高校教育信息化背景下虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研究

吳玉春　龍小建

摘 要 隨著5G時(shí)代的到來，移動(dòng)式學(xué)習(xí)更加便捷，教育資源的數(shù)字化是必然趨勢(shì)。以井岡山大學(xué)為例，文章闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)，探討了虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)的建設(shè)方案和人才培養(yǎng)模式，為井岡山大學(xué)數(shù)字化教育發(fā)展提出了應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞 高校 教育信息化 虛擬實(shí)驗(yàn) 數(shù)字教學(xué)資源

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.009

Abstract With the advent of the 5G era， mobile learning is more convenient， and the digitalization of educational resources is an inevitable trend. Taking Jinggangshan University as an example， the article expounds the application of virtual experiment in practical teaching and related technologies， discusses the construction plan and talent training mode of virtual experiment management platform， and proposes countermeasures for the development of digital education in Jinggangshan University.

Keywords colleges and universities; education informatization; virtual experiment; digital teaching resources

2018年教育部開始評(píng)審國家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以項(xiàng)目為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)虛擬技術(shù)落地課堂教學(xué)。近幾年，江西省教育廳將網(wǎng)課建設(shè)作為高校教育工作的重點(diǎn)，為這次疫情之下的線上授課提供了大量的數(shù)字化教學(xué)資源，未來幾年虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)將成為新的工作重點(diǎn)。隨著5G時(shí)代的到來，移動(dòng)式學(xué)習(xí)更加便捷，數(shù)字化學(xué)習(xí)方式將成為一種主流學(xué)習(xí)方式，[1]虛擬化數(shù)字教育資源的建設(shè)也將成為高校的硬實(shí)力評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，各大高校開展虛擬教學(xué)工作刻不容緩。但高校專業(yè)設(shè)置、人才教育層次、經(jīng)費(fèi)投入各有不同，虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)形式多樣化，不同類別在技術(shù)、資金投入不同，教學(xué)效果也不一樣。針對(duì)井岡山大學(xué)的專業(yè)設(shè)置和辦學(xué)特色，本論文給出了多層次、多形式虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)及應(yīng)用方案和虛擬技術(shù)方向的人才培養(yǎng)模式，為井岡山大學(xué)數(shù)字化教育發(fā)展提出了應(yīng)對(duì)策略，其他與我校相同教學(xué)層次的高校也可借鑒參考。

1 現(xiàn)狀

2019年井岡山大學(xué)已建成醫(yī)學(xué)與建筑虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，擁有面向醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)專業(yè)的人體解剖等醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和面向建筑學(xué)的開放式虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室可同時(shí)容納60名學(xué)生線上實(shí)踐教學(xué)，師生也可利用移動(dòng)終端在校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)訪問課程資源，實(shí)現(xiàn)在線課程學(xué)習(xí)和移動(dòng)學(xué)習(xí)。2020年初，我校新學(xué)期工作部署會(huì)議中指出要加快實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，積極申報(bào)省級(jí)及國家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。南昌是中國四大虛擬技術(shù)生態(tài)基地之一，在虛擬技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和人才需求方面十分迫切。教育廳印發(fā)《江西省教育廳關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案（2019-2013）》明確全省高校要加快建設(shè)虛擬教室和仿真實(shí)驗(yàn)室，打造省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程研究中心，構(gòu)建虛擬技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系，奮力打造虛擬技術(shù)人才聚集“江西高地”。我們應(yīng)當(dāng)緊抓這個(gè)契機(jī)，依據(jù)本校的實(shí)際需求和專業(yè)特色，采用“請(qǐng)進(jìn)來，走出去”策略，和企業(yè)深度合作開發(fā)，一手抓虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，一手抓師資和學(xué)生人才培養(yǎng)，為我省培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)意人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備依賴性強(qiáng)，并受限于時(shí)間和空間，而虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用交互式學(xué)習(xí)模式，學(xué)生可以通過移過設(shè)備碎片化學(xué)習(xí)，不受時(shí)間和空間約束，并且能反復(fù)進(jìn)行在線操作，[2]實(shí)現(xiàn)了真正的綠色實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重點(diǎn)方向。各大高校都在積極開展虛擬實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和應(yīng)用工作，主要集中在機(jī)電、建筑、醫(yī)學(xué)、電子信息、化工、文化旅游、體育等學(xué)科類。在建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)應(yīng)根據(jù)學(xué)科的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)選擇合適的開發(fā)技術(shù)。當(dāng)前開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的主要技術(shù)有：動(dòng)畫技術(shù)（Flash VRML? 3DMAX）、系統(tǒng)仿真技術(shù)（C++? Java? OPENGL Direct3D）、三維仿真技術(shù)（unity3D? Virtools? ?Cult3D）、VR技術(shù)、AR技術(shù)、MR技術(shù)等。虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)主要涉及數(shù)字模型建立、交互設(shè)計(jì)、項(xiàng)目發(fā)布這幾個(gè)階段。當(dāng)前高校正在應(yīng)用的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有以下幾種類型。

