基于虛擬現實技術的實踐教學虛擬化初探

廣東省海洋工程職業技術學校 周秋燕

0 引言

科學技術飛速前進的步伐推動社會、經濟和文化等領域形態的不斷革新。近年來，網絡技術和信息技術的不斷發展，使得各種先進的信息技術得以實現，而虛擬現實技術，就是其中一門熱門的、全新的綜合性信息技術。

虛擬現實（Virtual Reality）技術，也叫VR技術，是指利用電腦或其它智能計算機設備為體驗者構建一個虛擬的三維立體空間以供其在內隨心所欲的觀察和體驗，并通過各種關于視覺、聽覺和觸覺等感官的模擬，得到類似于現實的真實感受的一種交互式視景仿真技術，是一項綜合應用了圖像處理、仿真和傳感等多種計算機軟硬件技術的嶄新技術。具體地講，其采用的核心技術主要包括虛擬環境建模技術、立體顯示技術、聲音合成技術及觸覺反饋技術等。通過三維數據的輸入實現虛擬環境的模型創建，為體驗者創造出虛擬的立體三維空間環境，借助立體顯示技術和聲音的合成技術，為觀察者建立起360度全方位視覺感知和聽覺體驗，通過觸覺反饋技術讓體驗者獲得觸覺感受，可直接對各種虛擬對象實施操作，借助各種佩戴系統和傳感設備實現人機之間的相互交流，最終讓體驗者獲得如同身臨其境一般的感受。借助虛擬現實技術，體驗者能夠進入到虛擬環境中，通過對虛擬環境中各種對象的控制，與虛擬環境融為一體，從而獲得更深的感知。

1 實踐教學虛擬化教學概述

在教學活動中，應用虛擬現實技術讓學生在計算機模擬環境中開展教學試驗、實訓，獲取更加真實的感受，被稱之為實踐教學虛擬化[1]。通過教學實踐的虛擬化，不僅能讓學生更加深刻的感受到知識和技能的應用環境，同時還能作為學生就業前的先期體驗，有較大的實際意義。虛擬化教學，可以預見，它將會是傳統教學模式的一次重大變化，對教學質量和教學效果的改善會有重要的引領作用。

教學過程中，有一些工作場所或環境，比如易燃易爆場所、高溫作業場所等，由于本身具有高危險性，考慮到學生安全問題，學校通常不會配置相應的實踐場地，即使配有相關場地，亦不敢讓學生在其中進行充分的練習和實踐，故，當談及此類教學內容時，教師往往會選擇口頭表述或者略過不講等方式，然而其中所涉及的一些求生知識和技能又是學生必須掌握的。遇到上述問題，若能借助虛擬現實技術，無疑地能為教學實踐帶來天然優勢。我們可以通過虛擬現實技術的應用，模擬出與實踐內容相關的工作場景或環境，為學生提供幾乎與現實環境完全相同的虛擬空間，學生可以在虛擬空間中對各種虛擬對象實施操作，獲得與真實情況相類似的實踐體驗，此外，他們還可以在虛擬空間中進行反復的操作和訓練，達到技能鞏固的目的。如此，不僅能較好地實現教學目的，良好地保障學生的安全，最重要的是，還可以較大限度地節約成本，在教學實踐中具有較大的實際意義。

如圖1中所示，學生正在運用虛擬現實技術學習汽車配件的裝配。

圖1 虛擬現實技術應用機械裝配實踐中

通過虛擬現實技術的支持，教師還可在教學過程中為學生提供眾多的行業環境或工作場景的假設模型，學生可以在多種不同環境下通過完成各種不同類型的教學任務，得到更多與實際環境類似的體驗和鍛煉，既能豐富學生的專業知識，還能充分地磨練學生的專業技能，提高學生的就業競爭力。

2 虛擬現實技術在實踐教學中的應用價值

將虛擬現實技術應用于實踐教學環節中，能夠為學生創造出接近于實際的工作場景，與傳統實踐模式相比，其突出優勢主要體現以下幾方面。

2.1 彌補教學資源不足

在教學實踐環節，往往需要各種實驗場地、設備、資源等，這對于學校來說需要較大的投入，也導致很多教學實踐無法展開，此種境況在實驗、實訓設備投入力度都較大的工科類專業建設中更為常見。通過虛擬現實技術的應用，能夠有效彌補教學資源的不足，學生即使置身教室，也同樣能夠獲得與真實場景近似或相同的體驗，達到強化對知識的理解，加深對知識的印象，增強動手能力的目的。虛擬現實技術的實施，成本相對較低，而且能夠反復使用，教學成本的節約效果明顯。

