虛擬仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用初探

宋雅嵚， 何培玲， 潘金龍， 徐奮強(qiáng)， 趙延喜

(1.南京工程學(xué)院 a.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院； b.建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211200)

教學(xué)改革旨在提高教育質(zhì)量，注重素質(zhì)教育的發(fā)展，在教師的教與學(xué)生的學(xué)方面進(jìn)行改革創(chuàng)新，著重強(qiáng)調(diào)以學(xué)生發(fā)展為根本，注意鍛煉其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[1].課堂是傳授知識(shí)的重要場(chǎng)所，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)在提高學(xué)生綜合能力方面出現(xiàn)了一些短板，而在課堂教學(xué)中引入虛擬仿真(意同Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱為VR)技術(shù)，可以利用其能情景再現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，補(bǔ)齊傳統(tǒng)課堂教學(xué)的短板，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力.本文即研究在課堂教學(xué)中如何應(yīng)用VR技術(shù)，提高課堂教學(xué)的質(zhì)量和效果.

1 虛擬仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

仿真(simulation)技術(shù)，或稱為模擬技術(shù)，就是用一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù).VR實(shí)際上是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界(Virtual World)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng).此種虛擬世界由計(jì)算機(jī)生成，可以是現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行自然的交互.VR技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、視覺生理學(xué)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、軟件工程、語(yǔ)音識(shí)別與合成技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成的結(jié)晶[2].通過(guò)VR技術(shù)可將現(xiàn)實(shí)環(huán)境通過(guò)相關(guān)設(shè)備、技術(shù)模擬出來(lái).這種技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，可以提供三維場(chǎng)景，雖然這種場(chǎng)景是虛擬的，但卻可以將現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景非常逼真地模擬出來(lái).在這種環(huán)境中，使用者可以根據(jù)自己的需求操作設(shè)備，獲得身臨其境的體驗(yàn).這種技術(shù)之所以能夠帶給人非同凡響的體驗(yàn)效果，大多歸功于其與人之間出色的交互性和模擬場(chǎng)景的逼真性，能夠讓使用者沉浸其中，且可以通過(guò)語(yǔ)音和肢體動(dòng)作來(lái)控制場(chǎng)景，獲得視、聽、觸、動(dòng)等方面的享受.VR的奧妙之處在于，它可以將世界上的各種事物或者環(huán)境，無(wú)論其存在與否，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行再現(xiàn).虛擬仿真的核心就是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)生成某一種環(huán)境，使用者可以通過(guò)相關(guān)儀器設(shè)備將自己帶進(jìn)這個(gè)虛擬環(huán)境中，并且通過(guò)自己的認(rèn)知來(lái)繪制所需要的場(chǎng)景，滿足控制自然的欲望.更讓人想不到的是，當(dāng)人以真實(shí)環(huán)境的操作方法進(jìn)入虛擬環(huán)境時(shí)，給人的信息回饋與真實(shí)環(huán)境無(wú)異.

VR技術(shù)中使用的交互式動(dòng)畫[3],是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與整理，在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景，并與使用者產(chǎn)生互動(dòng)，是一種兼具可視性與操作性的全新形式，讓使用者在體驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍.這種交互式動(dòng)畫依賴的核心技術(shù)使得使用者與計(jì)算機(jī)之間能夠?qū)崿F(xiàn)“交流”和“互動(dòng)”，這種技術(shù)因其出色的體驗(yàn)效果，得到了普遍接受和運(yùn)用.

虛擬交互技術(shù)綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)和交互技術(shù)，根據(jù)使用者不同的需求設(shè)定相應(yīng)的內(nèi)容，每一個(gè)畫面都是使用者定制的，顛覆了以往只能被動(dòng)接受畫面的認(rèn)知，使用者只需輕輕按動(dòng)相應(yīng)的按鍵進(jìn)行設(shè)定，就可以與計(jì)算機(jī)形成互動(dòng)，得到全新的人機(jī)交互體驗(yàn).互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得這種個(gè)人體驗(yàn)可以與他人分享，極大地滿足了人們的體驗(yàn)需求.

