沉浸式虛擬現實展示系統 在本科實踐教學中的應用

王超杰 李知菲 孟冰源 朱俊杰

摘要：實踐教學是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑，是培養學生創新意識的重要環節，能有效提高學生理論聯系實際、掌握科學方法和動手實踐的能力，然而，實踐教學在實際教學過程中是薄弱環節。本文提出的沉浸式虛擬現實展示系統基于計算機軟硬件和各種傳感器裝置，能夠生成可交互和具有沉浸感覺的三維虛擬場景，對現實世界環境及對象模擬仿真來說，可用于構建實踐教學環境，提高學習效率，促進教學方式創新。尤其是在抽象理論的實踐和學習復雜的模型中，能夠使學生理解深刻，提高學習效率，進一步提高學生素養。該系統在虛擬仿真類本科課程，如“發動機原理”等的實踐教學環節中進行了應用，節約了實踐成本，增加了學生興趣，調動了學生實踐探究的積極性。

關鍵詞：實踐教學;沉浸式虛擬現實;虛擬仿真;教學改革

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2020）05/06-0172-04

● 實踐教學中應用沉浸式虛擬現實展示系統的背景

在實施素質教育的今天，為培養創新型人才，提高學生的科學意識和科學思維，更有效真實地讓學生理解復雜的模型及其內部結構的原理，我們需要在教學中增加實踐環節，但一些必要的實踐內容，由于受到實踐條件的限制，僅靠課堂上教師的描述和圖片的展示，終究不能讓學生體驗深刻。隨著多媒體計算機技術、智能傳感技術和信息技術的高速發展，顯示器件和多媒體終端設備價格/性能比顯著下降，以此技術和器件為基礎發展起來的沉浸式虛擬現實展示系統，用于實踐教學已成為現實。

沉浸式虛擬現實展示系統為實驗、實訓的發展帶來了新的契機，為提高實踐教學效率，優化教學過程，加強實踐技能培養，本文就沉浸式虛擬現實展示系統在實踐教學中的應用做一些探討。

● 沉浸式虛擬現實展示系統

沉浸式虛擬現實展示系統是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，利用計算機軟硬件和各種傳感器裝置，在虛擬場景中生成可交互和具有沉浸感覺的現實世界的模擬仿真，在教育領域具有巨大的潛力。也就是說利用該系統模擬產生一個三維空間的虛擬世界，操作者在這個虛擬環境當中就有一種身臨其境的感覺。

1.構成

沉浸式虛擬現實展示系統是由計算機軟硬件，以及各種傳感器構成的視覺、嗅覺、觸覺、力反饋等功能單元構成。下面簡單介紹具有重要功能的數據手套和3D位置追蹤眼鏡。

（1）數據手套

數據手套設有彎曲傳感器，不僅能夠把人手的姿態準確實時地傳遞給虛擬環境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者，使操作者能夠更加直接、自然、有效地與虛擬場景進行交互，這樣就極大提高了互動性和沉浸感。數據手套如圖1所示。

（2）3D位置追蹤眼鏡

3D眼鏡上集成了定位傳感器，可以自動識別出設備在虛擬環境中的位置的變化。當頭移動時，眼鏡上的定位裝置與系統的傳感器進行交互，傳感器會自動調整場景中的坐標，這樣給人的感覺是正在虛擬場景中實時地移動，體驗效果更加真實。帶有位置追蹤功能的3D眼鏡如圖2所示。

2.特點

①具有高度的實時性。當操作者在場景中轉動頭部或者走動時，位置跟蹤設備及時與系統進行聯系，反饋出操作者當前的位置，由計算機算出相應的場景坐標，快速準確地調整出相應場景。②具有高度的沉浸感。操作者在虛擬現實的場景中，由系統提供的虛擬場景能夠讓操作者身臨其境，完全沉浸在環境中。③具有先進的軟硬件。為了避免因延遲帶來的卡頓感，有更流暢、真實的體驗，應盡可能選用先進的硬件和軟件。④具有并行處理的功能。這是虛擬現實系統的基本特性，操作者的每一個動作都涉及多個傳感器，會產生多個同步事件。⑤具有很好的融合性。在虛擬現實系統中，各種軟硬件之間需要有良好的結合，構成一個逼真的虛擬現實系統。

