廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校 周秋燕
科學(xué)技術(shù)飛速前進(jìn)的步伐推動社會、經(jīng)濟(jì)和文化等領(lǐng)域形態(tài)的不斷革新。近年來,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展,使得各種先進(jìn)的信息技術(shù)得以實現(xiàn),而虛擬現(xiàn)實技術(shù),就是其中一門熱門的、全新的綜合性信息技術(shù)。
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù),也叫VR技術(shù),是指利用電腦或其它智能計算機(jī)設(shè)備為體驗者構(gòu)建一個虛擬的三維立體空間以供其在內(nèi)隨心所欲的觀察和體驗,并通過各種關(guān)于視覺、聽覺和觸覺等感官的模擬,得到類似于現(xiàn)實的真實感受的一種交互式視景仿真技術(shù),是一項綜合應(yīng)用了圖像處理、仿真和傳感等多種計算機(jī)軟硬件技術(shù)的嶄新技術(shù)。具體地講,其采用的核心技術(shù)主要包括虛擬環(huán)境建模技術(shù)、立體顯示技術(shù)、聲音合成技術(shù)及觸覺反饋技術(shù)等。通過三維數(shù)據(jù)的輸入實現(xiàn)虛擬環(huán)境的模型創(chuàng)建,為體驗者創(chuàng)造出虛擬的立體三維空間環(huán)境,借助立體顯示技術(shù)和聲音的合成技術(shù),為觀察者建立起360度全方位視覺感知和聽覺體驗,通過觸覺反饋技術(shù)讓體驗者獲得觸覺感受,可直接對各種虛擬對象實施操作,借助各種佩戴系統(tǒng)和傳感設(shè)備實現(xiàn)人機(jī)之間的相互交流,最終讓體驗者獲得如同身臨其境一般的感受。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù),體驗者能夠進(jìn)入到虛擬環(huán)境中,通過對虛擬環(huán)境中各種對象的控制,與虛擬環(huán)境融為一體,從而獲得更深的感知。
在教學(xué)活動中,應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓學(xué)生在計算機(jī)模擬環(huán)境中開展教學(xué)試驗、實訓(xùn),獲取更加真實的感受,被稱之為實踐教學(xué)虛擬化[1]。通過教學(xué)實踐的虛擬化,不僅能讓學(xué)生更加深刻的感受到知識和技能的應(yīng)用環(huán)境,同時還能作為學(xué)生就業(yè)前的先期體驗,有較大的實際意義。虛擬化教學(xué),可以預(yù)見,它將會是傳統(tǒng)教學(xué)模式的一次重大變化,對教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的改善會有重要的引領(lǐng)作用。
教學(xué)過程中,有一些工作場所或環(huán)境,比如易燃易爆場所、高溫作業(yè)場所等,由于本身具有高危險性,考慮到學(xué)生安全問題,學(xué)校通常不會配置相應(yīng)的實踐場地,即使配有相關(guān)場地,亦不敢讓學(xué)生在其中進(jìn)行充分的練習(xí)和實踐,故,當(dāng)談及此類教學(xué)內(nèi)容時,教師往往會選擇口頭表述或者略過不講等方式,然而其中所涉及的一些求生知識和技能又是學(xué)生必須掌握的。遇到上述問題,若能借助虛擬現(xiàn)實技術(shù),無疑地能為教學(xué)實踐帶來天然優(yōu)勢。我們可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用,模擬出與實踐內(nèi)容相關(guān)的工作場景或環(huán)境,為學(xué)生提供幾乎與現(xiàn)實環(huán)境完全相同的虛擬空間,學(xué)生可以在虛擬空間中對各種虛擬對象實施操作,獲得與真實情況相類似的實踐體驗,此外,他們還可以在虛擬空間中進(jìn)行反復(fù)的操作和訓(xùn)練,達(dá)到技能鞏固的目的。如此,不僅能較好地實現(xiàn)教學(xué)目的,良好地保障學(xué)生的安全,最重要的是,還可以較大限度地節(jié)約成本,在教學(xué)實踐中具有較大的實際意義。
如圖1中所示,學(xué)生正在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)學(xué)習(xí)汽車配件的裝配。
圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用機(jī)械裝配實踐中
