5G網(wǎng)絡下虛擬現(xiàn)實技術在高等院校實驗教學中的應用

劉春宇，張 瑩，張挺聳，匡尚奇

(長春理工大學理學院，吉林長春，130022)

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR) 技術是隨著計算機信息技術的發(fā)展、計算機數(shù)據(jù)處理速度的快速提升、網(wǎng)絡傳輸速度的提高而迅速發(fā)展的新興技術，是計算機仿真技術的重要發(fā)展方向，它融合了系統(tǒng)仿真學、計算機圖形學、大數(shù)據(jù)分析處理、傳感以及網(wǎng)絡信息等前沿技術，可形成逼真的三維環(huán)境[1]，使參與者能在相應裝置的幫助下在虛擬系統(tǒng)進行體驗和交互活動，有身臨其境之感[2]。1987年，美國VPL公司創(chuàng)建人杰倫·拉尼爾提出虛擬現(xiàn)實這一概念，被業(yè)界稱為“虛擬現(xiàn)實之父”。VPL公司研發(fā)出了一系列虛擬現(xiàn)實設備，包括頭戴式顯示器和手套。隨著網(wǎng)絡技術、計算機硬件系統(tǒng)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術較之傳統(tǒng)視頻、音頻動畫系統(tǒng)，有更為強烈的視覺感受和更為真實的體驗，進一步加強了使用者的參與感。因此，VR在計算機游戲行業(yè)優(yōu)先、快速發(fā)展起來，并在我國各主要城市的商場等兒童、青少年娛樂場所迅速風靡。

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要(2016—2020年)》已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實技術明確列入國家大力支持的行業(yè)中。[3]目前，國內(nèi)部分一流院校已經(jīng)逐步開展虛擬實驗室的建設。如，北京航空航天大學在2007年已經(jīng)開始虛擬現(xiàn)實技術與系統(tǒng)國家重點實驗室的建設[4]；吉林大學虛擬實驗室已經(jīng)建成使用，很多高校正在籌備或已經(jīng)部分建成虛擬實驗室。但是，傳統(tǒng)VR技術受到網(wǎng)絡速度的限制，部分體驗者佩戴VR眼鏡后畫面有卡頓的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生頭暈等不適感。隨著我國5G網(wǎng)絡的快速發(fā)展，網(wǎng)絡傳輸速度會有極大的提升，可消除VR受網(wǎng)絡傳輸速度所限給體驗者帶來的不適感。就目前來看，虛擬現(xiàn)實技術在商業(yè)游戲的領域應用廣泛，發(fā)展最快，在軍事、工業(yè)等領域的應用也有所擴大，而在教育領域，虛擬現(xiàn)實技術還屬于新興事物。如何實現(xiàn)VR與教學的有效結合，以提高教學質(zhì)量，還需要廣大教育工作者做進一步的研究和探討。

隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，學生獲得知識的途徑呈現(xiàn)出多樣化特征?；ヂ?lián)網(wǎng)5G技術的普及促使高等學校教學方法、學習方式產(chǎn)生巨大的變革，這就要求高校教育工作者開拓思維，把握機遇，科學地利用互聯(lián)網(wǎng)平臺，采用新型信息化教學手段豐富教學內(nèi)容。[5]

一、“互聯(lián)網(wǎng)+VR”教學平臺的建設

(一)建設校園5G網(wǎng)絡，為“互聯(lián)網(wǎng)+VR”教學模式提供軟環(huán)境

VR技術在高等學校教育中的普及，其首要前提就是要有一個高速信息傳輸網(wǎng)絡，否則會嚴重影響VR技術的流暢性及體驗感，也無法解決使用VR技術所引起的眩暈感問題。5G網(wǎng)絡在我國的快速發(fā)展，為高校教育教學方法的改革提供了一個重要的載體。我國已經(jīng)開始在部分省市的部分地區(qū)進行5G網(wǎng)絡的建設，主要通信公司也紛紛推出5G資費與套餐。以此為契機，高校可以根據(jù)自身實際情況，與當?shù)刂饕ㄐ殴痉e極溝通，建立以校園為核心區(qū)域的5G網(wǎng)絡。高校人員密集，且多為能接受新鮮事物、對網(wǎng)絡依賴程度較高的年輕人。因此，優(yōu)先建設校園內(nèi)的5G網(wǎng)絡是有一定的地域優(yōu)勢的，在某一區(qū)域內(nèi)龐大的使用人群和網(wǎng)絡開發(fā)對通訊商來說也是快速收回成本、擴大5G網(wǎng)絡使用范圍的重要途徑，這有可能成為深化校企合作的成功范例。

