虛擬現(xiàn)實(shí)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 ?要： 作為高等教育的一個(gè)重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中獲取知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，并促使他們專業(yè)能力的形成。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，也發(fā)揮出極大的價(jià)值。為此，本文首先就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響進(jìn)行分析，再重點(diǎn)論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以期推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度融合，更好地發(fā)展學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 高校;實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號(hào)： G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.016

本文著錄格式：杜坤. 虛擬現(xiàn)實(shí)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 軟件，2019，40（12）：7072

Application of Virtual Reality in Experimental Teaching in Universities

DU Kun

（College of Education Science and Technology，Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， 210023， China）

【Abstract】： Experimental teaching is an important part of higher education. With relevant experimental instruments and equipment， students can acquire knowledge and promote professional ability through practice. With the continuous development of virtual reality technology， it has been widely used in experimental teaching in Colleges and universities， and has also played a great value. Therefore， this paper firstly analyses the influence of virtual reality technology on experimental teaching in Colleges and universities， and then focuses on the application of virtual reality technology in experimental teaching in Colleges and universities， in order to promote the deep integration of experimental teaching and modern information technology in Colleges and universities， and to better develop students' professional quality.

【Key words】： Colleges and universities; Experimental teaching; Virtual reality technology; Application

0 ?引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)讓用戶進(jìn)入一個(gè)仿真的現(xiàn)實(shí)虛擬世界中獲得相應(yīng)的體驗(yàn)[1]。用戶與虛擬世界中的實(shí)體對(duì)象在有效互動(dòng)時(shí)需以交互設(shè)備為支撐，猶如身臨其境。這屬于一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)，得到了越來(lái)越多人的認(rèn)可，公眾無(wú)需出門就能獲得相應(yīng)的戶外體驗(yàn)。近年來(lái)該技術(shù)在高校教學(xué)中得到了越來(lái)越多的重視和應(yīng)用，也獲得了一定的成效。

1 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響分析

1.1 ?沉浸性特點(diǎn)有助于知識(shí)的傳授

就VR技術(shù)而言，沉浸感（immersion）是其最核心的一個(gè)技術(shù)特征。用戶通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)入虛擬

世界后認(rèn)為自己是這一虛擬環(huán)境中的一部分，如此真正參與進(jìn)去，更好地沉浸在這一虛擬環(huán)境活動(dòng)中[2]。就高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，通過(guò)創(chuàng)設(shè)知識(shí)形成的相關(guān)原始?xì)v史場(chǎng)景有利于讓學(xué)生更好地理解知識(shí)，從而獲得更佳的教學(xué)效果。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)知識(shí)形成、發(fā)展、變化的歷史場(chǎng)景進(jìn)行模擬，學(xué)生從虛擬世界中體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)生活中才存在的相關(guān)感知功能。如此直觀的教學(xué)方式便于從實(shí)踐認(rèn)知到感性認(rèn)知的第一次飛躍。這也能讓學(xué)生獲得更加深刻的印象，加深記憶。就目前來(lái)看，該技術(shù)發(fā)展的存在的不足主要包括嗅覺、味覺、運(yùn)動(dòng)等感知技術(shù)還有待深入研究，而聽覺、視覺、觸覺方面的沉浸技術(shù)已發(fā)展得較為完善。

1.2 ?構(gòu)想性特征促使學(xué)生創(chuàng)新能力的提升

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有助于創(chuàng)新教學(xué)思路與手段，師生間可突破時(shí)空的限制共同去體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中沒有發(fā)生的事件。它能讓學(xué)生跳出生理的限制，深入探索研究宏觀或微觀世界，或者也能模擬由于條件制約而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的事情。通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)想性（imagination）這一特征的充分利用，將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想放到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，轉(zhuǎn)化而成的虛擬環(huán)境就可以體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的理念。這樣的教學(xué)方式能夠讓學(xué)生自由大膽想象，提升創(chuàng)新意識(shí)，嘗試用專業(yè)知識(shí)去解決虛擬環(huán)境中的“實(shí)際”問(wèn)題，從而提高個(gè)人的創(chuàng)新能力。同時(shí)，這也是對(duì)知識(shí)的進(jìn)一步升華，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合[3]。目前，為建立構(gòu)想中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境有賴于下列技術(shù)，包括快速圖形圖像處理技術(shù)、通用高性能技術(shù)、造型建模技術(shù)。近年來(lái)隨著量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，標(biāo)志著我們?cè)诟咝阅苡?jì)算領(lǐng)域有了新的突破。不過(guò)不足之處在于人機(jī)溝通、快速建模、快速成型等技術(shù)領(lǐng)域尚無(wú)顯著突破[4]。

