虛擬仿真技術在高校實踐課程中的建設與應用

李杰 曹鵬飛 賈徐慶

摘?要：本文利用虛擬仿真技術對高校工程實踐課程進行探索，提出了采用虛擬仿真技術來構建體驗式虛擬仿真學習模型及評價體系，通過尋求學生在特定的情境環(huán)境中參與學習實訓活動以及工程實訓引導的方式來培養(yǎng)學生探索問題和獲得技能，同時建立學生邏輯思維和工程思維，從而對自身實踐能力進行鍛煉的過程。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實;虛擬仿真;實踐教學

Abstract：This paper explores the use of virtual reality technology for practical engineering courses in university.Virtual reality technology is used to construct an experiential virtual simulation learning model and evaluation system，and to develop students' exploratory problems and skills，as well as to build up their logical thinking and engineering thinking by seeking their participation in learning and training activities in a specific contextual environment and the guidance of practical engineering training.

Key words：Virtual Reality;Virtual Simulation;Practical Teaching

一、緒論

現(xiàn)階段，虛擬仿真技術的快速發(fā)展，促進了高校在教育模式上的轉變，提高了高校實驗由傳統(tǒng)的設備向虛擬儀器過渡，虛擬現(xiàn)實是虛擬仿真中重要組成部分。虛擬仿真技術用于高校實踐課程主要依賴于虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、計算機圖形學等相關技術。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是指通過三維技術仿真出一個實體空間，并且通過虛擬仿真技術對人類眼、耳和身體體驗進行模擬，讓使用者有強烈的沉浸體驗，仿佛在真實的世界中，能夠讓用戶在現(xiàn)實環(huán)境和虛擬環(huán)境中獲得相同的體驗感覺。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是指將真實場景環(huán)境與虛擬場景環(huán)境進行虛擬融合的技術，包括：虛擬和現(xiàn)實的融合、及時互動和三維交互等。混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR），一般是指融合現(xiàn)實，它將虛擬現(xiàn)實技術和增強現(xiàn)實技術進行融合，將虛擬場景與真實環(huán)境進行融合，從而模擬一種新環(huán)境場景。該技術在現(xiàn)實、虛擬和用戶間建立了一個信息環(huán)路，讓用戶體驗更加真實，并且能夠與虛擬物體、場景進行交互和互動。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀

美國是虛擬仿真應用的最早國家，對虛擬仿真技術的研究長時間領先于其他各國，基本代表了全球領先水平，目前全美有85%大學都建設了虛擬仿真實驗平臺且已經(jīng)應用于實踐教學和各類實驗仿真。

美國最初的開放虛擬仿真技術應用于軍方，主要是飛行控制系統(tǒng)的仿真，即：飛行員和宇航員的地面模擬飛行控制訓練，研發(fā)了一系列硬件設備、控制軟件、感知傳感系統(tǒng)和操作平臺。近年來，美國一大批高校都建設了自己的虛擬仿真實驗環(huán)境，主要為學生教學活動中的實踐性實訓提供支撐，學生在實際操作中通過先平臺模擬使用后實操，來提高實踐能力，實施效果較好。

國內(nèi)對虛擬仿真技術研究起步于20世紀90年代，與國外發(fā)達的國家對比，我國虛擬仿真技術應用相對落后，差距明顯。國內(nèi)眾多高校和研究所也一直在積極進行虛擬仿真技術的研究和引進，目前主要集中在艦船仿真、虛擬駕駛、醫(yī)學解剖，工程實訓等方面進行研究。

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國教育部從2015年開始陸續(xù)推進虛擬仿真中心建設，全國各類高校都開始建設國家級虛擬仿真實驗中心，主要是針對虛擬仿真實驗教學平臺和資源進行建設。如南京大學、東南大學等。在建設中心過程中需要利用虛擬現(xiàn)實技術、人機交互技術和媒體展現(xiàn)技術等，建立各類高仿真的虛擬實驗項目，實現(xiàn)在真實環(huán)境中不具備條件或者實驗難度較大的實驗項目虛擬化，保證學生在模擬的環(huán)境中進行實驗效果與真實環(huán)境達到一致。

三、我國高校虛擬仿真教學應用模式及存在問題

由于我國對虛擬現(xiàn)實技術的研究起步較晚，發(fā)展到現(xiàn)在已初步取得了一些成果，但目前此項技術的覆蓋面還不夠廣泛，在推廣應用方面還有待提高。

我國高校虛擬仿真在教學上的應用模式主要有兩種：

（1）虛擬課堂，師生、實體學習資源、學習場景等為虛擬對象。利用虛擬仿真技術可以模擬出各類學習對象，打破了傳統(tǒng)時空限制，學生可以通過自然體驗的方式進行交互式知識探索。

（2）虛擬實驗室，實驗設備為虛擬對象。利用計算機虛擬仿真技術建立與真實世界中一樣的虛擬儀器模型，對儀器的操作和使用完全對應，能夠替代現(xiàn)實中有危險和難度較大的實驗項目，學生可以通過計算機和虛擬設備進行仿真實驗、實驗數(shù)據(jù)仿真、虛擬仿真預測和分析。

