虛擬現實與增強現實技術在“電工電子技術”課程實踐教學中的應用研究

史添添

關鍵詞：虛擬現實技術；增強現實技術；電工電子技術

1引言

信息革命已對人類社會的發展產生了重大影響，因此對各科專業來說，無論是專業建設、課程設計、教學環境還是教學手段，都需要不斷進行改革，都要從實際出發加強實踐。事實也證明，要培養一個具有創新能力的高素質人才，實踐教學地位十分重要。“電工電子技術”是高等學校理工科的專業基礎課程，其教學覆蓋范圍廣、教學知識體系連貫性強、教學應用范圍多元化，所以它不僅是學科基礎，更是一門專業性、操作性較強的課程，對于實踐能力的培養尤為重要。采用虛擬現實和增強現實技術來輔助完成“電工電子技術”課程的實踐教學，不僅能滿足不同學科對電學基礎實驗的要求，而且能滿足專業技術人員對電學基礎培訓的需求。

2虛擬現實技術與增強現實技術概述

虛擬現實技術是一種基于多媒體計算機技術、傳感器技術、模擬仿真技術的沉浸式交互技術[1]。具體而言，它就是利用計算機技術在構建的特定的虛擬環境下，借助配套的輸出設備為使用者提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗，進而使使用者與虛擬環境中的對象進行實時、無限制地交互，從而產生一種身臨其境的效果。

增強現實技術是以虛擬現實技術為鋪墊，進一步拓展研究而興起的。增強現實技術是在計算機的3D顯示和無限制交互的基礎上加入網絡定位追蹤技術，將真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的新環境，從而將虛擬對象置于現實環境中進行交流互動。

虛擬現實與增強現實技術的共同點都是基于現實實現的，利用計算機技術構造虛擬場景或將虛擬事物與真實場景進行結合，讓使用者有置身其中的感覺，通過穿越時空的方式進行交流增加了互動性、趣味性和真實感：區別是虛擬現實技術的場景是完全虛構的，輔助設備幫助使用者有感官上的真實體驗，而增強現實技術是將虛擬事物嵌套到現實場景中，是對現實場景的補充。

3虛擬現實技術與增強現實技術的特征

虛擬現實技術具有31特點，即交互性（Interaction）、沉浸性（Immersion）和想象性（Imagination），在這3大特征的加持下，有別于常見的計算機仿真技術。交互性是指根據現實世界構建一個虛擬世界，使用者在現實世界中的操作在虛擬世界中會得到響應，在虛擬世界中的操作在現實世界中也會有感官的體驗：沉浸性是指在虛擬世界和現實世界給使用者的體驗是否一致；想象性是指使人置身于虛擬環境中，利用場景提供的多維信息使使用者能夠獲取新知識，進一步深化對事物的認知，提高感性和理性的認識。

所謂增強現實技術，通常也是由3個突出特點構成：（1）虛擬事物和真實世界“無縫”結合，即虛實結合，把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、味道、觸覺等）通過計算機等科學技術[3]模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗；（2）在真實世界中確定虛擬事物的準確位置，即跟蹤定位，構建虛擬事物并利用追蹤定位技術呈現在真實環境中；（3）交互技術，即實時的交互性。

4虛擬現實技術與增強現實技術應用于教育領域的優勢

4.1激發學生學習的興趣

因虛擬現實和增強現實技術具有沉浸式體驗的特點，能夠讓使用者有真實的感官刺激，可以將知識三維立體化，不再局限于傳統的教學模式，利用跨地域、跨時空的優勢給使用者提供親身體驗和操作的機會，交互體驗有效地激發學生學習的興趣，進而加強對所學的知識進行系統的構建，從而實現對知識的掌握及應用。

4.2為學生的自主學習提供便利

虛擬現實和增強現實技術根據不同設備可以有多種教學資源，如網絡實景模擬資源、移動設備資源和立體紙質圖書資源等，學生不再受到時間、場地等外在因素的限制，可以隨時隨地地學習，并且這2項技術為在線使用者提供一個安全的實踐操作場景，既能讓使用者獲取課堂上未掌握的實操知識，又能讓他們嘗試原本不可能實現的事情，有效地幫助學生進行自主探究學習。

4.3完善資源建設

虛擬現實和增強現實技術為學習領域增加了另一個維度，讓原本無法創建的場景重新展示給使用者，將各地不均衡的資源進行二次構建，有效地規避了在現實世界中重建場景教學的費用，同時避免了在危險環境下操作的風險，為現實資源起到補償、完善的作用。

