虛擬實(shí)驗(yàn)室在大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

朱韶平

(湖南財(cái)政經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410205)

21世紀(jì)將是經(jīng)濟(jì)全球化與知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代,新時(shí)代給高等教育的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)提出了更新更高的要求.教育部2010年提出了大力推進(jìn)高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)工作的政策,并就統(tǒng)籌做好高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、創(chuàng)業(yè)基地建設(shè)和促進(jìn)大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)工作提出了一系列意見.為落實(shí)教育部的政策和培養(yǎng)社會(huì)需求的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才,如何創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力,是新形勢(shì)下高校實(shí)踐教學(xué)面臨的一重大課題.在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的教育中,實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)具有同等重要的地位,尤其是大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)更是高校人才培養(yǎng)活動(dòng)的重要組成部分及提高大學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段,創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)是在傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上,以培養(yǎng)和開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為目標(biāo),積極引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,造就具有創(chuàng)新精神的創(chuàng)新型人才的教育[1].它對(duì)提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力有著重要且不可替代的作用.傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)受教學(xué)條件限制 “重理論,輕實(shí)踐”,學(xué)生的綜合素質(zhì)、實(shí)踐能力、科學(xué)探究能力以及創(chuàng)新能力難以得到培養(yǎng)和提高.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)不受時(shí)空限制,可彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件差、教學(xué)資源缺乏等方面的不足,改善實(shí)踐教學(xué)環(huán)境,創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式、內(nèi)容及方法,提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量,激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維,培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,是大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的有力保障.

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality Technology)是用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視覺(jué)、聽覺(jué)和嗅覺(jué)等感覺(jué)及三維空間的虛擬世界,它綜合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形(CG)技術(shù)、顯示技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù),能將計(jì)算機(jī)獲得的復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為人能感受到的具有各種表現(xiàn)形式的多維信息,并將信息進(jìn)行可視化,形成一個(gè)逼真的環(huán)境,讓使用者如同身臨其境.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有除一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺(jué)感知之外,還具有聽覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、力覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知,甚至包括味覺(jué)感知、嗅覺(jué)感知等多感知性;用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中如同在現(xiàn)實(shí)世界中一樣的浸沒(méi)感;用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的實(shí)時(shí)操作和從環(huán)境得到自然反饋等交互性;再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境及隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境等構(gòu)想性.它廣泛應(yīng)用在教育、科學(xué)可視化、軍事、航空航天、醫(yī)學(xué)、CAD/CAM、娛樂(lè)等領(lǐng)域,其在大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用具有其它媒體不可比擬的優(yōu)勢(shì)和更廣闊的應(yīng)用前景.

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器,能模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)備,提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,使學(xué)生完全沉浸在由虛擬實(shí)驗(yàn)室所創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室可自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案及通過(guò)接近真實(shí)的人機(jī)交互界面自主完成實(shí)驗(yàn)[2].虛擬實(shí)驗(yàn)室中各物體運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)依據(jù)物理運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,為學(xué)生提供視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)和力覺(jué)等各種自然、逼真等實(shí)時(shí)感知交互手段,以獲得身臨其境的感受.它實(shí)現(xiàn)了人的臨場(chǎng)化,營(yíng)造了一種 “自主學(xué)習(xí)”和多樣化、個(gè)性化及實(shí)用化的虛擬實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境,為大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)提供了有利條件.

一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常由虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊和系統(tǒng)管理模塊三個(gè)主要模塊組成[3],如圖1.虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K是系統(tǒng)的核心模塊,包括場(chǎng)景建模、演示性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)交互等模塊.它提供了具體的實(shí)驗(yàn)界面,用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理自主搭建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,完成實(shí)驗(yàn),得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果.系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理、實(shí)驗(yàn)管理和實(shí)驗(yàn)組件注冊(cè)三個(gè)子模塊,用戶通過(guò)身份認(rèn)證在互聯(lián)網(wǎng)或校園網(wǎng)上登錄系統(tǒng),保障系統(tǒng)安全.用戶將實(shí)驗(yàn)所需的新虛擬實(shí)驗(yàn)器件先在客戶端或服務(wù)器端注冊(cè),然后可供用戶實(shí)驗(yàn)使用.數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊包括虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)器件兩個(gè)子模塊,虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)器件以文件形式存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中,用戶可通過(guò)檢索快速找到所需相應(yīng)文件,管理員可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增加、刪除、修改和查詢等操作.虛擬實(shí)驗(yàn)室打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)空等條件的限制,具有開放性高、真實(shí)感強(qiáng)、交互性好和實(shí)踐性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,在大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景.

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)室功能結(jié)構(gòu)圖

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室在大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室在大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用是國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代教育技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)[4].相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式,基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)具有可立體化、多視角呈現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容;可彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件的不足,節(jié)約實(shí)踐教學(xué)成本;突破時(shí)空限制;降低安全隱患,遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)傷害;創(chuàng)設(shè)個(gè)性化的實(shí)踐學(xué)習(xí)環(huán)境,激發(fā)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)興趣等許多優(yōu)點(diǎn),是傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)不可比擬的.它是一種新型的實(shí)踐教學(xué)研究模式,是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍.它營(yíng)造了 “自主學(xué)習(xí)”的虛擬實(shí)踐環(huán)境,它取代了傳統(tǒng)的以教促學(xué)的學(xué)習(xí)方式,代之以學(xué)習(xí)者通過(guò)自身與信息環(huán)境的相互作用來(lái)獲得知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式.

