關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在光學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

尹明宏

摘 要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)對高校實驗教學(xué)具有重要的應(yīng)用價值，有效促進了教學(xué)改革與進步，如何在實驗教學(xué)中運用好虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為教育工作者關(guān)注的熱點。但受虛擬現(xiàn)實技術(shù)自身復(fù)雜性以及高校教學(xué)特點的影響，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)方面的研究和應(yīng)用目前還十分有限。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);光學(xué)實驗教學(xué);應(yīng)用

DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.27.297

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology，簡稱為VR）在教育教學(xué)中的應(yīng)用研究早在上世紀九十年代就開始了，身臨其境的體驗感、全方位的交互性、特殊教學(xué)環(huán)境的替代性等方面得到了學(xué)習(xí)者認可。隨著5G時代的到來，“5G+VR”用來提升教育品質(zhì)將會有更廣闊的前景。但是目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)中推廣還是遇到了諸多難題，如何更加有效地解決虛擬現(xiàn)實技術(shù)與當(dāng)前教育領(lǐng)域融合問題，是信息教育工作者應(yīng)該思考的問題。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展

隨著5G時代的到來，高速、穩(wěn)定、低延遲的互聯(lián)網(wǎng)將很好地支持虛擬現(xiàn)實技術(shù)的大數(shù)據(jù)量傳輸和瞬時交互，5G的全面推廣為虛擬現(xiàn)實技術(shù)廣泛應(yīng)用于教育提供了有利條件，“VR+教育”獲得了迅猛的發(fā)展。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于各階段教育發(fā)展勢頭良好但并不平衡。在高等教育領(lǐng)域，應(yīng)用VR 的教學(xué)實踐課程非常多，研發(fā)課程的人才資源豐富、資金充裕，VR 技術(shù)已經(jīng)很好地和很多專業(yè)培養(yǎng)相結(jié)合。在職業(yè)教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用也比較早，而且因其比較適合于技能型人才培養(yǎng)，加之國家對于職教的重視與投入使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職教中得到廣泛運用。學(xué)前教育階段孩子們學(xué)習(xí)壓力不大，VR 技術(shù)可以豐富創(chuàng)新學(xué)前教育的活動形式，因而也得到一定程度的應(yīng)用。相比較而言，基礎(chǔ)教育階段對于VR 的應(yīng)用較少，因為這個階段的教育受升學(xué)考試壓力影響，束縛了很多學(xué)校創(chuàng)新的熱情。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育教學(xué)融合的優(yōu)勢

VR教學(xué)帶來的沉浸感、交互性、想象性三大特征極大地克服了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的限制，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機，增強學(xué)習(xí)體驗，實現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識遷移。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育教學(xué)融合有以下幾方面優(yōu)勢。

2.1 沉浸式觀察學(xué)習(xí)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠讓學(xué)習(xí)者的感官沉浸在虛擬空間當(dāng)中，通過觀察認識新事物。例如：地理學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者可以在三維虛擬的空間中變換自己的觀測位置，能夠全面了解地理地貌，星際空間等。生物研究中，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓學(xué)習(xí)者感受到幾千萬年前的地球上的古生物。再如，當(dāng)前許多學(xué)校建立了虛擬校園漫游系統(tǒng)，應(yīng)用三維成像技術(shù)或者是Unity3D等三維軟件技術(shù)，建立了基于校園網(wǎng)的360度全景漫游的場景，讓使用者能足不出戶觀察與了解學(xué)校全貌。

2.2 多維交互式體驗實踐

在實際教學(xué)活動中，觀察學(xué)習(xí)有時候不能夠滿足學(xué)習(xí)者的需求。交互體驗可以增加學(xué)習(xí)者的實踐經(jīng)驗，這對學(xué)習(xí)者也很重要。例如，針灸專業(yè)學(xué)生針灸的經(jīng)驗遠遠不足，但是沒有那么多病人愿意讓初學(xué)針灸者嘗試。因此，該專業(yè)運用三維技術(shù)設(shè)計了一個場景，并且設(shè)計了有反饋可互動的虛擬病人，學(xué)生穿戴VR設(shè)備，進入虛擬空間后，根據(jù)觀察與提示的病人病情，選擇合適的針灸工具，然后對癥找準穴位進行虛擬針灸治療，虛擬病人會實時給出反饋信息，學(xué)習(xí)效果非常好。再如，基礎(chǔ)教育中物理化學(xué)實驗，也可以放到虛擬空間中，利用類似的交互式操作，觀測實驗效果。

