融合虛擬現(xiàn)實技術的專業(yè)課程教學模式改革

馮建國　李桂花　高宗軍　王敏　田紅　陳濤

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；高等教育；教學模式；專業(yè)課程；應用現(xiàn)狀；融合策略

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）36-0124-03

作為一種新興科技，虛擬現(xiàn)實技術在多學科、多領域都得到了較為廣泛的應用，眾多科研人員和教師也從不同角度進行了深入研究。

以“虛擬現(xiàn)實”為檢索詞，時間限定于1990年1月至2020年12月，在中國知網(wǎng)（https：//kns.cnki.net）中按“篇名”進行檢索。2016年之前，文獻數(shù)量增長緩慢，從2016開始，文獻數(shù)量呈指數(shù)增長。2016年的文獻數(shù)量為1705篇，2020年的文獻數(shù)量達到4420篇，增長了約2.6倍。當前“虛擬現(xiàn)實”主要集中在計算機領域，其次是教育領域。二者之和占到全部研究領域文獻數(shù)量的69.2%。以“虛擬現(xiàn)實”為檢索詞，時間限定于2000年1月至2020年12月，同時學科限定為“高等教育”，在中國知網(wǎng)（https：//kns.cnki.net）中按“篇名”進行檢索，2012年之前，文獻數(shù)量增長緩慢，從2012開始，文獻數(shù)量快速增長。2012年的文獻數(shù)量為9篇，2020年的文獻數(shù)量達到93篇，增長了約10倍。

1 虛擬現(xiàn)實技術與教育教學

劉俊峰等將教育技術分為五類，即常規(guī)教學模式、多媒體教學模式、遠程教學模式、網(wǎng)絡直播教學模式和虛擬現(xiàn)實教學模式[1]。可見，“虛擬現(xiàn)實”教學模式已成為教育技術的重要組成部分和發(fā)展趨勢。

1.1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，簡稱VR技術）是20世紀80年代興起的以計算機仿真技術為基礎，綜合了計算機圖形學、傳感技術、系統(tǒng)仿真技術、人工智能技術、大數(shù)據(jù)技術、多傳感器技術以及網(wǎng)絡信息技術等多種先進技術的最新發(fā)展成果。狹義的虛擬現(xiàn)實技術是指運用各種傳感器和可視化設備生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，將畫面、聲音等作用于用戶的視覺、觸覺、聽覺，從而使人沉浸在這個可以感知的、高度仿真的虛擬世界中，進而產生一種身臨其境的感覺[2-3]。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術的特點

（1）沉浸性。VR技術通過借助視覺、觸覺、聽覺等多個人體感知器官，可以讓人沉浸在虛擬世界，同時產生如同身處現(xiàn)實世界的感覺。趙夢媛等將多個人體器官參與感知稱為VR技術的多感知性[4]。

（2）交互性。VR技術進一步加強了人機交互式體驗。通過觸摸屏或操作手柄進行人機交互，在虛擬的場景中完成一系列操作，從最初的只有感官輸入的被動式體驗到可以對虛擬環(huán)境中的事物進行操作并得到及時的反饋。

（3）想象性。使用者依據(jù)在虛擬環(huán)境中獲取的信息，通過自我意識行為和人機互動后，根據(jù)自身的邏輯思維、事物聯(lián)想等能力，將虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中沒有直接展現(xiàn)的畫面和信息想象擴充并進行物像化[5-7]。

1.3 教育教學中運用虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢

元偉霞認為，VR技術與教育教學的融合，首先在建構主義學習理論、情境認知理論、模擬思維方法等方面具備穩(wěn)定和成熟的理論基礎[8]。此外，VR技術在教育教學領域的應用具有如下優(yōu)勢：

（1）人員安全得到有效保障，補充特殊場景觀摩體驗

實踐教學是高等教育人類培養(yǎng)的重要組成部分，對學生專業(yè)技能的提升具有重要意義。在實踐教學過程中，有些環(huán)境或操作具有一定的危險性，例如巖石剪切破壞實驗、涉及強酸強堿、芳烴等有毒有害化學品分析實驗等，一旦操作不當可能會造成安全事故，進而危及實驗室或師生的人身安全。此外，地震、火山噴發(fā)、洪水、滑坡等災害性場景在傳統(tǒng)實驗室是無法實現(xiàn)的，即便能夠進行物理模擬，觀摩的學生也存在一定的危險性。運用VR技術模擬實驗現(xiàn)場和實驗過程，安全性得到大幅提升，即使在操作過程中失當，也不會造成安全事故。

（2）培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高學習積極性

VR技術利用計算機生成虛擬的三維空間，通過視覺、聽覺、觸覺等人體感知器官獲得信息反饋，非常符合青年學生的獵奇心理。在教學過程中使用VR技術，不僅可以提高學生的學習體驗，提升教學效果，而且可以給學生帶來全新的觀察視角，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

