5G網絡下虛擬現實技術在高等院校實驗教學中的應用

劉春宇，張 瑩，張挺聳，匡尚奇

(長春理工大學理學院，吉林長春，130022)

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR) 技術是隨著計算機信息技術的發展、計算機數據處理速度的快速提升、網絡傳輸速度的提高而迅速發展的新興技術，是計算機仿真技術的重要發展方向，它融合了系統仿真學、計算機圖形學、大數據分析處理、傳感以及網絡信息等前沿技術，可形成逼真的三維環境[1]，使參與者能在相應裝置的幫助下在虛擬系統進行體驗和交互活動，有身臨其境之感[2]。1987年，美國VPL公司創建人杰倫·拉尼爾提出虛擬現實這一概念，被業界稱為“虛擬現實之父”。VPL公司研發出了一系列虛擬現實設備，包括頭戴式顯示器和手套。隨著網絡技術、計算機硬件系統的快速發展，虛擬現實技術較之傳統視頻、音頻動畫系統，有更為強烈的視覺感受和更為真實的體驗，進一步加強了使用者的參與感。因此，VR在計算機游戲行業優先、快速發展起來，并在我國各主要城市的商場等兒童、青少年娛樂場所迅速風靡。

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要(2016—2020年)》已經將虛擬現實技術明確列入國家大力支持的行業中。[3]目前，國內部分一流院校已經逐步開展虛擬實驗室的建設。如，北京航空航天大學在2007年已經開始虛擬現實技術與系統國家重點實驗室的建設[4]；吉林大學虛擬實驗室已經建成使用，很多高校正在籌備或已經部分建成虛擬實驗室。但是，傳統VR技術受到網絡速度的限制，部分體驗者佩戴VR眼鏡后畫面有卡頓的現象，從而產生頭暈等不適感。隨著我國5G網絡的快速發展，網絡傳輸速度會有極大的提升，可消除VR受網絡傳輸速度所限給體驗者帶來的不適感。就目前來看，虛擬現實技術在商業游戲的領域應用廣泛，發展最快，在軍事、工業等領域的應用也有所擴大，而在教育領域，虛擬現實技術還屬于新興事物。如何實現VR與教學的有效結合，以提高教學質量，還需要廣大教育工作者做進一步的研究和探討。

隨著網絡技術的飛速發展，學生獲得知識的途徑呈現出多樣化特征。互聯網5G技術的普及促使高等學校教學方法、學習方式產生巨大的變革，這就要求高校教育工作者開拓思維，把握機遇，科學地利用互聯網平臺，采用新型信息化教學手段豐富教學內容。[5]

一、“互聯網+VR”教學平臺的建設

(一)建設校園5G網絡，為“互聯網+VR”教學模式提供軟環境

VR技術在高等學校教育中的普及，其首要前提就是要有一個高速信息傳輸網絡，否則會嚴重影響VR技術的流暢性及體驗感，也無法解決使用VR技術所引起的眩暈感問題。5G網絡在我國的快速發展，為高校教育教學方法的改革提供了一個重要的載體。我國已經開始在部分省市的部分地區進行5G網絡的建設，主要通信公司也紛紛推出5G資費與套餐。以此為契機，高校可以根據自身實際情況，與當地主要通信公司積極溝通，建立以校園為核心區域的5G網絡。高校人員密集，且多為能接受新鮮事物、對網絡依賴程度較高的年輕人。因此，優先建設校園內的5G網絡是有一定的地域優勢的，在某一區域內龐大的使用人群和網絡開發對通訊商來說也是快速收回成本、擴大5G網絡使用范圍的重要途徑，這有可能成為深化校企合作的成功范例。