2.1 創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室,創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法和手段,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)需要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)設(shè)備,學(xué)生實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,受實(shí)驗(yàn)條件及時(shí)空等條件限制,實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段單一,大多是演示驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)極少,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果受到很大影響,創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)難以實(shí)現(xiàn).應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室,用計(jì)算機(jī)模擬的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器代替價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、容易損壞、修復(fù)困難的實(shí)驗(yàn)儀器,可彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的不足,還可徹底打破時(shí)間與空間的限制,創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的方法和手段,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).大到宇宙天體,小至原子粒子,學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部深入觀察和了解.如電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等虛擬實(shí)驗(yàn).一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過(guò)程,通過(guò)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可以在很短時(shí)間內(nèi)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察和學(xué)習(xí).例如,生物中的孟德爾遺傳定律,用果蠅做實(shí)驗(yàn)往往需要幾個(gè)月的時(shí)間,而運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在一堂課內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn).基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用創(chuàng)新了實(shí)踐教學(xué)的方法和手段,它用三維實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)過(guò)程,提供虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)無(wú)法觸及的物體和看不見的變化,甚至自然界或現(xiàn)實(shí)生活中不可能存在的事件,為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)提供了有利條件.

2.2 創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神

虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)建生動(dòng)、逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,學(xué)生足不出戶便可做各種實(shí)驗(yàn),甚至一些由于受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備和經(jīng)費(fèi)等硬件條件的限制而無(wú)法開出的實(shí)驗(yàn),獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì).運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué),建立新型的與課程體系相對(duì)應(yīng)的演示與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新與前沿實(shí)驗(yàn)三層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系,提高學(xué)生綜合素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.例如在虛擬實(shí)驗(yàn)室中,學(xué)生學(xué)習(xí)建筑工程知識(shí)時(shí)可自由地在虛擬建筑物中游歷,了解各類建筑設(shè)計(jì)的特色,通過(guò)特定的Web3D功能還可透視建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu),學(xué)生可親身模擬搭建各類建筑的過(guò)程.親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說(shuō)教更具說(shuō)服力,主動(dòng)地去交互比被動(dòng)地灌輸,更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新意識(shí),培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.在多媒體實(shí)驗(yàn)室內(nèi),學(xué)生可以全方位、多角度觀察和了解計(jì)算機(jī)硬件,還可以通過(guò)游戲的方式組裝多媒體計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)了寓教于樂(lè)的教學(xué)境界.這些體驗(yàn)都是在傳實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)而學(xué)生極感興趣的,從而可加速和鞏固學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí),提高學(xué)生綜合素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.

2.3 創(chuàng)建新型的虛擬實(shí)踐實(shí)訓(xùn)基地,創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地,其“設(shè)備”與 “部件”多是虛擬的,還可以隨時(shí)生成許多新設(shè)備,實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容可以不斷充實(shí)和更新,使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展,促使單一技能訓(xùn)練向培養(yǎng)學(xué)生多項(xiàng)能力轉(zhuǎn)變,加深學(xué)生對(duì)本專業(yè)的認(rèn)知度,掌握一定的動(dòng)手能力;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性和交互性,使學(xué)生能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色,全身心地投入到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境中去,把以教師為主體轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為主體,激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)創(chuàng)新意識(shí),引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)大綱自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、安排學(xué)習(xí)內(nèi)容和日程,提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.這非常有利于學(xué)生進(jìn)行各種技能訓(xùn)練.例如教學(xué)技能、體育技能、外科手術(shù)技能、軍事作戰(zhàn)技能、汽車駕駛技能、電器維修技能和果樹栽培技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練.虛擬的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練系統(tǒng)無(wú)任何危險(xiǎn),利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)可規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),在真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作往往會(huì)帶來(lái)各種危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中,學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境中,可以放心地去做各種危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn),可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí),直至掌握操作技能為止.例如:在虛擬的飛機(jī)駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中,學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備,學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機(jī)起飛、降落,通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練,達(dá)到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的,還可免除學(xué)員因操作失誤而造成飛機(jī)墜毀等的嚴(yán)重事故;在虛擬物理實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室學(xué)生可做原子核裂變等實(shí)驗(yàn);在虛擬地理實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室學(xué)生可做火山噴發(fā)等危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn);在虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室學(xué)生可做燃燒、爆炸等具有高危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn).這種新型的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地為學(xué)生提供了無(wú)限的虛擬體驗(yàn),加速和鞏固了學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程,培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,提高了學(xué)生的綜合素質(zhì).

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)存在以教師為主體且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、實(shí)驗(yàn)缺乏靈活性,不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等問(wèn)題,運(yùn)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué),建立新型的實(shí)踐教學(xué)體系,創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,改變傳統(tǒng)的以傳授知識(shí)為主的封閉式教學(xué),啟發(fā)學(xué)生積極參與討論,注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力;引導(dǎo)學(xué)生積極思考,敢于想象猜測(cè)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力;激發(fā)學(xué)生的求知欲,培養(yǎng)學(xué)生持久的學(xué)習(xí)興趣和愉悅的情感體驗(yàn),使學(xué)生有目的地和自覺(jué)地進(jìn)行創(chuàng)新思考和實(shí)踐活動(dòng),培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力.通過(guò)基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的大學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué),鞏固了學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),拓寬了知識(shí)面,豐富了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提高了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.它以其自身強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)和潛力,將會(huì)受到教育工作者的重視和青睞,在教育、培訓(xùn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要的作用[5].

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