虛擬現實技術在開放教育學生遠程學習環境中的應用研究

盧韜全，洪耀輝，王梅亮

(1.麗水開放大學，浙江 麗水 323000；2.麗水學院工學院，浙江 麗水 323000)

1 概述

信息技術發展至今，助推著人類科技飛速發展，在教育、醫療、科研、軍事等多領域得到了充分的運用，同時也衍生出互聯網、多媒體、人工智能、傳感、仿真等多種技術，而虛擬現實技術就是計算機技術發展衍生出的一項技術。所謂虛擬現實技術，英文名稱：Virtual Reality，就是人們常說的VR，顧名思義，就是通過計算機運用數據模擬出現實中的物體或場景，實現物體或場景的仿真，并通過相應的設備給用戶視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺等方面的感知，讓用戶能夠沉浸其中，仿佛就在現場一般。

遠程教育始于19世紀30年代國外的商業函授教育。與世界各國一樣，我國的遠程教育也是從20世紀初的函授教育開始的，經歷了三個發展階段：一是主要依靠郵政通訊手段進行函授教育；二是利用廣播和電視開展廣播電視教育；三是以信息為基礎開展的現代遠程教育。特別是20世紀90年代以來，隨著計算機網絡為代表的遠程傳輸技術和移動計算技術的發展，隨著多媒體、虛擬現實等新型媒體技術的發展和應用，現代遠程教育成功突破了傳統面授教育的局限，提供了一種突破時空界限、資源共享、交互沉浸式的學習環境[1]。其中，虛擬現實技術發揮著重要的作用，各大高校都在從事相關研究，如北京航空航天大學所研究的分布式飛行模擬；哈爾濱工業大學在人工智能和虛擬現實交互方面的研究[2]；浙江大學與哈佛大學共同研究的跨國VR遠程教學[3]；浙江開放大學利用VR、幻影成像、影視廳等場地設施資源搭建，提供了沉浸式的黨史學習教育環境；上海開放大學應用MR技術打造沉浸式學習空間，開發機械裝配課程，依托MR混合現實三維數據可視化的呈現方式[4]等，都取得了一定的成果。

開放教育的學生可能來自各行各業，擁有著不同背景、不同能力水平，在復雜的學生背景環境下，學生能夠利用的學習的時間、空間條件就會存在差異，而能夠突破時空限制的遠程教育作為開放大學的一項非常重要的教學手段，發揮著不可或缺的作用。隨著互聯網技術的飛速發展以及5G技術的逐漸成熟，課件資料教學、遠程視頻教學、直播教學開始登臺，跨越時間和空間的阻隔，便于學生能夠在家學習。但這類授課方式，主要還是以教師講授的方式為主，學生大都處于被動接受知識的狀態，而且受教學條件和教學設施所限，學生幾乎無法參與實踐類課程，讓學生難以專注于學習、體會到學習的樂趣。而虛擬現實技術的融入正好能夠解決這個問題，讓學生即使不在現場，也能夠擁有很好的學習體驗感，給學生營造更優質的學習環境，可以極大地提高開放教育學生的學習積極性。

2 虛擬現實技術應用于開放教育遠程學習的優勢

開放教育學生在遠程學習時，佩戴好攝像頭、數字頭盔以及數字手套等傳感器設備，根據學習需求，通過網絡服務器端根據課程內容安排預設的人機交互模塊和三維建模，運用虛擬現實技術，進入系統創造的一個與學習需要相關的虛擬環境中，學生通過感知和操作，與系統進行交互，完成知識的學習或者模擬實操；或者通過增強現實型虛擬現實技術，在基礎的臺面上進行一系列的動態學習，如歷史變遷、發展趨勢、制造過程、建設過程、配件組裝、模型搭建等知識內容，讓學生沉浸在極具真情實感的虛擬環境中進行知識的學習和訓練，充分感受到動態學習、完成任務、解決問題的樂趣，提升學生學習知識的積極性和主動性，“通過情境進行學習和練習”是利用虛擬現實技術進行自主學習的主要特點，它包含以下的一些優勢：

