虛擬現實技術在地方應用型高校的教學應用探討

時翔 陳健 邢業新

摘要：基于地方應用型高校服務地方發展，培養應用型人才的任務需求，本文作者將大學生的創新創業訓練工作，與深度的產教融合工作進行良好的結合，從課堂教學、實驗教學、實訓教學及創新訓練四個方面對虛擬現實技術在高校教學中的應用體系進行了規劃，從團隊建設和內涵建設兩方面探討了應用體系建設，最后分析了虛擬現實技術應用于地方應用型高校教學與實訓的重要意義。

關鍵詞：虛擬現實;地方應用型高校;產教融合;創新創業訓練

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）09-0099-05

虛擬現實（VR）技術通過創造一種模擬真實、虛擬仿真的三維動態環境，使用戶沉浸其中，仿佛真實感受，進行交互式體驗和感知，增強對感知內容和環境的理解和體會，提高用戶的學習效果和體驗感受。在世界范圍內，VR技術已廣泛應用于汽車制造業、游戲娛樂業、旅游業及教育業。[1-3]VR技術應用于教育是現代教育技術發展的一個飛躍，它營造了“交互式體驗”和“沉浸式學習”的環境，由傳統的“以教為主”的教學方式轉換為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。[1-5]

本文基于地方經濟發展對新一代信息技術的需求，從地方應用型高校服務地方、培養應用型人才的任務出發，對虛擬現實技術在高校教學中的應用進行了研究。

● “VR+高校教學”的應用體系規劃

將VR技術與教學過程、環節進行充分融合，形成“VR+課堂教學”“VR+實驗教學”“VR+實訓教學”和“VR+創新訓練”的系統性教學應用體系。[6-7]

1.“VR+課堂教學”應用

傳統的高校課堂教學常采用講授式教學方式，將知識以口述、閱讀、板書、問答、幻燈等形式向學生進行展示。現代信息科學知識體系的交叉性、復雜性特點，使得傳統講授式的講解已難以向學生進行知識點的準確描述，即使教師費盡口舌去表述，學生仍然感到難以理解。在高校課堂教學中應用VR技術，將知識的講解和表述轉為直觀的圖像和視頻演示，將知識的學習從單向傳授轉化為交互式體驗和學習，使科學理論、工作機理等知識點與技能點的傳達更加生動、清晰和準確。“VR+課堂教學”將物理、化學、電子、信息、生物、材料等學科中抽象的知識點通過先進的三維視覺進行具象傳達和浸入體驗。在實際的課堂教學中，教師可利用VR教室，引導學生佩戴VR眼鏡，通過人機交互的手柄或觸控按鍵，調取VR教學課件和VR教學資源，不僅觀看“3D”影像的教學資源，而且與知識場景進行交互體驗。

2.“VR+實驗教學”應用

在實驗教學中，特別是在電子與信息、機械與制造、化工與材料類實驗課程中，實驗設備昂貴，維修費用高，更新換代快，導致某些高等級的實驗無法實施，只能紙上談兵，通過語言描述，學生知識獲取的方式較為陳舊。利用VR技術，則可以徹底打破經費、時間與空間的限制，使學生能夠在虛擬世界中體驗和使用價格高昂的科學儀器和設備，不計成本、不計損耗地進行科學實驗和數據獲取，能夠深入場景、浸入體驗，進行危險、復雜、互動等操作和調試，完成現實中難以進行的實驗項目。

3.“VR+實訓教學”應用

在應用型高校的實訓教學中，VR技術更扮演著重要角色。通過VR技術模擬的實習實訓場景，跨越時域和空域的限制，使學生能夠在虛擬的實訓環境中扮演實習工程師的角色，全身心地投入到學習、訓練和操作環境中，完成各種實操項目的技能訓練。虛擬的訓練系統無任何危險和重復使用的成本消費，如通信工程中的移動基站架設等實際操作訓練等實訓內容，學生不僅可以反復練習，溫習知識、熟悉技能，而且可以隨意更換城區、山地、鄉村等移動通信環境，逐步完成實習工程師到合格工程師的角色轉換。