(二)“互聯網+VR”教學平臺的建設，突出地方特色

教學環節的開展離不開教學平臺的建設。我國5G高速網絡的建設為VR教學平臺的建設提供了前提保障。大型VR教學平臺的建設投入不可能由個別教師來承擔，因此，學校甚至區域的投入及支持是必不可少的。對此，高校可以考慮以聯合其他高校、市級或省級教育機構來進行教學平臺建設。我國多數高校在地理位置上通常不是孤立的，一般會幾所高校距離較為接近，這也為高校之間聯合進行教學平臺的建設提供了保障。雖然在網絡時代，基于網絡的課程大部分是跨區域的，但是多數理工科的課程仍需要進行大量的實驗、實踐課程。這部分需要學生親自動手操作的課程很難通過視頻的形式進行教學，如果距離較近的幾所高校聯合起來進行平臺建設，共享實驗室資源，那么既能使學生學習到不同學校的優勢學科，提高學生學習興趣及激發創新意識，也可大大降低每個學校在網絡平臺建設上的投入成本。

(三)本地高校資源深度共享，搭建交流平臺，多方參與

VR教學平臺的建設需要大量資金，且建設周期長，前期的計算機、VR硬件、實驗室改造等硬件，VR教學軟件設計、購買等軟件內容，以及教師培訓、交流等投入資金至少為百萬人民幣量級，而后期的設備維護、增加實驗項目等投入資金也是相當龐大的，單一院校承擔起來有難度，尤其是經濟不太發達、省市相關教育投入較少的地區，可能負擔更重。融合本地高等教育資源，利用各高校現有優勢學科、課程進行VR實驗室共同建設，實現資源共享、實驗室共享，不僅可以發揮各自學科優勢，還可以降低投入成本，讓實驗教師和管理人員有更多的精力投入教學設計、題目設計、課堂教學，本地區內教師的學術交流更加便捷和低成本。總之，本地高校進行實驗室的資源共享，多方參與活動，結合研討會、參觀考察、網絡媒體等多種形式搭建交流平臺，宣傳和推廣虛擬現實教育應用成果，可以讓更多高校便捷地獲取經驗，有效而低成本地提高本地區高校整體實驗教學質量。

二、“互聯網+VR”實驗課程建設及設計

(一)組織培訓活動，開拓教師視野，提高教師對VR的認識和熱情，提高教學改革主動性

學生多元化的學習方式是目前高校學生學習的主要方式。當前，學生的視野比較開闊，而教師在教學崗位長期采用傳統教學方式，其在多元化、信息化方式的學習方面反而要落后于善于接受新事物的年輕人。“互聯網+VR”技術雖然對高等學校教學有極大的促進作用，但是它與傳統教學模式與方式差異較大。因此，任課教師要跳出自己熟悉的教學“舒適區”去接受大量新的知識，尋找新的教學模式。要讓教師從心理上產生對VR的認同感，首先，學校要組織教學第一線的教師、實驗教師和管理人員進行高水平的培訓和研討活動。其次，學校要支持教師到國內先進VR實驗室進行體驗和交流，為一線教師提供VR教學觀摩和上機實踐的機會，共享基于VR技術的教學模式。[6]這是讓教師接受新技術最直觀和重要的方式。最后，學校要支持教師參加VR的展會及廠家的技術交流活動，讓教師與廠家共同探討VR技術在高校教學中的應用及發展。這些交流、學習和講座會使一線教師面對新的教學環境、授課對象，更有改善授課方式的動力，并提高教師開展基于“互聯網+VR”模式的教學改革的主動性。

(二)產學研合作，發揮優勢，節約成本

教育部在2015年全國教育工作會議上提出，地方高校要把辦學思路真正轉到服務地方經濟發展上來，轉到產教融合校企合作上來，培養的人才要符合經濟社會的需求。[5]VR教學軟件的設計具有一定的資金門檻，教師憑借個人力量和有限的時間很難設計出優秀的VR作品。因此，這一環節就要大力調動社會相關企業的力量，產學研密切合作，解決供、需兩方面的問題。具體分工為高校提出實驗題目要求、細節參數和技術需求，企業來解決如何設計VR作品的問題，最后再由高校結合實際情況提出改進意見，以此發揮企業和高校各自的技術優勢，合理利用資源，更有效率地解決實際問題。校企兩方進行深度合作，推動科研成果共享，進而大大節約成本。