1.3 ?交互性特點(diǎn)促使學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力的提高

不同于傳統(tǒng)理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中依靠團(tuán)隊(duì)的力量，也需要與外部環(huán)境進(jìn)行交互、協(xié)調(diào)[5]。近年來(lái)關(guān)于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實(shí)驗(yàn)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中成為一股新興的主流，更強(qiáng)調(diào)依靠團(tuán)隊(duì)力量去尋夢(mèng)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人與虛擬世界實(shí)時(shí)、自然地交互。交互的形式也不受局限，除了傳統(tǒng)的語(yǔ)言交互外，也可利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的相關(guān)特殊硬件設(shè)備，讓學(xué)生與團(tuán)隊(duì)、與實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行充分的互動(dòng)。這一特性被稱為交互性（interactivity）。

1.4 ?有利于實(shí)現(xiàn)高校實(shí)驗(yàn)資源的共享性，提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率

從現(xiàn)實(shí)來(lái)看，國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)儀器器材的分布范圍存在不均衡性的特點(diǎn)。據(jù)調(diào)查，就單價(jià)超過(guò)40萬(wàn)的昂貴實(shí)驗(yàn)器材為例，大多分布在一些“985工程”、“211工程”等高校;這樣重要設(shè)備主要聚集在高等教育發(fā)達(dá)的地區(qū)，如北京、上海、江蘇等地?？梢?，必須重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享，進(jìn)一步提升貴重實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用率，才能促使更多大學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc創(chuàng)新能力的塑造和發(fā)展。VR技術(shù)的數(shù)字共享性特點(diǎn)（sharing）能解決上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)一些儀器設(shè)備進(jìn)行數(shù)字虛擬化培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力以及對(duì)儀器器材的使用能力，為實(shí)驗(yàn)的實(shí)際開展打好基礎(chǔ)。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備大多為單機(jī)版或適用于局域網(wǎng)范圍，關(guān)于對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的真正整合，具有廣域范圍共享功能的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備則較為匱乏[6]。這是由諸多制約因素造成的，除了網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的制約，產(chǎn)品接收端缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)也使得彼此間很難進(jìn)行互聯(lián)互通。這有待在硬件設(shè)備與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研制方面繼續(xù)努力。

2 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

不難看出，VR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有很多，在諸多領(lǐng)域也得到了日益廣泛的應(yīng)用。從現(xiàn)實(shí)來(lái)看，已在航空航天、建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、娛樂(lè)游戲等行業(yè)大量引入，此外，軍事訓(xùn)練、體育訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)等領(lǐng)域也開始引入該技術(shù)。外國(guó)已將VR技術(shù)運(yùn)用到課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我國(guó)部分高校也嘗試將其運(yùn)用到教學(xué)領(lǐng)域，具體來(lái)講主要有以下兩種：

2.1 ?虛擬演示實(shí)驗(yàn)在課堂中的應(yīng)用

學(xué)生借助VR技術(shù)學(xué)習(xí)知識(shí)主要涉及到兩方面：一是將現(xiàn)實(shí)生活中難以觀察到的相關(guān)自然現(xiàn)象或事物的變化過(guò)程予以展現(xiàn)，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)素材。如此，學(xué)生就能輕易掌握學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)部分。以物理教學(xué)為例，經(jīng)常涉及到很多復(fù)雜的物理現(xiàn)象，包括半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理、原子核裂變等。通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)行展示，學(xué)生就能觀察到這些形象具體的過(guò)程[7]。二是通過(guò)該技術(shù)可以把抽象、晦澀的概念與理論轉(zhuǎn)換為形象直觀的畫面。再以物理實(shí)驗(yàn)為例，在物理學(xué)中加速度是一重要知識(shí)點(diǎn)，不少學(xué)生理解起來(lái)比較困難。為此，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，讓學(xué)生看到當(dāng)物體重力大小與方向兩大因素出現(xiàn)變化時(shí)，加速度也會(huì)隨之變化，學(xué)生理解起來(lái)就容易得多。

