基于VR技術的虛擬實驗實訓教學環(huán)境設計探討

張 莉

（南昌師范學院現(xiàn)代教育技術中心，江西 南昌 330032）

隨著5G 時代的到來，“5G+VR”遠程、移動、沉浸式教學模式在未來的教育中發(fā)揮極其重要的作用，通過VR 仿真技術可為師生營造一個仿真實訓教學環(huán)境，將虛擬技術與日常教學結(jié)合，將抽象概念具體化，為學生打造仿真、可交互、沉浸式的學習環(huán)境，引導學生將理論知識應用于實際問題解決過程中，有助于學生對抽象化理論知識的理解，進而提升高校實驗實訓教學質(zhì)量。實訓室作為高校實踐教學的重要場地，幫助學生養(yǎng)成良好的問題分析習慣，提升自我獨立解決問題的能力。因此，探討VR 技術在虛擬實驗實訓教學環(huán)境設計中的實際應用，對于高校學生專業(yè)實際操作能力而言具有非常重要的提升作用。

一、虛擬實驗實訓教學環(huán)境構成要素

虛擬實驗實訓教學環(huán)境搭建能夠讓學生置身于實驗實訓之中，學生通過互動式實驗實訓激發(fā)自主實驗實訓的興趣，加強高校學生思維構建能力，進而提升高校專業(yè)課程實驗實訓教學成效。在虛擬實驗實訓教學環(huán)境中，需要建立實驗實訓場景環(huán)境模型，學生能夠與虛擬實驗實訓教學環(huán)境中的虛擬資源進行互動，幫助學生對真實環(huán)境中抽象性專業(yè)知識進行理解，進而構成虛擬實驗實訓教學環(huán)境三大要素：實驗實訓場景、虛擬角色以及其他要素［1］。

二、VR 技術的虛擬實驗實訓教學環(huán)境設計的應用優(yōu)勢

1.培養(yǎng)學生實踐操作基礎

VR虛擬實驗實訓教學環(huán)境相比于傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，其仿真性、互動性更進一步，有沉浸、交互、構想等三個基本特性。在虛擬實驗實訓教學環(huán)境中，教師結(jié)合VR 技術幫助學生完成模擬訓練，讓學生身臨其境體驗強烈的實操代入感，能夠?qū)崿F(xiàn)互動實驗實訓教學，最大限度地激發(fā)學生的自主實驗實訓的興趣，有助于發(fā)展學生的構建思維，提升教學效果，也為學生就業(yè)打下良好的實踐操作基礎。以室內(nèi)設計專業(yè)為例，教師利用VR 技術建立虛擬實訓室，將室內(nèi)設計應用平臺引入到虛擬實訓室內(nèi)，為學生建立可視化的室內(nèi)設計裝修環(huán)境，學生利用VR 技術搭建三維全景模型，同時也能夠通過討論不斷優(yōu)化室內(nèi)設計結(jié)構。VR 虛擬實訓室可操作性強，學生通過沉浸式教學可加強自身實踐操作能力，從而幫助學生提升自身專業(yè)能力。

再如，生化、物理等VR 虛擬實訓室，可幫助學生穿梭于微觀世界與浩瀚宇宙，跨越時空變化，將實驗進行模擬還原，逼真、立體的表現(xiàn)形式，讓抽象的實驗過程形象逼真演示出來，把理論課堂與實踐操作融為一體。

2.滿足高校實踐教學需求

借助VR 技術打造綜合性教學平臺，可以解決“看不見、摸不著、難再現(xiàn)、風險高、成本高”等現(xiàn)場實訓教學難題，將理論課堂與實踐操作融為一體，以提升學生綜合素質(zhì)以及操作能力為主，建立網(wǎng)絡協(xié)作式學習平臺，整合教學資源庫、課件制作以及互動板等各項教學工具，全面實現(xiàn)遠程互助式教學，通過后臺數(shù)據(jù)記錄學生的實際學習情況，它突破了實驗教學對客觀條件的依賴性，滿足實際的課堂教學需要，逐步成為老師得力的實驗制作工具，從而滿足高校實踐教學需求。

三、基于VR 技術的虛擬實驗實訓教學環(huán)境設計措施

1.VR實訓基地建設

VR 實訓基地宜通過整體規(guī)劃和合理布置，為師生創(chuàng)設安全、健康、互動，融合教學內(nèi)容、教學模式和設施設備為一體的學習環(huán)境，既達到教師優(yōu)質(zhì)教學的目的，又滿足學生自主學習的需求。VR實訓基地將沉浸式教學與優(yōu)質(zhì)的實踐教學資源相融合，為學生打造仿真式的專業(yè)實驗實訓教學環(huán)境，學生能夠結(jié)合自身情況在不同環(huán)境中開展專業(yè)課程學習，將創(chuàng)新意識融入于實驗過程中，幫助學生不斷提升自我綜合能力。VR 實訓基地為學員提供一個理論與實際、科技與專業(yè)前沿相關的學習環(huán)境，以優(yōu)質(zhì)的專業(yè)教學資源為核心，集終端、應用系統(tǒng)、平臺以及內(nèi)容為一體，為學生創(chuàng)設更為真實的教學環(huán)境，將虛擬動畫與實踐空間相結(jié)合，把抽象的知識概念具象化，為學生打造高度開放、沉浸式并且可交互性的三維學習環(huán)境［2］。

