基于虛擬現實技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺的研究與應用

摘要：虛擬現實技術（VR） 在教育領域的應用日益廣泛。文章針對當前教學中存在的實訓經驗缺乏、實驗環境要求高、成本及風險高等問題，研究基于虛擬現實技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺。通過構建一個360°全景虛擬實驗教學技能訓練系統，利用VR技術提供沉浸式學習體驗，突破傳統教學模式的瓶頸。文章詳細探討了平臺的設計與實現，介紹了實驗教學流程模塊、實驗考評模塊、NLP語音系統和大數據分析系統的功能，并展示了平臺在提升學習者實操能力、促進深度理解、增強參與協作及實現教育公平方面的優勢。文章還梳理和分析了相關文獻，并展望了虛擬現實技術在未來教育中的應用前景和研究方向。

關鍵詞：虛擬現實技術；可視化教學；實驗訓練平臺；沉浸式學習；教育公平；大數據分析；NLP語音系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）09-0064-04 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

虛擬現實技術的不斷發展為教育領域帶來了前所未有的變革契機。傳統教學模式中，實驗教學受場地、設備、師資力量等多方面限制，難以滿足學生實踐需求，尤其在大規模、高頻次的實驗訓練和考核中更為突出。面對這些挑戰，虛擬現實技術以其獨特的沉浸式體驗和互動性，為解決上述問題提供了有效途徑。通過創建逼真的虛擬實驗環境，學習者可以在一個安全、可控且成本較低的環境中進行操作和練習，不僅提高了實訓效率，還大幅減少了實驗教學的風險和費用。

近年來，國內外學者的大量研究和實踐逐步驗證了虛擬現實技術在教育中的應用價值，表明其能夠提升學習者的實驗能力和學習體驗，促進深度理解和協作學習。這些研究提供了堅實的理論基礎和實踐指導，使得基于虛擬現實技術的教學實驗訓練及考核平臺的開發成為可能和必要。

本文將詳細介紹項目的研究背景與目的，探討虛擬現實技術在教學實驗訓練中的應用及其優勢。

1 研究背景與目的

虛擬現實技術 （VR） 以其獨特的沉浸式體驗和互動性，吸引了各行各業的廣泛關注，尤其在教育領域。在傳統教學模式中，實驗教學面臨著學生缺乏實訓經驗、實驗環境要求高、專業指導有限、實驗成本及危險度高等諸多問題，嚴重制約了教學質量的提升和學生實踐能力的培養。

近年來，國家對教育信息化的重視和政策支持，推動虛擬現實技術在教育中的應用。2019年發布的《教育信息化2.0行動計劃》明確指出，要推動信息技術與教育教學深度融合，鼓勵創新教育模式，提升教育質量和效益。2020年《新基建發展計劃》中再次強調了5G、人工智能、虛擬現實等新技術在教育中的應用，推動教育現代化，促進教育公平和資源共享[1]。

近年來，許多教育機構和研究者希望借助VR技術，提供一種更為高效、安全的實驗教學模式。國內外研究表明，VR技術能夠顯著提升學習者的學習體驗和任務績效，例如李小平提出的VR/AR教學體驗的分層構成模型和評價標準[2]，以及Metcalf等人關于虛擬學習環境生動性和沉浸性的研究[3]。這些研究為本項目的實施提供了理論基礎和實踐指導。

本項目旨在研究開發基于虛擬現實技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺，以解決當前教學過程中實訓經驗不足、實驗環境要求高、實驗成本及危險度高等問題。具體目標如下。

提升學習者實操能力：構建360°全景虛擬實驗教學技能訓練系統，提供沉浸式、互動性強的實驗環境，幫助學習者掌握正確的操作行為和概念知識。

促進深度理解和協作：利用VR技術的多感官刺激和沉浸性，增強學習者的參與感和主動性，促進其對知識的深度理解和團隊協作能力的提升。

實現教育公平：通過互聯網共享優質教學資源和虛擬教學環境，幫助偏遠地區和資源匱乏的學校獲得與城市學校相同的教育資源，促進教育公平。

降低實驗成本和風險：減少實際實驗操作中的設備損耗和危險，提高實驗教學的安全性和經濟效益。創新教學模式：探索VR技術在教學中的應用模式，建立一套完整的虛擬現實教學體系。