除此之外，通過(guò)該技術(shù)也能建立學(xué)生提出的相關(guān)假設(shè)模型，并在虛擬系統(tǒng)中觀察到這一假設(shè)的最終結(jié)果。比如，在化學(xué)教學(xué)中學(xué)生可任意將不同分子組合為一組，虛擬出想象中的組合物質(zhì)。這有助于鍛煉學(xué)生的探究能力。其次，學(xué)生借助該技術(shù)能夠?qū)芏鄬W(xué)科進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)，如電路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、地質(zhì)、氣候等方向研究。然后設(shè)計(jì)出新的電路、新的設(shè)備與建筑物，或者總結(jié)出不同地理環(huán)境對(duì)世界氣候的影響特點(diǎn)及規(guī)律。運(yùn)用該技術(shù)開展探索性學(xué)習(xí)能夠鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高他們的創(chuàng)新水平。再次，通過(guò)運(yùn)用該技術(shù)的模擬軟件來(lái)展示部分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)，讓學(xué)生從這一環(huán)境中去體驗(yàn)與觀察。將數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)中，學(xué)生就能看到相應(yīng)的變化。教學(xué)模擬軟件具有價(jià)格實(shí)惠、無(wú)危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，能讓學(xué)生與真實(shí)世界進(jìn)行有效的交互。學(xué)生對(duì)模型元素進(jìn)行操作，輸入不同的模型變量，記錄不同的結(jié)果。比如，以一個(gè)虛擬世界中的城市為例，由學(xué)生負(fù)責(zé)對(duì)該城市的管理，包括交通、能源、預(yù)算、環(huán)境污染、犯罪等公共事務(wù)，綜合上述因素作出合理的決策。不同的決策對(duì)城市發(fā)展的影響也是存在差異的，好的決策能推動(dòng)城市的穩(wěn)步發(fā)展，壞的決策可能讓城市陷入經(jīng)濟(jì)危機(jī)，導(dǎo)致世界性環(huán)境污染問(wèn)題，決策引發(fā)的實(shí)際效應(yīng)能夠及時(shí)有效地顯現(xiàn)在模擬系統(tǒng)中。模擬軟件的使用使得課堂實(shí)驗(yàn)不再局限于一室之內(nèi)，允許身處異地的教師和學(xué)生互相看得見聽得著， 不但可以利用實(shí)時(shí)通訊功能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教室中所能進(jìn)行的大多數(shù)教學(xué)活動(dòng)， 還能利用異步通訊功能實(shí)現(xiàn)前所未有的教學(xué)活動(dòng)， 如異步輔導(dǎo)、異步討論等。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用網(wǎng)上群體虛擬現(xiàn)實(shí)工具 MUD、MOO支持異步式學(xué)習(xí)交流形式。MUD 代表虛擬的多用戶空間（Multi User Dimension），MOO（Multi User Dimension Object-Oriented）是一種面向?qū)ο蟮腗UD， 它通過(guò)對(duì)由各種 MOO 對(duì)象構(gòu)成的核心數(shù)據(jù)庫(kù)的共享來(lái)向用戶提供虛擬社會(huì)環(huán)境。MOO提供實(shí)時(shí)的在線通訊， 它引入房屋空間隱喻的概念，使得在實(shí)際地理位置上處于分離狀態(tài)的用戶能夠在一個(gè)共同機(jī)制中進(jìn)行交互和協(xié)作。它利用MOO提供的各種通訊工具（電子郵件、電子報(bào)紙、文檔、電子白板等），來(lái)支持各種教學(xué)活動(dòng)，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加豐富和多樣化。

