基于VR技术的“大学基础电子学实验”虚拟仿真实验模式探索——VR日光灯实验

林 宇

兰州大学信息科学与工程实验中心 甘肃 兰州730000

一、背景及解决教学问题的方法

2018年03月06日,教育部教育管理信息中心与微软中国共同宣布将在全国范围内针对高校及中高职院校启动虚拟现实技术(VR)教学应用培训及实验室建设项目,这是教育部在VR 领域又一新的重要举措。在高校,应用虚拟仿真技术建设实验室是实验室建设方面发展的趋势,在实践教学中势必会发挥越来越大的作用。

“基于VR技术的电工台虚拟仿真实验平台”(以下简称“平台”)是一种基于Web技术、VR 虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统,是现有实验室的数字化和虚拟化。该“平台”由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成,为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。“平台”与真实电工实验台类似,可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备,教师可以利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验,或实验案例。

“平台”的建设能够满足知识点呈现方式的升级需求,为教师提供更先进、适合、多元化的呈现方式;满足高难度教学目标的达成,能够突破时间空间的限制,解决教学重难点;满足教学实践操作的需求,消除了以往教学对学生人身安全、成本消耗的顾虑,亲自动手印象深刻;满足自适应探究学习的需求,利用VR 技术探索学习,有利于激发学生的创造性思维,解放教师生产力,培养学生的创新能力和自主学习能力。

二、简介及主要解决的教学问题

“VR基础电子学实验:VR日光灯实验”是“平台”的一个综合性强电虚拟仿真实验,比较符合VR 优势实现的三要素(危险性大、重复性强、成本较高),是实验中心在虚拟仿真实验资源建设的一个探索性研发及应用的试点。

“VR基础电子学实验”虚拟仿真实验模式的探索,从提升学生学习效率、辅助教师课堂实验教学为出发点,将VR 技术应用于在大学基础电子学实验课堂,解决了传统教学中存在时空情景、逻辑思维上的局限,学生对教学难点吸收困难,教学效率低等问题。

VR实验教学模式为学生带来的改变:

一是体验式学习,将抽象的知识具象化,想象力弱的同学对知识理解更深刻;二是更公平的环境,将抽象的知识具象化,想象力弱的同学对知识理解更深刻;三是兴趣强,全新的学习方式,寓教于乐,提高学习兴趣,学习动力提升;四是效率高,沉浸式学习环境直观、生动,信息量大,提高学习效率。

VR实验教学模式为老师带来的改变:

一是专攻难点,专为各个学科的教学难点提供VR解决方案;二是课堂专注,VR新奇学习模式,难点变得更有趣,学生走神率为零;三是教学效率高,每个学生都接受直观系统的难点讲解,大大提高课堂效率;四是创客基地,一键式进入教学难点,体系化解决教学难点。

三、创新点

发展是第一要务,人才是第一资源,创新是第一动力。将VR引入到大学本科基础电子学实验之中,摸索搭建虚拟仿真基础实验平台资源的路子,丰富在线实验教学资源,这在全国高校中属于首创。

5 G+VR发展趋势,以及在“新冠肺炎”疫情防控特殊期间作为在线教学支持的实验资源平台,都为虚拟仿真实验资源建设带来了机遇。

“VR日光灯实验”带来的实验教学科技发展,可以帮助老师从二维枯燥的文字描述、平面的黑板幻灯片讲解模式转变成丰富的三维可视化教与学新模式,让学习变得更加直观、生动、有趣和有效率。同时VR 以其可视化、沉浸感、交互性的特点使得实验教学从以教师为中心转变到以学生为中心,变“要我学”到“我要学”。

“VR基础电子学实验:VR日光灯实验”是“平台”整体解决方案的第一个强电综合性实验,它和传统硬件实验教学相比的优势:一是在理论知识教学方面,VR 光是能把抽象问题具体化这一功能,就足以傲视同行,这对于理论问题的思考同样也是起着良好的辅助作用;二是在实践技能训练方面,VR可以锻炼学生的操作技能,为他们提供身临其境的学习体验,强化了学生的课堂参与感,让学习变得更有趣、更安全、更活跃。

四、推广应用

一是用VR(虚拟现实)技术先去实现高校本科基础实验中,重复性多危险性大使用成本高有代表性的实验(比如电子学基础实验的强电实验,微波实验;化学基础实验的基本操作;物理基础光学实验;医学基础解剖实验等);

二是用AR(增强现实)去直观展示仪器仪表元器件的构造功能,AR可以把虚拟的图像和文字讯息与现实生活景物结合在一起,呈现效果会让师生惊艳不已、印象深刻。

三是现正在与兰大第一附属医院技能实训中心,洽谈VR/AR 推广应用到“腰椎穿刺术”和“妇科接生术”的合作项目,为让学生更快地熟悉最新的医学技能实训技术,跟上临床发展的步伐,为培养复合型医学应用人才做点实事。

四是将“VR日光灯实验”应用推广到甘肃省科协科普大篷车西部巡展等系列活动中,助力甘肃科普教育事业。

五、结束语

编剧:完成了“基础电子学实验电工与电路分析实验-日光灯实验”的“VR日光灯实验”剧本编写,并让设计人员反复观摩并操作日光灯硬件实验,通过不断交流沟通,使他们深刻领会该实验的灵魂,尽可能使“VR日光灯实验”设计在硬件实验继承的基础上有所创新。

监制:产品第一版刚出来,本人就边体验边提要求提意见建议,产品不断改进升级、先后开发了7个版本;最后阶段邀请信息学院领导、实验中心一线教师以及当年做过实验的同学深度体验,提出意见建议,继续改进。

验收:根据近二十年的实验教学经验,严格按照基础电子学实验教学大纲要求,本着求真务实,科学严谨的态度,高标准严要求地完成了第七版产品初步评审验收。“VR 日光灯实验”从实际使用情况表明,基本符合电工与电路分析实验辅助教学要求。