(二)“互聯(lián)網(wǎng)+VR”教學平臺的建設，突出地方特色

教學環(huán)節(jié)的開展離不開教學平臺的建設。我國5G高速網(wǎng)絡的建設為VR教學平臺的建設提供了前提保障。大型VR教學平臺的建設投入不可能由個別教師來承擔，因此，學校甚至區(qū)域的投入及支持是必不可少的。對此，高?？梢钥紤]以聯(lián)合其他高校、市級或省級教育機構來進行教學平臺建設。我國多數(shù)高校在地理位置上通常不是孤立的，一般會幾所高校距離較為接近，這也為高校之間聯(lián)合進行教學平臺的建設提供了保障。雖然在網(wǎng)絡時代，基于網(wǎng)絡的課程大部分是跨區(qū)域的，但是多數(shù)理工科的課程仍需要進行大量的實驗、實踐課程。這部分需要學生親自動手操作的課程很難通過視頻的形式進行教學，如果距離較近的幾所高校聯(lián)合起來進行平臺建設，共享實驗室資源，那么既能使學生學習到不同學校的優(yōu)勢學科，提高學生學習興趣及激發(fā)創(chuàng)新意識，也可大大降低每個學校在網(wǎng)絡平臺建設上的投入成本。

(三)本地高校資源深度共享，搭建交流平臺，多方參與

VR教學平臺的建設需要大量資金，且建設周期長，前期的計算機、VR硬件、實驗室改造等硬件，VR教學軟件設計、購買等軟件內(nèi)容，以及教師培訓、交流等投入資金至少為百萬人民幣量級，而后期的設備維護、增加實驗項目等投入資金也是相當龐大的，單一院校承擔起來有難度，尤其是經(jīng)濟不太發(fā)達、省市相關教育投入較少的地區(qū)，可能負擔更重。融合本地高等教育資源，利用各高?，F(xiàn)有優(yōu)勢學科、課程進行VR實驗室共同建設，實現(xiàn)資源共享、實驗室共享，不僅可以發(fā)揮各自學科優(yōu)勢，還可以降低投入成本，讓實驗教師和管理人員有更多的精力投入教學設計、題目設計、課堂教學，本地區(qū)內(nèi)教師的學術交流更加便捷和低成本?？傊?，本地高校進行實驗室的資源共享，多方參與活動，結合研討會、參觀考察、網(wǎng)絡媒體等多種形式搭建交流平臺，宣傳和推廣虛擬現(xiàn)實教育應用成果，可以讓更多高校便捷地獲取經(jīng)驗，有效而低成本地提高本地區(qū)高校整體實驗教學質(zhì)量。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+VR”實驗課程建設及設計

(一)組織培訓活動，開拓教師視野，提高教師對VR的認識和熱情，提高教學改革主動性

學生多元化的學習方式是目前高校學生學習的主要方式。當前，學生的視野比較開闊，而教師在教學崗位長期采用傳統(tǒng)教學方式，其在多元化、信息化方式的學習方面反而要落后于善于接受新事物的年輕人?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+VR”技術雖然對高等學校教學有極大的促進作用，但是它與傳統(tǒng)教學模式與方式差異較大。因此，任課教師要跳出自己熟悉的教學“舒適區(qū)”去接受大量新的知識，尋找新的教學模式。要讓教師從心理上產(chǎn)生對VR的認同感，首先，學校要組織教學第一線的教師、實驗教師和管理人員進行高水平的培訓和研討活動。其次，學校要支持教師到國內(nèi)先進VR實驗室進行體驗和交流，為一線教師提供VR教學觀摩和上機實踐的機會，共享基于VR技術的教學模式。[6]這是讓教師接受新技術最直觀和重要的方式。最后，學校要支持教師參加VR的展會及廠家的技術交流活動，讓教師與廠家共同探討VR技術在高校教學中的應用及發(fā)展。這些交流、學習和講座會使一線教師面對新的教學環(huán)境、授課對象，更有改善授課方式的動力，并提高教師開展基于“互聯(lián)網(wǎng)+VR”模式的教學改革的主動性。

(二)產(chǎn)學研合作，發(fā)揮優(yōu)勢，節(jié)約成本

教育部在2015年全國教育工作會議上提出，地方高校要把辦學思路真正轉(zhuǎn)到服務地方經(jīng)濟發(fā)展上來，轉(zhuǎn)到產(chǎn)教融合校企合作上來，培養(yǎng)的人才要符合經(jīng)濟社會的需求。[5]VR教學軟件的設計具有一定的資金門檻，教師憑借個人力量和有限的時間很難設計出優(yōu)秀的VR作品。因此，這一環(huán)節(jié)就要大力調(diào)動社會相關企業(yè)的力量，產(chǎn)學研密切合作，解決供、需兩方面的問題。具體分工為高校提出實驗題目要求、細節(jié)參數(shù)和技術需求，企業(yè)來解決如何設計VR作品的問題，最后再由高校結合實際情況提出改進意見，以此發(fā)揮企業(yè)和高校各自的技術優(yōu)勢，合理利用資源，更有效率地解決實際問題。校企兩方進行深度合作，推動科研成果共享，進而大大節(jié)約成本。