2.基于VR技術的云平臺建設

新教改強調(diào)我國高校必須加快專業(yè)課程信息化建設進程，將更多的優(yōu)質(zhì)教學資源匯集于網(wǎng)絡教學資源庫之中。通過云平臺建設，可以把VR教學資源運行上云、渲染上云，可以實現(xiàn)所有VR 教學資源和IT 資源的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運維和共享使用，實現(xiàn)終端的無線化和輕量化，解決資源碎片化的問題。

如圖1 所示，基于VR 技術的云平臺建設主要涉及四個層面：數(shù)據(jù)接入層主要管理平臺用戶的認證信息、管理用戶消息，應用層主要包含專業(yè)教師備課授課、學生實驗實訓教學以及資源庫這三個方面，平臺層涉及搜索引擎、云數(shù)據(jù)服務等應用管理內(nèi)容，數(shù)據(jù)層則是涵蓋了各類結(jié)構數(shù)據(jù)、非結(jié)構數(shù)據(jù)、緩存數(shù)據(jù)等。

圖1 云平臺構成

根據(jù)VR 云平臺系統(tǒng)的核心功能，我們能夠?qū)⑵鋭澐譃樗接性埔约肮性七@兩大板塊：私有云主要是針對教師的教學需求開設的板塊，私有云能夠滿足專業(yè)教師對教學資源的收集、上傳以及共享，實現(xiàn)虛擬實驗實訓室對各項數(shù)據(jù)的采集、存儲以及備份等功能，進而建立更為完善的教學數(shù)據(jù)庫；公有云主要是針對學生群體開設的板塊，系統(tǒng)針對學生在教學資源庫的高級檢索內(nèi)容、瀏覽數(shù)據(jù)等進行不斷統(tǒng)計，教師能夠根據(jù)后臺數(shù)據(jù)了解到學生專業(yè)學習以及實踐操作存在困難的地方，進而完善自我教學方式。由圖2所示，兩個核心功能板塊之間相互影響，進而形成一個VR 生態(tài)系統(tǒng)。將VR 生態(tài)系統(tǒng)引入到VR編輯器之中，將沉浸式教學與STEM 理念和創(chuàng)客精神相結(jié)合，依托于海量的3D教學資源庫，由教師進行牽引，為學生提供自由發(fā)揮創(chuàng)新思維的空間，讓學生從學習者的身份轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造者。教師也可借助于VR云平臺創(chuàng)造VR教學成果，并且通過系統(tǒng)共享給學生［3］。

圖2 VR生態(tài)系統(tǒng)

3.VR教學資源庫建設

目前，我國部分高校已經(jīng)開始著手于VR 技術平臺建設，借助相關教學資源開展虛擬實驗實訓教學課程，深化VR 技術在專業(yè)實踐教學中的應用，從而建立集環(huán)境、平臺、設備等各項服務為一體的VR 生態(tài)教育體系，推動專業(yè)教育的協(xié)同創(chuàng)新。由圖3所示，VR教學資源庫針對教師進行開放，以沉浸式教學為建設核心，進而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學資源的多元化。這些教學資源的建設，不僅僅依賴于專業(yè)院校的自身建設，還需引進校外更多優(yōu)秀的專業(yè)教師資源。高校也應與其他院校開展多方位的合作與交流，定期聘請相關專業(yè)的優(yōu)秀人員來校對教師進行專業(yè)培訓，幫助教師了解到更多前沿化的知識，進而推動VR 教學資源庫的建設。

