VR技術在實踐教學中的應用研究

梁利東 江本赤 賈文友

摘要：信息技術的快速發展，極大推動著教學方式和教學媒體的變革。虛擬現實技術在高等教育實踐教學中的研究應用，將成為教學模式改革和提升人才培養質量的重要途徑。針對傳統實踐教學中存在的問題，本文提出基于VR技術的虛擬教學理念和實施策略，從教學關系、教學手段、教學考核及VR課程資源的開發整合等方面，闡述虛擬教學的思路和方法。

關鍵詞：虛擬現實；虛擬教學；課程資源

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）16-0050-03

一、前言

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術作為21世紀最新的技術成果，在教育領域具有強大的教學優勢和潛力，已逐漸受到越來越多教育工作者的重視和青睞。VR技術綜合了計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能技術、傳感技術、語音處理與音響技術、網絡技術等多門科學，將計算機處理的數字化信息轉化為人們能感受的具有各種表現形式的多維信息。其多感知性、沉浸性、交互性及構想性的技術特征，對于改善傳統多媒體教學的現狀將產生重要影響，也為虛擬教學提供了新型的可視化教學模式[1，2]。VR技術的教學應用，不僅能夠讓學生在虛擬的環境中與教學內容互動，解決傳統課堂中互動性、情境性不強等問題，還可以用于學習情境的創設，增加學習內容的形象性和趣味性。特別針對實踐教學，虛擬技術可以減少現實教學中某些實訓操作的困難和危險，更能提升學生學習的主動性和創新性，在呈獻知識信息、輔助教學活動、加速和鞏固學習過程以及設計、優化學習內容和學習情境等方面，將發揮重要作用[3，4]。國際上關于虛擬現實教育應用的研究方向，主要集中在基于VR技術的課堂教學法、VR學習環境以及醫學、工程、地理等具體學科應用領域；國內主要集中于虛擬學習資源建設、VR理論探索、虛擬仿真校園環境建設以及實踐環節的虛擬教學等[5]。合肥工業大學、南京理工大學等高校，近年來相繼成立數字化虛擬仿真實驗中心，旨在構建教學、科研一體化的實踐平臺。因此，VR技術與教學環節的深度融合以及虛擬教學模式的探索創新，將成為當前教育教學的研究重點。

二、虛擬教學的內涵

虛擬教學是基于VR技術在虛擬空間中進行教育學習的一種新型教學模式，即運用科學技術構建一個虛擬學習環境，通過對知識點客觀、真實地模擬重現，使教師和學生在虛擬環境中完成教與學的全過程。虛擬教學的內涵則涉及教學理念、教學關系、教學組織及教學手段等方面的變革和探索。

現代化的教學理念是“以學生為中心”，教學方法是以啟發引導式為主，教學關系追求合作化，教學手段應賦予學生學習的積極性和主動性。VR技術可以提供這種教學環境，真正實現以學生為中心的個體化教學、合作化教學和環境中自我探究意識的培養。虛擬技術的沉浸感可提升學生的專注度；交互性能增強學生的反饋度；構想性則能極大發揮學習和應用的自由度。教學理念不僅是“傳道授受業解惑”，更應注重成果導向的培養機制。VR能夠提供和模擬檢驗學生學習成果的“試驗場”：教師的“教”是培養和訓練學生各項解決實際工程問題的素質和能力，學生的“學”則是獲取有效的方法和技能，二者相輔相成。虛擬現實系統具有的逼真學習環境，可提供良好的交互功能，在此基礎上，教與學的關系將發生根本改變。虛擬教學特別強調由學生主動參與構建知識結構，從而達到教學效果，即變學生的“被動聽講”為“主動學習”，由“要我學”轉變為“我要學”。虛擬教學過程是一個面向問題求解的過程，教學組織形式將更靈活生動，學生的主動思考、分析、嘗試、討論將取代傳統教學中學生死記硬背、不能學以致用的問題。這種虛擬環境將會極大地促使教學觀念和教學模式發生變化。教學手段是實現教學目的和完成教學任務的有效保證，VR技術將促使教學手段向科學化、高效益的方向發展。虛擬教學過程在可視化的虛擬環境中，通過自主控制的人機交互，實現思維參與、情感參與和行為參與的教學活動。在學生討論交流的基礎上，對其中的難點和不同觀點進行引導，可訓練學生的分析總結能力，產生知識結構的新生長點，利于培養有創新意識的綜合型人才。在虛擬現實教學中，師生和學生之間均能產生有效交流，且實現協作，培養協同意識和適應大系統工作的能力。在虛擬實踐操作中，允許學生出現錯誤，讓學生了解錯誤的根由及后果，進而通過分析、綜合、比較、歸納、推理等高級思維技能尋求解決問題的正確方法。

