虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的難點(diǎn)剖析

喬志明，俞衛(wèi)博，趙 然，張 力

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 河北 石家莊 050003）

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)能夠利用計(jì)算機(jī)對(duì)三維現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬，用戶借助必要的設(shè)備儀器實(shí)現(xiàn)與“虛擬世界”的交互，產(chǎn)生接近真實(shí)環(huán)境的體驗(yàn)和感受。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件水平的提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于教育領(lǐng)域，逐步發(fā)展成了一種新的教學(xué)手段。

作為教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是理論教學(xué)的延續(xù)與支撐，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的基本方法。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的典型形式，它可以營造輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者在虛擬的環(huán)境中完成各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，得到接近真實(shí)甚至優(yōu)于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合具有重要的意義，同時(shí)，作為一種較新的教學(xué)手段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展也面臨很多問題。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，是指學(xué)生利用儀器設(shè)備，人為控制條件使實(shí)驗(yàn)對(duì)象發(fā)生變化，進(jìn)而通過觀察、測(cè)定和分析，獲取知識(shí)，培養(yǎng)能力。與理論教學(xué)相比，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往更注重增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握；更注重培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力，發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性；更注重激發(fā)靈感和興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)效果上具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特點(diǎn)，與實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的契合程度更高，為進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提供了更多可能性；同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)信息化程度高，為解決信息傳輸及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)硬件問題提供了新的方法。

1.1 創(chuàng)新教育方法

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)科技性強(qiáng)、信息化程度高，極大豐富了實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)的方法和手段。一方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可構(gòu)建豐富、直觀的感官環(huán)境，提供多種人機(jī)交互方式，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形象性、趣味性，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。另一方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)因其虛擬性，對(duì)實(shí)驗(yàn)專用設(shè)備、儀器、試劑、環(huán)境等條件要求不高，這使得更多實(shí)驗(yàn)可以在理論教室根據(jù)教學(xué)需要隨時(shí)進(jìn)行模擬，不需要專門安排實(shí)驗(yàn)室，節(jié)省了學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間，提高了理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的程度。根據(jù)需要，教師還可以把通用計(jì)算機(jī)能夠虛擬的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目放在互聯(lián)網(wǎng)上，以豐富學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等課下學(xué)習(xí)的方式方法。

此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入為顛覆式課堂、翻轉(zhuǎn)課堂等新的教學(xué)理念落地提供了條件，使教學(xué)更加契合學(xué)生需求，突出了“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。

1.2 完善教學(xué)內(nèi)容

教師可以基于實(shí)驗(yàn)原理，在時(shí)長(zhǎng)、難度、規(guī)模、內(nèi)容等方面合理設(shè)計(jì)和改造實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使得一些傳統(tǒng)課堂上無法完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得以實(shí)施，從而補(bǔ)充完善教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。

此方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：現(xiàn)有技術(shù)條件下無法真實(shí)開展的實(shí)驗(yàn)，比如物理上微觀世界的模擬、醫(yī)學(xué)上人體的暢游、軍事教學(xué)上的模擬對(duì)抗等；一些試驗(yàn)周期過長(zhǎng)，不便于在教學(xué)過程中展開實(shí)驗(yàn)的，比如材料學(xué)上金屬的銹蝕實(shí)驗(yàn)、化學(xué)上部分較慢反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、一些社會(huì)學(xué)實(shí)驗(yàn)等；一些高風(fēng)險(xiǎn)或極端環(huán)境的實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)實(shí)中不便直接安排學(xué)生做的實(shí)驗(yàn)，比如工程上部分高電壓、強(qiáng)輻射實(shí)驗(yàn)等。

1.3 突破硬件局限

對(duì)于一些雖然可以做真實(shí)實(shí)驗(yàn)但代價(jià)較大的項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于突破了真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的硬件限制，可重復(fù)性和開放程度都大幅提高，而費(fèi)用大幅降低，便于學(xué)生進(jìn)行強(qiáng)化練習(xí)，提升實(shí)踐能力。

此方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備貴重且教學(xué)資源較少，實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)有限的實(shí)驗(yàn)；長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境、人體等有損害，不便于重復(fù)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)損耗過多，重復(fù)實(shí)驗(yàn)成本較大的實(shí)驗(yàn)。

將真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬，一方面，學(xué)生可在真實(shí)實(shí)驗(yàn)展開前反復(fù)虛擬練習(xí)，提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果；另一方面，可減少需要進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成本，以較小的代價(jià)提高學(xué)生熟練程度，比如醫(yī)學(xué)生的模擬手術(shù)培訓(xùn)、軍事武器裝備的模擬操作。

1.4 擴(kuò)大開放共享

部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可基于通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的桌面化虛擬，并接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)開放共享，促進(jìn)教育資源的優(yōu)化調(diào)配。

第一，網(wǎng)上課程建設(shè)角度。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，網(wǎng)上教育資源越來越豐富，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可作為網(wǎng)上教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)的重要內(nèi)容，與慕課（MOOC）等理論教學(xué)資源配套使用，相互補(bǔ)充，大幅提高教學(xué)效果。

第二，學(xué)生自主學(xué)習(xí)角度。學(xué)生可根據(jù)需要自主選擇、組合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)揮主觀能動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

第三，教育公平角度。課程的公開化使得相對(duì)落后地區(qū)學(xué)校的孩子更方便接觸到優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，拓寬他們的視野，這在一定程度上進(jìn)一步促進(jìn)了教學(xué)公平。