沉浸式虛擬現實系統是一種高級的VR系統，常見的有頭盔式虛擬現實系統、洞穴式虛擬現實系統、座艙式虛擬現實系統、投影式虛擬現實系統和遠程存在系統等。該系統是用一個或多個大屏幕投影來實現大畫面的立體視覺和聽覺效果，使多個用戶同時具有完全投入的感覺，參與者可獲得完全身臨其境的三維交互式體驗。

● 本科實踐教學中沉浸式虛擬現實展示系統運用的分析

引入和應用沉浸式虛擬現實展示系統，可以提高實踐教學的效率，激發學生的學習興趣，讓學生更好地投入到教學實驗中。

相關研究數據顯示，人對外部世界的認知，大約有75%是來源于視覺。[1]VR技術具有沉浸性、交互性及想象性三大特征，能創設個性化學習環境，有利于激發學習者動機，增強學習體驗，促進知識和技能的習得。[2]沉浸式虛擬現實展示系統利用顯示場景的數據作為基礎，借助計算機軟硬件在虛擬場景中顯示出來，將建模完成的三維物體，放到特定場景中，體驗者借助相關的設備進行觀察，能夠達到身臨其境的效果。學習是個體在特定的情境下由于練習或反復經驗而產生的行為或行為潛能的比較持久的改變。由于是虛擬實踐，學生在實踐過程中可以放心地去調整不同的實驗參數來進行對比，可以從多角度、多層次去觀察，加深對實踐的理解，豐富對實踐的認識，這有助于培養自主探究能力。此外，虛擬實踐可以反復進行訓練，而不必受到實踐資料短缺的影響。虛擬實踐也可以作為真實實踐的補充，對于真實實踐的危險部分，或者是因某種條件限制而不能進行實踐的部分可用虛擬實踐有效替代。“虛實結合”的實踐教學模式，可以更好地促進整個課程的高效開展，將多樣化的實踐教學模式進行深度結合，從而更好地激發學生學習課程的主觀能動性，不斷強化學生對課程知識點的深度理解，對學生積極向上的品質建立起著非常重要的作用。[3]因此，沉浸式虛擬現實展示系統在學校虛擬仿真類本科課程實踐教學環境中有著非常重要的應用。

相比傳統的實踐教學模式，沉浸式虛擬現實展示系統的運用能夠讓學生獲得更加豐富的資訊，促使其能夠獨立思考現狀，并發現問題、分析問題，從而提高學生認知世界的能力，是一種高效、有趣的實踐教學方法。

1.創建虛擬實踐教學環境，促使學生沉浸在學習的場景中

沉浸式虛擬現實展示系統能夠提供豐富的畫面、逼真的場景，激發學生的學習興趣和好奇心。需要注意的是，心理活動是對一定對象的指向和集中，是心理過程的動力特征之一。它與認識過程、情感過程、意志過程密切聯系，是一切心理活動的共同特征，利用虛擬現實技術在實踐教學中可以更加吸引學生的注意力，盡量防止無意注意的出現，也能更好地利用無意注意的特點來吸引學生對教學內容的注意。在實踐教學活動中應注意借助該系統構建出符合實際的、合理的實訓環境，然后讓學生全身心投入到教師所創建的虛擬現實環境中。所構建的虛擬現實環境要緊密聯系教材基礎內容，并且所構建的虛擬現實環境要主次分明，重點突出實踐教學的專業知識性。此外，構建虛擬現實的環境，既要考慮實踐教學的知識性，也要兼顧趣味性。這樣的實踐教學，不僅能給學生以新鮮感，提高其積極主動探究學習的興趣，還能提高學生的獨立自主思考能力。

2.充分發揮多媒體資源，獲得更好的實踐教學效果

將沉浸式虛擬現實展示系統應用到高校實踐教學中，要將各類多媒體資源進行充分的整合和利用。將生活中、社會生產活動中的不同情境借助虛擬現實技術展示在學生面前，能讓學生通過虛擬現實環境，親歷各種實際情境，從而從多個角度學習教師在虛擬教學環境中所展示的實踐教學內容。這樣的教學活動，能夠加深學生對現場專業知識的印象，提高其學習效率，并且能夠促使學生將課本上的知識靈活運用，融入并應用到實地訓練中，提高學生的實踐能力。

