虛擬現實在高校實驗教學中的應用

摘 ?要： 作為高等教育的一個重要組成部分，實驗教學通過相關實驗儀器設備讓學生在實踐過程中獲取知識，培養學生的動手實踐能力，并促使他們專業能力的形成。隨著虛擬現實技術的不斷發展，在高校實驗教學中得到了廣泛的應用，也發揮出極大的價值。為此，本文首先就虛擬現實技術對高校實驗教學的影響進行分析，再重點論述了虛擬現實技術在高校實驗教學中的應用，以期推動高校實驗教學與現代信息技術的深度融合，更好地發展學生的專業素養。

關鍵詞： 高校;實驗教學;虛擬現實技術;應用

中圖分類號： G434 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.016

本文著錄格式：杜坤. 虛擬現實在高校實驗教學中的應用[J]. 軟件，2019，40（12）：7072

Application of Virtual Reality in Experimental Teaching in Universities

DU Kun

（College of Education Science and Technology，Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， 210023， China）

【Abstract】： Experimental teaching is an important part of higher education. With relevant experimental instruments and equipment， students can acquire knowledge and promote professional ability through practice. With the continuous development of virtual reality technology， it has been widely used in experimental teaching in Colleges and universities， and has also played a great value. Therefore， this paper firstly analyses the influence of virtual reality technology on experimental teaching in Colleges and universities， and then focuses on the application of virtual reality technology in experimental teaching in Colleges and universities， in order to promote the deep integration of experimental teaching and modern information technology in Colleges and universities， and to better develop students' professional quality.

【Key words】： Colleges and universities; Experimental teaching; Virtual reality technology; Application

0 ?引言

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是通過計算機技術讓用戶進入一個仿真的現實虛擬世界中獲得相應的體驗[1]。用戶與虛擬世界中的實體對象在有效互動時需以交互設備為支撐，猶如身臨其境。這屬于一種先進的數字化人機接口技術，得到了越來越多人的認可，公眾無需出門就能獲得相應的戶外體驗。近年來該技術在高校教學中得到了越來越多的重視和應用，也獲得了一定的成效。

1 ?虛擬現實技術對高校實驗教學的影響分析

1.1 ?沉浸性特點有助于知識的傳授

就VR技術而言，沉浸感（immersion）是其最核心的一個技術特征。用戶通過VR技術進入虛擬

世界后認為自己是這一虛擬環境中的一部分，如此真正參與進去，更好地沉浸在這一虛擬環境活動中[2]。就高校實驗教學而言，通過創設知識形成的相關原始歷史場景有利于讓學生更好地理解知識，從而獲得更佳的教學效果。應用虛擬現實技術對知識形成、發展、變化的歷史場景進行模擬，學生從虛擬世界中體驗現實生活中才存在的相關感知功能。如此直觀的教學方式便于從實踐認知到感性認知的第一次飛躍。這也能讓學生獲得更加深刻的印象，加深記憶。就目前來看，該技術發展的存在的不足主要包括嗅覺、味覺、運動等感知技術還有待深入研究，而聽覺、視覺、觸覺方面的沉浸技術已發展得較為完善。

1.2 ?構想性特征促使學生創新能力的提升

將虛擬現實技術運用到高校實驗教學中有助于創新教學思路與手段，師生間可突破時空的限制共同去體驗在現實生活中沒有發生的事件。它能讓學生跳出生理的限制，深入探索研究宏觀或微觀世界，或者也能模擬由于條件制約而無法實現的事情。通過對現實技術構想性（imagination）這一特征的充分利用，將學生的實驗構想放到真實的實驗環境中，轉化而成的虛擬環境就可以體現出設計者的理念。這樣的教學方式能夠讓學生自由大膽想象，提升創新意識，嘗試用專業知識去解決虛擬環境中的“實際”問題，從而提高個人的創新能力。同時，這也是對知識的進一步升華，實現了理論與實踐的有機結合[3]。目前，為建立構想中的相關實驗環境有賴于下列技術，包括快速圖形圖像處理技術、通用高性能技術、造型建模技術。近年來隨著量子計算機的出現，標志著我們在高性能計算領域有了新的突破。不過不足之處在于人機溝通、快速建模、快速成型等技術領域尚無顯著突破[4]。

