虛擬現實技術在電氣類課程教學改革中的應用*

◆姚江云 齊保謙

作者：姚江云，碩士，助教，廣西科技大學鹿山學院電子信息與控制工程系，主要從事電氣控制技術、智能控制技術教學研究；齊保謙，廣西科技大學鹿山學院電子信息與控制工程系（545616）。

在教育信息化大背景下，為了達到應用現代化的信息資源與技術手段來提高人才培養質量的目的，許多高校努力探究各種教學改革途徑，進而產生出許多以教育信息化為指導的教學方法，最有代表性的有多媒體技術的應用、互聯網資源共享平臺的應用、構建主義學習理論在教學中的應用等，但這些都沒有克服電氣類課程專業性強、理論抽象、教學與現實相分離等特點給課堂教學帶來的困難，如教學過程不夠靈活、不夠生動形象，學生學習興趣不夠強烈，理論無法聯系實際等。建構主義認為“情境”的體驗對學習者構建知識是非常必要的，而傳統教學很難或者根本無法提供給學生這種真實的“情境”[1]。虛擬現實技術恰恰可以提供這種“情境”。

將虛擬現實技術應用于高校電氣類課堂教學中，能夠形象生動地表現教學內容，有效營造一個能夠跟隨技術發展的教學環境，提高學生掌握知識技能的效率，實現課堂教學的情景化、興趣化，達到優化教學過程、提高教學質量的目的。

1 虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），原來是美國軍方開發出來的一項計算機技術，主要用于軍事上的仿真[2]，直到20世紀80年代末才作為一個較完整的體系被正式提出，90年代后其內容逐步成熟與發展。目前已在許多領域得到廣泛應用，如機械、化工、醫藥、軍事、汽車等領域，主要用于模擬現實生產過程、動作原理等，幫助相關人員進一步了解其工作原理，進而對系統做出優化設計，達到節約成本、提高工作效率的目的。

虛擬現實技術充分利用計算機硬件與軟件資源的集成技術，提供一種實時的、三維的虛擬環境，這個虛擬世界是人工建造的，存在于計算機內部[3]。在這個虛擬環境中，能實時產生與真實環境相同的感覺，人們可以直接觀察虛擬環境中物體的變化，并與虛擬環境中的物體之間進行自然的交互，這也就大大改進了人機交互的效果，同時體現了人機交互的一個發展要求。

虛擬現實技術的主要特征可概括為：1）實時交互性，即參與者可以對模擬環境進行一定程度的考察與操作；2）多感知性，即對于參與者的各種操作，虛擬系統可以產生相應的反應，供參與者觀察或感知；3）存在感，指參與者感到作為主角存在于虛擬環境中的真實程度；4）自主性，指虛擬環境中物質動作的程度服從于自然規律或者遵循設計者想象的規律。這些特點總體上體現了虛擬現實技術能夠真實地模擬現實情境的獨特優越性，也是其得到快速推廣應用的主要原因。

虛擬現實技術是多媒體技術發展的高級階段，其人機交互方式得到重大改進，即人可以進入由計算機生成的虛擬環境中，與虛擬環境中的物體、事件進行交互作用，這種變革對使用者產生的影響是深遠的。21世紀將是虛擬現實技術廣泛應用的時代，教育教學領域應充分利用虛擬現實技術的優越性，為提高教學質量與效率服務。

2 傳統教學模式分析

創新人才的培養離不開教育的創新，除了教育觀念創新和教學內容創新外，還包括教學方法、手段與模式的創新。隨著信息技術、計算機技術以及教育教學理論的不斷發展，在傳統教育模式的基礎上，不斷涌現出多種現代化的教學模式。1）傳統教學模式：形式死板，不足以激發學習興趣，陳述知識面窄，授課效率低，理論不能聯系實際。2）多媒體教學模式：文字表述過多，知識呈現抽象，不足以激發學習興趣，授課普遍稍快，不利于消化，理論不能聯系實際。3）網絡教學模式：涉及知識面廣，呈現形式多樣化；對學生自主學習性要求較高，缺少教師指導，學習積極性不高；學習效率低、理論不能很好地聯系實際。4）構建主義教學模式：是一種基于“情境”體驗的知識構建的學習方法，而現實教學中很難提供這種真實的“情境”。5）基于虛擬現實技術的教學模式：脫開文字與靜態原理圖，動態地呈現整個工作過程，視覺感受強烈，有助于抽象知識的理解，激發學習興趣。

可見，相比于傳統教學模式，現代化的教學方式在內容、形式、手段上有了很大的突破，克服了傳統教學的一些弊端，但普遍存在一個問題就是不能夠提供一個“真實情境”來幫助學生進一步理解問題，理論難以聯系實際。同時也帶來另外一些問題，如對學生自主學習性要求較高，對教學條件的依賴性強等。虛擬現實技術正好能夠解決“真實情境”的問題，同時由于在教師的指導下學習，便于管理學生，學習效率高，教學成本低。