5“電工電子技術”課程實踐的特點及學情分析

“電工電子技術”課程的實踐性較強，以培養應用型人才為目標，傳統的電工類專業實踐教學模式通常采用圖片、視頻等讓學生認識各類設施設備，有條件的學校會購買一部分設備供學生操作或者帶學生去企業進行參觀實習。在這種傳統的教學模式下，學生實際操作的機會非常少，因時間和場地的限制，學生對設施設備的認識理解不夠深，無法將所學知識加以應用，而且學校的教學成本很高，風險也很大，并且隨著工業時代的不斷變革，電工電子技術也在不斷更新，但在實訓經費、場地和設備等因素制約下，很多更新的實訓項目無法實施，實訓內容已無法滿足當代大學生的實訓要求，因此導致很多大學生對這門課程失去了探索的興趣，進而影響了課程的教學效果。

而對于大多數普通高校的學生來說，他們自主學習能力不強，面對實踐性較強的科目既好奇又膽怯，創新意識薄弱，在有限的條件下很難對知識進行拓展學習和應用。但由于互聯網技術的蓬勃發展，他們對于新生事物的獲知速度和接受速度也在成倍增長，因此大家所關注的虛擬現實和增強現實技術能較好地調動學生的好奇心，建立起三維架構，以培養其創新精神。因此，應用虛擬現實和增強現實技術對完成“電工電子技術”課程實踐教學是十分必要的。

6虛擬現實與增強現實技術在“電工電子技術”課程實踐教學中的應用

虛擬現實與增強現實技術應用于“電工電子技術”課程實踐教學中，可根據教學任務建設虛擬設備、虛擬線路、虛擬儀表，對實訓設備認知、操作流程訓練等實踐內容進行交互式教學，學生由傳統的被動接收轉化為主動研究學習，以培養學生自主學習的意識。

本文著重對以下幾方面應用展開構想。

6.1安全用電

在“電工電子技術”課程實踐教學過程中要求學生以安全用電基本常識為基礎，掌握安全用電的基本技能，在實訓過程中獲得對交流電的安全使用的能力[4]。而為了避免學生在實踐過程中發生觸電危險，傳統的實踐教學形式是“教師講、學生聽”，在教師的指導下學生一步步的模仿完成，單純的模仿使學生無法得到充分的鍛煉，無法與真實的電工電子場景相契合。而虛擬現實和增強現實技術利用自身的優點可以彌補這種教學形式的不足，創設現實情境（如工廠），讓學生“以身試電”，通過切身體會提升學生的感性認知，讓學生在反復練習中懂得安全用電的重要性，并且在不斷訓練中激發創新意識和創新思維，培養其自主探究的能力。

6.2線路安裝故障排查

“電工電子技術”課程實踐要求學生掌握自主設計電子線路的方法，根據實踐中出現的現象，總結電工電路故障檢修的方法，完善電工電路檢修方案，提高檢修效率[5]。對于此知識點的訓練，傳統的實踐教學形式是“學生設計、教師檢查”，檢查驗收后方可進行操作，大多數學生在教師理論性指導下排除錯誤理解不到位，沒有機會大膽試錯，無法在試錯中得到成長。而利用虛擬現實和增強現實技術可以對線路安裝的故障資料進行收集，從而建立數據模型，學生可反復操作練習，既節約成本又可以讓學生在不斷糾錯中成長，有效提升實訓的教學效率，強化學生敢于嘗試錯誤的探索能力。

6.3電工電子儀器設備的使用培訓

實踐教學的特點是需要團體的支持，需要與外界環境進行溝通、協調[6]。為了使電工電子技術與工業變革相協調，可根據工廠的實際情況創設場景，讓學生置身于虛擬車間，讓學生在校就可以觀察儀器設備的工作狀況，以及每一個零部件之間的聯系，與車間技術人員共享信息，為學生提供一個能夠互動交流的虛擬平臺。這不僅使學生的好奇心和體驗感增強，更能以鮮活的方式傳授知識，使學生的學習興趣得到激發，有效地提高教師的教學效果。

7結束語

教學上采用虛擬現實與增強現實技術直觀性更強，虛實結合的優勢為學生提供與真實設備之間交流的機會，有效地幫助學生進行模擬操作，充分地發揮學生的主動性，跨時空、地點的體驗使學生的創新性得到提高，并且具有操作零風險、更新低成本等優勢，這些優勢必將推動越來越多的高等院校主動利用此技術來改變原有的教學方法和教學模式。