本項目期望為教育領域提供一種高效、便捷、安全的實驗教學新模式，為解決當前實驗教學中的瓶頸問題提供新思路和新方法，推動教育信息化的發展。

2 研究方法

本研究將結合文獻分析、技術開發和實證研究等方法，探討基于虛擬現實技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺的設計與應用。具體研究方法如下。

2.1 文獻研究法

系統收集和分析國內外相關研究文獻，梳理虛擬現實技術在教育領域的應用現狀和發展趨勢，包括其應用理論、現有虛擬現實教學平臺的設計與實現、對教學效果的影響以及教育信息化相關政策和發展方向。通過對已有研究的分析，明確本研究的理論基礎和實踐意義，為平臺的設計與開發提供參考和指導[4-5]。

2.2 技術開發法

根據研究目標和需求，采用先進的虛擬現實技術和工具進行平臺的設計與開發。具體開發步驟包括需求分析、系統設計、技術實現和系統集成。首先，分析當前教學過程中存在的問題和需求，明確平臺的功能定位和設計目標。在系統設計階段，設計360°全景虛擬實驗教學技能訓練系統的架構和模塊，包括實驗教學流程模塊、實驗考評模塊、NLP語音系統和大數據分析系統。在技術實現環節，利用三維建模軟件和Unity3D虛擬引擎，搭建虛擬實驗環境，開發各功能模塊，實現實驗教學流程的全程模擬和互動。最后，將各模塊集成到統一的平臺中，進行系統測試和優化，確保平臺的穩定性和易用性。

2.3 實證研究法

用于驗證平臺的有效性和實際應用效果。具體步驟包括實驗設計、數據收集、數據分析和效果評估。首先，設計教學實驗，選取不同背景和專業的學生作為實驗對象，安排他們使用虛擬現實平臺進行實驗操作。接著，通過問卷調查、操作日志和系統記錄等方式，收集學生在使用平臺過程中的數據和反饋，包括操作時間、錯誤率、學習效果等。利用統計分析工具，對收集的數據進行分析，評估平臺在提升學習者實操能力、促進深度理解和協作、實現教育公平等方面的效果。根據分析結果，對平臺的功能和設計進行評估和優化，確保其在實際教學中的應用效果。

2.4 反饋與優化法

反饋與優化法在平臺開發和應用的過程中，持續收集用戶反饋，進行迭代優化。具體步驟包括用戶反饋收集、迭代開發和持續評估。通過教師和學生的使用反饋，了解平臺在實際應用中的問題和不足。根據反饋意見，不斷改進和優化平臺功能和用戶體驗，確保其能夠滿足教學需求和用戶期望。定期進行系統評估和效果分析，確保平臺的穩定性和有效性，提升其在教學中的應用價值[6-7]。

通過以上多種研究方法的綜合應用，本研究將系統地探討和驗證基于虛擬現實技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺的設計與應用效果，為教育領域提供一種高效、安全、創新的實驗教學新模式。

3 VR 技術應用于可視化教學實驗訓練及考核平臺的必要性

1） VR技術提供的沉浸式體驗和高度互動性，能夠顯著提升學生的學習效果和體驗。 沉浸式學習通過視覺、聽覺等多感官的全面刺激，創造出身臨其境的學習環境，使學生能夠更好地集中注意力和投入學習。互動性強的虛擬實驗中，學生可以通過手持控制器與虛擬物品進行實時互動，獲得即時反饋，促進動手操作能力和實際問題解決能力的提升。VR技術的創新性和趣味性激發了學生的學習興趣，使學習過程更加生動和有趣，增加了學生的參與度和積極性。

2） 教育資源的不均衡是當前教育領域面臨的重大挑戰，尤其在偏遠地區和資源匱乏的學校，這一問題尤為突出。VR技術可以通過互聯網實現優質教育資源的共享，促進教育公平。 VR技術創建的優質虛擬實驗教學資源，可以通過互聯網傳輸到任何地方，使偏遠地區的學生也能享受到優質的教育資源。通過VR技術，所有學生都能在同一虛擬環境中進行實驗操作，獲得相同的學習機會，縮小了教育資源和教學質量的差距。

