基于虛擬現實技術的實踐教學初探

宋殿義 張煒 龔佑興 陳玉材 易文安

摘? 要：虛擬現實技術對高校實踐教學具有重要的應用價值，能有效促進實踐教學改革與進步，但目前虛擬現實技術在實踐教學中的研究應用還十分有限。文章梳理了當前實踐教學存在的5個問題，結合實際教學實例，從原理教學、實驗過程和實訓考核3個方面對虛擬現實技術應用于實踐教學的優勢進行了論述。歸納了虛擬現實技術的發展對未來高校教學的深遠意義，提出了實踐教學改革的構想與展望。

關鍵詞：虛擬現實;實踐教學;教學改革

Abstract： Virtual reality technology has an important application value to practical teaching in colleges and universities， which can effectively promote the reform and progress of practical teaching， but at present， the research and application of virtual reality technology in practical teaching is very limited. This article sorts out five problems in current practical teaching， combines practical teaching examples， and discusses the advantages of virtual reality technology in practical teaching from three aspects： principle teaching， experimental process， and practical training assessment. The far-reaching significance of the development of virtual reality technology to future college teaching is summarized， and the concept and prospect of practical teaching reform are put forward.

Keywords： virtual reality; practical teaching; teaching reform

一、概述

虛擬現實技術是一門綜合計算機技術、多媒體技術、交互技術、傳感技術以及人工智能等多種技術而形成的綜合性技術[1]。自20世紀90年代以來，虛擬現實技術的研究和應用范圍不斷擴大，在發達國家中已得到深入研究和廣泛應用[2]。近年來，我國政府部門、企業和高校等都加強了虛擬現實技術的研究和推廣，目前在軍事、航天、教育等不同領域中取得了一定的研究進展和成果[2-3]。

虛擬現實技術對高校實踐教學具有重要的應用價值，有效促進了教學改革與進步，如何在實踐教學中運用好虛擬現實技術成為教育工作者關注的熱點[4-5]。但受虛擬現實技術自身復雜性以及高校教學特點的影響，虛擬現實技術在實踐教學方面的研究和應用目前還十分有限[6]。

本文針對在當前實踐教學過程中的需求進行評述，同時介紹了虛擬現實技術在實踐教學中的應用優勢，并提出了虛擬現實教學研究的不足以及進一步研究的重點。

二、當前實踐教學的需求

實踐課程強調原理與實踐相輔相成，全面提升學生的實踐能力、創新意識和綜合素質。學生通過實踐將知識與技能轉化為解決問題的能力，深化理解理論知識，思辨實現知識創新。當前， 傳統實踐教學在教學模式、教學方法與實驗過程等方面存在許多不足， 無法適應現代教育教學理念，主要有：

1. 原理教學抽象，學生理解難度較大。基礎原理教學，授課內容枯燥，多數概念抽象，傳統教學手段單一。僅憑傳統教學或普通多媒體教學，學生對原理的理解深度不足。一方面，部分學生的空間能力不強，對三維圖像和二維圖像的相互轉換不能很好掌握，原理學習進度慢、效率低。另一方面，學生對于部分創新設計課程和新穎課程，缺乏相關知識儲備，很難快速深入理解。

2. 教學資源不足，整體資源利用率不高。隨著我國綜合國力的不斷增強、科學技術在社會生產中的廣泛應用，各類高新技術裝備研發周期逐年縮短，每年有大量高新技術儀器和設備投入應用。然而，高校實驗儀器主要集中在部分“985工程”“211工程”高校和教育發達地區，儀器設備分布不均。部分設備使用限制條件多，體積較大場地受限，造價高昂資金受限。資源不足導致老師和學生互動交流有限，學生實際動手機會較少。而利用虛擬現實技術可以解決資源不足、場地受限和分布不均等問題。

3. 傳統教學創新難度較大。傳統教學實踐受時空限制，難以進入宏觀或微觀世界進行探索和發現。而利用虛擬現實技術可以模擬日常難以實現的事情，從而實現培養學生創新精神和能力[7]。

