的情景化及交互性要求，使學生在較短的時間內對所學內容產生深刻的印象，從而加深理解。

增強學生的學習效果 由于虛擬現實技術具有情景化與臨場化的特點，將其應用于教學之中，能夠充分調動學生的各個感覺器官，使學生全身心沉浸在學習環境中，通過自身對環境中各種信息的體驗來獲得知識和技能。在傳統教育模式下，學生僅僅通過教材和教師的講授來獲得知識，要想取得較好的學習效果，尤其是攻克難點，必須通過教師反復詳細講解、學生反復練習及實驗實訓等環節。而且這些環節應緊密聯系，每一個都必不可缺，倘若哪個環節沒有做好，或者各環節之間相互脫節，都會影響學生的學習效果。而基于虛擬現實的教學則可涵蓋傳統教學的各個環節，使那些抽象、枯燥、難懂的學習內容以生動形象的形式表現出來，大大提高學生的理解程度和掌握速度。例如，對于繼電接觸器控制系統，在傳統教學模式下，在理論課上教師只能對其電子控制原理圖進行講解來說明其控制原理，比較抽象難懂，通常需要反復講解。在實驗課上若要連接建立一個較為完整的繼電接觸器控制系統，則需要大量密集的連線，要求在實驗器材上做充分準備，但學生還是會感到暈頭轉向，摸不清門路。而采用虛擬現實技術，只需模擬搭接選定的電路系統，調節電路元件后，就可立即實現各繼電接觸器對電路的控制，從而加強學生對理論的理解，激發學生的學習興趣。

構建開放性的教學環境 采用虛擬現實技術，能夠創建一個民主、和諧、平等的教學環境。師生在其中可以自由地發表意見，大膽地進行各種嘗試；學生還可自行設計和選擇實驗方式，充分發揮想象力和能動性；允許和鼓勵學生探索各種可能性，充分發揮創造力。如構造一個真實電路的虛擬系統，學生可以在此系統中搭建各種電路，信號源、示波器、直流電源、萬用表以及各種電子元件都能在虛擬系統中找到并使用，而且可以得到與在真實環境中相同的測試結果。此外，當出現一些錯誤連接時，也會導致真實環境中相應的不良結果，如一些元器件的毀壞等，不僅能使學生直觀地感受到錯誤連接的后果，而且能杜絕不安全的因素，避免元器件的消耗。

豐富教學內容，突破時空及其他因素的限制 應用虛擬現實技術可以演示一些遠離人們日常生活、不便觀察的自然現象，以及一些硬件設備太過高昂的實驗。例如，在有關移動通信的教學中，傳統教學主要靠教師講授，最多配合多媒體演示一些相關圖片，學生難有直觀的和整體的認識。而使用虛擬現實技術模擬移動通信系統，學生可以直接進入到移動通信系統中的各個部分和環節查看，如對基站與基站控制器、移動交換中心的查看以及查看話費的計價系統等，從而對整個移動通信系統有一個清楚、完整、直觀的認識，輕松地理解和掌握其各個組成部分的構造與工作原理。

虛擬現實技術在電子類專業職業教育中的具體應用

在電子類專業職業教育中，學生動手能力的培養是第一位的，虛擬現實技術也應適應這一培養目標，著力于學生的實際操作訓練。其具體應用可以包括：

建設虛擬實驗室 在電子類專業職業教育中，各個專業培養方向都應配有該方向的實驗實訓室，如電路與微機實驗室、通信系統實驗室、信號與信息處理實驗室等。在這些實驗室中，學生通過實際操作鍛煉自己的動手能力。但是要系統、完善地建立這些實驗室，并使它們緊跟技術發展的步伐，需要大量的長期不斷的經費投入，且需要占用很多場地。而虛擬實驗室可以是這些現實實驗室的真實再現，還可以是現實世界中根本不可能存在的實驗室。在虛擬實驗室中，學生可以參與各種實驗實訓，親身動手實踐，從而實現個性化教育，避免大量人力、財力和時間的浪費。以通信系統虛擬實驗室為例，它可以在虛擬世界中建立與現實世界中完全相同的固定電話網、移動通信網、衛星通信網以及光纖通信網等通信網絡。這些通信網絡在現實實驗室中，有的只能將其簡化成簡單的通信模型，學生無法深入學習；有的只能模擬其中一小部分，無法讓學生看到全貌，學生難以了解整個通信系統各部分之間的聯系與協作；有的甚至很難在現實實驗室中實現，學生只能靠理論課程上教師的講授以及其他圖書資料的介紹來學習。而在虛擬實驗室中，學生可以隨意進入各個通信網絡中的任意組成部分，查看任意一個環節的工作狀態，還可通過動手操作（如改變參數等），改變相關環節的工作狀態，排查各種故障。這樣，學生不僅能了解整個通信網絡的全貌，還能掌握其各組成部分的工作原理，并能夠熟練地分析各種故障產生的原因，從而快速解決問題。

建設信息化校園 虛擬現實技術促進了高職院校信息化的建設進程，為教育隊伍提供了一個高起點的科研環境，使高職院校的教學人員和科研人員有一個更為廣闊的施展才華的空間，也促使學科建設不斷邁上新臺階。電子類專業職業教育培養的是適應現代電子信息技術發展的應用型人才。目前，由于電子信息技術的飛速發展，各高職院校現有的實驗實訓設備已相對陳舊，這樣也就難以培養出現有技術工作崗位所需要的人才。另外，教師對著一成不變的實驗實訓設備，也感覺沒有自身進步和發展的空間。因此，利用虛擬現實技術建設信息化校園，可以使學生受益、教師進步，使得教、研、學同時更上一層樓，且能使三者間相互促進，形成良性循環，加快學科建設的步伐。

建設遠程教育網絡 虛擬現實技術應用于教育網絡，可以實現教師和學生間的有利互動。這樣，無論教師與學生之間相距多遠，無論有多少學生，學生都可以與教師“零距離”對話，從而有利于提高教學效果和節約教育投入。在基于虛擬現實技術的遠程教育網絡的幫助下，在校學習的學生除課堂學習外，還可在課下（如在寢室或校外）登陸遠程教育網絡進行預習、復習以及實踐練習，從而收到良好的學習效果。另外，學校還可招收僅在校外學習的學生，實現不限地域招生和教學。這樣，不僅學生可以直接在生源地的家中學習，省去住宿、伙食等費用，學校也能夠以現有規模和設備招收更多的學生。

虛擬現實技術是一門嶄新的具有很大潛力的技術，已經越來越多地應用于教育領域，并收到了良好的效果。但目前虛擬現實技術在電子類專業職業教育中的應用仍處于初級發展階段，很多高職院校的電子類專業還尚未應用任何虛擬現實技術。隨著相關技術的發展，相信虛擬現實技術將會在電子類專業職業教育領域發揮更大的影響和作用。

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（本欄責任編輯：謝良才）

如果教育學要從各方面去培養人，那么它首先要從各方面去了解人。

——烏申斯基

G712

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1672-5727（2011）10-0165-02

劉穎（1982—），女，碩士，天津職業技術師范大學講師，研究方向為電磁仿真。