淺談虛擬現實技術在教學實踐中的應用＊

無錫商業職業技術學院 楊夢希

人工智能、虛擬現實技術等一批代表性的前端科技已經部分應用到各行各業中，給生活帶來日新月異的變化。在教育領域，部分高校及相關機構已經開展了初步研究，但大都處于初級階段。目前，各國都在大力推進未來教育，虛擬現實技術是實現教育現代化的主要發展方向之一。本文首先簡述了虛擬現實技術的發展狀況，介紹了常用的虛擬現實技術的開發工具。然后從現有的教育教學入手，指出了當前教學中存在的問題，同時亦闡述了虛擬現實技術引入教育教學中的優缺點，以便更好地適應教育教學改革和未來的變化。最后文章著重闡述了虛擬現實技術在教育教學中的一些應用場景，有助于各專業教師實現教學目標，提高學生學習興趣及動手能力，適應與時俱進的教學方式，幫助其更好地理解和掌握教學內容。

當前，數字技術地飛速發展帶來了日新月異的變化。人工智能、虛擬現實技術等一批代表性的前端科技已部分應用到生產及生活中。目前，國外等一些國家都在大力推進未來教育，通過信息化重塑教育的基礎設施、課程與教學，并不斷深化核心素養研究，引導教育變革向前大步邁進[1]。

1 虛擬技術的發展

虛擬現實（Virtual Reality）簡稱VR，是通過運用計算機圖形學、計算機仿真技術、傳感技術、人工智能等新興信息技術，利用可視裝備將客觀上存在或并不存在的東西呈現在眼前的一種新技術[1]。目前，該技術較多的運用在游戲方面，并且趨向于成熟，而在教學方面的應用，還處在待開發的狀態。

目前，常用的虛擬現實技術開發工具主要有:Java、QTVR、VRML、ActiveX 等。另外SGI 公司的三位圖形接口OpenGL 支持圖形變換、像素操作、光照等計算機圖形算法，具有獨立的硬件平臺、強大的建模功能、真實感強的場景及交互性強的優點。

2 目前教學中存在的問題

2.1 教學手段單一、枯燥

在現有教學過程中，特別是車輛工程、建筑設計、理化試驗等方面，純粹照著書本傳授知識已無法滿足目前學生的需求。書本、PPT 等教學手段主要是以理論教學為主，強調理論知識的灌輸。但是現實情況是教材內容往往與市場主流存在偏差，市場上最新的內容不能及時快速地在書本上體現出來。

2.2 教學過程中學生參與不足，互動性差

教學手段的單一，往往導致老師在課堂上費心費力的講解，而下面聽課的同學半知半解。老師和學生對授課內容認知上的差異導致學生在學習過程中處在被動的狀態，不能有效快速地理解授課內容，久而久之任其自然。

2.3 一些需要實踐的科目，缺乏充分的鍛煉導致動手的能力欠缺

有些科目，比如車輛工程，在教學過程中，為了讓學生能充分地了解各類汽車設計原理及構造，一些條件較好的學校會將車輛模型或者部件帶入課堂，但是，有些項目需要學生在實踐中接觸實物、動手操作才能充分掌握。當一些教學設備價格昂貴、安全性存疑時，很難讓學生得到充分的鍛煉，從而難以提高動手能力。

3 虛擬現實教學應用中的優缺點

虛擬現實技術可以建立一個多感知、沉浸式和交互性的立體感知場景。在課程教學過程中引入虛擬現實技術，特別是一些動手操作性的課程，具有以下幾點優勢。

3.1 可編程，適應性強

虛擬現實技術可以根據不同需求創建不同的實地情景模式，教學時可根據實際需求開發相應的情景模式。比如，汽車、農機工程類專業、電氣工程及其自動化專業、藝術設計專業等，均可開發相對應的實地情景模式，模擬一些類似于發動機組裝、高壓放電、室外寫生等，讓學生在真正實踐前先在虛擬世界得到充分的鍛煉。

3.2 低成本可重復性

利用虛擬現實技術開發出相應的實地情景模式后，不管是老師教學也好、學生課后練習也好，可實現多次重復利用。隨著市場技術的更新、改進，也可以相應地調整實地情景模式，使之能快速與市場接軌，從而使老師能教授最新的技術，學生能學到實用的本領。

3.3 提高學生學習的樂趣

利用虛擬現實技術，可以創設一個生動的場景，調動學生探索新鮮實物的興趣，提高學習熱情。如果在上課的時候，利用虛擬現實技術，讓學生體驗身臨其境般的操作，并且操作結果能實時反饋給學生，可以指導學生及時糾錯。重復演練，直至得出滿意的結果。

3.4 培養科學的興趣

良好的體驗同樣能激發學生的求知欲。如果有恰如其分的引導，可以讓學生對虛擬技術本身產生興趣，在其心中種下對新技術探求的萌芽。興趣愛好是科學探索的動力源泉，由此推動的學習動力，能起到事半功倍的學習效果。

當然，雖然虛擬現實技術已經完善到一定程度，但是將其運用到教學實踐中還是存在著不足之處，主要有以下幾點。

3.4.1 課件開發成本相對較高

當前利用虛擬現實技術開發的課程成本還是比較高的，主要是硬件VR 眼鏡和軟件開發成本價格相當高。如果在教學中大量引入虛擬現實技術，引進初期所需要投入的軟、硬件費用會相當高昂。因此，初期引入一些簡單移動的課程，比如汽車駕駛實習，既可以提高學生的興趣度，又可以達到寓教于樂的目的。