2.1 實現多場景、多類型互動

虛擬現實技術可以讓學生根據不同的學習需求，選擇設置相應的虛擬學習情境進行學習。比如喜歡聽講的學生，可以置身于虛擬課堂當中，聽虛擬教師進行面對面的授課，還可以進行一定程度的課堂問答互動；又如想要進行實操練習的學生，可以置身于虛擬的實操環境當中，與三維建模的實操設備進行操作互動，完成預定的實操任務；再如想要觀察某一知識點的整體動態發展特征，可以展現動態發展的場景，并根據學生的操作，以時間軸為主線，進行暫停、退回、調整速率等操作，也可以在暫停中進行三維層面上各視角的觀察操作。多場景、多類型的互動，可以實現學生不同類型的學習需求。

2.2 學生學習方式創新

基于虛擬現實技術的理念，學生的學習不再拘泥于單純的課本文字的抽象知識學習或者平面化的視頻教學，通過創新的學習方式，把很多晦澀難懂的知識內容，通過三維可視化的方式展現出來，增強學習內容的互動性，讓學生更易理解生動有趣的內容，寓教于樂。例如建筑專業學生可以在整體的建筑結構模型上進行各構件的功能知識學習和拆裝練習；機電專業學生可以對整部機器模型進行機械部件知識學習和拆裝解構練習；文學專業學生可以沉浸在文學作者所處的環境或者文學內容所述的意境中感受文學知識的內涵；學生在英語課程的學習中可以在實際場景中進行對話互動，鞏固知識。通過創新的學習方式，可以極大提升學生對知識學習的興趣。

2.3 建立學習內容豐富的虛擬課堂

各地開放大學可以根據自身實際情況設置場地大小，僅需提供一個專用虛擬實驗場地，配置VR頭盔、投影設備、傳感設備等完善的虛擬現實設備，就能建立一個完善的虛擬課堂，可以通過虛擬現實技術實現提供給學生各類課程的互動學習需求，讓每一位學生通過沉浸式的虛擬環境體驗學習的快樂。一來可以降低建設各類專用的實體實驗室、操作間的成本，免除實體的實驗、實操設備器材的損耗，二來可以有效解決建設場地不足的問題，以適應各地開放大學的實際場地情況，讓學生可以僅靠一個虛擬教室實現不同學習場景的切換。

3 學習環境建設研究的技術路線

通過前面虛擬現實技術應用于開放教育遠程學習的優勢研究，根據開放教育遠程教學的課程內容安排，運用計算機三維建模技術，為不同課程構建相應的三維虛擬應用場景和虛擬物體模型，同時對虛擬現實技術中與課程有關的人機交互技術進行深入研究；最后利用上述構建的三維虛擬應用場景和虛擬物體模型，并綜合運用虛擬現實、互動感知、三維動畫、計算機圖形圖像處理以及程序設計等相關技術，通過OSG圖形程序開發接口在Visual C++開發環境下用C++語言對三維虛擬體驗場景進行二次開發，實現能夠讓學生沉浸在虛擬的學習情境中，并可以與虛擬環境或虛擬物體進行實時交互的教學系統[5]。具體的研究思路和技術路線如圖1所示。

4 虛擬現實技術在開放教育學生遠程學習中的應用實施

運用虛擬現實技術完成課程的設計和實現后，學生就可以選擇相關的學習內容，根據學習流程或學習任務進行情境學習或練習。下面以開放教育?？茩C電一體化專業金屬切削與加工課程為例，探討虛擬情境學習的具體實施步驟和方法。