通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持,教師還可在教學(xué)過程中為學(xué)生提供眾多的行業(yè)環(huán)境或工作場景的假設(shè)模型,學(xué)生可以在多種不同環(huán)境下通過完成各種不同類型的教學(xué)任務(wù),得到更多與實際環(huán)境類似的體驗和鍛煉,既能豐富學(xué)生的專業(yè)知識,還能充分地磨練學(xué)生的專業(yè)技能,提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。
將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,能夠為學(xué)生創(chuàng)造出接近于實際的工作場景,與傳統(tǒng)實踐模式相比,其突出優(yōu)勢主要體現(xiàn)以下幾方面。
在教學(xué)實踐環(huán)節(jié),往往需要各種實驗場地、設(shè)備、資源等,這對于學(xué)校來說需要較大的投入,也導(dǎo)致很多教學(xué)實踐無法展開,此種境況在實驗、實訓(xùn)設(shè)備投入力度都較大的工科類專業(yè)建設(shè)中更為常見。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用,能夠有效彌補(bǔ)教學(xué)資源的不足,學(xué)生即使置身教室,也同樣能夠獲得與真實場景近似或相同的體驗,達(dá)到強(qiáng)化對知識的理解,加深對知識的印象,增強(qiáng)動手能力的目的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實施,成本相對較低,而且能夠反復(fù)使用,教學(xué)成本的節(jié)約效果明顯。
在學(xué)生的學(xué)習(xí)活動中,有一些實驗可能帶有較強(qiáng)的危險性,或是對學(xué)生的健康有影響,出于對學(xué)生安全的考慮,這樣的實驗往往無法開展,只能通過觀看視頻、口頭表述等方式來替代。然而,對于中職學(xué)生來講,不能親身參與的試驗,感受不強(qiáng),理解不深,預(yù)期的教學(xué)效果往往都較難達(dá)成。借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù),可以很好地為學(xué)生規(guī)避掉實驗的危險性,讓其體驗如何在各種危險或危及健康的環(huán)境下完成相關(guān)的作業(yè),由于學(xué)生無需擔(dān)心安全問題,還能更好地擺脫了各種束縛,有利于學(xué)生在實驗中展開各種嘗試,這對培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)新意識亦具有積極意義。
應(yīng)用虛擬技術(shù),教學(xué)實踐能夠打破時間和空間的限制。學(xué)生既可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù),近距離感受到宇宙天體,也能夠進(jìn)入原子內(nèi)部感知微觀神奇,讓教學(xué)實踐不再局限于現(xiàn)實。如,在學(xué)習(xí)橋梁施工的過程中,通過虛擬現(xiàn)實技術(shù),能夠直接進(jìn)入橋梁施工現(xiàn)場,對橋梁各部分的構(gòu)建實施近距離觀察,了解各個構(gòu)件的結(jié)構(gòu),而且還能對橋梁建筑的全過程實施觀察,這種體驗不僅觀看視頻無法得到,即使是現(xiàn)場實踐也不一定能得到。此外,由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)不受時空限制,學(xué)生能夠自由安排學(xué)習(xí)進(jìn)度,在最恰當(dāng)?shù)臅r刻通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)展開教學(xué)實踐,這對學(xué)習(xí)實踐顯然有更好的效果[2]。
在虛擬環(huán)境中,學(xué)生可以發(fā)揮自身創(chuàng)造力,突破設(shè)備、儀器的限制,展開更加廣泛的實驗,所以說虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生在掌握相關(guān)知識的前提下,在虛擬環(huán)境中能夠更加便捷的展開試驗,這對于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、創(chuàng)新能力以及問題解決能力都有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。
