虛擬現實技術在高職實踐訓練中的應用

摘要：改革傳統的實踐訓練模式，優化實踐訓練的環境和方法，是提高應用型人才培養規格和質量的迫切要求。虛擬現實技術應用于高職教學可以使學生身臨其境、主動交互學習，提高學生的學習興趣，培養學生自主探索問題的能力和創新能力。充分利用現代教育技術，運用虛擬現實技術改革教學，尤其是實踐教學，是解決當前實踐教學困境和提高教學質量的有效途徑。

關鍵詞：虛擬現實；高職；實踐訓練

中圖分類號：G710 文獻標志碼：A 文章編號：1009-4156(2012)08-065-03

“實踐能力薄弱，應用能力差”是當前人才培養和高職教育中普遍存在的問題。高職教育如何提升學生的能力效能?如何檢驗學生的知識效能?如何發展學生的創造效能?這就要求高職教育必須為學生提供良好的知識獲取、加工、交流、探索和實踐的環境和條件，為學生創設豐富真實的嘗試探索的情境和氛圍，為學生營造積極自由的時空環境和創造型思維的發展空間。傳統的高職教育教學方式對這一切是無能為力或力所難及的，而基于多媒體計算機技術、仿真技術、傳感器技術和人工智能技術基礎之上的虛擬現實技術有效地解決了這一問題，為學生提供了良好的實踐的空間和平臺。由于虛擬現實技術具有其他媒體不可比擬的“真實性”優勢，它應用于職業教育，可以為動態的過程仿真、復雜的技能培訓、微觀的解剖分析、直觀的效果設計等方面帶來變革，高職院校越來越重視它的研究和應用。虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。

一、虛擬現實技術

“虛擬”與“現實”兩詞具有相互矛盾的含義，但科學技術的發展卻賦予了它新的含義。按最早提出虛擬現實概念的學者J.Laniar的說法，虛擬現實(Virtual Reality，VR)，又稱假想現實，他定義為“用電子計算機合成的人工世界”。虛擬現實是20世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，是一種綜合計算機傳感器技術、圖形技術、網絡技術、多媒體技術、人機交互技術、仿真技術以及立體顯示技術等多種科學技術而發展起來的計算機領域的新技術。虛擬現實技術能為使用者提供身臨其境的主體沉浸性、自然交互性、物體自主性、全面感知性。

虛擬現實技術主要包括模擬環境和模擬感知，能達到用戶難辨真假的程度。模擬環境是由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像。模擬感知是指虛擬化的人所應具有的感知。除了計算機圖形技術所生成的視覺感知，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，甚至還包括嗅覺和味覺等，也稱為多感知心。

隨著計算機以及人機交互手段的向前發展，虛擬現實技術的應用越來越廣泛，正逐步滲透到各個專業領域。

在教育中的主要應用有虛擬實驗室、虛擬課堂、虛擬圖書館、虛擬校園、虛擬演播室、虛擬遠程教育等。

根據虛擬現實所傾向的特征的不同，虛擬現實系統分為桌面式、增強式、沉浸式和網絡分布式虛擬現實系統。目前限于經費和技術因素，教育領域主要采用的是前兩種，其中以第一種居多。

虛擬現實技術已改變了傳統教育模式，由督促教學的被動學習模式轉變為學習者通過自身與信息環境的相互作用獲取知識、技能的主動學習模式。虛擬實驗室可以讓學生親身經歷如太空旅行、化合物分子結構顯示等比傳統教學更加具有說服力的校園學習。虛擬實訓基地可用于駕駛等傳統職業技能訓練技術和虛擬消防訓練，國外的虛擬消防訓練已經深入兒童群體。

二、高職虛擬現實實踐訓練的基本要求

虛擬現實技術的引進，使我們可以立足于有限的設備資金投入，更多地依靠軟件和智慧，有針對性地設計、開展各種模擬實驗或虛擬教學，讓學生獲得與真實實驗或現實教學一樣的體驗。高職的“以全面素質發展為基礎，以職業能力為本位，以提高技能水平為核心”的實踐實訓教學。對虛擬現實教學提出了明確的要求。

1.職業的典型性

高職院校的實踐訓練要根據職業的需要，注重職業調查與分析，確定職業能力范圍和典型特征，從職業活動特征分析人手，找出職業崗位所必需的核心操作技能、相關知識、工作態度、應用設備等，通過虛擬現實技術真實地再現和模擬職場情境，體現和提升職業性和典型性。

