沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng) 在本科實踐教學(xué)中的應(yīng)用

王超杰 李知菲 孟冰源 朱俊杰

摘要：實踐教學(xué)是鞏固理論知識和加深對理論認(rèn)識的有效途徑，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)，能有效提高學(xué)生理論聯(lián)系實際、掌握科學(xué)方法和動手實踐的能力，然而，實踐教學(xué)在實際教學(xué)過程中是薄弱環(huán)節(jié)。本文提出的沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)基于計算機軟硬件和各種傳感器裝置，能夠生成可交互和具有沉浸感覺的三維虛擬場景，對現(xiàn)實世界環(huán)境及對象模擬仿真來說，可用于構(gòu)建實踐教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)教學(xué)方式創(chuàng)新。尤其是在抽象理論的實踐和學(xué)習(xí)復(fù)雜的模型中，能夠使學(xué)生理解深刻，提高學(xué)習(xí)效率，進(jìn)一步提高學(xué)生素養(yǎng)。該系統(tǒng)在虛擬仿真類本科課程，如“發(fā)動機原理”等的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中進(jìn)行了應(yīng)用，節(jié)約了實踐成本，增加了學(xué)生興趣，調(diào)動了學(xué)生實踐探究的積極性。

關(guān)鍵詞：實踐教學(xué);沉浸式虛擬現(xiàn)實;虛擬仿真;教學(xué)改革

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2020）05/06-0172-04

● 實踐教學(xué)中應(yīng)用沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)的背景

在實施素質(zhì)教育的今天，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，提高學(xué)生的科學(xué)意識和科學(xué)思維，更有效真實地讓學(xué)生理解復(fù)雜的模型及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原理，我們需要在教學(xué)中增加實踐環(huán)節(jié)，但一些必要的實踐內(nèi)容，由于受到實踐條件的限制，僅靠課堂上教師的描述和圖片的展示，終究不能讓學(xué)生體驗深刻。隨著多媒體計算機技術(shù)、智能傳感技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，顯示器件和多媒體終端設(shè)備價格/性能比顯著下降，以此技術(shù)和器件為基礎(chǔ)發(fā)展起來的沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)，用于實踐教學(xué)已成為現(xiàn)實。

沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)為實驗、實訓(xùn)的發(fā)展帶來了新的契機，為提高實踐教學(xué)效率，優(yōu)化教學(xué)過程，加強實踐技能培養(yǎng)，本文就沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用做一些探討。

● 沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)

沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，利用計算機軟硬件和各種傳感器裝置，在虛擬場景中生成可交互和具有沉浸感覺的現(xiàn)實世界的模擬仿真，在教育領(lǐng)域具有巨大的潛力。也就是說利用該系統(tǒng)模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，操作者在這個虛擬環(huán)境當(dāng)中就有一種身臨其境的感覺。

1.構(gòu)成

沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)是由計算機軟硬件，以及各種傳感器構(gòu)成的視覺、嗅覺、觸覺、力反饋等功能單元構(gòu)成。下面簡單介紹具有重要功能的數(shù)據(jù)手套和3D位置追蹤眼鏡。

（1）數(shù)據(jù)手套

數(shù)據(jù)手套設(shè)有彎曲傳感器，不僅能夠把人手的姿態(tài)準(zhǔn)確實時地傳遞給虛擬環(huán)境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者，使操作者能夠更加直接、自然、有效地與虛擬場景進(jìn)行交互，這樣就極大提高了互動性和沉浸感。數(shù)據(jù)手套如圖1所示。

（2）3D位置追蹤眼鏡

3D眼鏡上集成了定位傳感器，可以自動識別出設(shè)備在虛擬環(huán)境中的位置的變化。當(dāng)頭移動時，眼鏡上的定位裝置與系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行交互，傳感器會自動調(diào)整場景中的坐標(biāo)，這樣給人的感覺是正在虛擬場景中實時地移動，體驗效果更加真實。帶有位置追蹤功能的3D眼鏡如圖2所示。