3.構建虛擬實踐實訓教學系統，強化教學績效評價

高校要針對實踐教學的內容，在沉浸式虛擬現實展示系統的基礎上，構建起一套虛擬現實技術教學系統，并以此為依托積極改進教師教學評價體系，摒棄傳統的將考試成績作為唯一考核指標的評價體系，制訂注重對學生學習過程的評價。教師在虛擬現實技術教學系統的輔助之下，將專業知識和培養學生目標能力結合在一起，借助所構建起來的虛擬現實環境，讓學生在其中鍛煉專業操作技能。實訓教學系統由認識實踐、體驗實踐、理解實踐和實踐習題練習及測試四部分組成。

①認識實踐：學生通過認識實踐模塊對實踐進行初步了解和學習，認識實踐模塊遵循直觀性原則，盡量利用多種感官和學生已有經驗，通過各種形式的感知，豐富學生的直接經驗和感性認識。

②體驗實踐：在了解實踐的基礎上，學生通過虛擬現實設備，充分體驗實踐。情境學習理論認為，知識是學習者在特定情境下主動構建的，強調知識與情境之間的動態互動。[4]沉浸式虛擬現實展示系統的沉浸性特點克服了傳統脫離實際以及缺乏互動的不足，它利用計算機技術構建一個幾乎與現實世界無異的高度仿真的虛擬世界，在這個虛擬世界中學習者身心沉浸其中，具有強烈的臨場感。更容易達到身心一體的境界，有效提高學習效率。另外，虛擬現實技術在讓學生最大限度地投入到學習的同時，也將學生與周圍世界的感知聯系隔斷，提高了學習的注意力。

③理解實踐：通過感受實驗，更加熟悉實驗過程，有助于加深對實踐的理解，使學習內容不容易遺忘。

④實踐習題練習與測試：在以上環節完成以后，系統會給出大量的練習題進行訓練，會從不同的角度進行訓練，達到熟練掌握的目的。

這些都有助于強化學生對知識的建構和記憶，進而提高學習成績。[5]

● 應用沉浸式虛擬現實展示系統的案例分析

在筆者所在學校的工學院本科生的《發動機原理》實踐教學中，以往均采用語言描述結合圖片視頻等展示，但由于發動機結構的復雜性，學生難以深刻理解。在參觀真實發動機的時候，由于發動機的裝卸比較麻煩，往往只能看到表面而難以觀察到其內部結構和工作傳動原理。在這種情況下，沉浸式虛擬展示系統體現出它的優越性，在計算機中打開發動機的模型，學生在場景中觀察發動機就跟在現實中一樣，圖3是在計算機虛擬場景中的發動機仿真模型。此外，在計算機中可以輕松展示零部件之間的組合以及傳動原理，學生也可以在虛擬現實中自己嘗試組裝發動機以及點燃發動機，不僅達到了真實的組裝效果，而且有效地避免了現實中可能發生的意外事件，使學生獲得了深刻的體驗，提高了學習效率和學習興趣。

根據課后調查結果得知，30名學生全部認為虛擬場景的體驗比較真實，28名學生認為對理解發動機工作原理比較有幫助，從測試結果來看，學生在短時間的學習中取得了顯著的學習效果。

● 總結

在實踐教學中應用沉浸式虛擬現實展示系統，可以提高學生的注意力，加深理解和記憶。隨著經濟和技術的發展，沉浸式虛擬現實展示系統將會更加普遍地應用到虛擬仿真類本科課程實踐教學環節當中，也會出現相應的先進的設備和新穎的教學方法，推動實踐教學的改革創新，使得實踐教學質量得到提高，有利于培養學生的興趣愛好，促進個性發展，提高操作和創新能力。因此，教師在實踐教學中需合理、規范地應用沉浸式虛擬現實展示系統，使其成為一項重要的教學輔助手段，不斷地提升實踐教學質量。

參考文獻：

[1]Pamela? C.Smith，Bernita? K.Hamilton.The? Effects? of Virtual Reality Simulation as a Teaching Strategy for Skills Preparation? in? Nursing? Students[J].Clinical? Simulation? in Nursing，2014，12（03）：126-128.

[2]賈徐慶，夏許婷.虛擬現實技術在高校實踐教學中的應用[J].教育天地，2019（10）：203-204.

[3]彭鵬，周鳳.“國開”思想政治理論課“虛實結合”實踐教學研究[J].智庫時代，2019（09）：223-230.

[4]劉德建，劉曉琳，張琰，等.虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰[J].開放教育研究，2016，22（04）：25-31.

[5]李寶敏，王鈺彪，任友群.虛擬現實教學對學生學習成績的影響研究[J].開放教育研究，2019，4（25）：82-90.