2 虛擬仿真技術(shù)給課堂教學(xué)帶來(lái)的轉(zhuǎn)變

2.1 角色轉(zhuǎn)變

VR技術(shù)的引入，使學(xué)生成為教學(xué)過(guò)程的核心，突出了學(xué)生的主體地位.課堂教學(xué)可以緊緊圍繞如何使學(xué)生能更加積極、主動(dòng)地學(xué)習(xí)而進(jìn)行教學(xué)方法的設(shè)計(jì)，符合新時(shí)代以學(xué)生為中心的教學(xué)理念.在教學(xué)過(guò)程中，教師不僅是知識(shí)的傳授者，而且是學(xué)生學(xué)習(xí)中的朋友，這就拉近了師生之間的距離，有利于師生間增進(jìn)感情，形成良好的學(xué)習(xí)氛圍.

2.2 作用轉(zhuǎn)變

在教學(xué)中采用VR技術(shù)，學(xué)生既能更加有效地在短時(shí)間內(nèi)充分調(diào)動(dòng)自己視覺、聽覺和觸覺，綜合理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，快速高效地掌握相關(guān)知識(shí)，又能夠借助親身體驗(yàn)，主動(dòng)分析和研究相應(yīng)事物蘊(yùn)含的規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)、概括出相關(guān)結(jié)論.這樣，VR技術(shù)就成為學(xué)生認(rèn)識(shí)事物的工具，而不僅僅是教師進(jìn)行教學(xué)的工具.

2.3 過(guò)程轉(zhuǎn)變

課堂教學(xué)活動(dòng)體現(xiàn)在教與學(xué)兩個(gè)方面，傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程往往是教師說(shuō)教在先，學(xué)生學(xué)習(xí)在后，在這個(gè)過(guò)程中，如何充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，如何培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的習(xí)慣，如何提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力等問(wèn)題一直困擾著教師.引入VR技術(shù)后，教學(xué)過(guò)程變?yōu)榻處熞龑?dǎo)、組織，學(xué)生積極主動(dòng)地探索與研究，通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題掌握相應(yīng)的知識(shí)，從而提高學(xué)生獨(dú)立思考的能力和解決問(wèn)題的能力.

3 虛擬仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

VR技術(shù)在教學(xué)方式上注重與學(xué)習(xí)者的溝通與交流，使學(xué)生在相互學(xué)習(xí)中取得進(jìn)步.在課堂上通過(guò)仿真將相關(guān)問(wèn)題學(xué)術(shù)化，并廣泛討論、多方思考、深入研究，可以有效地提高學(xué)習(xí)者的能力.學(xué)生在解答問(wèn)題時(shí)，可廣泛地收集相關(guān)信息，深入分析相關(guān)因素，并在這個(gè)過(guò)程中體會(huì)到解決問(wèn)題的過(guò)程實(shí)際上就是再學(xué)習(xí)的過(guò)程的道理，從而能正確地認(rèn)識(shí)事物，提高自己處理問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力.VR技術(shù)引入課堂的宗旨是鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與，互動(dòng)學(xué)習(xí)，突出學(xué)生的主體地位.在這個(gè)過(guò)程中，既可觀察學(xué)生外在行為，比如舉止、語(yǔ)言；又可了解學(xué)生的內(nèi)心思維活動(dòng)，即思考什么和如何思考.這既可以鍛煉學(xué)生語(yǔ)言、行為能力，還可以優(yōu)化學(xué)生思考問(wèn)題的方式，讓學(xué)生在掌握技能的同時(shí)提高創(chuàng)新能力.