3） 在往年的疫情期間，全球教育系統受到了巨大沖擊，傳統線下實驗教學幾乎停滯，線上教學模式雖然在理論教學上發揮了重要作用，但在實驗教學方面卻顯得力不從心。VR技術為解決這一問題提供了有效的解決方案。 通過VR技術，學生可以在家中進行虛擬實驗，保持了實驗教學的連續性和完整性。即使在遠程環境中，學生依然可以通過虛擬實驗平臺進行互動和協作，保持良好的學習效果和團隊合作精神。

4） 隨著5G技術的發展和VR硬件成本的降低，VR技術在教育領域的應用前景愈加廣闊。未來教育的發展將更加注重技術與教學的深度融合，以提升教育質量和效率。 VR技術作為一種重要的教育工具，未來教育將更加依賴信息技術，VR技術將成為教育信息化的重要組成部分，推動教育模式的創新和變革。VR技術能夠根據學生的學習進度和需求，提供個性化的學習內容和指導，滿足不同學生的學習需求。VR技術不僅在實驗教學中發揮作用，還將在醫學、建筑、工程等多個學科領域得到廣泛應用，提升各學科的教學效果。

5） 通過使用CiteSpace軟件對AI教育領域的關鍵詞進行聚類分析，生成了關鍵詞聚類圖譜（圖1） 。聚類分析有助于對文獻中的關鍵詞進行進一步的歸納總結，使研究者能夠更加清晰地識別該領域的研究熱點。從圖1左上角的數據顯示，Q值為0.5819，S值為0.9493，符合Q值大于0.3、S值大于0.5的標準，這表明聚類圖譜的結構具有顯著的合理性。此次分析共識別出“教育應用”“深度學習”“創新發展”“中小學”等8 個聚類，突出了目前VR教育領域的主要研究方向和熱點問題。

綜上所述，VR技術在教育中的應用，不僅解決了傳統教學模式的諸多局限，還顯著提升了教學效果和學習體驗，促進了教育公平和資源共享，為應對未來教育發展趨勢提供了新的解決方案。本項目開發的基于VR技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺，旨在充分發揮VR技術的優勢，為學生提供更加高效、安全、便捷的實驗教學新模式，推動教育信息化的發展，具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。

4 平臺設計與實現

1） 需求分析與系統設計：首先進行詳細的需求分析，明確平臺的功能定位和設計目標。通過調研當前教學過程中存在的問題和需求，確定平臺需要具備的核心功能和技術指標。在系統設計階段，規劃整個系統的架構和功能模塊，包括實驗教學流程模塊、實驗考評模塊、NLP 語音系統和大數據分析系統等。最后實現圖2中所示流程。

2） 三維建模與虛擬引擎開發：三維建模是構建虛擬實驗環境的關鍵步驟。使用三維建模軟件創建虛擬實驗室和實驗設備的模型，確保其具備高仿真度和互動性。在虛擬引擎開發中，采用 Unity3D 虛擬引擎進行系統開發，將三維模型導入引擎中，實現虛擬環境的構建和功能模塊的開發。Unity3D 引擎能夠提供高效的渲染和物理模擬功能，確保虛擬實驗環境的真實性和穩定性。

3） NLP 語音系統與大數據分析系統集成：NLP 語音系統和大數據分析系統是平臺的重要組成部分。NLP 語音系統實現對學習者操作過程的實時語音提示和反饋，幫助學習者及時糾正操作錯誤，提高學習效率。大數據分析系統對學習者的操作數據進行收集和分析，生成實驗操作的優化報告，幫助學習者有針對性地改進和提升。

4） 實驗教學流程模塊和實驗考評模塊：實驗教學流程模塊是平臺的核心功能模塊之一。該模塊通過頭戴式顯示器和手持控制器，模擬真實的實驗教學過程，學習者可以按照預設的實驗步驟進行操作，系統會根據操作情況進行實時提示和指導。實驗考評模塊則用于評估學習者的實驗操作能力，通過對操作數據的分析，生成操作評分和評估報告，幫助學習者了解自己的操作水平和不足之處。