4.“VR+創新訓練”應用

“VR+創新訓練”以大學生VR創新訓練為主要內容，高校教師和企業團隊共同為學生的創新訓練進行指導和輔助。

首先，建立VR技術學習、研究與開發課程及實訓體系。按三級進階方式，建立入門級（主要為C#編程基礎課程）、基礎級（主要為Unity 3D及UI系統學習）和技術級（主要為AI系統、SDK系統的操作和實戰）課程及實訓體系，培養大學生VR技術創新能力，建立VR創新人才團隊。

其次，以高校課程為應用實例，開發課程VR課件，用于課堂教學和實訓，建立不同學科、不同專業課程的VR課件及素材庫。

最后，在上述校內VR創新訓練活動基礎上，具有VR創新能力的大學生技術團隊逐漸走出校外，在當地企事業單位開展“VR+技術培訓”“VR+政策宣講”等實際VR技術應用活動。

● “VR+高校教學”的應用體系建設

從地方應用型高校服務地方、培養應用型人才的根本任務出發，充分發揮高校、學生、企業三方的特點和優勢，合作共贏，深度融合，進行“VR+高校教學”的應用體系建設。[8-10]

1.基于“產教融合”的建設思路

結合地方應用型高校的學科基礎，從教書育人和服務地方的雙重任務出發，充分進行大學生創新與創業訓練、教師教改與科研、服務地方和協助企業研發等工作，將高校的教學改革與產教融合進行良好的結合，開展VR技術在高校教學中的應用。

首先，在條件保障建設上，“VR+高校教學”應用體系整合學校多方力量，共同致力于VR技術的教學應用研究。校電子信息、人工智能等學科為應用體系提供學科支持;校屬科研院所為應用體系提供VR設備、資源、技術和研究團隊支持;校屬各學科、專業的實驗室為應用體系提供校內實驗和實訓場所支持;校電教中心為應用體系提供技術應用和推廣上的支持。

其次，在團隊建設方面，大學生VR科技創新團隊、教師VR技術科研團隊、企業VR技術研發團隊，形成“三方合力”的VR技術教學應用研究團隊。大學生科技創新團隊負責3D建模、模型庫建設等技術層次不高、工作量較大的工作，企業VR技術團隊負責系統建模與集成、系統聯調與優化等技術層次較高的工作，教師VR技術團隊主要負責VR系統總體工程規劃、應用及其推廣工作。

最后，在服務與應用體系建設上，將大學生創新訓練、教師教改科研等項工作與“VR+高校教學”應用體系緊密結合起來。通過“VR+高校教學”應用體系的建設，不僅能夠鍛煉大學生VR技術團隊的創新能力，提高教師利用VR技術進行教學改革和科學研究的應用，而且可以為地方企事業單位進行“VR+教育”模式的紅色教育、思政教育、社區教育、企業培訓等，還可以以大學生和高校教師為VR技術人員，利用VR技術為企業產能更新、科技攻關等進行技術服務，使“產”與“教”進行深度融合。

應用體系不僅注重在高校教學中采取探究式及項目式教學的方法，而且在教學改革過程中，注重地方高校與VR行業的先進企業的融合。體系注重充分發揮VR技術特點和大學生勇于科技創新、探究式學習的熱情，以學生團隊為主力，充分發揮其數量上的優勢，讓其開發大數量的3D模型、3D環境等VR模型與環境數據庫，在教師和企業技術團隊的指導下，讓其參與完成實驗和實訓VR課件和應用系統的開發，甚至參與教師和企業的VR科研和產品開發項目。

2.建設內容

在上述主要建設思路指導下構建的“VR+高校教學”應用體系，其主要建設內容如下。

（1）建立“三方合力”的VR技術團隊

在VR技術教學應用團隊結構中，大學生VR技術創新團隊作為技術底層的設計開發主力，企業VR技術團隊作為技術核心層的研發主力，教師VR技術團隊作為技術應用頂層。大學生、企業、教師三方共同建立金字塔形的“三方合力”的VR技術團隊。

