基于虚拟现实技术的实践教学初探

宋殿义 张炜 龚佑兴 陈玉材 易文安

摘  要：虚拟现实技术对高校实践教学具有重要的应用价值，能有效促进实践教学改革与进步，但目前虚拟现实技术在实践教学中的研究应用还十分有限。文章梳理了当前实践教学存在的5个问题，结合实际教学实例，从原理教学、实验过程和实训考核3个方面对虚拟现实技术应用于实践教学的优势进行了论述。归纳了虚拟现实技术的发展对未来高校教学的深远意义，提出了实践教学改革的构想与展望。

关键词：虚拟现实;实践教学;教学改革

Abstract： Virtual reality technology has an important application value to practical teaching in colleges and universities， which can effectively promote the reform and progress of practical teaching， but at present， the research and application of virtual reality technology in practical teaching is very limited. This article sorts out five problems in current practical teaching， combines practical teaching examples， and discusses the advantages of virtual reality technology in practical teaching from three aspects： principle teaching， experimental process， and practical training assessment. The far-reaching significance of the development of virtual reality technology to future college teaching is summarized， and the concept and prospect of practical teaching reform are put forward.

Keywords： virtual reality; practical teaching; teaching reform

一、概述

虚拟现实技术是一门综合计算机技术、多媒体技术、交互技术、传感技术以及人工智能等多种技术而形成的综合性技术[1]。自20世纪90年代以来，虚拟现实技术的研究和应用范围不断扩大，在发达国家中已得到深入研究和广泛应用[2]。近年来，我国政府部门、企业和高校等都加强了虚拟现实技术的研究和推广，目前在军事、航天、教育等不同领域中取得了一定的研究进展和成果[2-3]。

虚拟现实技术对高校实践教学具有重要的应用价值，有效促进了教学改革与进步，如何在实践教学中运用好虚拟现实技术成为教育工作者关注的热点[4-5]。但受虚拟现实技术自身复杂性以及高校教学特点的影响，虚拟现实技术在实践教学方面的研究和应用目前还十分有限[6]。

本文针对在当前实践教学过程中的需求进行评述，同时介绍了虚拟现实技术在实践教学中的应用优势，并提出了虚拟现实教学研究的不足以及进一步研究的重点。

二、当前实践教学的需求

实践课程强调原理与实践相辅相成，全面提升学生的实践能力、创新意识和综合素质。学生通过实践将知识与技能转化为解决问题的能力，深化理解理论知识，思辨实现知识创新。当前， 传统实践教学在教学模式、教学方法与实验过程等方面存在许多不足， 无法适应现代教育教学理念，主要有：

1. 原理教学抽象，学生理解难度较大。基础原理教学，授课内容枯燥，多数概念抽象，传统教学手段单一。仅凭传统教学或普通多媒体教学，学生对原理的理解深度不足。一方面，部分学生的空间能力不强，对三维图像和二维图像的相互转换不能很好掌握，原理学习进度慢、效率低。另一方面，学生对于部分创新设计课程和新颖课程，缺乏相关知识储备，很难快速深入理解。

2. 教学资源不足，整体资源利用率不高。随着我国综合国力的不断增强、科学技术在社会生产中的广泛应用，各类高新技术装备研发周期逐年缩短，每年有大量高新技术仪器和设备投入应用。然而，高校实验仪器主要集中在部分“985工程”“211工程”高校和教育发达地区，仪器设备分布不均。部分设备使用限制条件多，体积较大场地受限，造价高昂资金受限。资源不足导致老师和学生互动交流有限，学生实际动手机会较少。而利用虚拟现实技术可以解决资源不足、场地受限和分布不均等问题。

3. 傳统教学创新难度较大。传统教学实践受时空限制，难以进入宏观或微观世界进行探索和发现。而利用虚拟现实技术可以模拟日常难以实现的事情，从而实现培养学生创新精神和能力[7]。

4. 缺少团队协作和跨专业交流。随着实验仪器复杂程度增加，前沿交叉学科发展，许多实践操作需要团队协作和沟通交流才能顺利完成，而传统教学实验缺少协作能力锻炼，单人或以部分人为核心就能完成整个实验，与实际不符。利用虚拟现实技术可以实现团队协作的信息互通、实时交互，培养学生的团队协作能力和沟通能力。