通常來說,實踐教學(xué)包括了實驗、實習(xí)和實訓(xùn)三種不同的形式。實踐教學(xué)對于學(xué)生理解、鞏固、掌握和應(yīng)用知識有重要意義,對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析能力、知識轉(zhuǎn)化能力以及問題解決能力都有十分積極的影響。然而,實踐教學(xué)的實際開展卻往往要受制于各種客觀條件,虛現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn),有效的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實踐教學(xué)中的不足,保障了實踐教學(xué)的順利開展。
其主要的應(yīng)用途徑如下。
虛擬化實驗,就是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下,通過電腦對現(xiàn)實中的實驗環(huán)境做出模擬。學(xué)生運(yùn)用電腦在模擬實驗環(huán)境中展開各種實驗(包括現(xiàn)實環(huán)境中無法實現(xiàn)的實驗),并從中得到各種效果體驗。
虛擬化實驗是當(dāng)前實踐教學(xué)開展較為經(jīng)濟(jì)的最有效途徑。
比如,在“電子工作臺”軟件中,學(xué)生可以運(yùn)用軟件平臺上提供個各種元件,設(shè)計各種電路,包括數(shù)字電路與模擬電路,并通過各種虛擬檢測設(shè)備來測試各節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù),從而檢測電路狀態(tài),以此來獲得與真實電路相同的實驗感受。還有,運(yùn)用《幾何光學(xué)實驗室》軟件,能夠在其平臺上完成各種透鏡試驗,通過電腦軟件,讓學(xué)生直接獲得真實試驗感受;更重要的是,該軟件最近研制的第三代,能夠?qū)⒃囼瀳鼍巴耆蒙碛谌S虛擬空間中,通過VR Classes(虛擬教室)呈現(xiàn)出真正的三維場景,從而為實驗者提供最真實的試驗觀感。
實習(xí)也是教學(xué)活動中重要的環(huán)節(jié)之一。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下,運(yùn)用多媒體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù),構(gòu)建一個虛擬實習(xí)基地,學(xué)生在這個虛擬實習(xí)基地中能夠獲得各種工作的實習(xí)體驗。
比如,醫(yī)學(xué)院使用虛擬實習(xí)基地讓學(xué)生模擬手術(shù)場景,這樣在沒有患者的情況下也能夠感知手術(shù)操作,有助于學(xué)生對相關(guān)技術(shù)的掌握;更重要的是,在這種虛擬場景下,學(xué)生可以多次反復(fù)練習(xí),強(qiáng)化手術(shù)技巧,并且由于沒有真實患者,因此允許學(xué)生展開多種嘗試,幫助學(xué)生建立更加全面的認(rèn)識。再比如,土木工程學(xué)生借助虛擬現(xiàn)實技術(shù),可以對一個工程項目實施全過程的細(xì)節(jié)觀察,而且還能夠?qū)Ω鞣N施工方法做多種嘗試,從而了解不同施工工藝的優(yōu)缺點。真實的工程進(jìn)度耗時幾月甚至幾年,學(xué)生不可能完全了解全過程,而且真實的場景也不允許做嘗試性模擬,所以虛擬技術(shù)的作用更加明顯的得以體現(xiàn)[3]。
對于大多數(shù)工科院校學(xué)生來說,工程訓(xùn)練是必不可少的實踐教學(xué)內(nèi)容,然而受制于設(shè)備數(shù)量,實習(xí)時間往往較為有限。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用,能夠讓學(xué)生運(yùn)用虛擬儀器和設(shè)備,完成工程實訓(xùn),虛擬儀器和設(shè)備能夠為學(xué)生創(chuàng)造更多的動手機(jī)會,幫助學(xué)生提升分析能力、動手能力和問題解決能力。比如,在數(shù)控機(jī)床實訓(xùn)中,學(xué)生可以通過對虛擬數(shù)控機(jī)床的標(biāo)稱,完成編程實踐。學(xué)生首先對要加工的零件編制加工代碼,然后將代碼輸入虛擬數(shù)控機(jī)床,如果編程存在語法錯誤,虛擬設(shè)備就會將錯誤代碼與錯誤位置指出;如果是非語法錯誤,虛擬設(shè)備就會加工出錯誤形狀;學(xué)生通過運(yùn)用虛擬技術(shù),能夠多次嘗試,以熟練掌握數(shù)控機(jī)床的編程方法。另外,對于建筑設(shè)計的學(xué)生來說,運(yùn)用虛擬技術(shù)能夠直接讓學(xué)生設(shè)計的作品呈現(xiàn)出來,還可以讓學(xué)生通過在建筑物內(nèi)的近距離觀察,了解設(shè)計的合理性,從而有助于改善設(shè)計方案,提升學(xué)生的設(shè)計能力。