4.1 根據課程內容和學生需求安排設置學習情境和互動模式

任課教師首先簡單了解虛擬情境設置、場景互動的基本規則，設備的操作方式和注意事項，在金屬切削與加工課程開課前，充分了解學生學習知識和實操練習的需求，并根據課程整體教學任務安排，進行課程內容編排，提出知識點和實操情境設置和學習任務的設想，將課程情境設置、互動內容等方面的需求向技術人員提出。技術人員根據教師需求，進行學習情境和互動內容進行設計和實施，建立完整的知識情境和實操環境。

4.2 學生預習相關課程內容

學生在課前，通過金屬切削與加工課程教材了解上課的主要內容以及教材中標注的重難點，明確學習目標和學習任務，查找自己比較難理解的內容做好記錄，以便上課時向任課教師提問。另外，任課教師也可以提供相關資料供學生在課外學習和了解課程的背景知識。

4.3 任課教師向學生進行課程的授課

任課教師首先通過面授或者線上直播課的方式，向學生講授金屬切削與加工課程知識，在情境體驗之前，讓學生對課程的內容和核心知識點進行系統的學習和掌握，并布置課后學習鞏固的任務，引導學生帶著任務和問題進行情境體驗學習和練習，讓虛擬情境學習和練習產生更好的鞏固效果。另外，向初次使用設備的學生簡單講解設備使用的操作方式、規則和注意事項。

4.4 學生情境體驗和實操練習

以金屬切削加工實操練習為例，學生進行情境體驗和實操練習分兩種方式：一是針對業余時間固定或時間自由的開放教育學生，可安排統一時間進行實操練習，任課教師首先現場演示設備使用和實操練習的內容，并布置切削加工任務，隨后由學生穿戴虛擬現實設備進行自主練習，根據任務要求的標準件規格（例如圖2模型），在虛擬環境中，選擇正確的機具（例如圖3模型）、刀具進行切削加工練習，使加工的成品件盡可能符合任務要求的規格，再把成品件與標準件進行對比，查找差距，在課堂中任課教師應隨時監控和指導學生，耐心解答學生的疑問，并管理好情境學習系統，合理掌控課堂各環節。二是針對時間上無法參與集中授課的學生，可安排自主練習，在學校授權下可自行使用設備進行虛擬情境實操練習，同樣通過設定的實操任務，進行自主體驗和練習，并在練習后適時與任課教師進行溝通與答疑。總之，情境體驗和實操練習的主要目的，在于通過對虛擬情境的體驗，鞏固知識的學習，比如讓學生在虛擬情境下掌握機床和刀具的識別、選擇和操作，以完成目標金屬件的加工，形成較好的知識遷移準備，順利地將教材知識應用到實際中。

圖2 切削加工目標金屬件三維模型

圖3 金屬切削與加工機具三維模型

4.5 課后對情境學習進行總結并反饋，便于后續改進和提高

在課后，學生可以將疑問和建議進行總結，及時反饋給任課教師；同時任課教師在課堂中仔細觀察學生的表現，并主動詢問各學生的疑問，結合學生的主動反饋，進行整理匯總。任課教師根據匯總的問題，進行分析和總結，可以據此改進授課方法和重點，同時還可以對虛擬情境學習系統的一些不足之處提出改進意見，以便讓開發和維護系統的技術人員對系統進行改進和完善。

5 結論

當今信息技術的飛速發展，使學習方式從傳統的課堂講授教學模式逐步向網絡化、智能化、多元化的方式轉變,虛擬現實技術更是將現實環境融入課堂學習當中，讓學生有更多的機會沉浸在特定的情境或者自然的環境當中學習。實踐證明，運用虛擬現實技術實現的虛擬情境學習系統應用于開放教育學生遠程學習環境中，不僅可以將教材中晦澀難懂的知識點轉化為立體生動的多模態信息，而且可以讓學生在虛擬環境中進行直接的體驗和練習，既鞏固和深化學生對相關知識的理解和掌握，又鍛煉了實操能力，為應用型人才的培養提供了有效的學習方式。