VR技術在大學實驗課程中的應用

周勇 朱楚霞 劉好桔

[摘 要] 大學實驗課程是理論課程的補充與升華，可以有效培養大學生的動手能力和創新意識，但目前很多普通高校開設的實驗課程很難達到理想的教學效果。由于虛擬現實技術（VR技術）具有沉浸性、交互性等特點，將VR技術運用到大學實驗中能夠打破傳統教學的局限性，給學生以及老師帶來不同的教學體驗。探討將VR技術引進大學實驗課程后，將對現有大學實驗課程不足的改進以及預測其將來的發展產生深遠的影響。

[關鍵詞] 實驗課程;教學管理;VR技術

本科教育的關鍵之一就是課堂教學，加強課堂教學管理、優化教學內容、改革教學方法，是提高本科教育質量的重要措施[1]。大學實驗課程注重培養學生的動手操作能力，是理論課程的升華，但目前除了部分重點大學實驗課程開展比較完善之外，其他普通大學所開設的實驗課程往往很難達到老師的理想教學效果[2]。

一、大學實驗課教學現狀及存在的問題

1.缺乏對實驗課程教學的重視。雖然在大部分的大學里安排了專門的教師進行實驗安排及講解，但在具體的實驗課過程中，講述理論知識過多，對操作流程以及實驗操作注意事項只是進行簡要說明，更難以保證對所有學生進行整個實驗過程的監督和指導。例如：遺傳學實驗中果蠅多線染色體的觀察實驗。

2.實驗設備落后。部分大學成立時間比較早，相關實驗設備的購買和使用的時間已經比較長，不能滿足當前實驗的新需求;也有部分學校因儀器價格太貴無法及時購買，因此限制了學生實驗課的內容更新。

3.學生缺乏自我創新能力。目前大學中的實驗主要是驗證類型的實驗，大部分學生在進行實驗時，僅僅按照已有的實驗報告、指導書或教師的安排機械地完成相關實驗。如工程技術大學機械類基礎實驗。在實際的教學過程中，教師的教學目標往往停留在鞏固理論知識上，實驗教學課時數太少，學生也以拿學分為目的而被動參與實驗，因而大多數學生缺乏創新能力[3]。

4.實驗成績考核體系不夠完善。教師在傳統實驗課程的教學過程中無法全面系統地進行全程記錄和考核。在實驗課程結束之后，大多數教師僅僅按照對于學生的印象及實驗報告的書寫狀況進行考核，這樣的考核機制不僅影響了學生的積極性，也影響了實驗課程開設本身的實際意義[4]。

二、大學實驗課創新改革

VR技術是指由計算機產生，通過視、聽、觸覺等作用，使用戶產生身臨其境感覺的交互式視景仿真，具有多感知性、存在感、交互性和自主性等特征[5]。目前，VR技術已經逐漸走進大學校園。由于實驗室的實驗器材數目有限，實驗室控制條件避免實驗材料的浪費，大學實驗課程大多是小組共同完成，雖然這教會了我們小組協作的重要性，但就忽略了培養同學單獨完成一個完整實驗的能力。例如一個經典的生物化學實驗——“過氧化氫酶活性的測定”，其基本原理如下。過氧化氫酶能把H2O2分解為H2O和O2，其活性大小，以一定時間內分解的H2O2量來表示。當此酶與底物（H2O2）反應結束后，再用碘量法測定未分解的H2O2量。以鉬酸銨作催化劑，使H2O2與KI反應，放出游離碘（I2），然后用硫代硫酸鈉（Na2S2O3）滴定碘，反應如下[6]：

H2O2酶

H2O2→[酶·H2O2]→H2O+1/2O2

鉬酸銨

H2O2+2KI+H2SO4→I2+K2SO4+2H2O

I2+2NaS2O3→2NaI+Na2S4O6

根據上述反應，算出反應后的過氧化氫溶液的濃度，最后根據空白與樣品滴定量之差，算出被分解的H2O2量及酶活性，差值越大，酶活性越強。

那么，在此實驗過程中哪里能利用VR技術？其實，在整個實驗過程中都能用到VR技術。在實驗過程中，可以通過VR技術將時時刻刻都在分解過氧化氫模擬在影像當中。

三、VR技術可以改善大學實驗教學現狀

1.VR技術引進的可能性。VR技術與大學實驗的結合能幫助教師達到期望的教學目的，提升學生動手和創新能力。近年來，國家鼓勵教育方式創新，使VR技術的使用符合國家政策，從而使其走向大學課堂成為可能。

2.實驗設備問題。VR技術引進的必要性。大學里有些實驗對儀器的要求非常高，如用超速離心和酸沉淀制備牛乳清蛋白質的實驗[7]。

3.實驗考核體系問題。實驗考核是實驗課程教學的一個關鍵問題，江蘇省南京師范大學建立了與綜合性、研究型微生物學實驗課和混合式教學法相適應的過程性考核方式，包括線上課程考核，含十個單元測驗和理論考試，考試成績占總評的20%;期末實驗操作考試，老師現場打分，占總評成績的50%;微生物培養皿藝術大賽成績，占總評成績的30%[8]。這個實驗考核方式突破了傳統實驗課的考核方式，不僅注重學生的實際操作考核，也注重了學生實驗理論基礎的考核。

四、VR技術應用大學實驗的展望

將VR技術引進大學實驗中既能高效地完成教師的實驗課程教學目標，又能提高學生對實驗的掌握程度，并且省時省力省經費。但是由于目前VR設備不夠輕便廉價導致體驗不夠完美、教育資源內容不夠豐富以及制作欠智能等原因，VR技術更多地應用于產品展示、虛擬旅游、游戲娛樂等方面，而在教育領域應用得較少[9]。

隨著VR制作技術越來越成熟，尤其是人工智能（AI）技術的迅猛發展，教師制作或修改VR資源將成為可能，未來VR技術一定會更好地服務于大學實驗教學。

參考文獻

[1]林健.一流本科教育：認識問題、基本特征和建設路徑[J].清華大學教育研究，2019，40（1）：22-30.

[2]艾海提，沙力，李玲，彭秧.分析化學實驗課教學中存在的問題及其改進措施[J].大學教育，2014（13）：130-132.

[3]蘇澤盛，陶穎.大學生創新實踐能力培養在機械類基礎實驗中的探索[J].北華航天工業學院學報，2019，29（1）：54-55.

[4]黃管樂.大學實驗課教學存在的問題及改革措施[J].黑龍江教育學院學報，2016（2）：66-67.

[5]蘇建明，張續紅，胡慶夕.展望VR技術[J].計算機仿真，2004，21（1）：18-21.

[6]許俊.碘量法測定過氧化氫酶的活性在叢枝病研究中的應用[J].安徽林業科技，1998（4）.

[7]齊云霞，趙小偉，黃冬維，蔡東東，楊永新，程廣龍，趙輝玲.超速離心和酸沉淀制備牛乳清的蛋白質組學研究[J].中國畜牧獸醫，2019，46（8）：2203-2210.

[8]何偉，劉中華，賈永，張石柱，韓管助，許凱，戴亦軍，袁生.綜合性、研究型微生物學實驗課的過程性考核[J].微生物學通報，2019（14）：48-54.

[9]岳振華.VR技術應用于生物教學的體會和思考[J].基礎教育參考，2018（21）：39-40.