5） 系統測試與用戶反饋收集：在平臺開發完成后，進行全面的系統測試，確保平臺的穩定性和功能的完整性。邀請不同背景和專業的學生參與平臺測試，收集他們的操作數據和使用反饋。數據收集方式包括問卷調查、操作日志和系統記錄等。通過數據分析，評估平臺在提升學習者實操能力、促進深度理解和協作、實現教育公平等方面的效果。

6） 迭代優化與持續改進：根據測試結果和用戶反饋，對平臺進行迭代優化和持續改進。通過不斷改進和優化平臺功能和用戶體驗，確保其能夠滿足教學需求和用戶期望。迭代優化過程中，重點關注平臺的穩定性、易用性和互動性，確保其在實際教學中的應用效果。

5 平臺推廣與應用

隨著新媒體和傳播方式的不斷發展，基于VR技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺不僅要在技術實現上達到高水準，還需要通過多種新媒體渠道和傳播方式進行推廣和活化，以最大化其影響力和應用范圍。以下將詳細介紹該平臺的活化路徑。

1） 多媒體內容制作與傳播：在新媒體時代，可以通過制作高質量的多媒體內容 （如視頻、音頻、圖文） 進行平臺推廣。例如，制作詳細的演示視頻和操作指南，展示平臺的主要功能和使用方法，并利用短視頻平臺 （如抖音、快手） 和視頻分享網站 （如 B 站） 進行傳播。同時，制作圖文并茂的教程和操作手冊，通過微信公眾號、微博等社交媒體平臺發布，幫助用戶快速上手使用平臺。還可以利用社交媒體的互動性開展線上活動和用戶調查，收集用戶的意見和建議，不斷改進和優化平臺功能。

2） 教育類新媒體平臺合作：與教育類新媒體平臺（如喜馬拉雅、知乎、網易公開課） 合作，發布相關課程和講座，介紹基于 VR 技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺的優勢和使用方法。例如，可以在喜馬拉雅上發布音頻課程，講解虛擬現實技術在教育中的應用；在知乎上開設專欄，回答用戶關于 VR 技術和實驗教學的問題；在網易公開課上發布視頻課程，演示平臺的實際操作和應用案例。

3） 線上線下結合的推廣活動：線上線下結合的推廣活動可以有效提升平臺的用戶體驗和使用效果。在線上，可以通過直播平臺 （如斗魚、虎牙） 開展直播演示和互動，實時解答用戶的疑問；通過在線研討會和培訓課程，幫助用戶深入了解平臺的使用方法和技巧。在線下，可以參加教育類展會和科技博覽會，展示平臺的實際應用效果，與教育機構和科技企業進行交流合作，拓展平臺的應用場景和市場空間。

4） 用戶社區建設與維護：用戶社區是平臺活化和用戶黏性提升的重要途徑。通過建設和維護專門的用戶社區 （如論壇、QQ 群、微信群），為用戶提供一個交流和分享的平臺。用戶可以在社區中交流使用心得、分享經驗、提出問題和建議，平臺方可以及時回應用戶的需求和反饋，提升用戶的滿意度和忠誠度。

5） 數據驅動的精準推廣：利用大數據和人工智能技術，對用戶數據進行分析和挖掘，了解用戶的需求和行為習慣，進行精準推廣。

綜上所述，基于VR技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺的活化路徑應結合當前新媒體和傳播方式，通過多媒體內容制作與傳播、社交媒體營銷與互動、教育類新媒體平臺合作、線上線下結合的推廣活動、用戶社區建設與維護以及數據驅動的精準推廣等多種途徑，提升平臺的知名度和影響力，擴大其應用范圍和用戶基礎，實現平臺的長期發展和持續活化。

6 結束語

基于虛擬現實技術的可視化教學實驗訓練及考核平臺，是應對當前教育領域諸多挑戰的一項重要創新。本研究結合當前新媒體和傳播方式，設計了一系列平臺推廣和應用策略，推動該平臺的推廣和應用。相信隨著技術的進步和教育模式的創新，該平臺將為更多教育機構和學生提供高效、安全的實驗教學解決方案，推動教育信息化和教育公平的實現，為教育現代化帶來更多可能性和希望。