2.2 ?在虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用VR技術(shù)我們可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。比如，在物理虛擬實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生可開展物理實(shí)驗(yàn)，包括慣性實(shí)驗(yàn)、重力實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中難度很大的實(shí)驗(yàn)，如火山噴發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)。又如，在虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行一些現(xiàn)實(shí)中危險(xiǎn)性較大或步驟繁瑣、耗時(shí)較長(zhǎng)的化學(xué)時(shí)間。在虛擬的生物實(shí)驗(yàn)室中完成一些解剖實(shí)驗(yàn)等等，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果[9]。VR技術(shù)的交互性與沉浸性特點(diǎn)能讓學(xué)生參與到虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中去，認(rèn)真投入到學(xué)習(xí)活動(dòng)中，有助于培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)能力。通過(guò)VR技術(shù)還能開展很多技能訓(xùn)練。比如，可開展不同專業(yè)的職業(yè)技能訓(xùn)練，包括汽車駕駛技能訓(xùn)練、外科手術(shù)技能訓(xùn)練、軍事作戰(zhàn)技能訓(xùn)練、農(nóng)作物栽培技能訓(xùn)練、電器維修技能訓(xùn)練、機(jī)械零件加工與裝備訓(xùn)練等。利用“電子工作臺(tái)”這一軟件系統(tǒng)，學(xué)生就能參與到相應(yīng)的電路訓(xùn)練中，可通過(guò)該平臺(tái)所提供的相關(guān)元件設(shè)計(jì)不同的模擬電路與數(shù)字電路，然后對(duì)電路性能進(jìn)行測(cè)試。此外，學(xué)生可利用虛擬實(shí)驗(yàn)室WEB系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)一個(gè)可視化的三維環(huán)境，這里面各個(gè)可視化的三維物體都表示一種實(shí)驗(yàn)對(duì)象。點(diǎn)擊鼠標(biāo)學(xué)生就能進(jìn)行相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室有賴于一定的技術(shù)支持，主要有多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、精密儀器技術(shù)。將虛擬儀器技術(shù)與認(rèn)知模擬技術(shù)融合在一起，使虛擬實(shí)驗(yàn)室具備了智能化特征。師生可隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室中實(shí)施相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。這是高校實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教育的創(chuàng)新內(nèi)容，也為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，也便于學(xué)生隨時(shí)運(yùn)用各種實(shí)驗(yàn)儀器開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)?；赪EB瀏覽器/服務(wù)器（B/S）計(jì)算機(jī)模式屬于虛擬實(shí)驗(yàn)室中最基本的模式之一。WEB屬于虛擬實(shí)驗(yàn)室的一種基礎(chǔ)平臺(tái)。服務(wù)器端在軟件操作的控制下仿真相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)，收到來(lái)自客戶端的實(shí)驗(yàn)操作請(qǐng)求。之后針對(duì)客戶端的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求適當(dāng)調(diào)整儀器，從而模擬所需的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，獲得對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]。學(xué)生利用客戶端進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所形成的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)均可放在服務(wù)器端，部分涉密數(shù)據(jù)也允許獨(dú)立保存在客戶端。當(dāng)多人參與虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了確保大家的同步，實(shí)驗(yàn)者可借助WEB或其它方式開展交互。在服務(wù)器端的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存有共享的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)流程。上述訓(xùn)練模式是安全、可重復(fù)性的，學(xué)生能夠多次進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，直到熟練掌握操作技能、獲取理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出正確合理結(jié)論為止。

3 ?結(jié)語(yǔ)

總之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)中具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括交互性、沉浸性等。要將該技術(shù)完美融入到高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中關(guān)鍵需要我們教師找到最佳的突破點(diǎn)與方向。目前，國(guó)內(nèi)高校VR教育尚處于初級(jí)階段，很多方面還有待完善。為此，作為高校教師我們要從自己的專業(yè)角度出發(fā)，善于把握VR技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二者的完美結(jié)合，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

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