2.過程的情境性

從心理學的角度看，親身的經歷和感受比空洞抽象的說教更便于理解和記憶，主動地參與比被動地觀看更能獲得更多的知識信息。虛擬現實技術可以根據教學的重點、難點給學生創設形象、逼真、生動的學習情境，學生完全可以成為虛擬情境中的參與者，扮演一個角色，完成虛擬的任務。從而充分調動學生的學習積極性，有利于培養學生的技能。

3.內容的真實性

從兩個方面來理解：虛擬中的“真實”和現實中的“真實”，前者的重要性在于營造一個虛擬的“真實”情境，讓學生沉浸在虛擬場景中，獲得全方位的學習體驗，情境越“真實”學習者的體驗效果越好。后者的重要性在于能夠讓學生身臨其境，親自動手操作教學設備，獲取“做”的經驗，這是其他媒體所無法比擬的。

在高職的實踐訓練中，所采用的虛擬現實實訓系統應保證虛擬的教學設備，與實際使用的教學設備無論外觀還是操作等屬性完全一致，從而保證實踐的真實可靠。

4.手法的多樣性

利用虛擬現實技術建立起來的虛擬實踐基地，可以虛擬設施、虛擬環境、虛擬3D空間、虛擬人物等，包括維修技能、試驗技能、教學技能、指揮作戰技能、醫院手術技能、體育訓練技能、植物栽培技能、車輛駕駛技能等各種職業技能的訓練，用到的設備與部件基本上都是虛擬的，學生可以根據需要來選擇和更新。教學內容也可以根據學習計劃隨時調整，保證實踐訓練的內容能夠跟上技術的發展。另外，由于虛擬現實的交互性和沉浸性、學生扮演角色的真實性，學生可以全身心地投入到學習情境中去，這對學生的技能訓練非常有利。除此之外，因為虛擬的訓練系統無任何危險，操作練習可以反復進行，直到學生熟練掌握。

5.技術的先進性

虛擬現實實踐實訓教學系統一般是以實際工作過程為主要任務的項目學習，通過具體的案例來解決較復雜的綜合性問題或完成相應工作任務的完整工作過程，即操作的技術技巧。當任務發生變化時，虛擬現實系統不用重新制作，只需通過修改系統中有關參數的設置，就可模擬真實世界中物理參數的改變，完全可以滿足新任務的需求，技術非常先進，操作也很靈活。

6.實踐的趣味性

高職院校的學生普遍存在學習目的迷茫、學習動力不足的現象，虛擬技術的新穎、交互、即時、可逆等特性可以給學生全新的學習體驗，能夠極大地激發學習興趣。另外，利用虛擬現實技術，學習者不僅可以找到“虛擬教師”來指導，也可以與“虛擬同學”很方便地結成學習伙伴，以現場的方式展現雙方的面容表情和身體姿態，從而提高交流質量，這是傳統的實踐年教學所無法比擬的，從而使一些比較枯燥難于操作的實驗變得有趣和便于掌握。

三、高職虛擬現實實踐訓練的功能和作用

1.有利于減少辦學成本，解決實踐費用高的問題

目前，高職教育最大問題是課堂人數多、實驗設備少、學校設備經費有限。由于專業實驗設備單價較高，結構比較復雜，使用的成本也較高，這樣勢必會大幅度增加購置費。另外，學校設備少，雖然學生接觸的機會就更少，但設備的利用率卻很高，在使用過程中更易造成設備損耗，出現“設備越少，損壞越嚴重”的惡性循環，導致很多實踐訓練被迫放棄，無法保證教學質量。而利用虛擬現實技術構造的虛擬教學情境，學生可以根據學習任務隨心所欲地對各種實驗設備進行各種各樣的相關操作，反復演練，直到掌握設備的操作規程和使用方法。由于是虛擬的教學環境，實驗可以多次進行，實驗設備既無物理上的損耗，也沒有原材料消耗，從而減少辦學成本，大大節約了教育教學資源，彌補了傳統教學環境的不足。

