探析VR虛擬現實技術在教學實驗中的應用

孫瑜

摘要：隨著新課標的出臺，創新教學成為教育改革的重要任務，傳統的實驗教學因空間和時間局限以及費用高等問題難以有效開展，近些年來，VR虛擬現實技術興起，并逐步應用于多個領域，本文簡述了VR虛擬現實技術的概念及特點，并在此基礎上探析了VR虛擬現實技術在教學實驗中的應用。

關鍵詞：VR虛擬現實技術 教學實驗 應用

我們在學習知識過程中離不開實驗的指引，教學實驗是日常教學活動中關鍵的一環，通過實驗，能夠讓我們理論聯系實際，鍛煉我們的動手能力、培養分析問題以及解決問題的能力，在實驗摸索過程中，提升了我們對課堂上所學知識的理解，激發了同學求知欲和學習興趣，讓課堂氛圍變得更加活躍，學生在課堂上的注意力和積極性也會得到提高。然而，傳統的教學實驗因為場地、經費以及耗時等問題在實際開展過程中的效果并不理想。與此同時，隨著計算機科學技術和通信技術等的不斷發展，以VR虛擬現實技術為典型的計算機科學技術不斷發展并突破了一定的技術瓶頸，應用范圍逐漸拓展，利用VR虛擬現實技術開展教學實驗也成為各個學校教學創新的一個重要舉措。

一、傳統實驗室開展教學實驗的不足

（一）投資費用比較高

傳統的實驗室一旦開展實驗，不但要購買大量的試劑、耗材，設備，還要對實驗室以及設備進行維護與保養，因此這對于一般科研經費較少的學校來說，實驗成本導致的投資費用比較高。

（二）傳統教學實驗對時間和空間的要求較高

筆者發現，大多數學校的實驗樓和教學樓不在一塊，我們在上實驗課之前，都要提前去實驗室準備實驗，而教學實驗也僅僅只有45分鐘或者60分鐘的課堂時間，有些教學實驗在規定的時間內是無法完成的，如果拖堂，又會影響其他文化課的時間。所以，傳統教學實驗由于時間和空間的限制不易取得較好的效果。

（三）傳統一些教學實驗無法真正有效開展

部分實驗存在一定危險性，實際操作性較差，但如果不開展，學生又無法真正理解其中的理論知識。比如做食品的微波消解教學實驗，就需要用到大量的高濃度強硝酸，而硝酸具有強腐蝕性，稍有不慎，就會威脅生命安全。

二、VR虛擬現實技術簡介

（一）VR虛擬現實技術的概念

VR虛擬現實技術是人工智能研究領域的重要課題之一，又被成為是人工模擬環境技術，它主要基于視覺、觸覺等感官，實現環境的交互和交互。VR虛擬現實技術的研究離不開人工智能、圖像技術、多媒體技術、傳感技術以及人機對接技術等，正是在這些技術高度融合與集成的基礎上，VR虛擬現實技術能夠模擬出一個虛幻的“真實”環境。

（二）VR虛擬現實技術的特點

VR虛擬現實技術的特點包括：交互性、構想性以及沉浸性。在仿真的環境中，用戶可以借助交互設備，與虛擬的對象進行交互，比如，在仿真的實驗室里開展微生物等教學實驗。而在這一切互動的過程中，所有的仿真對象都是在個人的認知與感覺的基礎上構建起來的，構造的現象是現實中無法想象的，比如牛頓第一定律的理想環境是在真空狀態下研究物體的運動狀態的，這在平常實驗教學中是無法完成的，基于VR虛擬現實技術的構想性，在模擬的真空環境下就可以研究物體的運動變化；在這一系列的交互過程中，能夠讓用戶無法辨別構造的世界是否是虛擬的，讓用戶“沉浸”在構想的世界中，一切交互都讓用戶感覺是真實的。

三、VR虛擬現實技術在教學實驗中的應用

（一）VR虛擬現實技術為教學實驗提供多種感知的類型

在VR虛擬現實的環境中，人們可以通過視覺、觸覺、聽覺等所有感官感受來感知虛擬環境的變化。在理想的狀態下，虛擬環境能夠提供人們在現實環境中所能感知的信息。諸如在物理教學實驗方面，虛擬環境側重的是機械運動以及觸覺等方面的感知，而在生命科學以及化學中，則相對側重的是味覺、嗅覺以及視覺等方面的感知，比如在虛擬的生物環境中，可以不通過顯微鏡，就可以身臨其境地將自己置身于微生物的世界中，觀察不同的微生物的形態特點、代謝方式等。

（二）VR虛擬現實技術增強教學實驗現場感知能力

VR虛擬現實技術在教學實驗中的應用之一，即是該技術具備現場感知能力。通過VR虛擬現實技術構建一個仿真的環境，用戶所體驗到的環境真實感極高。基于這種現場感知的屬性，用戶能夠在這種環境中，真實地感受到與現實情況一樣的變化。比如，在仿真的真空太空中，用戶置身于其中，身體會因沒有地球引力而漂浮起來，用戶之間的講話也需要通過介質來傳遞，這些所有的現場感知均與現實太空中的一模一樣。

（三）VR虛擬現實技術實現學生與試驗場景的交互

在虛擬技術的環境中，學生可以通過交互設備與試驗對象進行交互，在交互的過程中，用戶能夠感受到操作的真實性，進而實現研究者與課題實驗的深度互動，并得出實驗結果。比如，用戶在虛擬環境中觀察微生物，能夠像現實顯微鏡環境那樣感受到微生物的繁殖過程。由此可見，在仿真的環境中，用戶可以通過交互設備，完成傳統教學中不便開展的教學實驗。同樣的，在交互的過程中，我們會對教學實驗的過程以及相應的理論知識掌握的更加透徹，比如，我們平常在書本上看到的微生物照片就沒有置身于VR虛擬的微生物世界中“親眼”看到的微生物印象深刻。

（四）VR虛擬現實技術實現了教學實驗中自然物理形態

自然物理形態，就是物體在真實環境中所表現出的形態自然變化，比如物體受力會改變運動狀態等。在仿真的環境中開展教學實驗，我們可以通過傳感設備對虛擬環境中的實驗對象進行操作，當操作者發出相應的指令，這些指令通過傳感器傳遞給實驗對象，VR虛擬系統在接收到傳感器信息后，會提供出相應的反饋動作，能夠給觀察者呈現三維立體的感知變化，由此能使觀察者更為全面的感知和理解實驗過程。

四、結語

綜上所述，VR虛擬現實技術基于其自身能夠提供多種感知類型、臨場感知、實現交互以及自然物理形態等，而廣泛地應用于實驗教學中，避免了傳統實驗教學的費用高、空間與時間限制等方面的不足。筆者相信，隨著VR虛擬現實技術不斷地突破技術瓶頸，必然更加有效地推動教學實驗質量的提升。

參考文獻：

[1]張春霞.在教學實驗中引入虛擬實驗技術的探討[J].電子測試，2015，（08）.

[2]郭會茹.虛擬現實技術在計算機教學實驗中的應用研究[J].南昌師范學院學報，2013，（06）：26-29.

[3]劉祖萍，袁軍，單長吉.虛擬儀器技術及其在教學實驗中的應用前景[J].四川職業技術學院學報，2004，14（04）：112-114.

（作者單位：山東省濰坊實驗中學）