3.4.2 教育資源質量參差不齊

虛擬現實技術在教學中一般采用新老教學方式結合的模式。資源充足的學校，可以在一些典型的課程或者重要的課程上采用虛擬現實技術開發專門的系統提供給老師[2]。但是資源不足的學校，也許只能象征性地推出一些市場上常用的通用情景模式，提升一下學生的學習興趣。

3.4.3 虛擬現實技術對硬件的要求較高

虛擬現實技術地實現必須配備相應的硬件設施，比如，頭戴顯示器、洞穴Cave、VR 前庭系統輸出設備以及體感輸出設備等。相對來說，頭戴顯示器比較便宜，但其他輸出設備相對昂貴，大規模的裝備可能性較低。

4 應用場景

虛擬現實技術可在教學實踐的多個方面得到應用。常見的應用場景有情景體驗、教學試驗、教學培訓等。

4.1 情景體驗

利用虛擬技術實現虛擬場景教學，不僅可以幫助學生體驗社會生活，而且可以幫助學生充分理解生活的常識和道理。現有的教育模式下，很多教學模式還處于簡單的說教，內容枯燥，無法引起學生的共鳴。比如，初中課程《道德與法治》，教授的內容主要是愛國、社會禮儀、人生哲理等。如果上課的形式主要是照本宣科的話，即使這些內容并不復雜，但是對于一群處于青春叛逆期的少年來說，理解并接受的程度顯然會大打折扣。如果可以引入虛擬現實技術，將一些課程內容制作成虛擬體驗場景，比如，體驗闖紅燈的情景模式、體驗魯迅文章《藥》之中人血饅頭的情景模式以及體驗《駱駝祥子》的苦難等。這樣的新生事物，能讓現在這些從小接觸電子產品的少年們產生興趣，用理論聯系實際，身臨其境地感受生活，領悟社會生活的真諦。另外，一些常識教育，如交通規則遵守、垃圾分類實施等，同樣可以制作成虛擬體驗場景。學生可以通過體驗闖紅燈的后果的情景體驗，深刻理解遵守交通規則的重要性，親身體驗總比口頭說教更難忘懷。同樣，垃圾分類教育也應從小教育，任何人如果體驗到垃圾滿地，蒼蠅蚊子滿天飛的場景，都會在扔垃圾的那一刻提醒自己要按照不同垃圾不同分類。

4.2 高危理化試驗操作

在實際教學中，經常會有一些危險性較高的試驗，有著較高的安全要求。現實操作時存在的各種擔憂可以通過運用虛擬現實技術來避免。教師和學生可以從物理、生理等各個層面深度投入，集中注意力，增加學生思考的能力和師生互動，達到提升教學效率、提高教學安全性的目的[2]。比如，醫學院涉及到微生物、病毒類的實驗課程，其操作環境有特殊實驗要求，存在安全隱患。如果在該實驗課程中引入虛擬現實技術，學生和老師可以同步展開虛擬實驗，可有效解決實驗中存在的操作性、安全性等溫度，確保實現教學要求。一些高溫、高電壓、高輻射的危險性操作內容，如圖1 所示，同樣也可以引入虛擬現實技術，通過多次模擬練習積累經驗后再操作，能減少傷害，大幅提高操作成功率。

4.3 高價值物品操作練習

在一些實訓中，虛擬現實技術也能大放光彩。比如車輛工程，當前大部分高職院校的車輛工程還是以理論教學為主，主要通過課堂教學和灌輸理論知識，教授的內容也相對比較老舊，未能跟上技術前沿[3]。當前電動汽車技術趨向于成熟，電動汽車銷量大幅上升，國內保有量已經高達數百萬輛，但是學校的教材對此涉獵不多。如此數量電動汽車的生產、維修及保養，都需要大量的配套人才[3]。如果利用虛擬現實技術開發電動汽車相關的課程，能有效練習電動汽車拆裝實習（如圖2 所示）、電動汽車維修實習等一系列課程，避免了大量采購當前比較昂貴的電動汽車造成的成本負擔，也減少了高價值物品的損耗。

圖2 虛擬環境下電機拆裝Fig.2 Motor disassembly in virtual environment

4.4 異地虛擬現實教學

虛擬現實技術可以實現異地多人教學。現實生活中各種不可控因素（天災、成本考慮等）可能會引起人員流動的不便，這就可以利用虛擬現實技術來解決這樣的問題。基于互聯網，分屬不同空間的師生可以通過虛擬現實頭盔同處一個虛擬空間，能夠進行實時同步教學，實現遠程互動教育。舉例來說，身處學校教室的醫學院學生，可以通過虛擬現實技術實現在醫院手術室身臨其境的手術操作，如消毒、固定、縫合等，獲得初步動手能力。

4.5 與用人單位協作，提前適應操作需求

學校可以利用虛擬現實技術提前與企業協作，培養企業需要的人才。大型企業的定向委培學生或者一些就業方向比較固定的學生，如車輛專業、電力專業等方向，學校可以和企業建立合作關系，共同培養學生。按照企業的用工需求，兩者可以共同開發適合的場景，比如，發動機專業、芯片設計等，需要分析、組建高精尖技術的培訓。

5 總結

虛擬現實技術在教學中可應用的場合很多，情景體驗、高危理化試驗操作、高價值物品操作練習、異地虛擬現實教學等都是其適用的模式。通過虛擬現實技術，學校可以節約教學成本、提高實踐教學的安全性、激發學生的積極性和參與性并大幅提升動手能力。本文介紹了虛擬現實技術的發展現狀，探討了虛擬現實技術引入教學實踐中的優缺點，著重描述了虛擬現實技術在教學中的應用場景。當然，本文所探討的內容尚需通過實踐來檢驗，但是在教學過程中引入虛擬現實技術是未來發展趨勢，虛擬現實技術將在未來的教育領域中得到越來越多的應用。