2.有利于避免真實實驗或操作所帶來的各種危險

在高職實踐教學中，經常會有一些危險的或對人體健康有危害的實驗，如醫學、生物化學、汽車駕駛等方面的實驗，以往經常采用播放錄像等方式來取代實驗，學生無法直接參與實驗，無法進行操作訓練，更不可能掌握操作技巧。現在利用虛擬現實技術進行虛擬實驗，則完全可以免除上述危險。在虛擬實驗環境中，學生可以非常放心地去做各種各樣的實驗，既無危險也不傷害身體。如虛擬的汽車駕駛教學系統，可免除學員操作失誤而造成車輛損壞等事故。

3.有利于促進學生的學習，提高學習效果

虛擬現實技術能夠為學生提供多種感官的綜合刺激，模擬真實的工作場景，有利于學習者在人機交互過程中產生強烈的求知欲，以促進知識、技能的獲取和保持；此外，它能夠為學生提供近似真實、在現實中很難實現甚至實現不了的環境；還能夠提供多樣化的訓練形式，并且可以提供各種基于專業知識和技能的教學游戲，鍛煉學生的決策能力，達到開發智力，激發潛能的作用。有人曾經針對真實環境和虛擬環境中的學習效果進行了實驗研究。結果表明：學生的學習興趣在虛擬環境中遠高于真實環境，尤其在增強學生的記憶能力方面，虛擬環境中的學習更加有效。

4.有利于突破時間、空間的限制

利用虛擬現實技術，完全可以突破時空的限制。有些需要很長時間才能觀察的變化過程，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。另外，無論是宇宙天體還是原子粒子等，學生通過虛擬現實技術完全可以進入這些物體的內部進行細致的觀察，從而獲得感性的認識，傳統的實驗技術是無法比擬的。

5.有利于豐富教學資源，挖掘高職院校潛能

虛擬現實技術的應用，促使教學不再局限于有形的教室中，開放性的、交互式的、遠距離的教學方式，使實踐教學活動突破了時空的限制，走向虛擬課堂和虛擬大學，為社會提供急需課程資源和新技術的培訓機會。同時，虛擬現實技術進一步改善了高等職業教育的教學環境與手段，提高教學能力和教學效果。

四、高職虛擬現實實踐訓練應注意的問題

虛擬現實技術作為一門新興的科學，目前尚有諸多因素限制它在高職教育領域的廣泛應用，這些因素主要是：

1.購置成本問題

目前，虛擬現實系統應用的相關設備價格昂貴，且局限性大，實現成本有待降低。如一套虛擬現實設備包括大型計算機、數據手套、洞穴式投影、頭盔式顯示器、密封艙等，一個單元系統費用在4萬～5萬美元。這個價位對于一個普通高職院校無法承受。

2.硬件設備問題

虛擬現實技術依賴于計算機的高速運算和傳輸。高速運算和傳輸能解決虛擬現實環境的復雜逼真的環境構造和海量數據處理的問題。目前，中心計算機的處理速度還不能滿足在虛擬世界中巨大數據量處理實時性的要求，對數據存儲能力也相對不足；基于嗅覺、味覺的設備還沒有成熟及商品化。另外，與虛擬現實技術相關的設備普遍存在使用不方便、效果不佳等情況，難以達到虛擬現實系統的要求。在改進現有設備的同時，應該加快新設備的研制工作。同時，針對不同的領域要開發能滿足應用要求的特殊硬件設備。

3.軟件開發問題

軟件所能實現的效果逼真度不高、自然交互性不夠、許多算法及相關理論與技術有待解決。一般來說，虛擬教學軟件的開發方式有學校自主研發、校企合作開發、完全委托企業開發等三種方式。由于各種原因，高職院校還沒有完備的開發團隊，也就無法保證虛擬教學產品的開發質量。

4.理順關系問題

虛擬現實技術應用到高職實踐訓練中，絕不是完全替代關系，而是互補關系，是融入關系，有些實操實訓不能實現的內容，如化學上有毒、有害的實驗、操作中有危險的實訓內容等，利用虛擬現實技術可以達到訓練的目的。另外，還要理清二者的順序關系，當采用虛擬現實訓練與實操實訓相結合的訓練方案時，一般都是虛擬現實訓練在前，實操實訓在后。

綜上所述，利用虛擬現實技術來完成高職學生的實踐訓練，根本宗旨就在于激發學生的學習興趣和動機，提高實踐教學活動的效率與質量。它營造了“自主學習”的環境，是加強實踐教學基地建設既經濟又有效的一種途徑，從而開啟了高職實踐實訓教學的現代發展的新篇章。