以網(wǎng)絡工程專業(yè)為例，大部分高校需要建設網(wǎng)絡工程實驗室來滿足課程工程實訓的需要，學生可以在模擬的真實場景和環(huán)境中扮演特定的角色，根據(jù)實驗項目設計的案例進行分析，進行實訓技能的模擬演練，通過虛擬仿真實驗在一定程度上提升了學生的實際操作技能。

然而就目前的應用來看，高校在實踐教學上還存在一些問題，具體如下：

（1）實踐教學方式靈活性不足，教學的模式和內(nèi)容單一。大多數(shù)高校的實踐教學模式固定，根據(jù)實驗手冊一步步操作，且實驗設備不足，受制于實驗完成的質(zhì)量、所用的技術、相關實驗環(huán)境、實驗開放時間等因素，部分同學無法較好地完成相應實驗的學習目標。在實驗教學過程中，普遍是教師講解操作要點，進行實驗示范，學生根據(jù)老師和實驗手冊進行模仿、驗證實驗正確性。教師在指導學生實驗過程中進行指導答疑和糾錯。由于參與實驗的學生人數(shù)較多，且部分實驗開展以組為單位，每個學生對實驗中設計的問題理解能力不同，導致學生在實驗過程方法掌握、實驗數(shù)據(jù)和效果均不理想，教師與學生之間在實驗過程中交互難度較大，不利于讓學生自主開展實驗并通過實驗進行自我思考和創(chuàng)新，調(diào)動學生主動參與實驗的興趣。

（2）實訓課程設置不均衡，部分已與實踐脫節(jié)。高校缺乏企業(yè)、行業(yè)的專家、工程師實踐指導，一般情況選用的教材是滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大多數(shù)實驗項目設計和開展僅在基礎性、演示性、驗證性類型。綜合性實驗受限于各類實驗環(huán)境難以真實開展。在實踐教學過程中，實驗老師對實驗過程中的要求、技術原理和一般步驟講解也可能不到位，導致學生在實踐過程中訓練效果欠佳。

（3）實訓設備投入不足，且工程類操作實踐有一定的危險性。高校在建立真實工程類實驗室時需要投入大量的設備和實驗耗材。但是技術和設備更新速度快，三五年就更新淘汰，建設實驗室綜合成本較高。大多數(shù)高校在實驗室愿意新建實驗室，但是在更新方面投入較少，且實驗室專業(yè)設備維護費用也較高，部分實驗操作具有危險性，所以開展實驗活動達不到理想效果。

四、虛擬仿真解決的主要問題

（一）利用虛擬仿真技術構建虛擬仿真體驗學習模式

虛擬仿真技術是建立在特定的情境和場景中，學生可以通過自我實驗進行探索，利用仿真技術在場景中設定技術問題，讓學生能發(fā)現(xiàn)并分析問題，在實驗中掌握實驗方法。虛擬仿真技術構建了體驗學習模式，強調(diào)學生自我學習的主體，以及通過自我學習對實踐過程中獲得的經(jīng)驗進行總結和思考。

（二）將虛擬仿真體驗學習理論與工程實訓實驗的融合

利用虛擬仿真技術，構建一系列工程相關實驗，采用虛擬現(xiàn)實融合設計，所有虛擬實驗儀器和操作均與真實儀器一致。用戶可以通過觀察、實際操作、體驗虛擬仿真實驗項目來獲得體驗感覺和實際操作經(jīng)驗。與真實實驗相比，實驗過程和實驗過程中使用的實驗道具都是虛擬出來的，通過虛擬模型建立各種與真實實驗相對應的對象，但最終學習的效果一致。

（三）建立虛擬現(xiàn)實虛擬仿真體驗學習的評價體系

虛擬仿真體驗教學是學生學習的方法，混合現(xiàn)實（MR）中實訓實驗的建設需要構建相應的學習評價體系，來評估學生學習的效果。應該包括對知識、技能、方法、情感、認知力、價值觀、態(tài)度等方面的評價。

五、結語

本文是對虛擬仿真技術在實訓課程中應用進行的一次有益探索，提出了采用虛擬仿真技術來構建體驗式虛擬仿真學習模型及評價體系，通過學生在特定下虛擬仿真環(huán)境中參與實踐活動，通過實驗步驟引導完成實驗項目，培養(yǎng)學生在實驗教學活動中能自主的探索、分析和解決問題，同時訓練學生在實驗過程中的邏輯和工程思想，從而對自身學習的知識和能力進行反思、總結的過程。

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基金項目：江蘇省現(xiàn)代教育技術重點課題（2017-R-59068）;三江學院虛擬仿真實驗教學項目

作者簡介：李杰（1982—?），男，實驗師，研究方向：計算機應用技術;賈徐慶（1984—?），男，實驗師，研究方向：計算機應用技術。

通訊作者：曹鵬飛（1986—?），男，講師，研究方向：計算機應用技術。