淺談無人機飛行模擬器訓練在虛擬現實技術教育應用

劉霜 扈少華

摘要：本研究在分析無人機飛行模擬器訓練現實情境認知模型基礎上認為，虛擬現實技術教育應用的潛力源于其在激發學習動機、增強學習體驗、創設心理沉浸感、實現情境學習和知識遷移等方面的優勢;虛擬現實技術教育應用目前主要集中在虛擬現實支持學習環境創設、支持技能實訓、支持語言學習、等方面;文章最后從技術和教學法兩方面分析了虛擬現實技術教育應用面臨的挑戰。

關鍵詞：虛擬現實;VR SCModel;教育應用;教學法

引言：虛擬現實現如今已經逐漸形成一個成熟的概念，不僅如此，其技術也在不斷地進步。現階段該技術已經應用于多種方面，不僅可以利用虛擬現實技術模擬出軍事演習、訓練等軍事環境，還可以應于醫療中來模擬手術，除此之外還可以模擬娛樂中的過山車以及蹦極等等[6]。當然，虛擬現實也可以變身為一名建筑設計師，將人們眼中看到的實體世界變為虛擬世界。虛擬現實發展到現在已經不單單是一門技術，更是一項藝術[7]，人們可以通過虛擬現實來裝飾自己想要的一切。利用虛擬現實技術不僅節省了很多人力、物力和財力，更為大家節省了大量的時間。本項目通過無人機模擬器訓練在虛擬現實的仿真，借助虛擬現實技術開展無人機沉浸式教學，節約辦學成本，減少無人機設備的損耗，在學生通過大量無人機模擬教學仿真訓練中掌握飛行技巧技能。

一、虛擬現實技術支持學習環境創設

虛擬學習環境的創設通常有三種基本類型：

1.虛擬仿真環境設計在虛擬仿真環境中，學生做他們在真實世界中無法做到的事，例如，冰雪環境中飛行，在山峰中飛行，在沙漠中飛行，學習面對不同氣候，不同風向的飛行。在不同旋翼損壞下的飛行。便于學生理解和應用知識，便于教師及時調整教學方法。教學計劃、教學法都圍繞模擬的環境進行設計。虛擬仿真環境適合教師教授程序性知識，使學生應用所學到的技能完成包含多個行為序列的學習任務。

2.建構主義活動設計

建構主義學習理論認為知識的建立和學習發生在已有知識經驗的基礎上，學習者在一定情境下利用必要的學習資料，通過意義建構的方式獲得。學習活動的設計對于建構主義學習理論在教學中的應用至關重要。在虛擬學習環境中，通過學習活動的設計，學生利用工具按照自身經驗和興趣建構飛行虛擬環境，或者在已有飛行虛擬環境當中，通過探究建構知識。

3.學習飛行體驗設計

學習飛行體驗指用戶借助虛擬現實技術進入虛擬學習環境中，對所學知識等產生相應的認識和情感。多用戶虛擬學習環境是當前教育游戲中較常用的虛擬現實環境。多用戶虛擬學習環境運用虛擬現實和增強現實技術，創建的第一人稱視角下的虛擬世界，可以為教師和學生提供教學環境。“第二人生”是早期典型的基于Web3D技術的多用戶虛擬環境。雅爾蒙等對利用“第二人生”多用戶虛擬學習環境進行研究生間的跨學科交流學習研究表明，“第二人生”的學習環境使用基于項目的方法能夠有效促進學科的發展和交流。研究同時表明，使用創造體驗式教學設計，讓學生有機會開展社會實踐項目，能夠正向增強他們的學習體驗。