三、虛擬教學的知識集成化

教學內容是教學過程中傳遞的教學信息，是學生獲取知識、掌握技術、發展能力的主要源泉。每門課程看似為獨立個體，實則綜合運用所學知識才能達到培養目標和畢業要求。多媒體虛擬現實技術，使教學內容無論是外在形式還是內在結構都將產生很大的變化[6]。以綜合實驗教學為例，實驗內容往往是多門學科的知識交叉和應用。傳統實驗教學中，學生往往依賴實驗指導書依次完成操作內容，對于在實驗中碰到的問題，特別是涉及其他課程的內容知識，通常無法再深入了解。虛擬現實系統通過計算機的集成處理，可提供如圖像、圖表、音頻、視頻和動畫等幫助信息，使學生對所學知識進行綜合掌握和運用。對于抽象或不可視的現象和原理，運用VR技術通過學生的想象力和創造力構建、模擬和探索相關實踐內容，對培養學生的創新意識、提高工程實踐能力具有重要意義。教學的內容結構反映學科的知識結構，學科的知識結構則體現了學科知識間的邏輯關系，是學科內含智力因素的信息源。傳統教學內容的結構及順序大多依賴教師的教學習慣，生硬的教學順序使得學生學習的自由度不大，靈活性不強，難以實現知識獲取的自主性。VR技術是以人類認知特點組織和展示教學內容并構建知識結構，它可以體現知識信息的形式及內容的多樣性和復雜性，為學生提供動態、開放、自由的結構化認知形式。它既包括學科基本內容，又包括學科內容間的邏輯關系；既注重知識的形成過程，又注重知識結構。虛擬教學中，知識的有效集成使學生更直觀了解所學知識與既有認知間的聯系，同時激發學生對新知識的渴望和追求。

四、實踐教學中的應用實例

安徽工程大學機械與汽車工程學院于2012年開始規劃籌建虛擬仿真實驗教學平臺，旨在運用VR技術對教學模式、案例教學、實踐教學、精品課程、專業建設等進行創新性改革和試驗。針對機械專業的多個專業課程和專業基礎課程以及面向機械系開放的綜合性實驗和創新實驗項目，教學團隊自主研發基于Unity3D/Quest3D引擎平臺的全3D的虛擬裝配及運動仿真系統實驗平臺，包括：汽車內燃機虛擬結構仿真系統；二級圓柱齒輪減速器虛擬傳動仿真系統；車床主軸箱虛擬裝配及變速傳動系統；六自由度工業機器人虛擬裝調系統；CA6140機床虛擬裝配系統等，如圖1—圖6所示。

虛擬仿真實驗平臺為不同學科內容提供了統一的虛擬教學平臺。在該平臺上，可針對課程對象導入不同模型、場景及教學環境，從而實現不同課程資源的開發、整合及應用。如“CA6140虛擬仿真系統”，可應用于《機械制造學》和《機械制造裝備設計》的綜合實驗與課堂教學，讓學生在3D效果中身臨其境般學習復雜機器的工作原理、結構組成及傳動方式，并能親自“動手”交互操作等。“機器人虛擬裝調系統”實現學生在虛擬場景中機器人虛擬裝調的模擬實訓，并提供實時的視覺、聽覺的交互操作體驗，使學生更好地了解機器人結構和裝配工藝過程，為后續工業機器人的拆裝實操實訓教學提供有益幫助。

五、虛擬教學亟待解決的問題

1.面向VR技術的教學資源的整合與優化。虛擬教學要求教師具備一定的VR課程資源開發能力，并通過研究本專業課程的內在聯系，構建具有實時交互性、空間逼真的虛擬教學VR系統平臺。從課堂教學和實踐教學等角度，整合優化虛擬教學的課程案例；從學生學習的角度，編排學習內容和學習過程，強調課程內容結構的多樣性，體現形式的生動和趣味性。只有這樣，才能將課程內容有效融于虛擬教學系統，學生可根據自己的思想和學習方式在虛擬場景中主動探求和學習課程內容，并通過虛擬系統的訓練和考核環節，對學習過程及成果進行修正和評估，有利于“以學生為中心”教學理念的開展和實施。

2.保證虛擬教學考核與培養目標的一致性。基于成果導向教育（OBE）的理念，虛擬教學模式更強調學生學什么以及達到什么要求。虛擬系統可以根據課程要求（或畢業要求）直接與教學工程案例對接，教學模式貫穿從畢業要求到學習任務、從學習任務到知識內容、從知識內容到教學過程的所有環節，從而實現虛擬教學環境下考核內容和考核方式的確定，使其與課程目標乃至培養目標、畢業要求相統一。課程大綱中的考核內容，要融入課程虛擬教學案例，考核形式實現多樣化，特別是針對實驗實訓課程，同樣的考核內容可以不同形式體現。考核方法或集中或分散，真正起到檢驗學生學習成果的作用。虛擬教學考核作為課程考核的一部分，特別適用于專題訓練、綜合實驗、中期考核以及大作業考核過程。

3.實現“師生共建”虛擬教學資源的持續性和創新性。虛擬教學資源和案例是虛擬教學的根本，虛擬系統平臺可對所有師生開放，并通過教師和學生的教與學的過程實現教學資源的持續共建。學生和教師可將優秀的學習和研究成果（如設計模型、創新方案等）上傳至系統平臺共享使用，從而實現知識的交流和借鑒，同時對教學過程進行持續改進。

六、結束語

實踐教學是提高學生工程素質和創新能力的重要環節。虛擬教學是利用VR技術創建、重塑或還原實驗實踐教學場景的信息化模擬教學工具和方法。其不僅豐富和完善了現有教學手段，消除實驗實踐教學盲點，而且能增強學生學習體驗，提高學習興趣，提升教學質量。作為一種新的實踐教學模式，虛擬教學的應用對教師的綜合素養及教學方法提出更高的要求，即需要全面提升教師對VR技術的掌握和應用水平，以及教學內容上保證虛擬教學與真實實踐過程的一致性。同時，在虛擬教學體系中，需要進一步建立有效的監測和評價體系，有效保障實踐教學效果的實現。

參考文獻：

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