高校課程VR虛擬實驗室的研究

郭亮 劉書廷

摘 ?要：高校虛擬實驗室的最大特點在于一切實驗操作都是在看似虛擬實則逼真的虛擬空間中完成，以類似游戲的形式讓學生長時間集中精神在學習上，通過寓教于樂的方式熟練掌握每個知識點。通過對虛擬實驗室技術的深入研究，能夠解決傳統教學枯燥無味的現象，無論學生成績好壞，都能從VR技術提供的沉浸式教學中獲益。更希望在未來幾年中，還會有越來越多的人通過各種方式在虛擬世界中觀察和體驗真實的世界，以一種全新的、更加全面的方法來學習。

關鍵詞：虛擬現實;知識點;沉浸式

多年的從教經驗讓我發現，盡管教師們都希望學生能在自己課堂上時刻保持全神貫注的狀態，但現實往往是絕大多數學生做不到這一點。然而學生卻會在“課余時間”花費數小時全神貫注地打游戲，通宵者也并不少見，而花同樣精力在學習上的人卻屈指可數?！癡R虛擬現實”作為時下流行的新興技術，在與課堂教學的結合使用上，已經能在很多國家看到案例，特別是高校虛擬實驗室的出現，已經成為國外推行“智慧課堂”過程中很重要的一項應用。

高校虛擬實驗室的最大特點在于一切實驗操作都是在看似虛擬實則逼真的虛擬空間中完成，以類似游戲的形式讓學生長時間集中精神在學習上，通過寓教于樂的方式熟練掌握每個知識點。通過對虛擬實驗室技術的深入研究，能夠解決傳統教學枯燥無味的現象，無論學生成績好壞，都能從VR技術提供的沉浸式教學中獲益。更希望在未來幾年中，還會有越來越多的人通過各種方式在虛擬世界中觀察和體驗真實的世界，以一種全新的、更加全面的方法來學習。

1.研究意義

研究高校虛擬實驗室的意義在于，與不同學科方向的合作、交叉，開展以VR虛擬現實技術為基礎的研究。例如通過對電氣、機械制造類專業課程的數字化模擬，將看似虛擬的實則較為逼真的多媒體教學環境應用于課堂，給予學生身臨其境的真實感受，以此來激發學生的學習興趣，引導學生發揮想象力，提升學生的創新思維。從而踐行我國現代教學中數字場景教學理念，解決高等教育及義務教育中特定教學內容難呈現、成本高、難重復、高危險等問題。

2.國內外研究現狀

美國是虛擬現實技術研究的發源地，最初研究的虛擬現實技術只是用于美國軍方對飛行駕駛員和宇航員的模擬訓練。然而，隨著冷戰結束后美國軍費大大的削減，虛擬現實技術就逐漸轉為民用，目前美國在該領域的基礎研究主要集中在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件四個方面。

英國在VR開發的某些方面，特別是在分布并行處理、輔助設備研究方面，在歐洲來說是領先的。德國在VR領域上主要應用于改造傳統產業方面，例如在產品設計時降低成本，以及產品演示和新生產設備投入使用前用虛擬工廠來提高工人的操作水平等方面。

在我國虛擬現實技術的研究和一些發達國家相比還有很大的一段距離，隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視。清華大學國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”，采用了QuickTime技術，實現大全景VR制;浙江大學CAD&CG國家重點實驗室開發了一套桌面型虛擬建筑環境實時漫游系統;哈爾濱工業大學計算機系已經成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調的同步等。

3.研究目標

虛擬實驗室的研究目標是希望通過對VR虛擬現實技術的研究，將課程中涉及到實際操作方面的知識通過逼真的虛擬現實技術還原出來，學生以類似游戲的形式參與到教學當中，從而達到人機交互、身臨其境、寓教于樂的效果，開展以實現“智慧課堂”為最終目標的技術研究。在制作效果上主要達到以下技術指標：

（1）完成課程中使用的所有儀器設備的模型制作。

（2）能夠通過VR設備清晰識別到虛擬實驗室，以及流暢完成對實驗設備的操作。

（3）系統中模擬晝夜更替、四季變化、風霜雨雪等自然現象。

（4）為場景添加音效、語音提示、教學輔助等功能，突出人工智能特點。

（5）課程內容設計合理，條理清晰，能夠較好的完教學任務。

4.風險分析

（1）技術風險

隨著VR領域的不斷發展，新設備、新技術的更新日新月異。目前業內普遍使用的VR設備是HTC公司生產的VIEW和Facebook公司生產的Oculus兩款設備，而目前線上發行的虛擬產品大多只針對個別設備使用，無法做到全部兼容，由此便會影響到高校的采購和使用。

（2）市場風險

市場產品銷售量與價格為項目運行效益的較大風險。由于產品的附加值較高，預計從事本行業的研究和生產單位會有所增加。省內研究虛擬現實較為成熟的公司主要有“長春博立科技有限公司”、“長春啟宏教育”、“吉林合厚數字科技有限公司”。三家公司均以制作虛擬實驗教學、虛擬漫游類項目為主，但產品價格較高，后期維護費用昂貴。

5.前景分析

虛擬現實發展前景十分廣闊，而將該技術搭載在大數據、云計算、5G等技術上，更是我們一直渴求的。從某種意義上說它將改變人們的思維方式，甚至會改變人們對世界、自己、空間和時間的看法。它是一項正在發展的、具有深遠潛在應用方向的新技術。

參考文獻

[1] ?高偉王 昱霖. 基于虛擬現實技術下深度學習環境的構建研究[J] .遼寧：遼寧師范大學計算機與信息技術學院，2019.

[2] ?流暢.指導老師：尚曉明.初探結合VR虛擬現實技術的動畫技術運用[J] .卷宗，2017，（31）：234-234.

作者簡介：郭亮，1984年5月出生，男，漢族，籍貫遼寧，講師，碩士研究，就職于長春光華學院，研究方向：虛擬現實、三維動畫。劉書廷，1986年6月出生，女，漢族，籍貫天津，二級教師，碩士研究，就職于長春市第一實驗銀河小學，研究方向：英語、虛擬現實情景教學。