基于VR的交互系統(tǒng)在高校實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討

林勝青

（福州理工學(xué)院工學(xué)院，福州 350506）

1 引言

VR技術(shù)通過建立三維空間場(chǎng)景，使用戶產(chǎn)生身臨其境的虛擬場(chǎng)景體驗(yàn)，對(duì)于用戶，可以更加真切的獲得在虛擬場(chǎng)景中看到、感受到的事物，類似于實(shí)踐經(jīng)歷。關(guān)于VR技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)前絕大部分還是在娛樂體驗(yàn)方面，在其中占比很小的教育領(lǐng)域中，則主要以寓教于樂和培養(yǎng)興趣為導(dǎo)向，應(yīng)用于幼兒教育方面。對(duì)于高校實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域，合理引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并將其發(fā)展成輔助教學(xué)工具，不僅可以針對(duì)不同學(xué)科研發(fā)相應(yīng)的課程，打造情景式與交互式的教學(xué)新模式，而且有利于緩解高校實(shí)踐教學(xué)中硬件資源的缺乏問題。由此，拓展教學(xué)新模式的同時(shí)，提高高校學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)和實(shí)踐能力，從而增進(jìn)對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知程度。

2 基于VR交互系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）沉浸性。VR技術(shù)采用了包含視聽、動(dòng)感等豐富的表現(xiàn)形式，提供給用戶作為體驗(yàn)，針對(duì)虛擬環(huán)境來(lái)說(shuō)，用戶是其主導(dǎo)者，由于虛擬環(huán)境的表現(xiàn)復(fù)雜，且具有人機(jī)交互，很容易令用戶沉浸其中，愿意與虛擬環(huán)境之間進(jìn)行互動(dòng)行為，并將其作為客觀存在的真實(shí)環(huán)境。

（2）感知性。VR交互系統(tǒng)中通常具有觸覺、視覺、聽覺等數(shù)種設(shè)備與傳感裝置[1]，使用戶通過多種感知提升虛擬環(huán)境的真實(shí)感。

（3）交互性。交互性實(shí)際包括兩個(gè)方面的內(nèi)容。一方面是人通過視覺和聽覺等感知到虛擬環(huán)境，作出相應(yīng)的操作行為；另一方面是虛擬環(huán)境感知到人的操作，作出相應(yīng)的反饋機(jī)制。

3 VR技術(shù)在高校實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

（1）改善實(shí)踐教學(xué)條件。高校實(shí)踐教學(xué)，最大的問題是實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏。建設(shè)一個(gè)一流的實(shí)驗(yàn)室需要購(gòu)置先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)，設(shè)備購(gòu)置后需要定期維護(hù)保養(yǎng)，這些昂貴的費(fèi)用無(wú)形之中增加了實(shí)踐教學(xué)成本。由此，也導(dǎo)致了不同高校之間的學(xué)科水平差異。針對(duì)不同學(xué)科需要，引入VR交互系統(tǒng)，以虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過虛擬設(shè)備，可以做出與真實(shí)設(shè)備相同的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果，使學(xué)生獲得了學(xué)習(xí)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，在實(shí)踐過程中增加對(duì)理論知識(shí)的理解，也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。同時(shí)，VR交互系統(tǒng)還可以用于遠(yuǎn)程教學(xué)模式[2]中，當(dāng)下存在很多網(wǎng)絡(luò)授課形式，這種授課形式是無(wú)法建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的，因此，通過VR交互系統(tǒng)，無(wú)需多少成本，便可以使遠(yuǎn)程教育變得和學(xué)校教育一樣具有實(shí)踐意義。

（2）提高實(shí)踐教學(xué)的安全性。在高校的實(shí)踐教學(xué)中，一些存在危險(xiǎn)或者有害健康的實(shí)驗(yàn)，通常都會(huì)替換成錄像教學(xué)形式。其實(shí)很多實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行的過程中會(huì)遇到各種各樣的問題，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)存在一定的差異，沒有親自參與實(shí)驗(yàn)，必定無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中遇到的情況進(jìn)行掌握，也無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)現(xiàn)象和結(jié)果形成具體的認(rèn)識(shí)。引入VR交互系統(tǒng)，則完全沒有安全和健康顧慮，可以利用虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行各種危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)探索，并且不產(chǎn)生額外消耗，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中的一些問題，也更容易復(fù)現(xiàn)和分析，不必?fù)?dān)心實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生起火、爆炸、傷人等事故。

（3）不受時(shí)間與空間限制。對(duì)于生物學(xué)領(lǐng)域中，研究生物生長(zhǎng)與進(jìn)化等問題，研究人員現(xiàn)有做法通常都是采用一些生長(zhǎng)繁衍較快的生物作為研究對(duì)象，比如果蠅。但是即便這樣，一些實(shí)驗(yàn)往往還是需要花費(fèi)幾個(gè)月甚至幾年時(shí)間，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)周期過長(zhǎng)。另外，在物理學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域，需要對(duì)一些物質(zhì)的內(nèi)部進(jìn)行研究，這樣實(shí)驗(yàn)往往很難實(shí)施。引入VR交互系統(tǒng)，則會(huì)通過虛擬技術(shù)模擬出實(shí)驗(yàn)條件，加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，將一次長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)通過虛擬交互系統(tǒng)有效縮短完成時(shí)間。另外，還能通過虛擬技術(shù)模擬進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部，完成一些受空間限制的實(shí)驗(yàn)。

