虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實訓教學中的應用研究

邱鵬，史文杰

（武警海警學院，浙江 寧波 315801）

1 前言

隨著科技的不斷發(fā)展和具體應用，多媒體技術(shù)已經(jīng)得到了更好、更快的蓬勃發(fā)展，并且在很多領域中都有著重要的應用地位，尤其在知識傳遞、思想表達等方面能夠更好地發(fā)揮作用。在如今大多數(shù)的高校課堂中，多媒體作為一種教學手段已經(jīng)廣泛的應用在課程教學中，特別是由于多媒體具有圖、文、聲并茂甚至有活動影象這樣的特點，所以能提供最理想的教學環(huán)境，它必然會對教育、教學過程產(chǎn)生深刻的影響。當然它也暴露了一些不少的弊端與不足，比如多媒體走進課堂后，課件“統(tǒng)治”課堂，教師不能因材施教，師生難以情感交流與互動，同時隨著課程時間的推移，這種灌輸式的教學也帶來了更多的學生厭倦情緒的發(fā)生。

但隨著科技的更深的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)逐漸出現(xiàn)并開始盛行，已經(jīng)在課堂教學中活躍起來，尤其是實訓的課程，較好地吸引了學生的學習興趣。眾所周知，良好的教學內(nèi)容與師資力量，也需要先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)來表達傳播，虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合教育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢從此由運而生，首先就是打破了傳統(tǒng)觀點中教師灌輸式為主的教學模式，應用虛擬現(xiàn)實的硬件設施與軟件環(huán)境，可以幫助老師更容易地授業(yè)解惑；對于學生來講，傳統(tǒng)教學方法中難免存在無法參與、無法互動的瓶頸；而虛擬現(xiàn)實重在強調(diào)學習過程中的參與性，讓學生親身體驗，主動思考，積極學習，避免填鴨式被動教學，進行全真模擬展示和交互，增加教學的實踐性和真實感，豐富師生對3D立體展示和實踐性的需求。在虛擬現(xiàn)實的沉浸感中也讓老師與學生多了很多的互動性，讓學生學起知識來更加輕松、易記、感興趣。

2 虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)特點

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），一般定義是指綜合借助計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設備的平臺，采用仿真技術(shù)模擬生成的一個可交互的三維動態(tài)環(huán)境，用戶在此環(huán)境中能夠接觸到視覺、聽覺、觸覺等多感官的沉浸式感受，能夠達到一種身臨其境的體驗。

綜合而言，虛擬現(xiàn)實（VR）具備了以下三大特征，即“沉浸性”“交互性”和“想象性”。

（1）沉浸性：指生動逼真的、身臨其境的感覺。用戶通過專門的虛擬操作的設備，在模擬環(huán)境中進行對應的操作，能夠在虛擬現(xiàn)實中尋找到多感官的體驗，有一種置身現(xiàn)實的感覺。（2）交互性：是指用戶與模擬環(huán)境進行交互的過程。老式的人機交互是借助鼠標等設備來進行指令的運行，而虛擬現(xiàn)實的交互是利用傳感器傳輸?shù)摹Ｓ脩裟軌蚝芎唵蔚脑谔摂M環(huán)境中進行某種意圖的實現(xiàn)，其感受如同真實環(huán)境一般，例如用戶感受風浪來時的恐懼心理，高速駕駛汽車，高空落下等體驗。（3）想象性（也稱創(chuàng)造性）：較為豐富的、多維的模擬空間是虛擬現(xiàn)實存在的必要基礎。雖然模擬空間中的人和實物等都是從現(xiàn)實場景中參考和模仿而來的，但是腦海中很多場景是現(xiàn)實世界中難以產(chǎn)生和存在的，不能隨著個人的意圖而很快出現(xiàn)，那么此刻虛擬技術(shù)的應用就正好彌補了此方面的空白，能夠借助虛擬軟件平臺，一定程度上再現(xiàn)個人腦海中的設想場景。

3 VR在教育領域中的重要發(fā)展

2016年被稱作是虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)普及的元年，世界主要國家及咨詢機構(gòu)都認為虛擬現(xiàn)實是時代發(fā)展的重要趨勢。美國、英國、日本、韓國等發(fā)達國家都認為虛擬現(xiàn)實是第四次產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)之一，并將其列入國家戰(zhàn)略項目。就我國而言，虛擬現(xiàn)實已納入《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，習近平主席也多次在重要場合提及“以互聯(lián)網(wǎng)為核心的新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命蓄勢待發(fā)，人工智能、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)日新月異，將給人們的生產(chǎn)方式和生活方式帶來革命性變化”。對目前處于各種教育階段的學生來說，他們是現(xiàn)代技術(shù)的原住民，是未來社會的人才儲備和中流砥柱，教育主管部門和學校應更多地考慮學生的感受和未來視野，提供讓學生更多接觸新技術(shù)的機會，促使當下的教育水平得到有效提高，為教育領域的大發(fā)展帶來更多的機遇。

