VR技術(shù)在個性化虛擬教學(xué)中的應(yīng)用研究

□ 黃展博，楊艷芳，劉志平

(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

1 引言

隨著國家教育領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，每年本科生數(shù)量不斷增加，對現(xiàn)有的教學(xué)模式帶來了挑戰(zhàn)，面對來自新時代的教學(xué)需求，在機(jī)械工程、自動化等專業(yè)教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在以下弊端：

①經(jīng)濟(jì)成本高，無論是精密設(shè)備使用的成本，還是零部件損耗的成本都相當(dāng)高昂，其次，還需要技術(shù)人員的現(xiàn)場指導(dǎo)以及其他形式師資力量的投入，都會造成資源的損耗。

②安全隱患以及空間限制，裝配過程所用的部分設(shè)備體型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作繁瑣，用于教學(xué)任務(wù)時安全性差，且不方便直接裝配實物。

③教學(xué)方式枯燥，傳統(tǒng)教學(xué)方式大多以圖片、視頻教學(xué)為主，缺乏實踐操作，而對裝配工藝復(fù)雜部分難以理解，太過依賴用戶自身的聯(lián)想能力，從而學(xué)習(xí)效率較低。

虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育行業(yè)的拓展運(yùn)用，也是計算機(jī)技術(shù)中極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。在教育領(lǐng)域，嶄新的教育技術(shù)必將帶來嶄新的教育思維，一場圍繞虛擬教學(xué)的教育變革也就不可避免。本文中，分析了虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)目前涉及的關(guān)鍵技術(shù)；構(gòu)建了個性化自適應(yīng)虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)框架，為虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展提供有益補(bǔ)充。

2 虛擬教學(xué)關(guān)鍵技術(shù)

人類教育發(fā)展史中，發(fā)生過三次根本性變革：第一次是從個別的原始教育走向個性的農(nóng)耕教育；第二次是從個性的農(nóng)耕教育走向班級授課式的規(guī)模化教育；第三次是從規(guī)模化教育走向分散化、生態(tài)化、生命化、網(wǎng)絡(luò)化的個性化教育。個性化教育技術(shù)注重主體生命體驗，為改善教育質(zhì)量提供了理論基礎(chǔ)，一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教育的不足。

2016年是VR元年，在整個世界的第四次工業(yè)革命中也有著舉足輕重的地位，作為VR技術(shù)的重要衍生技術(shù)之一，虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)將給教育領(lǐng)域帶來同樣深遠(yuǎn)的影響，尤其體現(xiàn)在個性化教學(xué)方面。

2.1 虛擬交互技術(shù)

虛擬交互技術(shù)是用戶與虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)之間信息交換的有效方式。楊普[1]借助觸覺交互設(shè)備，以Visual Studio 2008為開發(fā)平臺，結(jié)合Open Haptics庫，完成物理屬性與幾何模型的集成和力反饋設(shè)備的交互式操作。李嘉[2]運(yùn)用VC++與OSG相結(jié)合，實現(xiàn)了虛擬物體的拾取和移動，開發(fā)了基于力反饋的交互式虛擬拆卸系統(tǒng)。Durgin[3]利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，提出了研究感知/動作交互的策略，使用無標(biāo)度的單參數(shù)數(shù)據(jù)，提取我們預(yù)期的基本數(shù)據(jù)，減少了動態(tài)失真。

在虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)中，有目的創(chuàng)造虛擬交互，兼具藝術(shù)性，給學(xué)生創(chuàng)造出一個良好的學(xué)習(xí)情境，實現(xiàn)課程學(xué)習(xí)和學(xué)生之間、人與人之間的交流，最大限度地實現(xiàn)人們的體驗需求[4]。

2.2 可視化技術(shù)

讓知識在個體間清晰的表達(dá)和交換，是知識可視化研究的起源。可視化技術(shù)運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行交互處理。目前正在飛速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)也是以圖形圖像的可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的。

可視化技術(shù)主要方法為認(rèn)知地圖法，概念圖法，知識圖譜，思維導(dǎo)圖和思維地圖，統(tǒng)計圖表等，增強(qiáng)認(rèn)知與知識學(xué)習(xí)，促進(jìn)知識的利用與生成。清楚呈現(xiàn)知識相關(guān)信息與數(shù)據(jù)，積極調(diào)動人的視覺經(jīng)驗。具備快速識別簡單模式，有助于分析、組織、解構(gòu)與建構(gòu)，在高階學(xué)習(xí)、復(fù)雜任務(wù)的處理中，減少認(rèn)知壓力。可視化技術(shù)改變了知識的加工、處理、傳播方式，有利于信息理解、分析效率的提高，也減少了認(rèn)知負(fù)荷，解決信息過載、知識爆炸問題，促進(jìn)了知識在人類工作、學(xué)習(xí)、生存發(fā)展中傳播。[5]