1.3 ?交互性特點促使學生團隊合作能力的提高

不同于傳統理論教學，實驗教學需要學生在實驗活動中依靠團隊的力量，也需要與外部環境進行交互、協調[5]。近年來關于創新創業的實驗在高校實驗教學中成為一股新興的主流，更強調依靠團隊力量去尋夢。虛擬現實系統強調人與虛擬世界實時、自然地交互。交互的形式也不受局限，除了傳統的語言交互外，也可利用虛擬現實系統中的相關特殊硬件設備，讓學生與團隊、與實驗對象進行充分的互動。這一特性被稱為交互性（interactivity）。

1.4 ?有利于實現高校實驗資源的共享性，提高實驗資源的利用率

從現實來看，國內高校實驗儀器器材的分布范圍存在不均衡性的特點。據調查，就單價超過40萬的昂貴實驗器材為例，大多分布在一些“985工程”、“211工程”等高校;這樣重要設備主要聚集在高等教育發達的地區，如北京、上海、江蘇等地。可見，必須重視實驗教學資源的共享，進一步提升貴重實驗設備的使用率，才能促使更多大學生實驗能力與創新能力的塑造和發展。VR技術的數字共享性特點（sharing）能解決上述問題，通過對一些儀器設備進行數字虛擬化培養大學生的實驗操作能力以及對儀器器材的使用能力，為實驗的實際開展打好基礎。目前，虛擬現實設備大多為單機版或適用于局域網范圍，關于對虛擬現實場景的真正整合，具有廣域范圍共享功能的虛擬現實設備則較為匱乏[6]。這是由諸多制約因素造成的，除了網絡傳輸能力的制約，產品接收端缺少統一的標準也使得彼此間很難進行互聯互通。這有待在硬件設備與相關標準研制方面繼續努力。

2 ?虛擬現實技術在高校實驗教學中的應用

不難看出，VR技術的優點有很多，在諸多領域也得到了日益廣泛的應用。從現實來看，已在航空航天、建筑設計、機械設計、娛樂游戲等行業大量引入，此外，軍事訓練、體育訓練、醫學實習等領域也開始引入該技術。外國已將VR技術運用到課堂教學與實驗教學中，我國部分高校也嘗試將其運用到教學領域，具體來講主要有以下兩種：

2.1 ?虛擬演示實驗在課堂中的應用

學生借助VR技術學習知識主要涉及到兩方面：一是將現實生活中難以觀察到的相關自然現象或事物的變化過程予以展現，給學生創設生動、逼真的學習素材。如此，學生就能輕易掌握學習中的重難點部分。以物理教學為例，經常涉及到很多復雜的物理現象，包括半導體導電機理、原子核裂變等。通過VR技術進行展示，學生就能觀察到這些形象具體的過程[7]。二是通過該技術可以把抽象、晦澀的概念與理論轉換為形象直觀的畫面。再以物理實驗為例，在物理學中加速度是一重要知識點，不少學生理解起來比較困難。為此，通過虛擬現實技術進行動態展示，讓學生看到當物體重力大小與方向兩大因素出現變化時，加速度也會隨之變化，學生理解起來就容易得多。

除此之外，通過該技術也能建立學生提出的相關假設模型，并在虛擬系統中觀察到這一假設的最終結果。比如，在化學教學中學生可任意將不同分子組合為一組，虛擬出想象中的組合物質。這有助于鍛煉學生的探究能力。其次，學生借助該技術能夠對很多學科進行探索性學習，如電路設計、機械設計、建筑設計、地質、氣候等方向研究。然后設計出新的電路、新的設備與建筑物，或者總結出不同地理環境對世界氣候的影響特點及規律。運用該技術開展探索性學習能夠鍛煉學生的創新思維，提高他們的創新水平。再次，通過運用該技術的模擬軟件來展示部分系統的結構與動態，讓學生從這一環境中去體驗與觀察。將數據錄入計算機模擬系統中，學生就能看到相應的變化。教學模擬軟件具有價格實惠、無危險等優點，能讓學生與真實世界進行有效的交互。學生對模型元素進行操作，輸入不同的模型變量，記錄不同的結果。比如，以一個虛擬世界中的城市為例，由學生負責對該城市的管理，包括交通、能源、預算、環境污染、犯罪等公共事務，綜合上述因素作出合理的決策。不同的決策對城市發展的影響也是存在差異的，好的決策能推動城市的穩步發展，壞的決策可能讓城市陷入經濟危機，導致世界性環境污染問題，決策引發的實際效應能夠及時有效地顯現在模擬系統中。模擬軟件的使用使得課堂實驗不再局限于一室之內，允許身處異地的教師和學生互相看得見聽得著， 不但可以利用實時通訊功能實現傳統教室中所能進行的大多數教學活動， 還能利用異步通訊功能實現前所未有的教學活動， 如異步輔導、異步討論等。虛擬現實系統利用網上群體虛擬現實工具 MUD、MOO支持異步式學習交流形式。MUD 代表虛擬的多用戶空間（Multi User Dimension），MOO（Multi User Dimension Object-Oriented）是一種面向對象的MUD， 它通過對由各種 MOO 對象構成的核心數據庫的共享來向用戶提供虛擬社會環境。MOO提供實時的在線通訊， 它引入房屋空間隱喻的概念，使得在實際地理位置上處于分離狀態的用戶能夠在一個共同機制中進行交互和協作。它利用MOO提供的各種通訊工具（電子郵件、電子報紙、文檔、電子白板等），來支持各種教學活動，使得實驗教學更加豐富和多樣化。