(三)建設VR實驗教學示范中心，發揮“領頭羊”的作用

VR實驗室的建設對于大多數普通高校來講，仍然是新興事物，高校要分年度、分批次進行硬件環境、軟件環境的投入，以及師資培訓。因此，對于首先進行哪些學科、哪些專業的VR實驗室建設，高校的選擇就要有一定的傾向性。高校可優先選取本學校的優勢學科、專業和課程，進行師資投入，建設實驗教學示范中心。多數高校可優先考慮對通識教育、基礎學科的實驗室進行建設。首先，基礎課因為面向全校授課，因此，一般都具有一定的規模和面積，也有一定數量的教師，能為VR實驗室的持續建設提供場地及師資。其次，基礎課實驗室面向的學生多為全校一年級的新生，可讓學生在入學階段就享受到高科技教學帶來的新奇感覺，更好地讓學生融入大學的學習，提高學生對學習的興趣，使其在后面的專業基礎、專業課程的學習中有更多的主動追求知識的動力。最后，激發學生創新性的思維方式要從大學低年級開始，這有利于學生思維能力的養成。同時，考慮到多數高校基礎實驗室開設的情況，高校可以優先建設大學物理虛擬實驗室。因為除了滿足上述幾個條件之外，大學物理實驗題目眾多、物理知識內容廣泛，國內外有眾多優秀高校的經驗可供參考和學習，高校可以最快的速度、最小的成本去建設VR實驗室。同時，高校可通過校企合作的方式，創建一批標準化的、示范性的VR教學中心，引領高校VR教學中心建設。

(四)VR實驗題目的選定要有代表性和針對性

VR實驗室的建設不僅要考慮到網絡條件、硬件條件、實驗室面積等因素，VR實驗題目的設置也是極為重要的環節。VR實驗題目的選定要具有一定的代表性，不能與實驗室已有實驗設備的實驗題目重復，否則就是重復建設，浪費資源與精力的不智之舉。如，某VR展會上廠家展示其VR實驗作品，其中就有大學物理實驗中的“分光計”實驗。該實驗題目屬于物理光學中的傳統基礎實驗，一般高校的該課程十之八九都會有這個實驗。該儀器使用范圍較為廣泛，儀器整體的價格及維修費用都相對比較合理，且該實驗操作也沒有危險性，不涉及高壓、強光等內容，而開發一個新VR實驗的成本很可能要遠高于這種傳統實驗儀器的成本，這種題目的選擇就是不太合理的。因此，VR實驗題目的選擇要進行更深入的調研、探討和分析，一些傳統課堂中儀器造價高、危險性強或者由于場地限制而無法開展的實驗進行VR實驗才是有必要的，而不是現有實驗題目的重復。VR實驗室的建設是現有傳統實驗有益的、必要的補充，VR實驗教學無法全面代替學生能親自動手操作的傳統實驗課堂教學。

(五)VR實驗教材的建設與實驗同步，并與傳統教材有區別

VR實驗教材的建設是新技術在高等學校實驗教學領域中能夠穩定開展的重要一環，通常本科生在沒有接觸真實的VR實驗之前就會看到相關實驗的教材和資料。VR實驗教材的設計要有其獨特性，直接利用傳統教材很難顯示出VR實驗所要求本科生掌握的操作技術、操作技巧、知識結構、數據記錄等內容。因此，VR實驗教材的撰寫和設計并不是簡單的傳統實驗教材的翻版，而是要重新進行設計和構思。這種新型的教材應配合實驗，以電子教材為主，不僅可以視頻形式介紹VR設備的使用，還可以視頻、動畫、圖畫的形式展現相關的實驗原理、儀器介紹，擺脫傳統教材只能展示二維圖形、單一文字的原理描述缺點，使本科生在進行VR實驗之前對實驗有生動、有趣的認知，從而對實驗充滿熱情與期望，有效提高本科生實驗學習的積極性。

隨著我國5G網絡的高速建設和發展，VR技術在這一契機下獲得了長足的發展動力。新興教學技術有利于激發教師教學改革的熱情，激發本科生的學習動力，提高本科生的創新能力，促進學校之間的交流合作，促進學校和企業之間的產學研合作，為高等教育帶來發展機遇。