2.特點

①具有高度的實時性。當(dāng)操作者在場景中轉(zhuǎn)動頭部或者走動時，位置跟蹤設(shè)備及時與系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，反饋出操作者當(dāng)前的位置，由計算機算出相應(yīng)的場景坐標(biāo)，快速準(zhǔn)確地調(diào)整出相應(yīng)場景。②具有高度的沉浸感。操作者在虛擬現(xiàn)實的場景中，由系統(tǒng)提供的虛擬場景能夠讓操作者身臨其境，完全沉浸在環(huán)境中。③具有先進(jìn)的軟硬件。為了避免因延遲帶來的卡頓感，有更流暢、真實的體驗，應(yīng)盡可能選用先進(jìn)的硬件和軟件。④具有并行處理的功能。這是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本特性，操作者的每一個動作都涉及多個傳感器，會產(chǎn)生多個同步事件。⑤具有很好的融合性。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，各種軟硬件之間需要有良好的結(jié)合，構(gòu)成一個逼真的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種高級的VR系統(tǒng)，常見的有頭盔式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、洞穴式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、座艙式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)等。該系統(tǒng)是用一個或多個大屏幕投影來實現(xiàn)大畫面的立體視覺和聽覺效果，使多個用戶同時具有完全投入的感覺，參與者可獲得完全身臨其境的三維交互式體驗。

● 本科實踐教學(xué)中沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)運用的分析

引入和應(yīng)用沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)，可以提高實踐教學(xué)的效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更好地投入到教學(xué)實驗中。

相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，人對外部世界的認(rèn)知，大約有75%是來源于視覺。[1]VR技術(shù)具有沉浸性、交互性及想象性三大特征，能創(chuàng)設(shè)個性化學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者動機，增強學(xué)習(xí)體驗，促進(jìn)知識和技能的習(xí)得。[2]沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)利用顯示場景的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，借助計算機軟硬件在虛擬場景中顯示出來，將建模完成的三維物體，放到特定場景中，體驗者借助相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行觀察，能夠達(dá)到身臨其境的效果。學(xué)習(xí)是個體在特定的情境下由于練習(xí)或反復(fù)經(jīng)驗而產(chǎn)生的行為或行為潛能的比較持久的改變。由于是虛擬實踐，學(xué)生在實踐過程中可以放心地去調(diào)整不同的實驗參數(shù)來進(jìn)行對比，可以從多角度、多層次去觀察，加深對實踐的理解，豐富對實踐的認(rèn)識，這有助于培養(yǎng)自主探究能力。此外，虛擬實踐可以反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練，而不必受到實踐資料短缺的影響。虛擬實踐也可以作為真實實踐的補充，對于真實實踐的危險部分，或者是因某種條件限制而不能進(jìn)行實踐的部分可用虛擬實踐有效替代。“虛實結(jié)合”的實踐教學(xué)模式，可以更好地促進(jìn)整個課程的高效開展，將多樣化的實踐教學(xué)模式進(jìn)行深度結(jié)合，從而更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的主觀能動性，不斷強化學(xué)生對課程知識點的深度理解，對學(xué)生積極向上的品質(zhì)建立起著非常重要的作用。[3]因此，沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)在學(xué)校虛擬仿真類本科課程實踐教學(xué)環(huán)境中有著非常重要的應(yīng)用。

相比傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式，沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)的運用能夠讓學(xué)生獲得更加豐富的資訊，促使其能夠獨立思考現(xiàn)狀，并發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，從而提高學(xué)生認(rèn)知世界的能力，是一種高效、有趣的實踐教學(xué)方法。

1.創(chuàng)建虛擬實踐教學(xué)環(huán)境，促使學(xué)生沉浸在學(xué)習(xí)的場景中

沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)能夠提供豐富的畫面、逼真的場景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心。需要注意的是，心理活動是對一定對象的指向和集中，是心理過程的動力特征之一。它與認(rèn)識過程、情感過程、意志過程密切聯(lián)系，是一切心理活動的共同特征，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐教學(xué)中可以更加吸引學(xué)生的注意力，盡量防止無意注意的出現(xiàn)，也能更好地利用無意注意的特點來吸引學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的注意。在實踐教學(xué)活動中應(yīng)注意借助該系統(tǒng)構(gòu)建出符合實際的、合理的實訓(xùn)環(huán)境，然后讓學(xué)生全身心投入到教師所創(chuàng)建的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中。所構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實環(huán)境要緊密聯(lián)系教材基礎(chǔ)內(nèi)容，并且所構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實環(huán)境要主次分明，重點突出實踐教學(xué)的專業(yè)知識性。此外，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實的環(huán)境，既要考慮實踐教學(xué)的知識性，也要兼顧趣味性。這樣的實踐教學(xué)，不僅能給學(xué)生以新鮮感，提高其積極主動探究學(xué)習(xí)的興趣，還能提高學(xué)生的獨立自主思考能力。