（4）實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效保存。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往受實(shí)驗(yàn)條件等眾多外部因素影響，對(duì)于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，先后兩次可能出現(xiàn)不同的結(jié)果，而大部分情況下無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的比較和確定，當(dāng)引入VR交互系統(tǒng)，可以對(duì)每次實(shí)驗(yàn)的過程、以及結(jié)果進(jìn)行完整的保存，如果出現(xiàn)結(jié)果差異，能夠?qū)?shí)驗(yàn)過程采取有效的回放和比對(duì)。

4 VR交互系統(tǒng)在高校實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)。利用VR交互系統(tǒng)，能夠建成各類型的虛擬實(shí)驗(yàn)室[3-4]，應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)中。有利于合理規(guī)劃使用教育經(jīng)費(fèi)，合理安排實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備購(gòu)置，通過虛擬實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)硬件資源的缺乏問題。同時(shí)有利于促進(jìn)高校實(shí)踐教學(xué)模式的創(chuàng)新，利用VR交互系統(tǒng)的沉浸性[5]，激發(fā)學(xué)生對(duì)于學(xué)科知識(shí)的興趣，樂于動(dòng)手實(shí)踐，并在實(shí)踐中加入自己的創(chuàng)新想法，推動(dòng)學(xué)科建設(shè)。另外，對(duì)于一些存在危險(xiǎn)、有損健康、受時(shí)間空間限制等的實(shí)驗(yàn)，更加應(yīng)該衡量是否引入VR交互系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)試驗(yàn)室，成立更加安全、健康、環(huán)保的虛擬實(shí)驗(yàn)室。

（2）技能訓(xùn)練。技能訓(xùn)練一般需要對(duì)簡(jiǎn)單的工作進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，以達(dá)到熟練程度。根據(jù)VR交互系統(tǒng)的特點(diǎn)分析，其具有顯著的交互性與沉浸性，因此將其融入到技能訓(xùn)練中，將有利于學(xué)生專注地置身于虛擬環(huán)境模擬出的訓(xùn)練場(chǎng)景中，通過與虛擬場(chǎng)景交互來(lái)實(shí)現(xiàn)技能訓(xùn)練。如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，學(xué)生可以通過虛擬交互系統(tǒng)模擬出的手術(shù)場(chǎng)景，操作完成一臺(tái)手術(shù)，其間可以虛擬出手術(shù)過程中的任何一種細(xì)節(jié)，學(xué)生通過這種實(shí)踐教學(xué)，不但能夠進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，而且真實(shí)模擬了現(xiàn)實(shí)情況，同時(shí)又不存在風(fēng)險(xiǎn)。

（3）探索學(xué)習(xí)。VR交互系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)工具不同，它不存在實(shí)驗(yàn)材料的消耗和維護(hù)，可以在課后向?qū)W生開放，促進(jìn)學(xué)生自主實(shí)踐的興趣，在實(shí)踐過程中不斷提出自己的條件假設(shè)，并對(duì)此進(jìn)行模擬驗(yàn)證，從而培養(yǎng)學(xué)生通過虛擬交互系統(tǒng)的實(shí)踐探索能力，促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步。比如對(duì)于電子與電氣相關(guān)學(xué)科，學(xué)生可以在不購(gòu)買不消耗任何電子器件的基礎(chǔ)上，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下搭建自己設(shè)計(jì)的電路，并進(jìn)行可行性分析；對(duì)于環(huán)境領(lǐng)域的學(xué)生，只需要在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中搭建出溫室效應(yīng)的模型，便可以完成溫室效應(yīng)的影響因素分析?？傊?，基于VR的交互系統(tǒng)與高校實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，能夠提高學(xué)生對(duì)于學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)術(shù)探索精神。

5 結(jié)束語(yǔ)

VR是目前備受關(guān)注的一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)，人們相信VR技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)對(duì)科研、教育，甚至生產(chǎn)等方面產(chǎn)生推動(dòng)和革新的作用，改變?nèi)藗儗?duì)傳統(tǒng)工具的認(rèn)識(shí)。雖然該技術(shù)還不夠成熟，但是基于VR的交互系統(tǒng)，已經(jīng)可以預(yù)見其廣闊的發(fā)展前景。通過本文的探討分析可知，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、多媒體等領(lǐng)域的共同發(fā)展，基于VR的交互系統(tǒng)必定會(huì)通過自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的出現(xiàn)在高校實(shí)踐教學(xué)中，取代傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式，促進(jìn)高校教育的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] Grigore C·Burdea，[法]Philippe Coiffet著，魏迎梅譯.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 陳慶章，胡同森，胡東.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001，（11）.

[3] 王元娟.基于高校虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展若干問題的建議[J].科技信息，2009（7）：130.

[4] 朱敏.虛擬實(shí)驗(yàn)與教學(xué)應(yīng)用研究[d].華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.6.

[5] 蔡蘇，張晗，薛曉茹等.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）在教學(xué)中的應(yīng)用案例評(píng)述[J].中國(guó)電化教育，2017，（3）：1-9.