5. 考核形式单一，检验反馈较差[8]。目前实践教学考核通过理论测试或进行实验操作查看结果，无法判断学生实际能力和综合素质。

三、虚拟现实技术在实践教学中的应用优势

高校实践教学中，学生人为控制实验变量，引导实验过程和结果的变化，再通过对实验的观察、记录、分析、讨论、设计等，提升实践能力和综合素质。虚拟现实技术与高校实践教学具有很高的契合度，将虚拟现实技术引入到实践教学中，能使课程内容的直观性和实践性都得到极大的提高。为满足现阶段实践教学中的需求，下面将结合实际教学实例，从原理教学、实验过程和实训考核3个方面对虚拟现实技术的应用优势进行论述。

（一）在原理教学中的应用优势

实验教学是巩固原理知识和加深对原理认识的有效途径，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力和综合素质的重要平台[9]。通过实验教学，学生可以对相关的原理知识有更直接的理解和认识。

由于教学环境的限制，复杂精密模型和大体积模型很难在课堂上展示。而通过3D_MAX等软件和VR眼镜等硬件设备，建立可进行结构拆装和工作原理演示的结构训练系统，使学生能够近距离感知设备仪器的整体结构和细节结构，还能够根据需要对虚拟模型进行拆装和分解，使得学生尽快掌握仪器的内部构造和运行原理，增强教学直观性。如手榴弹投掷科目，首先对该型手榴弹的结构和功能进行分析，将手榴弹分解为弹体、发火机构、保险机构三个结构和功能相对独立的子系统，结构树如图1所示。传统教学讲解该内容时形式枯燥，不易掌握理解。而应用虚拟现实技术建立可进行结构拆装和工作原理演示的结构训练系统，如图2所示，使得受训者了解结构、掌握工作原理更加简单。实践表明，虚拟现实技术让抽象复杂的算法概念、内部结构变得直观易懂。

（二）在实验过程中的应用优势

1. 高效利用实验资源

在实验教学中，要全面提高学生的实践能力和创新能力，首先要进行教学资源保障，提高整体资源利用率。由于部分贵重设备数量少、造价高，如果要完全满足训练需求，必定耗资巨大，还可能会受到场地及技术的限制而难以全部实现，因此在仪器设备操作中应用虚拟现实技术具有很强的现实意义。一是利用现有设备仪器，通过虚拟现实技术，实现对部分贵重仪器设备的数字虚拟化，包括样本输入输出统一化、采样分析集成化，通过互联网或局域网实现共享，提高学生对仪器设备的实际掌握能力。二是模拟现有设备仪器，通过虚拟现实技术建立起相应的试验平台，进行模拟教学。对于教学需求多的仪器设备，或者多人进行操作的设备，可以利用软件的可复制性，建立多套虚拟操作系统，既节约经费，又可满足跨区域教学需要，提高资源利用率。

2. 提高实验创新和构建设计能力

实验构建和创新是将理论学习的知识应用到实践中，再从实践中通过主观分析、思考，进行自主设计的过程。通过虚拟现实技术，学生能够直接感知在实际生活中无法观察到的自然现象和事物的变化过程，得到逼真的感观体验与实践经验。随着教学进程的展开，学生的主动意识不断提高，自主实验要求开始出现，实践教学活动逐步转化为学生自主设计实验、控制实验变量以反观察分析实验结果，从而引发新一轮实践活动开展，形成良性循环。这类教学形式充分利用学生的综合知识应用和大胆猜想，激发学生的创新活力，加深对基础理论的认识，从而得到知识的升华。这不仅能锻炼学生创新能力，还能提高学生动手能力和理论水平，使学生综合素质得到提高。

3. 培养实验协同和沟通交流能力

团队协作和个人沟通能力在实践教学中日益重要，复杂实验需要明确的分工和密切的配合才能顺利完成。协同交流是实验教学中的基本内容，包括师生之间和生生之间，为师生提供相互独立又相互影响的虚拟环境具有重要意义。通过虚拟现实交流模块，学生之间、师生之间可以进行组合搭配，教师能实时了解学生学习情况和操作进度，学生及时反馈存在的疑惑，从而增强协同交流。利用虚拟现实技术可以实现团队内或团队间的信息互通和实时交互，共享实验结果和经验，科学讨论分析等一系列活动，从而提高学生团队协作能力和沟通能力。