圖3 VR資源庫建設計劃

為落實我國教育改革新政策，我國高校應積極響應教育部教改政策，推進專業(yè)培訓資源建設以及模式的改革，積極開發(fā)虛擬現(xiàn)實技術等數(shù)字化資源，完善我國專業(yè)教學應用資源庫，進一步擴大我國優(yōu)質(zhì)教育資源的覆蓋面。VR資源庫作為高校專業(yè)教育領域的生動實踐，將專業(yè)建設與信息技術緊密聯(lián)系在一起，推動信息化教育教學改革，提高現(xiàn)代高校整體專業(yè)教學水平。相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國高校資源庫共建設標準化課程近1000 門，建設資源已高達241 萬條，為高校學子打造虛擬仿真類信息化資源，將抽象微觀的專業(yè)知識概念變得可視化，利用信息技術手段解決大學生實習就業(yè)困難的問題，推動現(xiàn)代高校專業(yè)教學能力以及教育培訓領域的綜合應用發(fā)展。除此之外，高校VR資源庫的建設，為校企合作搭建橋梁，也為雙師型教學團隊的建設提供良好的契機。目前，我國已有80 多個行業(yè)聯(lián)盟組織近3000多家企業(yè)合力建設并調(diào)配專業(yè)教學資源，借助現(xiàn)代企業(yè)本身所具備的資源優(yōu)勢，深入高校專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，實現(xiàn)校企之間優(yōu)質(zhì)教育資源的共建共享，也為校企合作不斷深化提供實質(zhì)性支撐［4］。

4.VR實訓室整體設計

VR 虛擬仿真實訓室的設計要結(jié)合學科特點，按照“以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合”理念，通過沉浸式+互動式+情景式的實驗教學，讓課堂更有趣，讓教學更高效。

如圖4 所示，是我校VR 展覽模擬體驗實驗中心設計平面示意圖，展覽模擬體驗實驗中心根據(jù)功能定位，把VR實驗室分為智慧教學區(qū)域（虛擬現(xiàn)實教學試驗區(qū)）以及實訓教學區(qū)域（服務臺接待區(qū)、會議模擬體驗區(qū)、特裝實驗區(qū)、標展實驗區(qū)），VR實訓室主要給已經(jīng)準備進入到實踐操作環(huán)節(jié)中的學生使用，學生通過實訓教學區(qū)域的學習，了解展覽的環(huán)境、功能區(qū)域、設計及施工流程等專業(yè)知識。在VR 實訓區(qū)內(nèi)，學生根據(jù)所學知識，運用專業(yè)軟件，設計自己展覽的環(huán)境、功能區(qū)域，設計及施工流程設計等等，完成自己的展位設計方案，并在仿真虛擬技術下實現(xiàn)師生之間的相互協(xié)作、專業(yè)知識傳輸以及共享，進而豐富專業(yè)實訓課堂教學內(nèi)容，享受到更多的自由發(fā)展空間。

圖4 VR展覽模擬體驗實驗中心

為方便學生進行討論，智慧教學區(qū)域的布局往往會更傾向于靈活性組合，學生的桌椅都可以進行自由組合。采用寬屏一體化電子白板以及學生移動終端等各類信息實訓設備，打造一體化教學實訓環(huán)境，全面推動專業(yè)實訓教學課堂的開展，加強學生分組協(xié)作學習能力。教師利用定制化的專業(yè)教學平臺，迎合學生個性化需求，激發(fā)學生創(chuàng)新思維的擴散，推動現(xiàn)代高校專業(yè)教學課堂的改革與創(chuàng)新。VR實訓室配備強大的教學課程編排工具，教師能夠利用軟硬件設備創(chuàng)建教學課程，利用后臺數(shù)據(jù)評估學生的學習情況，教師能夠根據(jù)反饋及時對教學內(nèi)容作出相應的調(diào)整，提升VR 實訓室教學質(zhì)量。除此之外，教師能夠結(jié)合大數(shù)據(jù)信息技術，智能生成學生專業(yè)實訓分析報告，為現(xiàn)代高校專業(yè)教師以及實訓操作指導教師提供更為全面化的決策性數(shù)據(jù)支持，保證院校能夠為學生提供高質(zhì)量特色專業(yè)學習內(nèi)容，為學生更好適應于就業(yè)崗位奠定堅實的基礎。

VR實訓室整體設計作為專業(yè)教學內(nèi)容以及實驗實訓操作課程正常開展的保障。教師在為學生提供更為舒適的教學環(huán)境的同時，保證VR實訓室的各項設備以及相關標準符合國家規(guī)范要求。VR實訓室作為綜合性實驗實訓專業(yè)教學場景，需要從各個方面的建設過程中體現(xiàn)時代特色以及現(xiàn)代專業(yè)技術要求，為現(xiàn)代高校學生提供更為良好的實驗實訓教學環(huán)境。

VR技術為現(xiàn)代高校專業(yè)實驗實訓教學帶來更多的便捷，同時也整合各項信息技術，推動現(xiàn)代高校網(wǎng)絡數(shù)字化、網(wǎng)絡化建設。在日常實驗實訓教學過程中，VR 實訓室也能夠滿足師生的各方面的教學需求，學生不再局限于傳統(tǒng)實驗實訓教學場地，能夠擁有更多的機會動手操作，學生在自主操作過程中能夠不斷擴散自我創(chuàng)新思維將VR技術的優(yōu)勢發(fā)揮到最大化，為現(xiàn)代高校VR實驗實訓環(huán)境設計提供更多的參考。