盡管我們在前文中討論了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)具有十分積極的意義,然而我們也必須明白,虛擬化時實踐教學(xué)依然有其局限性。不管虛擬現(xiàn)實技術(shù)與真實場景如何近似,不管虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠給予觀察者怎樣真實的感受,虛擬操作與真實操作依然存在差異。盡管虛擬化實踐教學(xué)具有較高的應(yīng)用價值,但是虛擬場景依然不能取代真實操作。
虛擬化實踐教學(xué)的局限性主要體現(xiàn)在以下兩個方面。
第一,虛擬技術(shù)無法完全體現(xiàn)真實場景中的各種突然性和不可控問題。比如,在學(xué)習(xí)電路時候,感受不到正負(fù)極連接錯誤帶來的真實效果;在進(jìn)行機(jī)械裝配時,無法感受到裝配錯誤帶來的真實影響等。由于虛擬場景是基于一定原則建立的,真實環(huán)境中的很多突發(fā)性因素 ,虛擬環(huán)境中無法完全體現(xiàn)。
第二,學(xué)生在虛擬實驗中,若只是按部就班地按照常規(guī)完成實驗,就不可能獲得新發(fā)現(xiàn)或者得出新結(jié)論。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過程序?qū)︻A(yù)設(shè)場景進(jìn)行再現(xiàn),若只進(jìn)行特定操作,就只能產(chǎn)生與之相應(yīng)的預(yù)設(shè)結(jié)果,不會脫離人們的認(rèn)知而得到其他結(jié)論。在這個程度上來說,虛擬試驗只能作為一種演示性教學(xué),不能取代真正的實踐教學(xué),特別是那些具有創(chuàng)造性目的的試驗[4]。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)中,有助于學(xué)生認(rèn)識科學(xué)原理,加強(qiáng)知識的理解,強(qiáng)化技能的訓(xùn)練,提升專業(yè)能力,但它無法模擬出現(xiàn)實場景中存在的隨機(jī)性因素和突變性因素,它基本上很難產(chǎn)生預(yù)設(shè)結(jié)果之外的結(jié)論,所以只能作為實踐教學(xué)的輔助方法。
當(dāng)前,虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是未來可能改變世界的技術(shù)之一,得到人們的高度重視。雖然當(dāng)前虛擬技術(shù)相關(guān)設(shè)備較為昂貴,在生活中的普及程度也不高,然而可以預(yù)見的是,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在未來必然有著廣闊的發(fā)展空間。對于應(yīng)用在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)來說,對教學(xué)顯然具有很高的價值,作為實踐教學(xué)的輔助手段,應(yīng)當(dāng)?shù)玫酱罅χС趾屯茝V。
[1]張志國.虛擬技術(shù)在測繪工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].江蘇科技信息,2017(11):74-75.
[2]袁瑛,沈平.虛擬技術(shù)在實踐教學(xué)模式變革中的運(yùn)用研究[J].電腦知識與技術(shù),2017,13(11):144-145.
[3]彭曙光.土木工程專業(yè)實踐教學(xué)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用[J].新課程(教育學(xué)術(shù)版),2009(11):77.
[4]虞飛華,鄭韜,朱錫瑞,華冠萍,張華音.“計算機(jī)技能實訓(xùn)”課程虛擬實踐教學(xué)模式研究[J].浙江樹人大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,16(04):59-61.