（1）利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)設(shè)備加載虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為主，虛擬實(shí)驗(yàn)為輔，虛實(shí)結(jié)合，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，拓寬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這種類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件主要是二維的，運(yùn)行環(huán)境要求較低，交互性也低、開發(fā)成本不高，不能提供在線模擬學(xué)習(xí)，一般要求在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下操作。井岡山大學(xué)在一些工科實(shí)驗(yàn)室（自動(dòng)化、通信、計(jì)算機(jī)等專業(yè)）已開展這類虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（2）專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室：這類虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于三維視覺的，要求建立專用的計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室，需配置要求較高的學(xué)生終端機(jī)和服務(wù)器及高清顯示器，建設(shè)成本比第一類高。優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，可支持多學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展，實(shí)驗(yàn)室可接入校園網(wǎng)，學(xué)生也可以移動(dòng)學(xué)習(xí)。井岡山大學(xué)現(xiàn)已建成面向建筑、醫(yī)學(xué)專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，未來還將擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和軟硬件設(shè)備。

（3）基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室：將虛擬實(shí)驗(yàn)放置于專用的遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)管理平臺(tái)上，學(xué)生可通過電腦或移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室。這類實(shí)驗(yàn)室不需要特定場所，使用方便，應(yīng)用最為廣泛。今年我校從上半年開始著手和企業(yè)洽談合作建設(shè)此類項(xiàng)目。但這類虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)成本也不低，一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從場景制作到網(wǎng)絡(luò)發(fā)布費(fèi)用大概要幾十萬。學(xué)校如果能利用本校的三維設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)人才資源，培養(yǎng)出自己的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，不僅能對(duì)內(nèi)完善各類學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源，還能對(duì)外接洽該類業(yè)務(wù)，有利于提升師資和學(xué)生的競爭力。

（4）VR虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)室：提供一種開放、創(chuàng)新型教學(xué)模式，將交互、自主、沉浸、多感知等特征融入教學(xué)實(shí)訓(xùn)過程中，主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)、高性能圖像生成及處理系統(tǒng)、沉浸式虛擬三維顯示系統(tǒng)（數(shù)字手套、頭盔、交互控制器等）、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)及數(shù)字化教學(xué)系統(tǒng)。可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及需求實(shí)現(xiàn)“展示”“教學(xué)”“實(shí)訓(xùn)”“教學(xué)資源創(chuàng)作”等功能。這類實(shí)訓(xùn)室要求場地較大，軟硬件要求高，建設(shè)成本遠(yuǎn)超前三類，但是可以面向多學(xué)科通用，交互性學(xué)習(xí)效果好。我校正在建設(shè)實(shí)訓(xùn)大樓，可以從中規(guī)劃一片區(qū)域用于此類虛擬實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)。

3 建設(shè)方案

井岡山大學(xué)是一所綜合性的大學(xué)，專業(yè)眾多，教育層次多類化，以全日制本科教育為主，兼具成人教育（包括成人函授、電大、成人脫產(chǎn)高職）。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源基本上是面向全日制本科生開放，成人教育主要以理論教學(xué)為主，鮮有涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。隨著國家對(duì)成人教育監(jiān)管力度的加強(qiáng)，今后除了保證足夠的理論教學(xué)學(xué)時(shí)，還必須配比一定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在使用實(shí)驗(yàn)室資源時(shí)，為避免和全日制本科生教學(xué)沖突，可以對(duì)成人教育的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)開展線上實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了成人教育理工類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺失，也避免了使用實(shí)驗(yàn)資源時(shí)和本科生教學(xué)產(chǎn)生沖突，學(xué)生還可以隨時(shí)隨地完成實(shí)踐課時(shí)。

