關于虛擬現實技術在光學實驗教學中的應用

尹明宏

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

關鍵詞：虛擬現實技術;光學實驗教學;應用

DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.27.297

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology，簡稱為VR）在教育教學中的應用研究早在上世紀九十年代就開始了，身臨其境的體驗感、全方位的交互性、特殊教學環境的替代性等方面得到了學習者認可。隨著5G時代的到來，“5G+VR”用來提升教育品質將會有更廣闊的前景。但是目前虛擬現實技術在教育教學中推廣還是遇到了諸多難題，如何更加有效地解決虛擬現實技術與當前教育領域融合問題，是信息教育工作者應該思考的問題。

1 虛擬現實技術在教育領域的發展

隨著5G時代的到來，高速、穩定、低延遲的互聯網將很好地支持虛擬現實技術的大數據量傳輸和瞬時交互，5G的全面推廣為虛擬現實技術廣泛應用于教育提供了有利條件，“VR+教育”獲得了迅猛的發展。當前，虛擬現實技術應用于各階段教育發展勢頭良好但并不平衡。在高等教育領域，應用VR 的教學實踐課程非常多，研發課程的人才資源豐富、資金充裕，VR 技術已經很好地和很多專業培養相結合。在職業教育領域，虛擬現實技術應用也比較早，而且因其比較適合于技能型人才培養，加之國家對于職教的重視與投入使得虛擬現實技術在職教中得到廣泛運用。學前教育階段孩子們學習壓力不大，VR 技術可以豐富創新學前教育的活動形式，因而也得到一定程度的應用。相比較而言，基礎教育階段對于VR 的應用較少，因為這個階段的教育受升學考試壓力影響，束縛了很多學校創新的熱情。

2 虛擬現實技術與教育教學融合的優勢

VR教學帶來的沉浸感、交互性、想象性三大特征極大地克服了傳統教學環境的限制，有利于激發學習者的學習動機，增強學習體驗，實現情境學習和知識遷移。基于虛擬現實技術的特點，虛擬現實技術與教育教學融合有以下幾方面優勢。

2.1 沉浸式觀察學習

虛擬現實技術能夠讓學習者的感官沉浸在虛擬空間當中，通過觀察認識新事物。例如：地理學習中，學習者可以在三維虛擬的空間中變換自己的觀測位置，能夠全面了解地理地貌，星際空間等。生物研究中，運用虛擬現實技術可以讓學習者感受到幾千萬年前的地球上的古生物。再如，當前許多學校建立了虛擬校園漫游系統，應用三維成像技術或者是Unity3D等三維軟件技術，建立了基于校園網的360度全景漫游的場景，讓使用者能足不出戶觀察與了解學校全貌。

2.2 多維交互式體驗實踐

在實際教學活動中，觀察學習有時候不能夠滿足學習者的需求。交互體驗可以增加學習者的實踐經驗，這對學習者也很重要。例如，針灸專業學生針灸的經驗遠遠不足，但是沒有那么多病人愿意讓初學針灸者嘗試。因此，該專業運用三維技術設計了一個場景，并且設計了有反饋可互動的虛擬病人，學生穿戴VR設備，進入虛擬空間后，根據觀察與提示的病人病情，選擇合適的針灸工具，然后對癥找準穴位進行虛擬針灸治療，虛擬病人會實時給出反饋信息，學習效果非常好。再如，基礎教育中物理化學實驗，也可以放到虛擬空間中，利用類似的交互式操作，觀測實驗效果。

2.3 特殊環境下的操作技能訓練

在一些不便進入的特殊環境中，需要學習者進入虛擬空間學習與掌握一些特殊的技術，或者操作一些特殊設備。例如，航天員、飛行員的一些操控技術的學習，當今的虛擬現實技術可以很好地支持這些訓練。同樣的，對于一些特殊車間的操作人員也是一樣，現在很多高校和職業學校特殊專業都有虛擬現實操作訓練。特殊的還有像體育項目體驗，很多體育項目的練習也可以借助于虛擬現實技術。

3 虛擬現實技術在實驗教學中的具體應用

虛擬仿真實驗教學系統的出現可以大幅度解決目前高校實驗室不足、建設實驗室成本高、實驗室使用頻率高導致成本較高、某些實驗具有危險性、有不安全隱患等等問題，它可以有效彌補甚至取代傳統的實驗室，成為新型的實驗室。

虛擬實驗教學的基本特點在于借助虛擬仿真設備營造仿真環境，在仿真環境中，實驗人的視覺、觸覺、聽覺等感受都可以最大程度實現“真實化”，而且人體會在這種“真實化”的刺激下做出相應的反應，這和傳統實驗室中實驗者和實驗對象之間的交互行為完美地進行了“復制”，所以虛擬現實技術在實驗教學中主要的運用價值表現在以下兩個方面：

3.1 交互性

用戶佩戴特制的頭顯設備進入虛擬環境之后，可以通過傳感裝置將對環境產生的感受和環境本身應對人的行為所產生的反應傳遞給實驗者，從而讓實驗者產生真實的體驗和感受。比如華中師范大學2019年的虛擬仿真實驗室中就有“蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真項目”，這一項目就可以讓實驗者觀看到完全仿真的植物傳粉的全過程，感受到風吹植物、植物的搖動等。

3.2 浸入性

人在虛擬環境中的視覺和聽覺感受將取代現實中的感覺，虛擬設備能檢測到人的反應，從而產生一種新的完全真實的感受。如進行沉浸式游戲體驗、飛機模擬操作、康復訓練、軌道交通的設計制造及運行、可視化空間地理信息服務等，讓人感覺仿佛身臨其境，可以即時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。

4 虛擬現實技術在實驗教學中運用的前景展望

虛擬現實技術的出現以及在實驗教學中的運用，對于高校實驗教學來說無疑是重大利好。虛擬技術所展現出來的良好的交互性和沉浸性，恰恰是傳統實驗教學中最需要的部分，一旦可以通過低成本、高效率的方式進行，虛擬實驗室和傳統實驗室的相結合，必然成為未來高校實驗教學中的主流模式。虛擬技術對于實驗教學來說，目前已經從輔助的地位開始逐漸上升到主導地位。

2018年，教育部公布了首批國家虛擬仿真實驗教學項目，教育部高等教育司司長吳巖就指出“虛擬仿真解決了世界性的實驗教學、實踐教學、實訓教學的難題，也解決中國大學生動手能力不足這樣一個短板問題。”2020年，教育部將推出1000個“示范性虛擬仿真實驗教學項目”。

5 結束語

綜上所述，虛擬技術對于現有的實驗教學來說，是提高實驗教學的效率和質量的最有效的手段，在未來的發展中，虛擬技術在實驗教學中所占的比重還將顯著提高，這對于提高我國實驗教學的質量、鍛煉和提升學生的動手能力和實踐能力而言也有著劃時代的意義。

參考文獻

[1]戚玉強，任玲.傳感器與檢測技術[M].北京航空航天大學出版社，2018：163.

[2]國外虛擬實驗室那些你不知道的精彩[N].搜狐新聞，2018-7-31.