2.2 ?在虛擬實驗室內進行虛擬實驗

運用VR技術我們可以根據需要創設相應的虛擬實驗室。比如，在物理虛擬實驗室中學生可開展物理實驗，包括慣性實驗、重力實驗，也可以進行現實實驗中難度很大的實驗，如火山噴發模擬實驗。又如，在虛擬化學實驗中進行一些現實中危險性較大或步驟繁瑣、耗時較長的化學時間。在虛擬的生物實驗室中完成一些解剖實驗等等，觀察實驗現象與結果[9]。VR技術的交互性與沉浸性特點能讓學生參與到虛擬學習環境中去，認真投入到學習活動中，有助于培養他們學習能力。通過VR技術還能開展很多技能訓練。比如，可開展不同專業的職業技能訓練，包括汽車駕駛技能訓練、外科手術技能訓練、軍事作戰技能訓練、農作物栽培技能訓練、電器維修技能訓練、機械零件加工與裝備訓練等。利用“電子工作臺”這一軟件系統，學生就能參與到相應的電路訓練中，可通過該平臺所提供的相關元件設計不同的模擬電路與數字電路，然后對電路性能進行測試。此外，學生可利用虛擬實驗室WEB系統創設一個可視化的三維環境，這里面各個可視化的三維物體都表示一種實驗對象。點擊鼠標學生就能進行相應的虛擬實驗。構建網絡虛擬實驗室有賴于一定的技術支持，主要有多媒體計算機技術、網絡技術、精密儀器技術。將虛擬儀器技術與認知模擬技術融合在一起，使虛擬實驗室具備了智能化特征。師生可隨時隨地進入虛擬實驗室中實施相應的實驗。這是高校實驗遠程教育的創新內容，也為高校實驗教學改革奠定了技術基礎。同時，也便于學生隨時運用各種實驗儀器開展實驗活動。基于WEB瀏覽器/服務器（B/S）計算機模式屬于虛擬實驗室中最基本的模式之一。WEB屬于虛擬實驗室的一種基礎平臺。服務器端在軟件操作的控制下仿真相關實驗環境，同時，收到來自客戶端的實驗操作請求。之后針對客戶端的實驗請求適當調整儀器，從而模擬所需的實驗活動，獲得對應的實驗數據[10]。學生利用客戶端進行模擬實驗，實驗中所形成的數據及實驗結果數據均可放在服務器端，部分涉密數據也允許獨立保存在客戶端。當多人參與虛擬實驗時，為了確保大家的同步，實驗者可借助WEB或其它方式開展交互。在服務器端的后臺數據庫中儲存有共享的實驗數據與實驗流程。上述訓練模式是安全、可重復性的，學生能夠多次進行反復訓練，直到熟練掌握操作技能、獲取理想實驗結果、得出正確合理結論為止。

3 ?結語

總之，虛擬現實技術在高校實驗中具有諸多優勢，包括交互性、沉浸性等。要將該技術完美融入到高校實驗室教學中關鍵需要我們教師找到最佳的突破點與方向。目前，國內高校VR教育尚處于初級階段，很多方面還有待完善。為此，作為高校教師我們要從自己的專業角度出發，善于把握VR技術與實驗教學的特點，實現二者的完美結合，進一步提高實驗教學的有效性，更好地培養學生的實驗能力。

參考文獻

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