基于VR技術的“大學基礎電子學實驗”虛擬仿真實驗模式探索
——VR日光燈實驗

林 宇

蘭州大學信息科學與工程實驗中心 甘肅 蘭州730000

一、背景及解決教學問題的方法

2018年03月06日,教育部教育管理信息中心與微軟中國共同宣布將在全國范圍內針對高校及中高職院校啟動虛擬現實技術(VR)教學應用培訓及實驗室建設項目,這是教育部在VR 領域又一新的重要舉措。在高校,應用虛擬仿真技術建設實驗室是實驗室建設方面發展的趨勢,在實踐教學中勢必會發揮越來越大的作用。

“基于VR技術的電工臺虛擬仿真實驗平臺”(以下簡稱“平臺”)是一種基于Web技術、VR 虛擬現實技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統,是現有實驗室的數字化和虛擬化。該“平臺”由虛擬實驗臺、虛擬器材庫和開放式實驗室管理系統組成,為開設各種虛擬實驗課程提供了全新的教學環境。“平臺”與真實電工實驗臺類似,可供學生自己動手配置、連接、調節和使用實驗儀器設備,教師可以利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實驗,或實驗案例。

“平臺”的建設能夠滿足知識點呈現方式的升級需求,為教師提供更先進、適合、多元化的呈現方式;滿足高難度教學目標的達成,能夠突破時間空間的限制,解決教學重難點;滿足教學實踐操作的需求,消除了以往教學對學生人身安全、成本消耗的顧慮,親自動手印象深刻;滿足自適應探究學習的需求,利用VR 技術探索學習,有利于激發學生的創造性思維,解放教師生產力,培養學生的創新能力和自主學習能力。

二、簡介及主要解決的教學問題

“VR基礎電子學實驗:VR日光燈實驗”是“平臺”的一個綜合性強電虛擬仿真實驗,比較符合VR 優勢實現的三要素(危險性大、重復性強、成本較高),是實驗中心在虛擬仿真實驗資源建設的一個探索性研發及應用的試點。

“VR基礎電子學實驗”虛擬仿真實驗模式的探索,從提升學生學習效率、輔助教師課堂實驗教學為出發點,將VR 技術應用于在大學基礎電子學實驗課堂,解決了傳統教學中存在時空情景、邏輯思維上的局限,學生對教學難點吸收困難,教學效率低等問題。

VR實驗教學模式為學生帶來的改變:

一是體驗式學習,將抽象的知識具象化,想象力弱的同學對知識理解更深刻;二是更公平的環境,將抽象的知識具象化,想象力弱的同學對知識理解更深刻;三是興趣強,全新的學習方式,寓教于樂,提高學習興趣,學習動力提升;四是效率高,沉浸式學習環境直觀、生動,信息量大,提高學習效率。

VR實驗教學模式為老師帶來的改變:

一是專攻難點,專為各個學科的教學難點提供VR解決方案;二是課堂專注,VR新奇學習模式,難點變得更有趣,學生走神率為零;三是教學效率高,每個學生都接受直觀系統的難點講解,大大提高課堂效率;四是創客基地,一鍵式進入教學難點,體系化解決教學難點。

三、創新點

發展是第一要務,人才是第一資源,創新是第一動力。將VR引入到大學本科基礎電子學實驗之中,摸索搭建虛擬仿真基礎實驗平臺資源的路子,豐富在線實驗教學資源,這在全國高校中屬于首創。

5 G+VR發展趨勢,以及在“新冠肺炎”疫情防控特殊期間作為在線教學支持的實驗資源平臺,都為虛擬仿真實驗資源建設帶來了機遇。

“VR日光燈實驗”帶來的實驗教學科技發展,可以幫助老師從二維枯燥的文字描述、平面的黑板幻燈片講解模式轉變成豐富的三維可視化教與學新模式,讓學習變得更加直觀、生動、有趣和有效率。同時VR 以其可視化、沉浸感、交互性的特點使得實驗教學從以教師為中心轉變到以學生為中心,變“要我學”到“我要學”。

“VR基礎電子學實驗:VR日光燈實驗”是“平臺”整體解決方案的第一個強電綜合性實驗,它和傳統硬件實驗教學相比的優勢:一是在理論知識教學方面,VR 光是能把抽象問題具體化這一功能,就足以傲視同行,這對于理論問題的思考同樣也是起著良好的輔助作用;二是在實踐技能訓練方面,VR可以鍛煉學生的操作技能,為他們提供身臨其境的學習體驗,強化了學生的課堂參與感,讓學習變得更有趣、更安全、更活躍。

四、推廣應用

一是用VR(虛擬現實)技術先去實現高校本科基礎實驗中,重復性多危險性大使用成本高有代表性的實驗(比如電子學基礎實驗的強電實驗,微波實驗;化學基礎實驗的基本操作;物理基礎光學實驗;醫學基礎解剖實驗等);

二是用AR(增強現實)去直觀展示儀器儀表元器件的構造功能,AR可以把虛擬的圖像和文字訊息與現實生活景物結合在一起,呈現效果會讓師生驚艷不已、印象深刻。

三是現正在與蘭大第一附屬醫院技能實訓中心,洽談VR/AR 推廣應用到“腰椎穿刺術”和“婦科接生術”的合作項目,為讓學生更快地熟悉最新的醫學技能實訓技術,跟上臨床發展的步伐,為培養復合型醫學應用人才做點實事。

四是將“VR日光燈實驗”應用推廣到甘肅省科協科普大篷車西部巡展等系列活動中,助力甘肅科普教育事業。

五、結束語

編劇:完成了“基礎電子學實驗電工與電路分析實驗-日光燈實驗”的“VR日光燈實驗”劇本編寫,并讓設計人員反復觀摩并操作日光燈硬件實驗,通過不斷交流溝通,使他們深刻領會該實驗的靈魂,盡可能使“VR日光燈實驗”設計在硬件實驗繼承的基礎上有所創新。

監制:產品第一版剛出來,本人就邊體驗邊提要求提意見建議,產品不斷改進升級、先后開發了7個版本;最后階段邀請信息學院領導、實驗中心一線教師以及當年做過實驗的同學深度體驗,提出意見建議,繼續改進。

驗收:根據近二十年的實驗教學經驗,嚴格按照基礎電子學實驗教學大綱要求,本著求真務實,科學嚴謹的態度,高標準嚴要求地完成了第七版產品初步評審驗收。“VR 日光燈實驗”從實際使用情況表明,基本符合電工與電路分析實驗輔助教學要求。