4 VR對教學的促進作用及存在的不足

4.1 促進作用

21世紀以來，伴隨著各種新興的科技的不斷發(fā)展，日益革新的新技術(shù)正在逐漸地改變這傳統(tǒng)的教育模式和思想理念，新的教學正在借助互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等手段不斷地創(chuàng)造新的教育環(huán)境，總體而言是有效地提高了教學質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用在教育領域中，一方面可以提高課堂教學的有效性和趣味性，另一方面還可以降低在實際教學中因客觀條件帶來的困難（如天氣惡劣、場地有限、器材短缺）和成本等，從而有效地推動教育改革的步伐，更好地開展教學。因虛擬現(xiàn)實（VR）具有沉浸性、交互性和想象性等三大特點，故可借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)來構(gòu)建與教學內(nèi)容相匹配的模擬環(huán)境，開展教學活動，形成的一種新型教育（學）模式被稱為沉浸式教育（學）。沉浸式教育（學）具有以下不可替代的促進作用：

（1）環(huán)境逼真，便于理解。傳統(tǒng)過程中，知識（或信息）的傳授通常依靠文字、圖片等簡單形式，這些形式用于解釋當前的簡單的具體的內(nèi)容是容易的，但是對于類似災難場景等抽象方面教學就顯得蒼白無力。相對于傳統(tǒng)教育中知識的扁平性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以呈現(xiàn)更為立體的世界，消除時間與空間對人造成的認知阻斷，為學生提供生動、逼真的教學環(huán)境。其側(cè)重讓受教育者親身經(jīng)歷各種現(xiàn)場，更能觸及到人的心靈，留下深刻印象，是一種值得大力推廣的實訓教育手段。有效幫助學生加深知識印象，深刻理解抽象概念，并隨著5G的時代到來，未來5G+VR，VR多人異地同虛擬場景教學教育是大勢所驅(qū)。（2）情景再現(xiàn)，知識遷移。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠提供豐富的感知線索以及多通道（如聽覺、視覺、觸覺等）的反饋，幫助學習者將虛擬情境的所學遷移到真實生活中，滿足情境學習的需要。（3）避免危險，節(jié)省成本。傳統(tǒng)過程中，受到設備、場地、經(jīng)費等條件制約，許多大型或有一定危險性的實驗科目難以開展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可模擬實驗場景，能讓學生足不出戶完成各種實驗，并獲得與真實實驗一樣的體會。可以說，在保證教學效果的前提下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)減少了實驗操作可能帶來的困難和危險，等學生操作訓練熟練以后，再到實際的環(huán)境中展開實驗，如此能大幅度地降低實驗成本。（4）提高趣味，積極參與。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過呈現(xiàn)個性化特征、豐富多彩的媒體形式和刺激性的對話促進學習者的學習動機。大量案例證明，虛擬現(xiàn)實可以給學習者帶來放松、愉悅、感興趣等積極情緒，激發(fā)學生的內(nèi)部學習動機。另外，構(gòu)建的虛擬環(huán)境一般都能與設想場景逼真度較高，提供動態(tài)的高交互設置，可以讓學習者在其中顯示出較高的學習參與度，真實感較強，教學的效果非常好。（5）創(chuàng)新教學，改革教育。虛擬現(xiàn)實為學生創(chuàng)設接近真實的學習環(huán)境，將抽象概念具象化，為學習者打造高度開放、可交互、沉浸式的三維學習環(huán)境，能夠激發(fā)學生學習的興趣和熱情，突破傳統(tǒng)教學的一些難點和瓶頸，從而讓學校教學變得更有效率，讓學生愛上課堂，化被動為主動學習。另外，教師可以借助虛擬現(xiàn)實的技術(shù)，實現(xiàn)課堂互動、自主學習、探究式學習等創(chuàng)新教學活動，創(chuàng)辦特色教育課程內(nèi)容，從而從整體上對教學模式進行革新，提升學校教育教學質(zhì)量。

4.2 存在不足

任何事物都有兩面性，VR技術(shù)在教育領域有所重大發(fā)展的同時，也在某些具體方面的應用及拓展中存在一定的不足之處，影響教學效果的提升。

（1）具體學科實證研究存在不足。每一個新興科技力量的發(fā)展和應用都需要大量的努力和不斷的檢驗以及修正過程，只有經(jīng)歷了各個方面的考研，才能逐漸地完善自己的不足，從而達到較為大眾滿意的科技與技術(shù)的服務。受其自身性質(zhì)的影響，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在某些應用方面還存在著明顯的學科實證研究不足的問題，例如在物理等有關教學中比較常見，在其他學科中的具體應用就有時顯得難以滿足，需要進一步依據(jù)實際的情況進行多次的修正與逼真再現(xiàn)，以滿足當前課程中的教學發(fā)展需求。