2.2 降低真實操作的危險性

在學生的學習活動中，有一些實驗可能帶有較強的危險性，或是對學生的健康有影響，出于對學生安全的考慮，這樣的實驗往往無法開展，只能通過觀看視頻、口頭表述等方式來替代。然而，對于中職學生來講，不能親身參與的試驗，感受不強，理解不深，預期的教學效果往往都較難達成。借助于虛擬現實技術，可以很好地為學生規避掉實驗的危險性，讓其體驗如何在各種危險或危及健康的環境下完成相關的作業，由于學生無需擔心安全問題，還能更好地擺脫了各種束縛，有利于學生在實驗中展開各種嘗試，這對培養學生的實際動手能力和創新意識亦具有積極意義。

2.3 打破時空限制

應用虛擬技術，教學實踐能夠打破時間和空間的限制。學生既可以通過虛擬現實技術，近距離感受到宇宙天體，也能夠進入原子內部感知微觀神奇，讓教學實踐不再局限于現實。如，在學習橋梁施工的過程中，通過虛擬現實技術，能夠直接進入橋梁施工現場，對橋梁各部分的構建實施近距離觀察，了解各個構件的結構，而且還能對橋梁建筑的全過程實施觀察，這種體驗不僅觀看視頻無法得到，即使是現場實踐也不一定能得到。此外，由于虛擬現實技術不受時空限制，學生能夠自由安排學習進度，在最恰當的時刻通過虛擬現實技術展開教學實踐，這對學習實踐顯然有更好的效果[2]。

2.4 有利于學生創新能力的培養

在虛擬環境中，學生可以發揮自身創造力，突破設備、儀器的限制，展開更加廣泛的實驗，所以說虛擬現實技術的應用有利于學生創新能力的培養。學生在掌握相關知識的前提下，在虛擬環境中能夠更加便捷的展開試驗，這對于培養學生的分析能力、創新能力以及問題解決能力都有很強的促進作用。

3 實踐教學虛擬化的應用途徑

通常來說，實踐教學包括了實驗、實習和實訓三種不同的形式。實踐教學對于學生理解、鞏固、掌握和應用知識有重要意義，對培養學生的動手能力、分析能力、知識轉化能力以及問題解決能力都有十分積極的影響。然而，實踐教學的實際開展卻往往要受制于各種客觀條件，虛現實技術的出現，有效的彌補了傳統實踐教學中的不足，保障了實踐教學的順利開展。

其主要的應用途徑如下。

3.1 虛擬化實驗

虛擬化實驗，就是在虛擬現實技術的支持下，通過電腦對現實中的實驗環境做出模擬。學生運用電腦在模擬實驗環境中展開各種實驗（包括現實環境中無法實現的實驗），并從中得到各種效果體驗。

虛擬化實驗是當前實踐教學開展較為經濟的最有效途徑。

比如，在“電子工作臺”軟件中，學生可以運用軟件平臺上提供個各種元件，設計各種電路，包括數字電路與模擬電路，并通過各種虛擬檢測設備來測試各節點的相關數據，從而檢測電路狀態，以此來獲得與真實電路相同的實驗感受。還有，運用《幾何光學實驗室》軟件，能夠在其平臺上完成各種透鏡試驗，通過電腦軟件，讓學生直接獲得真實試驗感受；更重要的是，該軟件最近研制的第三代，能夠將試驗場景完全置身于三維虛擬空間中，通過VR Classes（虛擬教室）呈現出真正的三維場景，從而為實驗者提供最真實的試驗觀感。

3.2 虛擬化實習

實習也是教學活動中重要的環節之一。在虛擬現實技術的支持下，運用多媒體技術、計算機技術，構建一個虛擬實習基地，學生在這個虛擬實習基地中能夠獲得各種工作的實習體驗。

比如，醫學院使用虛擬實習基地讓學生模擬手術場景，這樣在沒有患者的情況下也能夠感知手術操作，有助于學生對相關技術的掌握；更重要的是，在這種虛擬場景下，學生可以多次反復練習，強化手術技巧，并且由于沒有真實患者，因此允許學生展開多種嘗試，幫助學生建立更加全面的認識。再比如，土木工程學生借助虛擬現實技術，可以對一個工程項目實施全過程的細節觀察，而且還能夠對各種施工方法做多種嘗試，從而了解不同施工工藝的優缺點。真實的工程進度耗時幾月甚至幾年，學生不可能完全了解全過程，而且真實的場景也不允許做嘗試性模擬，所以虛擬技術的作用更加明顯的得以體現[3]。