2 虛擬仿真試驗(yàn)發(fā)展中的難點(diǎn)問題剖析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合雖經(jīng)歷長(zhǎng)期發(fā)展，形成了大量的研究與應(yīng)用成果，但是，兩者結(jié)合后的大面積推廣并沒有完全展開，未獲得全面的實(shí)踐檢驗(yàn)。因此，我們必須基于提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的出發(fā)點(diǎn)，正確看待其局限性，認(rèn)識(shí)其在發(fā)展中存在的問題。

2.1 資源統(tǒng)籌難度較大

虛擬現(xiàn)實(shí)的形式和實(shí)現(xiàn)手段豐富，基本形式就有桌面式、沉浸式、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)式、分布式4 種，軟件開發(fā)平臺(tái)有Virtools、Quest 3D、VR-Platform、Unity 3D 等，語言、視覺、觸覺等方面的虛擬工具更是層出不窮，開發(fā)語言也是多種多樣。同一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以有多種建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)的效果也有很大不同。

目前，由于建設(shè)經(jīng)驗(yàn)偏少，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本都是院校和教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于教學(xué)需要委托企業(yè)來做，所以出現(xiàn)了大量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重復(fù)策劃、重復(fù)建模、重復(fù)建設(shè)的情況。這樣不僅浪費(fèi)了大量的人力、物力資源，而且由于建設(shè)方案多種多樣，無法在教學(xué)評(píng)價(jià)上達(dá)到一致，統(tǒng)籌難度較大。

2.2 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目雖發(fā)展迅猛，但與實(shí)際需求相比還形不成規(guī)模，多數(shù)學(xué)校和老師的經(jīng)驗(yàn)比較匱乏，基于其開展教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)則更少，沒有形成統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常由各院校的不同教學(xué)團(tuán)隊(duì)與軟件開發(fā)企業(yè)進(jìn)行溝通，合作開發(fā)制作。在此過程中，一方面，企業(yè)發(fā)展良莠不齊、水平不一，開發(fā)方法和思路千差萬別；另一方面，教師對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新發(fā)展水平認(rèn)識(shí)普遍不夠，其教學(xué)思路、教學(xué)設(shè)計(jì)在軟件上的體現(xiàn)程度不同，即使是相同實(shí)驗(yàn)的軟件，在不同版本之間，設(shè)計(jì)風(fēng)格、交互程度、內(nèi)容安排、考核方法等方面差距也較大。而不同的軟件設(shè)計(jì)策略又直接影響課程培養(yǎng)方案的設(shè)計(jì)和教學(xué)評(píng)價(jià)體系的建設(shè)。

此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)更新周期短，其產(chǎn)品也容易隨著技術(shù)的發(fā)展而落伍，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案也容易快速被淘汰，較難實(shí)現(xiàn)教學(xué)能力的內(nèi)涵式轉(zhuǎn)化。

2.3 專業(yè)人才力量不足

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合是信息技術(shù)與教育教學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合，一套合理、有效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須是既基于教學(xué)需求，又充分運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)。完全依賴企業(yè)進(jìn)行研發(fā)，則會(huì)導(dǎo)致軟件系統(tǒng)不能滿足教學(xué)要求，實(shí)現(xiàn)不了教學(xué)效果；完全依托高校來實(shí)現(xiàn)，則不能充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)牽扯教師大量精力，得不償失。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)研發(fā)企業(yè)“井噴式”發(fā)展，專業(yè)領(lǐng)域人才越來越多，但既會(huì)開發(fā)系統(tǒng)軟件又懂教學(xué)理論的學(xué)科交叉領(lǐng)域人才太少，基于某一實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目需求去開發(fā)高水平系統(tǒng)軟件的難度較大，虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)“精品”項(xiàng)目還比較少。

2.4 技術(shù)發(fā)展不夠全面

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的發(fā)展局限性比較大。例如，其雖然在視覺方面的模擬能力越來越強(qiáng)，然而對(duì)聽覺、觸覺的模擬還比較弱，對(duì)味覺的模擬更是非常困難；對(duì)一些隨機(jī)事件的虛擬算法研究還需要加強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的各類突發(fā)情況分析沒有成熟的模擬方法。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目結(jié)合程度還不夠高。由于專業(yè)性較強(qiáng)，又涉及多學(xué)科多領(lǐng)域，技術(shù)可靠性、穩(wěn)定性往往不足，多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬效果與真實(shí)條件相差較遠(yuǎn)，吸引力與有效程度都比較低。

2.5 配套建設(shè)比較薄弱

在系統(tǒng)硬件建設(shè)方面，由于高水平的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建設(shè)對(duì)硬件的要求比較高，而把高水平虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)室教學(xué)則成本偏高。因此，目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)普遍存在延時(shí)偏長(zhǎng)、分辨率不夠高、顯示效果不夠好等問題，建設(shè)水平偏低。多數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為水平偏低的簡(jiǎn)單桌面式虛擬，部分高校雖建設(shè)了沉浸式、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)式、分布式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但教學(xué)轉(zhuǎn)化程度普遍偏低，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有起到應(yīng)有的效果。

在建設(shè)方法研究方面，關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究還比較少。目前，基于虛擬平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)不成體系，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)方面的實(shí)際效果尚未得到實(shí)踐檢驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的比重關(guān)系、與理論教學(xué)補(bǔ)充關(guān)系的相關(guān)研究十分薄弱，虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的特殊作用尚未完全凸顯出來。

3 小結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合創(chuàng)新了教育方法、完善了教育內(nèi)容、突破了硬件局限、擴(kuò)大了開放共享、極大豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵。但是其發(fā)展仍具有局限性，主要問題是資源統(tǒng)籌難度較大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一、專業(yè)人才力量不足、技術(shù)發(fā)展不夠全面、配套建設(shè)比較薄弱等，仍需教師進(jìn)一步深化研究，以提升虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用水平。