3 個性化虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)的個性化，可以理解為“挑戰(zhàn)與技能”之間從產(chǎn)生矛盾到不斷適應(yīng)以及解決的過程。當(dāng)在設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)時，就要盡可能地在挑戰(zhàn)與技能之間找到平衡點(diǎn)，使其進(jìn)入一種沉浸式的學(xué)習(xí)狀態(tài)。為了向?qū)W習(xí)者提供符合其個性特征的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)服務(wù)，一是要分析學(xué)習(xí)者的個性行為特征，找到反映其個性優(yōu)勢的內(nèi)容；二是建立學(xué)習(xí)行為分析內(nèi)容與學(xué)習(xí)結(jié)果之間的聯(lián)系，為后面學(xué)習(xí)結(jié)果的預(yù)測分析提供依據(jù)[6]。

圖1 虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)的設(shè)計框架

沈軍[7]搭建了知識應(yīng)用模式與認(rèn)知結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)模式支持分布式個性化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，在構(gòu)建主義的基礎(chǔ)上，建立了個性化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模型。林海平[8]依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的變化，設(shè)計出個性化內(nèi)容推薦算法，該算法可以為個性化系統(tǒng)學(xué)習(xí)提供了強(qiáng)有力的理論支持。

研究了相關(guān)文獻(xiàn)之后，提出虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)的設(shè)計框架，如圖1所示。該框架以個性化沉浸式為導(dǎo)向，實現(xiàn)學(xué)習(xí)者的能力與挑戰(zhàn)相匹配。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)記錄和興趣喜好都會被記錄，為學(xué)習(xí)者特征分析、教學(xué)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)類容分析分析提供支持。

虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)的創(chuàng)建不是簡單的在傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的基礎(chǔ)上加上虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它是一種擁有獨(dú)特設(shè)計和全新功能的學(xué)習(xí)環(huán)境，如能夠改善學(xué)習(xí)者參與交互的頻度不均衡問題，交互活動積極意義的產(chǎn)生，評價方式僅僅是簡單地分級等。針對這些問題，虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)對課程教學(xué)信息資源進(jìn)行有效整合，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，實現(xiàn)交互式學(xué)習(xí)和虛擬學(xué)習(xí)的個性化。

為了設(shè)計與實現(xiàn)學(xué)科知識可視化系統(tǒng)，必須對系統(tǒng)做需求分析，包括功能需求、數(shù)據(jù)需求、輸入輸出需求，構(gòu)建學(xué)科知識可視化系統(tǒng)的設(shè)計原則和架構(gòu)設(shè)計。對于教育可視化的設(shè)計，必須注意并確保可視化對象和內(nèi)容與特定的環(huán)境和學(xué)習(xí)目標(biāo)相適應(yīng)，借助可視化技術(shù)，使知識系統(tǒng)而生動的呈現(xiàn)于學(xué)習(xí)者面前，成為虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)中不可或缺的一環(huán)。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)的理論基礎(chǔ)、技術(shù)支持以及獨(dú)特的優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式，虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)的未來無疑是更加璀璨的，但作為一項未來可期的新興技術(shù)，虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)仍然有較大的進(jìn)步空間，主要表現(xiàn)在：

①如何在充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身優(yōu)勢的同時最大程度地降低其負(fù)面影響，如何更好的實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)中的自適應(yīng)，如何解決學(xué)習(xí)者過度沉浸于虛擬場景，如何實現(xiàn)技能與挑戰(zhàn)匹配過程中的評估等。

②虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)與傳統(tǒng)課堂的銜接問題，如何運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)知識的可視化，如何實現(xiàn)虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)的教學(xué)設(shè)計，讓知識合理有序的展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，同時，在情景設(shè)計上，如何減少和避免認(rèn)知負(fù)荷等等，都有待進(jìn)一步深化研究。

不斷的發(fā)現(xiàn)缺陷、革新理論，是每一個新興技術(shù)必然需要經(jīng)過的考驗，虛擬學(xué)習(xí)技術(shù)在經(jīng)歷不斷地改善后，也必然能在新時代脫穎而出。