二、虛擬現實技術支持飛行技能實訓

虛擬實訓是利用網絡技術、多媒體技術、仿真技術等基于虛擬實訓系統的一種新的模擬實訓方式。與真實環境下的實訓室相比，虛擬實訓飛行系統具有改善教學環境、節約辦學成本、規避安全風險、激發學生興趣的優點。虛擬現實技術打破傳統課堂中“教師講課，學生聽課”的教學思維，將學生變為主體，給予他們更多的機會探索學習，促進學生主觀能動地學習。飛行模擬器訓練是虛擬現實技術在職業技能實訓中的應用。飛行員在“真實”的飛行環境中進行訓練，視覺、聽覺、觸覺有“真實”的感受，有助于提高飛行技能。除職業技能培訓外，虛擬實驗也是當下虛擬現實技術在教育中的應用熱點。依據虛擬實驗PDR層次模型，虛擬實驗通常分三種類型，即模擬性試驗、探究性實驗、實證性實驗。在模擬性試驗中，學習者利用化學藥品、天平、祛碼等實驗工具，操作類型多樣的化學實驗，近距離地觀察燃燒、爆炸等化學現象;探究性實驗更多的是用來展示物理、化學、生物等課程中特殊的事物，將難以描述的現象以更直觀的方式呈現出來。實證性試驗強調在實驗者和被實驗對象分離的情況下開展以解決真實問題為目標的虛擬實驗。新加坡國立大學設計開發的基于網絡的遠程機器人操作系統是其典型代表，學習者可以通過操作該機器人進行試驗，完成實驗數據的記錄。

三、虛擬現實技術教育應用的挑戰

1.缺乏視覺或觸覺反饋。健康問題。研究顯示，長期使用飛行虛擬現實訓練頭顯會產生一系列的健康問題，如暈動癥、疲勞和惡心等。

2.教學法挑戰

在虛擬飛行環境下活動，學生有時難以把注意力集中在學習活動上，虛擬世界過多的功能和豐富的模擬場景會干擾學習者對重要內容的注意。虛擬現實為了創造沉浸性體驗往往采用多元信息傳送方式，例如聲音、圖像、文字甚至力感等信息。多渠道的信息傳遞、豐富的刺激容易提高單位時間內工作記憶的認知負荷，造成認知負荷超載。因此，沉浸性虛擬現實空間環境的構建、學習材料的呈現和組織應參考認知負荷理論的相關原則，例如避免冗余效應、分散注意效應等進行設計。

總之虛擬現實教育應用的本質不在于增加新的教學工具，而在于引入新的教學方式和教學文化。這是虛擬現實技術教育應用的重點和難點。我們相信，隨著技術的不斷發展完善以及與教育理論的深度融合，虛擬現實在教育領域會發揮著越來越重要的作用。

參考文獻：

[1]謝明初（2009）.情境認知理論對數學教育的意義[J].教育研究，（8）：69-73.

[2]周明全（2016）.虛擬現實高潮迭起VR教育前景可觀[N].中國電子報，2016-06-14.

[3]申斌，李坦，傅小進.無人機新型教學訓練手段研究與實踐[J].中國新技術新產品，2018（2）：158-161

[4]于進勇，寇昆湖，陳勇，等.無人機模擬訓練教學系統設計[J].實驗室研究與探索，2019（3）：221-223.

[5]謝鴻宇，楊木壯，趙冠偉，等.無人機航測教學實驗探討[J].測繪與空間地理信息，2017（4）：157-159.

[6]孫瀾瓊，趙星龍，卓家靖.面向無人機航空信息處理課程教學改革的調查問卷分析[J].新校園旬刊，2017（2）：38-39.

[7]劉戰合，田秋麗，王曉璐，等.復雜專業背景下無人機系統課程精細化教學探索[J].教育教學論壇，2018（4）：22-25.

[8]矯永康，陳勇，李芮琪.探討無人機專業模擬訓練教學[J].實驗技術與管理，2017，35（增刊1）：109-111.

[9]云超，李小民，鄭宗貴，等.飛行操作任務的無人機模擬訓練及系統設計[J].火力與指揮控制，2019，35：130-133.

基金項目：河南省科技廳科技攻關項目（152102210320）。