在建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)遵守以下幾點(diǎn)：（1）不能盲目追求實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量，應(yīng)根據(jù)我校辦學(xué)特色，打造幾個(gè)特色專業(yè)，應(yīng)從實(shí)踐教學(xué)過程中的實(shí)際需求出發(fā)，高度仿真實(shí)驗(yàn)核心要素，提升學(xué)生的創(chuàng)新、動(dòng)手能力。（2）對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)成本高或危險(xiǎn)系數(shù)高，或?qū)嵙?xí)效果不理想，或真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以開展，需要?jiǎng)?chuàng)新多樣教學(xué)方法的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，或設(shè)備依賴性高，或有確定操作步驟且設(shè)備價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以開展虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。（3）要充分利用現(xiàn)有國家級(jí)或省級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)提供的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)本校專業(yè)培養(yǎng)特色，直接或優(yōu)化后使用，避免重復(fù)建設(shè)。（4）建立虛擬仿真項(xiàng)目管理平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全、開放、共享的教學(xué)模式。（5）建立考核、獎(jiǎng)勵(lì)管理制度，培養(yǎng)一批專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)人才隊(duì)伍。圖1為井岡山大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)架

構(gòu)圖，圖中標(biāo)粗的模塊表示已建成，其余為待建。依托我校網(wǎng)絡(luò)中心和電子與信息工程學(xué)院的兩個(gè)云計(jì)算機(jī)中心，可以建立校級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)綜合管理平臺(tái)，教師和學(xué)生可以通過移動(dòng)設(shè)備和電腦訪問平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，包括國家級(jí)、省級(jí)共享虛擬實(shí)驗(yàn)室入口。校內(nèi)基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)共享項(xiàng)目模塊按學(xué)科及專業(yè)將虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分類，共享給全校師生，成人教育的學(xué)生也可通過此模塊完成線上實(shí)驗(yàn)任務(wù)。素材庫可以分類搜索查詢并實(shí)現(xiàn)上傳和下載，教師可以利用素材庫的模型資源開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)并上傳至Web管理平臺(tái)后共享，為理論和實(shí)踐教學(xué)提供服務(wù)。全校教師均可參加進(jìn)來，對(duì)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行虛擬課改，提高教學(xué)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)中心模塊包括虛擬實(shí)驗(yàn)展示及教學(xué)、虛擬實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和師資培訓(xùn)這四個(gè)模塊。虛擬實(shí)驗(yàn)展示教學(xué)模塊采用沉浸式體驗(yàn)教學(xué)，以演示教學(xué)為主，學(xué)生以特定角色身份沉浸到虛擬場景中，真實(shí)直觀感受現(xiàn)場，開闊視野，激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)習(xí)效果。我校的藝術(shù)設(shè)計(jì)、旅游、紅色教育、教育心理學(xué)、生命科學(xué)等專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)都可以采用這種教學(xué)模式。依托井岡山紅色旅游資源，應(yīng)重點(diǎn)建設(shè)紅色旅游、紅色教育演示場景，將其打造成為我校虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用教學(xué)的一大亮點(diǎn)。虛擬實(shí)訓(xùn)主要面向工科類的工程虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，如機(jī)械、化工、電氣、通信、計(jì)算機(jī)等專業(yè)。通常工程實(shí)訓(xùn)依賴特定貴重設(shè)備和特定環(huán)境，有時(shí)還需安排學(xué)生外出實(shí)踐，耗時(shí)耗力。通過建設(shè)虛擬工程實(shí)訓(xùn)中心，引入VR實(shí)訓(xùn)課程，結(jié)合VR體驗(yàn)沉浸式設(shè)備，完全虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生不出校門就可以完成實(shí)訓(xùn)課程。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及師資培訓(xùn)模塊主要是通過校企合作，建立一支專業(yè)的VR隊(duì)伍（包括教師和學(xué)生），對(duì)內(nèi)完善虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源，對(duì)外承擔(dān)各類相關(guān)業(yè)務(wù)，為我們培養(yǎng)一批雙師型教師，也為學(xué)生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的平臺(tái)，為學(xué)生更好的走向社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