（2）教學評價與監(jiān)控具有缺陷。在虛擬課程的實際教學中，目前的VR技術(shù)水平在教學應用中仍然有一些不足之處，例如在有些課程的教學評價和監(jiān)控方面存在缺陷，沒有完善的系統(tǒng)性管理，授課老師不能根據(jù)實際的情況進行課程的監(jiān)控，會對整體教學造成弱化的現(xiàn)象，會降低教學效果。例如目前的“微視酷”平臺在具體的應用過程中，原本是能夠以實際情況進行教學開展的，并利用后臺的技術(shù)優(yōu)勢開展升級優(yōu)化，但是在教學監(jiān)控的方面缺失，會對數(shù)據(jù)的信息反饋與處理不協(xié)調(diào)，如此教師不能對學生的學習掌握情況也會造成判斷失誤，從而整體的教學質(zhì)量有所降低。因此，需要積極地拓展相關的評估方面的二次開發(fā)，在整體的監(jiān)控方面有待加強，完善評估回饋模式，提高學生的學習效果。

（3）當前VR技術(shù)創(chuàng)新有待提高。VR技術(shù)作為一種新興的技術(shù)逐漸的在各個行業(yè)中得到了具體的應用，對相關行業(yè)的更好發(fā)展起到了促進了作用。現(xiàn)階段，VR技術(shù)在教學中的應用大部分體現(xiàn)在VR視頻、VR語音等方面的技術(shù)開展。但是，現(xiàn)階段的VR資源內(nèi)容的很多標準都存在差距，部分內(nèi)容和技術(shù)的創(chuàng)新性存在缺陷，會降低質(zhì)量，因此要與時俱進，加強創(chuàng)新，將VR技術(shù)與教育領域更好的協(xié)調(diào)和結(jié)合，不斷地跟隨教育發(fā)展的需求。

5 VR對實訓科目的影響

5.1 打造逼真實訓環(huán)境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種模擬生成技術(shù)，可以設計從簡單操作到危險環(huán)境的各種逼真實訓場景，參與者置身其中，在視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等方面都能更真實地感知某種現(xiàn)實環(huán)境。虛擬技術(shù)能夠營造許多傳統(tǒng)課程實訓中因氣候或場地限制無法設置的環(huán)境，有效滿足不同課目和難度的實訓要求，甚至可以形成一整套的實訓環(huán)境轉(zhuǎn)換模式，最大限度地滿足對實訓環(huán)境的要求。多種多樣的科目危險環(huán)境設置，可以使學生獲得有關實際環(huán)境中最直接的認知，忘我地投入實訓，實現(xiàn)實訓所需要的沉浸感，真正提高實訓的效果。

5.2 打破常規(guī)訓練瓶頸

實訓一個重要目的就是尋求對制約實訓效果的瓶頸能夠進行有效突破，找到未來應用中的取得重大成就的真正手段。但現(xiàn)實實訓活動由于受場地、器材、準備工作以及人員積極性等多種因素影響，往往難以在短時期內(nèi)實現(xiàn)對實訓的真正突破。虛擬實訓的出現(xiàn)由于不受任何主客觀限制，具備較大的自由度，可以根據(jù)現(xiàn)實實訓要求構(gòu)想出實訓思路程序，著重設計實訓內(nèi)容演變的更多可能性，有利于打破教材化、程式化的實訓套路，摒棄念腳本、背臺詞的劇本式演練，進而實現(xiàn)對實訓瓶頸的突破。尤其是通過虛擬演練中，可導調(diào)出更多模擬的緊急“情況”、設置出更多復雜“考題”，變化出更多變局、危局，驅(qū)動學生面臨危險情況時的緊急應變能力，并可在虛擬實訓系統(tǒng)中設置考核評價系統(tǒng)，真正提高學生分析判斷能力以及靈活反應水平。

6 結(jié)語

由于實訓的很多科目在實際環(huán)境中會具有單一枯燥或者復雜以及各種危險發(fā)生的特點，而如何開展高效、安全地提高課程實訓效果對高校的教學目標以及學科發(fā)展就顯得尤為重要。由于絕大部分實訓科目的特殊性，常規(guī)的訓練手段往往無法營造某種特殊的、高效的實訓環(huán)境，難以達到教學目標，但目前隨著時代的進步，高新技術(shù)的快速發(fā)展，VR技術(shù)作為新型手段在實訓科目的教學模式改革中得到了廣泛運用，具有沉浸性、交互性和想象性等顯著特征，可為受訓者提供“真實的”實訓對象、逼真的實訓環(huán)境，能夠成為高校課程中模擬實訓的重要手段，從而大大提高教學效果。