(三)建設VR實驗教學示范中心，發(fā)揮“領頭羊”的作用

VR實驗室的建設對于大多數(shù)普通高校來講，仍然是新興事物，高校要分年度、分批次進行硬件環(huán)境、軟件環(huán)境的投入，以及師資培訓。因此，對于首先進行哪些學科、哪些專業(yè)的VR實驗室建設，高校的選擇就要有一定的傾向性。高校可優(yōu)先選取本學校的優(yōu)勢學科、專業(yè)和課程，進行師資投入，建設實驗教學示范中心。多數(shù)高?？蓛?yōu)先考慮對通識教育、基礎學科的實驗室進行建設。首先，基礎課因為面向全校授課，因此，一般都具有一定的規(guī)模和面積，也有一定數(shù)量的教師，能為VR實驗室的持續(xù)建設提供場地及師資。其次，基礎課實驗室面向的學生多為全校一年級的新生，可讓學生在入學階段就享受到高科技教學帶來的新奇感覺，更好地讓學生融入大學的學習，提高學生對學習的興趣，使其在后面的專業(yè)基礎、專業(yè)課程的學習中有更多的主動追求知識的動力。最后，激發(fā)學生創(chuàng)新性的思維方式要從大學低年級開始，這有利于學生思維能力的養(yǎng)成。同時，考慮到多數(shù)高?；A實驗室開設的情況，高?？梢詢?yōu)先建設大學物理虛擬實驗室。因為除了滿足上述幾個條件之外，大學物理實驗題目眾多、物理知識內(nèi)容廣泛，國內(nèi)外有眾多優(yōu)秀高校的經(jīng)驗可供參考和學習，高?？梢宰羁斓乃俣?、最小的成本去建設VR實驗室。同時，高校可通過校企合作的方式，創(chuàng)建一批標準化的、示范性的VR教學中心，引領高校VR教學中心建設。

(四)VR實驗題目的選定要有代表性和針對性

VR實驗室的建設不僅要考慮到網(wǎng)絡條件、硬件條件、實驗室面積等因素，VR實驗題目的設置也是極為重要的環(huán)節(jié)。VR實驗題目的選定要具有一定的代表性，不能與實驗室已有實驗設備的實驗題目重復，否則就是重復建設，浪費資源與精力的不智之舉。如，某VR展會上廠家展示其VR實驗作品，其中就有大學物理實驗中的“分光計”實驗。該實驗題目屬于物理光學中的傳統(tǒng)基礎實驗，一般高校的該課程十之八九都會有這個實驗。該儀器使用范圍較為廣泛，儀器整體的價格及維修費用都相對比較合理，且該實驗操作也沒有危險性，不涉及高壓、強光等內(nèi)容，而開發(fā)一個新VR實驗的成本很可能要遠高于這種傳統(tǒng)實驗儀器的成本，這種題目的選擇就是不太合理的。因此，VR實驗題目的選擇要進行更深入的調(diào)研、探討和分析，一些傳統(tǒng)課堂中儀器造價高、危險性強或者由于場地限制而無法開展的實驗進行VR實驗才是有必要的，而不是現(xiàn)有實驗題目的重復。VR實驗室的建設是現(xiàn)有傳統(tǒng)實驗有益的、必要的補充，VR實驗教學無法全面代替學生能親自動手操作的傳統(tǒng)實驗課堂教學。

(五)VR實驗教材的建設與實驗同步，并與傳統(tǒng)教材有區(qū)別

VR實驗教材的建設是新技術在高等學校實驗教學領域中能夠穩(wěn)定開展的重要一環(huán)，通常本科生在沒有接觸真實的VR實驗之前就會看到相關實驗的教材和資料。VR實驗教材的設計要有其獨特性，直接利用傳統(tǒng)教材很難顯示出VR實驗所要求本科生掌握的操作技術、操作技巧、知識結構、數(shù)據(jù)記錄等內(nèi)容。因此，VR實驗教材的撰寫和設計并不是簡單的傳統(tǒng)實驗教材的翻版，而是要重新進行設計和構思。這種新型的教材應配合實驗，以電子教材為主，不僅可以視頻形式介紹VR設備的使用，還可以視頻、動畫、圖畫的形式展現(xiàn)相關的實驗原理、儀器介紹，擺脫傳統(tǒng)教材只能展示二維圖形、單一文字的原理描述缺點，使本科生在進行VR實驗之前對實驗有生動、有趣的認知，從而對實驗充滿熱情與期望，有效提高本科生實驗學習的積極性。

隨著我國5G網(wǎng)絡的高速建設和發(fā)展，VR技術在這一契機下獲得了長足的發(fā)展動力。新興教學技術有利于激發(fā)教師教學改革的熱情，激發(fā)本科生的學習動力，提高本科生的創(chuàng)新能力，促進學校之間的交流合作，促進學校和企業(yè)之間的產(chǎn)學研合作，為高等教育帶來發(fā)展機遇。