4. 缺少團隊協作和跨專業交流。隨著實驗儀器復雜程度增加，前沿交叉學科發展，許多實踐操作需要團隊協作和溝通交流才能順利完成，而傳統教學實驗缺少協作能力鍛煉，單人或以部分人為核心就能完成整個實驗，與實際不符。利用虛擬現實技術可以實現團隊協作的信息互通、實時交互，培養學生的團隊協作能力和溝通能力。

5. 考核形式單一，檢驗反饋較差[8]。目前實踐教學考核通過理論測試或進行實驗操作查看結果，無法判斷學生實際能力和綜合素質。

三、虛擬現實技術在實踐教學中的應用優勢

高校實踐教學中，學生人為控制實驗變量，引導實驗過程和結果的變化，再通過對實驗的觀察、記錄、分析、討論、設計等，提升實踐能力和綜合素質。虛擬現實技術與高校實踐教學具有很高的契合度，將虛擬現實技術引入到實踐教學中，能使課程內容的直觀性和實踐性都得到極大的提高。為滿足現階段實踐教學中的需求，下面將結合實際教學實例，從原理教學、實驗過程和實訓考核3個方面對虛擬現實技術的應用優勢進行論述。

（一）在原理教學中的應用優勢

實驗教學是鞏固原理知識和加深對原理認識的有效途徑，是理論聯系實際、培養學生掌握科學方法和提高動手能力和綜合素質的重要平臺[9]。通過實驗教學，學生可以對相關的原理知識有更直接的理解和認識。

由于教學環境的限制，復雜精密模型和大體積模型很難在課堂上展示。而通過3D_MAX等軟件和VR眼鏡等硬件設備，建立可進行結構拆裝和工作原理演示的結構訓練系統，使學生能夠近距離感知設備儀器的整體結構和細節結構，還能夠根據需要對虛擬模型進行拆裝和分解，使得學生盡快掌握儀器的內部構造和運行原理，增強教學直觀性。如手榴彈投擲科目，首先對該型手榴彈的結構和功能進行分析，將手榴彈分解為彈體、發火機構、保險機構三個結構和功能相對獨立的子系統，結構樹如圖1所示。傳統教學講解該內容時形式枯燥，不易掌握理解。而應用虛擬現實技術建立可進行結構拆裝和工作原理演示的結構訓練系統，如圖2所示，使得受訓者了解結構、掌握工作原理更加簡單。實踐表明，虛擬現實技術讓抽象復雜的算法概念、內部結構變得直觀易懂。

（二）在實驗過程中的應用優勢

1. 高效利用實驗資源

在實驗教學中，要全面提高學生的實踐能力和創新能力，首先要進行教學資源保障，提高整體資源利用率。由于部分貴重設備數量少、造價高，如果要完全滿足訓練需求，必定耗資巨大，還可能會受到場地及技術的限制而難以全部實現，因此在儀器設備操作中應用虛擬現實技術具有很強的現實意義。一是利用現有設備儀器，通過虛擬現實技術，實現對部分貴重儀器設備的數字虛擬化，包括樣本輸入輸出統一化、采樣分析集成化，通過互聯網或局域網實現共享，提高學生對儀器設備的實際掌握能力。二是模擬現有設備儀器，通過虛擬現實技術建立起相應的試驗平臺，進行模擬教學。對于教學需求多的儀器設備，或者多人進行操作的設備，可以利用軟件的可復制性，建立多套虛擬操作系統，既節約經費，又可滿足跨區域教學需要，提高資源利用率。

2. 提高實驗創新和構建設計能力

實驗構建和創新是將理論學習的知識應用到實踐中，再從實踐中通過主觀分析、思考，進行自主設計的過程。通過虛擬現實技術，學生能夠直接感知在實際生活中無法觀察到的自然現象和事物的變化過程，得到逼真的感觀體驗與實踐經驗。隨著教學進程的展開，學生的主動意識不斷提高，自主實驗要求開始出現，實踐教學活動逐步轉化為學生自主設計實驗、控制實驗變量以反觀察分析實驗結果，從而引發新一輪實踐活動開展，形成良性循環。這類教學形式充分利用學生的綜合知識應用和大膽猜想，激發學生的創新活力，加深對基礎理論的認識，從而得到知識的升華。這不僅能鍛煉學生創新能力，還能提高學生動手能力和理論水平，使學生綜合素質得到提高。