（3）改變傳統(tǒng)教學理念，開展教學模式改革

VR技術與教育教學的融合，有利于教師改變傳統(tǒng)教學理念，開展教學模式改革。根據(jù)VR技術的特點和優(yōu)勢，與教學內容深入銜接，持續(xù)改進教學手段，帶給學生沉浸式體驗，鼓勵學生自主學習。以成果導向為指引，用學生樂于接受和高效吸收的方式實施課程教學，便于更好地實現(xiàn)課程教學目標[2，5，9-10]。

（4）彌補實驗場地緊缺、實驗設備陳舊的問題

由于專業(yè)理論與實驗設備的不斷發(fā)展，用人單位對畢業(yè)生專業(yè)實踐技能的提高，各個高校都處于增加（擴充）實驗室、采購實驗器材的循環(huán)過程之中。辦公室與實驗室爭奪空間、實驗器材消耗折舊乃至陳舊問題突出；即便是滿足最低臺套數(shù)的實驗器材更新，動輒也需要幾萬甚至幾十萬，讓有限的教學經(jīng)費捉襟見肘。利用VR技術模擬實踐現(xiàn)場環(huán)境，則在一定程度上打破了實驗場地、實驗器材的限制，可以更好地滿足實踐教學的需求[6，11]。

2 虛擬現(xiàn)實技術與課程教學的融合

2.1 虛擬現(xiàn)實技術在教學中運用的原則

在進行虛擬現(xiàn)實教學的過程中，需要遵循的原則包括：

（1）真實性原則。VR技術的運用必須遵循教育教學的客觀規(guī)律，基于VR技術的教學內容也必須符合專業(yè)理論的基本規(guī)律，其場景設置必須符合客觀實際，不能隨意夸大或者過分簡化。

（2）典型性原則。在VR技術與教學內容有機融合的過程中，所制作或者引入的虛擬環(huán)境應該具有典型性和代表性，而不應該是非普遍的，甚至特殊的。

只有典型的事例才有助于學生掌握專業(yè)知識中的普遍規(guī)律。

（3）整體性原則。在利用VR技術開展教學活動時，必須把握專業(yè)知識體系的整體性。當出現(xiàn)受到各種因素的限制而不夠完整的情況時，應該及時采用其他教學模式加以補充和完善，這樣才能進一步提高學生對所學知識的掌握程度，提升課程整體的教學質量。

（4）選擇性原則。授課教師必須認識到，VR技術不是萬能的。只有發(fā)揮VR技術的優(yōu)勢，選擇那些適合VR技術的教學內容開展虛擬現(xiàn)實教學，才能實現(xiàn)提高教學效果的目的[12]。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術的運用現(xiàn)狀

相對而言，國內VR技術在教育教學領域的運用主要是小學、中學階段的科普和企事業(yè)單位的技術培訓，高等院校基于VR技術的課程教學以部分重點高校、民營私立院校為主。造成這一現(xiàn)象的主要原因包括：

（1）VR設備成本高，而國內尚未形成完備的VR 技術研發(fā)、技術服務體系[13-14]。小學和中學階段，利用VR技術進行科學探索教育，受眾廣泛，研發(fā)和服務成本相對降低；企事業(yè)單位培訓的資金較為充足，較高的研發(fā)和服務成本也能得到認可。

（2）高等院校的專業(yè)劃分很細，同一院校不同專業(yè)的課程教學對VR技術的需求可能存在較大差異，而個性化的技術服務往往意味著高成本。不同層次高校的教育資金來源和數(shù)量存在差異，辦學理念各有不同，加之VR技術硬件投入和技術支持的成本較高，使得多數(shù)普通高等院校將VR技術用于課程教學體驗和課程教學模式創(chuàng)新[15]。

（3）當前，優(yōu)質教育教學資源的十分匱乏，導致教育教學資源不能滿足專業(yè)化的教學需求；與此同時，VR教育資源開發(fā)的門檻較高，普通的一線教師往往不能勝任，即便開發(fā)出一些資源，其質量往往也難以達到專業(yè)團隊的水平[16]。

（4）VR技術還處于發(fā)展階段，如何在現(xiàn)有的教育技術、教學設備、教育資源的基礎上，實現(xiàn)VR技術與其他教育技術的融合，各盡所能地為提高教育教學效果服務，還需一段較長時間的探索與磨合[17]。

上述五個方面，影響了VR技術在高等院校教學活動中的廣泛運用。當然，應該看到王婷、侯晨等人已經(jīng)成功將VR技術應用于土木工程測量教學、巖石力學實驗教學活動[18-19]，朱海燕、羅珽等人對VR技術在海洋鉆井工程課程教學、地球科學中的應用前景已經(jīng)有了成熟的認識[20-21]。