3 虛擬現實技術在教學中的應用

電氣類課程課堂教學過程中，尤其需要改變傳統的教育觀念，摒棄那種“滿堂灌”的教育觀，給學生創造一個生動、有效的自主學習環境，才有助于理解抽象的理論性和專業性強的知識，進一步提高掌握實際技能的效率。這在很大程度上離不開技術的支持，而虛擬現實技術則可以滿足這種需求，為學生提供很好的自主學習環境。可以說虛擬現實技術給教育領域注入新的生機和活力，由于它的諸多特點，為教育界開展教育創新提供了有益的幫助。

鑒于電氣類專業的實際教學情況與自身的教學感受，結合學生對于傳統課堂教學模式的反應，總結出目前急需進行教學改革的兩個基本問題：1）對于理論性強的課程，文字表述過于繁瑣且不利于理解，所配靜態插圖（原理圖）不能說明整個動態的工作工程，不夠形象直觀；2）試驗設備有限且較為單一化，大多數為驗證性實驗，對于理論知識的實際應用接觸較少。上述問題也是目前普通高等院校工科類專業教學中普遍存在的，因而虛擬現實技術的應用將是非常必要的。下面以電氣控制與PLC教學為例，說明具體的應用方法。

3.1 虛擬動畫演示

針對課堂教學內容的抽象性，可以利用虛擬現實技術制作模擬動畫，實現對重點內容的工作原理、工作過程甚至整個系統的動作過程的動態模擬。相比于單一的文字陳述與靜態的工作原理框圖，模擬動畫具有繽紛清晰的動態畫面，人機交互的動態參數修改操作的特點，它能夠幫助學生進一步理解某一內容或系統的工作原理、性能特點，進而牢固掌握所涉及的知識。此外，這種脫離單一文字的動態畫面式教學模式還有助于激發學生的學習興趣，樹立良好的整體學風。在實際教學過程中這種虛擬動畫可以重復播放、不斷改進，達到節約成本、多次使用、輕松教學的效果。此方法在電氣控制與PLC課程教學中已有使用，教學效果良好。圖1為干簧式水位開關工作原理動畫演示過程截圖。

3.2 虛擬實驗系統的建立

圖1 干簧式水位開關工作原理動畫演示過程

在電氣類人才培養過程中，實驗實訓設備多少與先進程度很大程度上決定了人才培養的質量。在實驗設備有限的情況下，可以建立虛擬實驗系統，來模擬真實的實驗室環境與設備，供學生操作與使用。這種虛擬實驗系統的建立有幾大優點。首先，能夠代替實際的實驗設備，節約教學成本。其次，它完全存在于計算機中，可以方便地使用，不必受時間空間的限制，能夠更好地理論聯系實際，加強對所學知識的及時消化。如在講授完理論知識需要配合實驗時，教師可以在課堂上進行虛擬實驗，達到一個現場鞏固知識的目的。再次，虛擬實驗系統的建立還具有豐富實驗資源、簡化實驗管理、全面向學生開放等特點。

電氣控制與PLC課程教學中，PLC的編程思想是靠大量的實驗項目訓練出來的，在實驗資源較少的情況下，建立虛擬實驗室供學生練習是非常必要的。虛擬實驗其近乎真實的實驗環境比純粹的軟件仿真更為真實，便于學生理解。圖2為混合溶液PLC自動控制虛擬實驗界面。

圖2 混合溶液PLC自動控制虛擬實驗界面

4 總結

隨著信息時代的到來，虛擬現實技術具有廣闊的應用前景，特別是在教育領域中的應用更是處于起步階段，具有較大的挖掘潛力。本文初步探究了虛擬現實技術在獨立院校電氣類課程教學改革中的應用，以電氣控制與PLC課程為例，提出幾點具體的應用措施，其方法也在實踐教學過程中初步實施，取得良好的效果。但由于所掌握的技術的不成熟與實際條件的限制，所提出的方案沒有得到全方位的開發，所取得的效果不是非常突出，還需要以后進一步的研究與完善。

[1]李建華.基于構建主義的教育模式探究與實踐[J].西南民族大學學報:人文社科版,2005(10):351-354.

[2]鄒湘軍,孫健,何漢武等.虛擬現實技術的演變發展與展望[J].系統仿真學報,2004(9):1905-1909.

[3]成建生.高職電氣自動化技術專業人才培養體系的構建[J].教育與職業,2011(12):123-124.

[4]電類專業在工業化融合信息時代的應對措施探討及實踐[J].高教論壇,2009(10):64-66.