3.3 虛擬化實訓

對于大多數工科院校學生來說，工程訓練是必不可少的實踐教學內容，然而受制于設備數量，實習時間往往較為有限。虛擬現實技術的應用，能夠讓學生運用虛擬儀器和設備，完成工程實訓，虛擬儀器和設備能夠為學生創造更多的動手機會，幫助學生提升分析能力、動手能力和問題解決能力。比如，在數控機床實訓中，學生可以通過對虛擬數控機床的標稱，完成編程實踐。學生首先對要加工的零件編制加工代碼，然后將代碼輸入虛擬數控機床，如果編程存在語法錯誤，虛擬設備就會將錯誤代碼與錯誤位置指出；如果是非語法錯誤，虛擬設備就會加工出錯誤形狀；學生通過運用虛擬技術，能夠多次嘗試，以熟練掌握數控機床的編程方法。另外，對于建筑設計的學生來說，運用虛擬技術能夠直接讓學生設計的作品呈現出來，還可以讓學生通過在建筑物內的近距離觀察，了解設計的合理性，從而有助于改善設計方案，提升學生的設計能力。

4 實踐教學虛擬化存在的不足

盡管我們在前文中討論了虛擬現實技術應用于實踐教學具有十分積極的意義，然而我們也必須明白，虛擬化時實踐教學依然有其局限性。不管虛擬現實技術與真實場景如何近似，不管虛擬現實技術能夠給予觀察者怎樣真實的感受，虛擬操作與真實操作依然存在差異。盡管虛擬化實踐教學具有較高的應用價值，但是虛擬場景依然不能取代真實操作。

虛擬化實踐教學的局限性主要體現在以下兩個方面。

第一，虛擬技術無法完全體現真實場景中的各種突然性和不可控問題。比如，在學習電路時候，感受不到正負極連接錯誤帶來的真實效果；在進行機械裝配時，無法感受到裝配錯誤帶來的真實影響等。由于虛擬場景是基于一定原則建立的，真實環境中的很多突發性因素 ，虛擬環境中無法完全體現。

第二，學生在虛擬實驗中，若只是按部就班地按照常規完成實驗，就不可能獲得新發現或者得出新結論。虛擬現實技術通過程序對預設場景進行再現，若只進行特定操作，就只能產生與之相應的預設結果，不會脫離人們的認知而得到其他結論。在這個程度上來說，虛擬試驗只能作為一種演示性教學，不能取代真正的實踐教學，特別是那些具有創造性目的的試驗[4]。

虛擬現實技術應用于實踐教學中，有助于學生認識科學原理，加強知識的理解，強化技能的訓練，提升專業能力，但它無法模擬出現實場景中存在的隨機性因素和突變性因素，它基本上很難產生預設結果之外的結論，所以只能作為實踐教學的輔助方法。

5 小結

當前，虛擬現實技術已經被認為是未來可能改變世界的技術之一，得到人們的高度重視。雖然當前虛擬技術相關設備較為昂貴，在生活中的普及程度也不高，然而可以預見的是，虛擬現實技術在未來必然有著廣闊的發展空間。對于應用在實踐教學環節中的虛擬現實技術來說，對教學顯然具有很高的價值，作為實踐教學的輔助手段，應當得到大力支持和推廣。

[1]張志國.虛擬技術在測繪工程專業實踐教學中的應用[J].江蘇科技信息,2017(11):74-75.

[2]袁瑛,沈平.虛擬技術在實踐教學模式變革中的運用研究[J].電腦知識與技術,2017,13(11):144-145.

[3]彭曙光.土木工程專業實踐教學中虛擬現實技術的應用[J].新課程(教育學術版),2009(11):77.

[4]虞飛華,鄭韜,朱錫瑞,華冠萍,張華音.“計算機技能實訓”課程虛擬實踐教學模式研究[J].浙江樹人大學學報(自然科學版),2016,16(04):59-61.