3. 培養實驗協同和溝通交流能力

團隊協作和個人溝通能力在實踐教學中日益重要，復雜實驗需要明確的分工和密切的配合才能順利完成。協同交流是實驗教學中的基本內容，包括師生之間和生生之間，為師生提供相互獨立又相互影響的虛擬環境具有重要意義。通過虛擬現實交流模塊，學生之間、師生之間可以進行組合搭配，教師能實時了解學生學習情況和操作進度，學生及時反饋存在的疑惑，從而增強協同交流。利用虛擬現實技術可以實現團隊內或團隊間的信息互通和實時交互，共享實驗結果和經驗，科學討論分析等一系列活動，從而提高學生團隊協作能力和溝通能力。

（三）在實踐考核中的應用

虛擬現實技術注重實踐，培養學生的實際操作能力，在考核方法上，可將理論筆試改為實踐操作考核，增加考核的科學性和可信度。實踐考核基于虛擬現實技術，借助軟硬件設備，學生可獲得接近于真實條件下的考核體驗。另外，依托大數據分析和交互技術，可對實踐考核數據進行相關指標的科學分析，實時顯示實踐考核狀態下的各項數據和分析結論，判斷學生對課程的掌握情況，查找問題，分析存在不足，便于指導反饋和考核驗收。

四、結束語

長遠來看，虛擬現實技術的發展將對未來高校教學產生深遠影響，充分體現其可行性和前瞻性，但目前仍有許多問題有待進一步研究和探討。

（一）統一標準，推動優質資源共享

虛擬現實技術在實踐教學中的應用將會引來巨大變革，其建設發展是一個系統而漫長的工程，需要全盤考慮、穩扎穩打。現階段，科研單位和高校自行研發虛擬現實技術，缺少系統的硬件、軟件標準，導致各體系互不兼容且更新換代慢，研發多而維護少，存在資源浪費的現象。因此推動虛擬實踐教學建設工作中，要注重對外展現和使用的統一化，注意虛擬技術的接口統一化，逐步實現虛擬技術開發標準的統一。

（二）推動人才隊伍建設

教學團隊是保障教學順利實施的核心資源。虛擬現實技術環境下的教學，不僅要掌握實踐教學的原理和操作，還需要掌握虛擬現實技術軟件的研發和維護建設，對于人才的要求高，培養周期長。對高校教學研究和改革人員要保持高度關注，注重虛擬現實技術和人才培養的深度融合，推動高等教育教學與現代信息技術的深度融合。

（三）注重細節，落實實踐教學效果

由于現階段虛擬現實技術缺乏逼真的行為模型，無法提供真實環境的全部感官刺激，因此需要在流程操縱和體驗上更加完善。為了使虛擬現實技術中的實踐教學體驗盡量接近于真實操作，在設計相應的虛擬模型時，需要考慮各個細節。而虛擬訓練系統實際操作的事項應比課本內容更為多樣，引導學生發散思維，充分激發學生創造力，提高教學效果。

（四）虛實結合，堅持“實際為主，虛擬為輔”的根本原則

虛擬現實技術結合相應的硬件設備，利用其沉浸式操作可使學生身臨其境，從而大大提高學習的效率，并且針對不同學生掌握程度的差異，因材施教。但是需要明確的是，虛擬現實技術僅僅是一種輔助的教學手段，虛擬現實教學的模擬需要預先設定，因此只能得到相對應的結論，不能代替有創造目的的教學任務，也不能體驗和解決真實操作科目中出現的問題。實裝訓練操作及示范是裝備教學的重要環節，必不可少。“實際為主，虛擬為輔”的主次地位不能改變，將其與虛擬現實技術有效融合在一起，相輔相成，才能夠發揮實踐教學的最大效果。

參考文獻：

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[3]張旭輝，王妙云，張雨萌，等.數據驅動下的工業設備虛擬仿真與遠程操控技術研究[J].重型機械，2018（05）：14-17.

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[9]吳群彪，方海峰，范紀華，等.基于VR/AR技術的機械課程教學方法探索[J].機械設計，2018，35（S2）：432-434.