VR技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)中的案例可以是相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，也可以是生活中的內(nèi)容.如地鐵項(xiàng)目，在地下車站的建設(shè)過(guò)程中，采用3D虛擬仿真技術(shù)，可以很直觀地將明挖法中地鐵站工程的相關(guān)維護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)等施工流程展現(xiàn)出來(lái).這些流程包含降水施工、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、地基穩(wěn)定加固施工、基坑開挖施工、基坑支護(hù)施工、主體結(jié)構(gòu)施工、防水措施施工等.學(xué)生使用手柄控制器可實(shí)現(xiàn)虛擬空間長(zhǎng)距離移動(dòng)和自由移動(dòng)，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行多方位的觀察，它能形象地模擬出真實(shí)項(xiàng)目中地鐵站圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)，給人一種身臨其境的體驗(yàn)效果.又如H型鋼梁載荷—應(yīng)變測(cè)試3D模擬實(shí)驗(yàn)，從試件制作、打磨、貼應(yīng)變片到加載記錄數(shù)據(jù)、卸載的全過(guò)程，都能讓學(xué)生使用鼠標(biāo)、鍵盤通過(guò)VR技術(shù)進(jìn)行實(shí)際操作.再如，通過(guò)BIM(建筑信息模型，Building Information Modeling的簡(jiǎn)稱)技術(shù)建立地下管廊工程模型后，可使用VR設(shè)備進(jìn)行展示和體驗(yàn)，使體驗(yàn)者身臨其境地觀看現(xiàn)場(chǎng)情況并在管廊中任意漫游，可使用VR手柄與場(chǎng)景的實(shí)時(shí)交互來(lái)了解管線信息.當(dāng)前，建筑行業(yè)中興起了裝配式建筑，虛擬仿真技術(shù)配以先進(jìn)的BIM技術(shù)，以三維模型為背景，以實(shí)際裝配式全過(guò)程施工為載體，可真實(shí)還原裝配式構(gòu)件從預(yù)制到運(yùn)輸，到現(xiàn)場(chǎng)后組裝建設(shè)的全部施工要點(diǎn).利用VR教學(xué)時(shí)，學(xué)生不用去施工現(xiàn)場(chǎng)，在教室里就可以完成相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果.

4 虛擬仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用效果

(1)可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性主要靠自身學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這個(gè)因素在學(xué)習(xí)過(guò)程中具有“核心”地位，而學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)需要外界環(huán)境的引導(dǎo)和刺激，VR技術(shù)恰恰能夠通過(guò)學(xué)生自主控制虛擬環(huán)境來(lái)刺激其本身對(duì)學(xué)習(xí)需求的欲望，進(jìn)而激發(fā)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高其學(xué)習(xí)主動(dòng)性.

(2)幫助學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

將VR技術(shù)引入課堂，學(xué)生可以選擇和創(chuàng)造適合自己的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的求知欲，學(xué)生會(huì)更加注重“自主求索”，有利于學(xué)生主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并在相互討論中培養(yǎng)思考問(wèn)題的能力.這樣可將教師“講授知識(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生“主動(dòng)求知”.

(3)轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式

引入VR技術(shù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式有了巨大改變，一改之前在掌握知識(shí)時(shí)單純記憶的情況，在做題時(shí)也摒棄機(jī)械式的重復(fù)練習(xí)，在發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題后能主動(dòng)去解決，提高自身的綜合素質(zhì).在這個(gè)過(guò)程中，“動(dòng)”字很重要，在課堂教學(xué)中使用VR技術(shù)能幫助學(xué)生將“動(dòng)”與“學(xué)”完美結(jié)合，做到“動(dòng)中學(xué)、學(xué)中做”.

(4)增加學(xué)生主動(dòng)交流的幾率

使用VR技術(shù)教學(xué)時(shí)，可以相互(無(wú)論是師生間還是同學(xué)間)討論交流，分享學(xué)習(xí)過(guò)程中的體會(huì)與心得，無(wú)論采用個(gè)人成果匯報(bào)，或者開展學(xué)習(xí)上的查漏補(bǔ)缺活動(dòng)，亦或是對(duì)別人意見的幾點(diǎn)補(bǔ)充，都可以達(dá)到較好的效果.虛擬仿真在增加學(xué)生間、教師與學(xué)生間的交流機(jī)會(huì)，創(chuàng)造學(xué)生的交流環(huán)境方面有不可替代的作用.學(xué)生在交流中可以完善自己的知識(shí)體系，重建個(gè)人對(duì)事物的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升解決問(wèn)題的能力.

5 結(jié)語(yǔ)

VR技術(shù)日益成熟，其不僅能在工程領(lǐng)域大放光彩，也能在課堂教學(xué)中發(fā)揮巨大作用，給現(xiàn)有的教學(xué)模式注入強(qiáng)心劑，使其發(fā)生質(zhì)的改變.這種技術(shù)為學(xué)生提了一種新的學(xué)習(xí)環(huán)境，也為課堂教學(xué)提供了一種新的教學(xué)模式，可以帶給學(xué)生和教師全新的體驗(yàn).