“互聯網+”背景下虛擬現實技術在實驗教學中的運用研究

李雪

摘? 要：在“互聯網+”的背景下，5G技術的出現打破了制約虛擬現實技術發展的瓶頸。虛擬現實技術具有良好的交互性和沉浸性，能夠提供高度還原仿真系統，這一特性促使它越來越多應用在實驗教學中。虛擬技術在實驗教學中的運用，可以有效降低實驗教學的成本，提高實驗教學的效率，優化實驗教學的質量。所以，虛擬現實技術在未來將成為高校實驗教學的重要輔助手段。

關鍵詞：“互聯網+”;虛擬現實技術;實驗教學

中圖分類號：TP399 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0174-02

Abstract： In the context of "Internet Plus"， the emergence of 5G technology has broken the bottleneck restricting the development of virtual reality technology. The virtual reality （VR） technology has good interaction and immersion， and can provide a highly reductive simulation system， which urges it to be more and more used in experimental teaching. The application of virtual technology in experimental teaching can effectively reduce the cost of experimental teaching， improve the efficiency of experimental teaching and optimize the quality of experimental teaching. Therefore， virtual reality technology will become an important auxiliary means of experimental teaching in colleges and universities in the future.

Keywords： "Internet Plus"; virtual reality （VR） technology; experimental teaching

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種由計算機和電子技術創造的新世界，是一個看似真實的模擬環境。通過多種傳感設備，用戶可根據自身的感覺參與其中的事件，同時提供視、聽、觸等直觀而又自然的實時感知，并使參與者“沉浸”于模擬環境中[1]。

所謂虛擬實驗室，是指依靠多媒體技術、虛擬現實技術等依托計算機和虛擬頭顯設備等營造出仿真的實驗室或者仿真的市實驗室環境，同時提供可以操作的軟硬件設備和具體的操作環境等，實驗者完全可以虛擬現實設備實現和在真實的實驗環境下一樣的實驗操作，同時這種虛擬體驗不但成本低，而且實驗數據可以通過計算機系統進行計算，實驗效果甚至可以超越實驗者在傳統的實驗室中所取得的效果。

1 國內外虛擬現實技術在實驗教學中的現狀

目前國外高校依托虛擬技術構建的虛擬實驗室中，主要采用到的技術手段包含以下七個方面（見表1）：

比如英國 Open University的開放科學實驗室，[2]他們不但借助虛擬技術實現了本實驗室的虛擬實驗體驗，同時他們還利用網絡技術開放了遠程實驗，實驗者可以借助虛擬遙控裝置，實現遠程操作。這種實驗操作和可以提供實時遠程共享和在線共享等。國內也積極建設了多個虛擬實驗室，比如北京化工大學成立了化工安全與裝備中心，該中心的虛擬仿真實踐平臺可以給學生提供仿真的工業環境，讓學生在實驗中心就可以直接進行工業活動的實踐行為，不但安全有效，而且可以同時為多個學生服務。

目前國內的實驗教學中，虛擬技術的運用主要表現在以下四個方面：根據課程的內容和實踐要求，有針對性的設計和開發實驗流程，并在這一流程中嵌入虛擬仿真實驗項目，以及對項目操作者的操作評估系統;設計并裝載實驗項目該步驟中設計虛擬仿真實驗項目的任務，該任務需要具體到每一個場景、每一個環節、每一個步驟、考察到的知識點等，然后設計開發操作平臺或者計算機軟件;操作之前，教師需要對于實驗的具體涉及到的知識點進行詳細講解，同時對操作步驟進行訓練;學生借助虛擬技術進行實驗操作時，教師需要通過軟件或者監控系統對于學生的操作步驟和流程進行實時分析，并對試驗結果進行總結和評價。

2 虛擬現實技術在實驗教學中的先進性

虛擬現實技術最大的特點是其利用計算機技術可以代替傳統實驗教學環境中的各種場景和環節，這樣一些迫于場地、實驗器材等難以在一線教學中開展的各種實驗教學，都可以利用虛擬現實技術展開。比如上海交通大學建立了“小兒先心病”仿真虛擬實驗，不但降低了實驗室的成本，不再需要大量收集實驗樣本，而且提高了實驗操作的效率，學生的操作難度和操作的復雜度都可以得到有效提升。

所以，虛擬現實技術對于現代實驗教學而言，其先進性主要表現在以下四個方面：

2.1 將信息技術和實驗教學進行深度融合

隨著5G技術的普及，信息技術給人們的生活方式帶來了顛覆性的變化，教育領域引進信息技術也是時代發展的必然。作為信息技術發展中的尖端技術，虛擬現實技術可以輕松實現低成本、高效率和高仿真性的實驗場景的設計，所以虛擬技術在實驗教學中的運用，體現的是新技術和實驗教學這一實踐性很強的教學活動的深度融合，因為信息技術將滲透到實驗教學的各個環節，甚至還會對實驗結果進行評估，這也標志著信息技術在實驗教學中的地位和作用，也實現了從輔助到主導的演變。