3 強化和促進虛擬現(xiàn)實技術與課程教學融合的策略

教育教學工作是一項系統(tǒng)工程，必須堅持“全員、全過程、全方位育人”的方針。而強化和促進VR技術在教育教學中的應用，也必須全盤考慮，全面統(tǒng)籌。

3.1 各級高等教育管理部門的支持

（1）各級高等教育管理部門應制定相應的政策支持和資金支持。積極踐行高等教育發(fā)展戰(zhàn)略，在充分認識VR技術對高等教育教學積極作用的基礎上，鼓勵開展基于VR技術的高等教育教學新模式方面的探索和研究，在不斷強化高等院校VR技術基礎設施建設的同時，以各類教學項目促進VR技術在高等教育中的運用，以實現(xiàn)引領高等教育教學模式變革的目標[2]。

（2）鼓勵和指導基于VR技術的教學資源的開發(fā)，建設基于VR技術的教學資源庫，制定相應的質量監(jiān)控機制和評估標準，規(guī)范基于VR技術的教學活動，做到各個環(huán)節(jié)可追蹤、可衡量。

3.2 VR 技術創(chuàng)新和技術服務

《國家“十三五”規(guī)劃（2016－2020年）》中已經(jīng)把VR技術列入國家大力支持發(fā)展的行業(yè)之列，可以預見，VR技術服務高等院校教育教學的功能一定會得到長足的發(fā)展。

（1）通過產品技術創(chuàng)新，提質增效。要實現(xiàn)VR技術在高等院校教學活動中的廣泛運用，首先必須為廣大教師和學生提供優(yōu)質的體驗，解決部分人員因為長時間佩戴頭戴式設備而產生的眩暈問題；通過技術創(chuàng)新，合理降低設備成本；制定統(tǒng)一的技術、設備等行業(yè)標準，解決不同企業(yè)產品、不同版本產品之間的兼容性問題。

（2）強化技術服務和對接。受限于VR技術二次開發(fā)的高難度和服務于專業(yè)課程的個性化需求問題，相關企業(yè)應深入高等院校，積極開展技術培訓工作；對計劃和已經(jīng)利用VR技術的院校、教學團隊和教師，應建立不同級次的長期的合作機制，了解和解決專業(yè)課程教學資源開發(fā)和維護過程中的技術需求，以優(yōu)質服務帶動合作共贏。

（3）教學資源共享。雖然高等教育的專業(yè)劃分給VR技術的普及帶來的挑戰(zhàn)，但同時也應該看到我國高等教育的體量巨大。據(jù)相關資料，在國內，河海大學、中國地質大學等54家高等院校開設水文與水資源工程專業(yè)，中國地質大學、吉林大學等56家高等院校開設地質工程專業(yè)。因此，以服務相近專業(yè)為導向，開展合作研究，進而實現(xiàn)教學資源共享是可行的。

3.3 發(fā)揮教師在教學設計和管理中的作用

（1）VR技術的學習與培訓。教師要深入學習VR 技術，積極參與培訓交流，掌握VR技術的特點和相關設備的使用方法，才能真正掌握和駕馭這一工具，將其與課程教學內容有機結合起來進行資源開發(fā)或者準確選擇適合當前學情的教學資源，更好地為教學服務。

（2）制訂合理的教學設計方案。通過制訂切實可行的教學設計方案，提升教師基于VR技術的教學設計能力，把VR技術和與之相匹配的教學內容結合起來，在此基礎上設計教學思路、教學方法、教學過程等各個環(huán)節(jié)，做到前期夯實基礎，保證后期的順利執(zhí)行。

4 結語

20世紀末，歐美的一些國家就對VR技術進行了研究，并將VR技術應用于教育教學領域，并由此產生了多個基于VR技術的教育平臺。利用VR技術的沉浸性、交互性、想象性特點，將其應用于課堂教學環(huán)節(jié)可以提升學生的學習興趣、增強學生的學習體驗。

VR技術在國內教育教學領域的應用尚處于發(fā)展過程的初期階段，但發(fā)展勢頭迅猛，VR技術在教育教學方面的應用研究主要集中在四個方面：VR技術相關設備和軟件的研發(fā)和實戰(zhàn)運用；虛擬現(xiàn)實教學實驗平臺的搭建和實踐；融合VR技術的教育教學模式研究；VR技術為學習者創(chuàng)建的學習環(huán)境、學習模式、學習情境研究[22]。

可以預見，憑借VR技術的快速發(fā)展和在教育教學中的優(yōu)勢，必然受到國家教育主管部門的高度重視，成為高等院校開展教育教學活動的重要手段，有力促進高校畢業(yè)生專業(yè)技能和素養(yǎng)的提升。

致謝：本文得到山東瘦課網(wǎng)教育科技股份有限公司資助。