學(xué)生評(píng)測和在線考核系統(tǒng)，前者用于深度收集和分析學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)行為，為今后虛擬實(shí)驗(yàn)課程優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，后者主要用于虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)的考核，采用統(tǒng)一題庫進(jìn)行實(shí)踐測驗(yàn)，教考分離更有利于提高教師教學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)已建成，主要面向醫(yī)學(xué)、生物、建筑等專業(yè)，今后還可以根據(jù)學(xué)校學(xué)科的需求進(jìn)行擴(kuò)展，包括軟件和硬件方面。

4 培養(yǎng)模式及師資建設(shè)

為實(shí)現(xiàn)高校教育資源數(shù)字化，大力建立虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已成必然趨勢(shì)。當(dāng)前，我校已將省、國家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)工作作為各個(gè)學(xué)院目標(biāo)制管理的考核指標(biāo)，但由于起步晚，經(jīng)驗(yàn)不足，還需借助外部力量來完成啟動(dòng)工作。選擇一家有實(shí)力、經(jīng)驗(yàn)豐富的VR企業(yè)進(jìn)行深度合作，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)、人才培養(yǎng)、學(xué)生就業(yè)等方面共同合作，為我校VR實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)及發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。依托有實(shí)力的企業(yè)，共同完成平臺(tái)建設(shè)方案，搭建好校級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)管理平臺(tái)，培養(yǎng)好合格的平臺(tái)管理人員。

虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源的建設(shè)可以采用定制和合作開發(fā)兩種模式，對(duì)于一些復(fù)雜的，難度系數(shù)高的可以采用定制模式，合作開發(fā)模式校方主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，企業(yè)方則主要負(fù)責(zé)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。無論采用哪種模式開發(fā)，合作的企業(yè)應(yīng)負(fù)責(zé)提供VR實(shí)驗(yàn)技術(shù)教學(xué)資源和授課計(jì)劃，為我校培養(yǎng)VR方面的雙師型骨干教師，并全程參與虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)過程，為我校今后獨(dú)立自主設(shè)計(jì)開發(fā)打定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)設(shè)計(jì)主要包括場景制作和應(yīng)用開發(fā)，涉及多個(gè)學(xué)科知識(shí)。其中場景制作是建設(shè)三維模型及動(dòng)畫，而應(yīng)用開發(fā)包含了算法、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、程序設(shè)計(jì)語言等計(jì)算機(jī)知識(shí)。我校藝術(shù)學(xué)院開設(shè)了環(huán)境設(shè)計(jì)、視學(xué)傳達(dá)設(shè)計(jì)專業(yè)，有較好的三維模型與動(dòng)畫設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，可為場景制作提供人才。電子與信息學(xué)院開設(shè)了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和軟件工程，可為交互式虛擬程序設(shè)計(jì)提供人才。可以將我校的平面設(shè)計(jì)類專業(yè)增設(shè)VR界面設(shè)計(jì)方向，計(jì)算機(jī)專業(yè)增設(shè)VR應(yīng)用開發(fā)方向，兩個(gè)專業(yè)的師資聯(lián)合起來和企業(yè)共建VR孵化中心和VR創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教深度融合。

總之，應(yīng)選擇優(yōu)秀的VR企業(yè)進(jìn)行深度合作，在共同創(chuàng)建校級(jí)虛擬平臺(tái)時(shí)為我校培養(yǎng)出一批專業(yè)的VR實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)隊(duì)伍，可以自主設(shè)計(jì)開發(fā)VR教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)VR教學(xué)資源的開發(fā)、應(yīng)用、教學(xué)的閉環(huán)生態(tài)鏈。

5 結(jié)語

教育信息化的發(fā)展水平是評(píng)價(jià)高校綜合實(shí)力的重要指標(biāo)，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校信息化建設(shè)的重要組成部分。 在省教育廳和教育部政策引領(lǐng)下，我校應(yīng)積極開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)工作，做好虛擬實(shí)驗(yàn)室的戰(zhàn)略部署，提高我校教育信息化水平，縮小與高水平學(xué)校的差距，擴(kuò)大專業(yè)學(xué)科優(yōu)勢(shì)，提升區(qū)域產(chǎn)業(yè)服務(wù)能力。

研究項(xiàng)目：2020年度吉安市社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目

參考文獻(xiàn)

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