2.2 拓展實驗教學的深度和廣度，實現因材施教

傳統的實驗教學中，學生的實驗過程和步驟以及出現錯誤的原因分析主要依靠教師來進行判斷，而往往實驗教學時，一名老師往往需要面對多名學生，對每一名學生的實驗過程和實驗中出現的誤差等的監控不可能完全顧及到，而且受限于人數、實驗器材等的限定，實驗的深度和廣度也會受限。依托虛擬技術構建虛擬實驗室則可以有效解決這一矛盾。同時虛擬技術可以對學生的實驗過程進行全程實時監控，并對實驗結果進行分析，這樣一來，每個學生的動手能力和實踐能力的高低也會得到有效評估，這可以幫助教師實現實驗教學中的因材施教，讓每一個學生都能夠在實驗教學中獲得最及時、最客觀的指導和幫助。

2.3 打破傳統實驗教學受制于時間和空間的限制

傳統實驗教學中，實驗室的建設需要投入大量的人力、物力和成本，而且由于實驗室的規模大小直接會制約使用實驗室的人數。而虛擬現實技術出現之后，虛擬實驗室的投資成本遠遠低于實體實驗室，基本上依托計算機、網絡和軟件以及VR頭顯設備就可以實現和傳統實驗室一樣的“仿真”體驗，虛擬技術的出現為傳統實驗室提供了實驗的空間和時間的無限拓展的可能性。

2.4 實現實驗教學的線上化和智能化

傳統的實驗教學由于屬于實踐活動，一定是線下教學模式，但是隨著虛擬技術的出現，線上實驗教學和學生自主線上進行實驗活動成為現實。以往的實驗教學必須在實體實驗室中進行，現在借助虛擬實驗室進行教學之后，可以利用虛擬技術和計算機技術進行特定實驗系統的設定，學生可以在任意時間進入實驗室進行操作，同時計算機系統會自動會對實驗過程和實驗結果進行檢驗和判斷“真正形成了與線下教學相結合的智能化、泛在化的實驗教學新模式。”[3]

3 虛擬現實技術在實驗教學中的具體應用

虛擬仿真實驗教學系統的出現可以大幅度解決目前高校實驗室不足、建設實驗室成本高、實驗室使用頻率高導致成本較高、某些實驗具有危險性、有不安全隱患等等問題，它可以有效彌補甚至取代傳統的實驗室，成為新型的實驗室。

虛擬實驗教學的基本特點在于借助虛擬仿真設備營造仿真環境，在仿真環境中，實驗人的視覺、觸覺、聽覺等感受都可以最大程度實現“真實化”，而且人體會在這種“真實化”的刺激下做出相應的反應，這和傳統實驗室中實驗者和實驗對象之間的交互行為完美地進行了“復制”，所以虛擬現實技術在實驗教學中主要的運用價值表現在以下兩個方面：

3.1 交互性

用戶佩戴特制的頭顯設備進入虛擬環境之后，可以通過傳感裝置將對環境產生的感受和環境本身應對人的行為所產生的反應傳遞給實驗者，從而讓實驗者產生真實的體驗和感受。比如華中師范大學2019年的虛擬仿真實驗室中就有“蘭科植物傳粉與保護虛擬仿真項目”[4]，這一項目就可以讓實驗者觀看到完全仿真的植物傳粉的全過程，感受到風吹植物、植物的搖動等。

3.2 浸入性

人在虛擬環境中的視覺和聽覺感受將取代現實中的感覺，虛擬設備能檢測到人的反應，從而產生一種新的完全真實的感受。如進行沉浸式游戲體驗、飛機模擬操作、康復訓練、軌道交通的設計制造及運行、可視化空間地理信息服務等，讓人感覺仿佛身臨其境，可以即時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。

4 虛擬現實技術在實驗教學中運用的前景展望

虛擬現實技術的出現以及在實驗教學中的運用，對于高校實驗教學來說無疑是重大利好。虛擬技術所展現出來的良好的交互性和沉浸性，恰恰是傳統實驗教學中最需要的部分，一旦可以通過低成本、高效率的方式進行，虛擬實驗室和傳統實驗室的相結合，必然成為未來高校實驗教學中的主流模式。虛擬技術對于實驗教學來說，目前已經從輔助的地位開始逐漸上升到主導地位。

2018年，教育部公布了首批國家虛擬仿真實驗教學項目，教育部高等教育司司長吳巖就指出“虛擬仿真解決了世界性的實驗教學、實踐教學、實訓教學的難題，也解決中國大學生動手能力不足這樣一個短板問題。”[5]并且預計到2020年，教育部將推出1000個“示范性虛擬仿真實驗教學項目”。[6]

綜上所述，虛擬技術對于現有的實驗教學來說，是提高實驗教學的效率和質量的最有效的手段，在未來的發展中，虛擬技術在實驗教學中所占的比重還將顯著提高，這對于提高我國實驗教學的質量、鍛煉和提升學生的動手能力和實踐能力而言也有著劃時代的意義。

參考文獻：

[1]戚玉強，任玲.傳感器與檢測技術[M].北京航空航天大學出版社，2018：163.

[2]國外虛擬實驗室那些你不知道的精彩[N].搜狐新聞，2018-7-31.

[3]孫藝.教育信息化背景下虛擬仿真技術在法學實驗教學中的應用研究[J].法學博覽，2019（32）：211-213.

[4]華中師范大學生物學虛擬仿真實驗教學中心[EB/OL].http：//vecb.ccnu.edu.cn/virlab/index.html.

[5]董嬌.教育部公布首批國家虛擬仿真實驗教學項目[N].央視新聞，2018-7-13.

[6]虛擬仿真軟件：讓“網上做實驗”和“虛擬做真實驗”成為現實[N].搜狐視新聞，2018-12-30.