（三）在实践考核中的应用

虚拟现实技术注重实践，培养学生的实际操作能力，在考核方法上，可将理论笔试改为实践操作考核，增加考核的科学性和可信度。实践考核基于虚拟现实技术，借助软硬件设备，学生可获得接近于真实条件下的考核体验。另外，依托大数据分析和交互技术，可对实践考核数据进行相关指标的科学分析，实时显示实践考核状态下的各项数据和分析结论，判断学生对课程的掌握情况，查找问题，分析存在不足，便于指导反馈和考核验收。

四、结束语

长远来看，虚拟现实技术的发展将对未来高校教学产生深远影响，充分体现其可行性和前瞻性，但目前仍有许多问题有待进一步研究和探讨。

（一）统一标准，推动优质资源共享

虚拟现实技术在实践教学中的应用将会引来巨大变革，其建设发展是一个系统而漫长的工程，需要全盘考虑、稳扎稳打。现阶段，科研单位和高校自行研发虚拟现实技术，缺少系统的硬件、软件标准，导致各体系互不兼容且更新换代慢，研发多而维护少，存在资源浪费的现象。因此推动虚拟实践教学建设工作中，要注重对外展现和使用的统一化，注意虚拟技术的接口统一化，逐步实现虚拟技术开发标准的统一。

（二）推动人才队伍建设

教学团队是保障教学顺利实施的核心资源。虚拟现实技術环境下的教学，不仅要掌握实践教学的原理和操作，还需要掌握虚拟现实技术软件的研发和维护建设，对于人才的要求高，培养周期长。对高校教学研究和改革人员要保持高度关注，注重虚拟现实技术和人才培养的深度融合，推动高等教育教学与现代信息技术的深度融合。

（三）注重细节，落实实践教学效果

由于现阶段虚拟现实技术缺乏逼真的行为模型，无法提供真实环境的全部感官刺激，因此需要在流程操纵和体验上更加完善。为了使虚拟现实技术中的实践教学体验尽量接近于真实操作，在设计相应的虚拟模型时，需要考虑各个细节。而虚拟训练系统实际操作的事项应比课本内容更为多样，引导学生发散思维，充分激发学生创造力，提高教学效果。

（四）虚实结合，坚持“实际为主，虚拟为辅”的根本原则

虚拟现实技术结合相应的硬件设备，利用其沉浸式操作可使学生身临其境，从而大大提高学习的效率，并且针对不同学生掌握程度的差异，因材施教。但是需要明确的是，虚拟现实技术仅仅是一种辅助的教学手段，虚拟现实教学的模拟需要预先设定，因此只能得到相对应的结论，不能代替有创造目的的教学任务，也不能体验和解决真实操作科目中出现的问题。实装训练操作及示范是装备教学的重要环节，必不可少。“实际为主，虚拟为辅”的主次地位不能改变，将其与虚拟现实技术有效融合在一起，相辅相成，才能够发挥实践教学的最大效果。

参考文献：

[1]孙柏林.虚拟现实技术在美国军队中的应用述评[J].计算机仿真，2018，35（01）：1-7.

[2]周丹.VR技术的发展现状及应用领域研究实践[J].电子技术与软件工程，2018（17）：147-148.

[3]张旭辉，王妙云，张雨萌，等.数据驱动下的工业设备虚拟仿真与远程操控技术研究[J].重型机械，2018（05）：14-17.

[4]叶步伟，马德俊.虚拟实验技术及其在远程教育当中的应用[J].继续教育研究，2011（06）：79-82.

[5]郭丰，李松林.高校数字媒体专业虚拟现实课程体系建设构想[J].现代教育技术，2012，22（04）：93-96.

[6]杨少曼.虚拟现实技术在高校实践教学中的应用[J].轻工科技，2018，34（09）：81-82.

[7]高东锋，王森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略[J].中国高教研究，2016（10）：56-59.

[8]李平.推进虚拟现实技术应用提高高校教育教学质量[J].实验室研究与探索，2018，37（01）：1-4.

[9]吴群彪，方海峰，范纪华，等.基于VR/AR技术的机械课程教学方法探索[J].机械设计，2018，35（S2）：432-434.