（2）建立VR技術學習與開發實訓體系

首先，在入門課程中，安排C#編程（核心編程結構、面向對象編程、高級編程）等基礎課程學習。

其次，進行三維數字模型建模的基礎學習與研究。例如，Unity 3D入門總覽、玩轉Unity世界、完全精通UI系統（初級）、完全精通UI系統（中級）、完全精通UI系統（高級）等課程的學習與研究。

最后，進行VR設計的技術進階及核心提升。例如，物理引擎系統與物體運動系統精講、AI系統/動畫狀態機系統詳解、項目優化、打包、接入實戰精講等課程的實訓。

VR技術學習與開發實訓體系面向全校各專業學生開放，計算機、通信、藝術等專業學生都能夠加入其中，發揮各自專業優勢，成為建設VR模型與環境數據庫的主力。

（3）建立學生主動式、體驗式認知體系

從學生認知規律出發，在高等教育教學的課堂講授、課內實驗、課外實踐中融入VR技術，使學生通過身臨其境的感覺和交互，達到主動式、體驗式認知效果。

從大學生學習的基本理論可知，學生主動學習的功效要遠遠大于被動接受式的學習。因此，從學生的認知規律出發，將VR技術應用于高等教學，不僅增強知識和規律的直觀表達，而且使課堂教學中學生的角色從被動向主動轉變，使其更多地參與到對知識的探索、求真和實踐中，從而極大地提高了學生的學習效率。VR在高等教學中的應用，不僅能夠為學生提供自主學習和訓練的環境，而且節省了教育成本，規避了實際操作風險，從內因出發，激發學生知識學習和創新潛能，解決和突破傳統教學中的難點和瓶頸。

（4）建立“探究式”及“項目式”教學體系

建立“教師提問與引導、學生探究與動手的探究式教學，以及“任務驅動、項目導向”的項目式教學方法體系，將教育教學任務中的VR技術與專業課程的融合交互部分，交由學生完成。新一代信息技術的發展性、創新性特質與當代大學生勇于創新、勤于動手、善于學習的品質能夠很好地結合，學生主動學習中的實踐及主導學習（傳授給他人）的比例大幅度增加。

首先，將高校工科的專業課程的教學目標和內容，以項目分包、教學與實驗課件制作等形式，發布給大學生VR技術創新團隊，讓團隊參與VR教學課件、實踐平臺的制作，學生在教師的引導下，參與課堂教學的進程及其教學方式的改進。

其次，將高校理科、文科類專業課程，如普通物理、生物化學、企業管理等的教學目標和內容，以任務需求、項目分包、教學與實驗課件制作等形式，發布給大學生VR技術創新團隊，讓工科學生深入理科、文科教育前沿，結合專業需求，制作符合專業特點的VR教學課件、活動平臺。

再次，將高校繼續教育類課程，以及紅色教育、黨課教育、地方文化教育等的教學目標和內容，在專任教師的指導下，以項目分包、教學與實驗課件制作等形式，發布給高校學生，讓學生在受到思政教育、思想熏陶的同時，進行VR教學課件、教育平臺的制作，學生全面主導高校繼續教育、社區教育類教學的改進和提升。

最后，將VR技術的高校教學應用推出校門，走向社會，進行地方事業、企業單位的技術培訓、繼續教育等應用，乃至企事業單位的VR技術輔助技術研發或生產開發等其他應用。

（5）建立互惠互利的“產教融合”體系

VR技術企業參與高校的專業課程、繼續教育課程、社區教育課程以及其他各類高校教育范疇內的VR課件、活動平臺、實踐平臺的開發;高校教師與學生VR技術團隊，參與VR技術企業項目開發，作為企業產品開發和技術更新的強力技術團隊“外援”。企業幫助教師及學生團隊進行教學與科研創新，高校幫助企業在教育行業市場進行技術的更新及轉化。雙方互利互惠，共同致力于VR技術在教育行業中的創新性應用。