2.3 特殊環(huán)境下的操作技能訓(xùn)練

在一些不便進入的特殊環(huán)境中，需要學(xué)習(xí)者進入虛擬空間學(xué)習(xí)與掌握一些特殊的技術(shù)，或者操作一些特殊設(shè)備。例如，航天員、飛行員的一些操控技術(shù)的學(xué)習(xí)，當(dāng)今的虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以很好地支持這些訓(xùn)練。同樣的，對于一些特殊車間的操作人員也是一樣，現(xiàn)在很多高校和職業(yè)學(xué)校特殊專業(yè)都有虛擬現(xiàn)實操作訓(xùn)練。特殊的還有像體育項目體驗，很多體育項目的練習(xí)也可以借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的具體應(yīng)用

虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)可以大幅度解決目前高校實驗室不足、建設(shè)實驗室成本高、實驗室使用頻率高導(dǎo)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(tǒng)的實驗室，成為新型的實驗室。

虛擬實驗教學(xué)的基本特點在于借助虛擬仿真設(shè)備營造仿真環(huán)境，在仿真環(huán)境中，實驗人的視覺、觸覺、聽覺等感受都可以最大程度實現(xiàn)“真實化”，而且人體會在這種“真實化”的刺激下做出相應(yīng)的反應(yīng)，這和傳統(tǒng)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(fù)制”，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中主要的運用價值表現(xiàn)在以下兩個方面：

3.1 交互性

用戶佩戴特制的頭顯設(shè)備進入虛擬環(huán)境之后，可以通過傳感裝置將對環(huán)境產(chǎn)生的感受和環(huán)境本身應(yīng)對人的行為所產(chǎn)生的反應(yīng)傳遞給實驗者，從而讓實驗者產(chǎn)生真實的體驗和感受。比如華中師范大學(xué)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”，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(fēng)吹植物、植物的搖動等。

3.2 浸入性

人在虛擬環(huán)境中的視覺和聽覺感受將取代現(xiàn)實中的感覺，虛擬設(shè)備能檢測到人的反應(yīng)，從而產(chǎn)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(fù)訓(xùn)練、軌道交通的設(shè)計制造及運行、可視化空間地理信息服務(wù)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(nèi)的事物。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中運用的前景展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)以及在實驗教學(xué)中的運用，對于高校實驗教學(xué)來說無疑是重大利好。虛擬技術(shù)所展現(xiàn)出來的良好的交互性和沉浸性，恰恰是傳統(tǒng)實驗教學(xué)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(tǒng)實驗室的相結(jié)合，必然成為未來高校實驗教學(xué)中的主流模式。虛擬技術(shù)對于實驗教學(xué)來說，目前已經(jīng)從輔助的地位開始逐漸上升到主導(dǎo)地位。

2018年，教育部公布了首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)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(xué)、實踐教學(xué)、實訓(xùn)教學(xué)的難題，也解決中國大學(xué)生動手能力不足這樣一個短板問題。”2020年，教育部將推出1000個“示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目”。

5 結(jié)束語

綜上所述，虛擬技術(shù)對于現(xiàn)有的實驗教學(xué)來說，是提高實驗教學(xué)的效率和質(zhì)量的最有效的手段，在未來的發(fā)展中，虛擬技術(shù)在實驗教學(xué)中所占的比重還將顯著提高，這對于提高我國實驗教學(xué)的質(zhì)量、鍛煉和提升學(xué)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(shù)[M].北京航空航天大學(xué)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.