企業與高校聯合進行VR高校教學資源的開發，有助于最大限度地發揮企業的科技實力與創新能力，帶動高校整體的VR技術水平及其創新能力的提高，同時高校也為企業帶來良好的技術應用和推廣市場，實現雙方互贏。企業與高校的聯合，能夠形成“產、學、研、用”一體化的模式，在生產實踐、教學實踐、科研與實際運用方面相互促進，并形成良性循環，在幫助高校提升教育教學質量的同時，能夠根據國家戰略部署，培育出更多VR專業人才，促進我國VR行業的發展。

（6）建立“VR+高校教學”應用的共享平臺

建立“VR+高校教學”應用的資源共享平臺，不僅能夠促進各高校、各VR企業之間的合作關系，促進教學方式的創新以及教學模式的改革，而且有利于VR+教育的規模應用，形成地方上規模的VR經濟應用。VR的建模、模型庫及課件庫的建立，在不同的高校、不同的學科各有側重。只有建立起“VR+高校教學”應用的共享平臺，才能夠充分發揮各高校優質學科的資源，杜絕人力、物力的浪費，多快好省地建立起基于VR的“沒有圍墻的大學”，為各高校、各學科提供良好的VR學習、實訓資源與平臺。

● “VR+高校教學”實施的意義

1.改變學習方式，使其由被動向主動轉化

傳統講授式教學模式，由教師安排和設置教學內容，通過語言講授使學生被動接收知識。雖然隨著教學的改革，以被動學習為主的高校教學情況有所改善，但是傳統講授式教學由于根基穩固，仍然占據主要地位。VR技術融入高校教學，能夠讓學生在教學過程中充滿求知欲和探究熱情，全方位、浸入式感受知識的原理與奇妙，讓主動學習始終占據主導地位。相對于傳統的教學模式，“VR+高校教學”模式下，學生在教學活動中占據了主角地位，學習的積極性和主動性以及對科技創新的熱情和欲望更加強烈，學習的效率和效果也會大大提高。

2.增強教學效果，提高人才培養質量

VR技術融入高校教學，是利用計算機生成一個學習的虛擬空間，這樣不僅能夠發揮學生的主觀能動性，使學生在浸入式學習體驗中感受知識、消化知識，更可以克服經費、時間、空間、器材、場地等的限制，通過VR技術讓知識的展示、感受、傳授、領會、思維、創新等過程變得更加豐富和具象化。

3.降低教學成本，減少實驗隱患風險

VR技術通過創建出一個虛擬教學環境，使學生通過VR設備在虛擬場景中完成課程和實訓所需要的操作和實踐，節約了教學場地、設備成本;VR課程資源建好后，可以重復利用、多人利用，學生可以反復學習、融匯貫通，能夠快速、扎實掌握原理和技能。高校實驗室一直狠抓并強調的實驗室安全隱患問題，在“VR+高校教學”的實驗和實訓教學環境中，能夠極大降低。此外，當學生在VR環境中反復學習并熟練掌握操作技能后，再進行實物操作，實驗的風險也會大幅下降。

4.兼顧教育公平，共享優質教學資源

VR技術能夠為教育帶來更多的公平，這也是開展“VR+高校教學”的重要意義之一。“VR+高校教學”共享平臺的建設，可以為落后地區、地方高校、高職院校的學生提供優質的教學資源，使其身臨其境地感受高質量的教學和實訓環境，使我國的高等教育更加公平和平等。

● 結語

在VR技術的高校教學應用探討過程中，在所組建的教師、企業以及大學生VR創新團隊三方合力的創新研究團隊里，高校大學生科技創新團隊作為創新研究的底層主力，為VR技術在高校教學中的應用提供了大量、豐富的3D模型，是VR教學資源庫建設的主力，而教師及企業團隊則作為總體設計和關鍵技術攻關的角色，引導整個VR教學團隊始終面向需求，不斷創新。VR技術應用底層中的大數量3D模型建模、環境渲染等工作，主要由學生VR團隊完成，這能使學生更早地進入VR項目訓練。

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作者簡介：時翔，男，副教授，研究方向為微波毫米波系統集成及其應用。