2.充分發(fā)揮多媒體資源，獲得更好的實踐教學(xué)效果

將沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)應(yīng)用到高校實踐教學(xué)中，要將各類多媒體資源進(jìn)行充分的整合和利用。將生活中、社會生產(chǎn)活動中的不同情境借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示在學(xué)生面前，能讓學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境，親歷各種實際情境，從而從多個角度學(xué)習(xí)教師在虛擬教學(xué)環(huán)境中所展示的實踐教學(xué)內(nèi)容。這樣的教學(xué)活動，能夠加深學(xué)生對現(xiàn)場專業(yè)知識的印象，提高其學(xué)習(xí)效率，并且能夠促使學(xué)生將課本上的知識靈活運用，融入并應(yīng)用到實地訓(xùn)練中，提高學(xué)生的實踐能力。

3.構(gòu)建虛擬實踐實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，強化教學(xué)績效評價

高校要針對實踐教學(xué)的內(nèi)容，在沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建起一套虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)系統(tǒng)，并以此為依托積極改進(jìn)教師教學(xué)評價體系，摒棄傳統(tǒng)的將考試成績作為唯一考核指標(biāo)的評價體系，制訂注重對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價。教師在虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)系統(tǒng)的輔助之下，將專業(yè)知識和培養(yǎng)學(xué)生目標(biāo)能力結(jié)合在一起，借助所構(gòu)建起來的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，讓學(xué)生在其中鍛煉專業(yè)操作技能。實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)由認(rèn)識實踐、體驗實踐、理解實踐和實踐習(xí)題練習(xí)及測試四部分組成。

①認(rèn)識實踐：學(xué)生通過認(rèn)識實踐模塊對實踐進(jìn)行初步了解和學(xué)習(xí)，認(rèn)識實踐模塊遵循直觀性原則，盡量利用多種感官和學(xué)生已有經(jīng)驗，通過各種形式的感知，豐富學(xué)生的直接經(jīng)驗和感性認(rèn)識。

②體驗實踐：在了解實踐的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備，充分體驗實踐。情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，知識是學(xué)習(xí)者在特定情境下主動構(gòu)建的，強調(diào)知識與情境之間的動態(tài)互動。[4]沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)的沉浸性特點克服了傳統(tǒng)脫離實際以及缺乏互動的不足，它利用計算機技術(shù)構(gòu)建一個幾乎與現(xiàn)實世界無異的高度仿真的虛擬世界，在這個虛擬世界中學(xué)習(xí)者身心沉浸其中，具有強烈的臨場感。更容易達(dá)到身心一體的境界，有效提高學(xué)習(xí)效率。另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在讓學(xué)生最大限度地投入到學(xué)習(xí)的同時，也將學(xué)生與周圍世界的感知聯(lián)系隔斷，提高了學(xué)習(xí)的注意力。

③理解實踐：通過感受實驗，更加熟悉實驗過程，有助于加深對實踐的理解，使學(xué)習(xí)內(nèi)容不容易遺忘。

④實踐習(xí)題練習(xí)與測試：在以上環(huán)節(jié)完成以后，系統(tǒng)會給出大量的練習(xí)題進(jìn)行訓(xùn)練，會從不同的角度進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到熟練掌握的目的。

這些都有助于強化學(xué)生對知識的建構(gòu)和記憶，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)成績。[5]

● 應(yīng)用沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)的案例分析

在筆者所在學(xué)校的工學(xué)院本科生的《發(fā)動機原理》實踐教學(xué)中，以往均采用語言描述結(jié)合圖片視頻等展示，但由于發(fā)動機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，學(xué)生難以深刻理解。在參觀真實發(fā)動機的時候，由于發(fā)動機的裝卸比較麻煩，往往只能看到表面而難以觀察到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作傳動原理。在這種情況下，沉浸式虛擬展示系統(tǒng)體現(xiàn)出它的優(yōu)越性，在計算機中打開發(fā)動機的模型，學(xué)生在場景中觀察發(fā)動機就跟在現(xiàn)實中一樣，圖3是在計算機虛擬場景中的發(fā)動機仿真模型。此外，在計算機中可以輕松展示零部件之間的組合以及傳動原理，學(xué)生也可以在虛擬現(xiàn)實中自己嘗試組裝發(fā)動機以及點燃發(fā)動機，不僅達(dá)到了真實的組裝效果，而且有效地避免了現(xiàn)實中可能發(fā)生的意外事件，使學(xué)生獲得了深刻的體驗，提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣。

根據(jù)課后調(diào)查結(jié)果得知，30名學(xué)生全部認(rèn)為虛擬場景的體驗比較真實，28名學(xué)生認(rèn)為對理解發(fā)動機工作原理比較有幫助，從測試結(jié)果來看，學(xué)生在短時間的學(xué)習(xí)中取得了顯著的學(xué)習(xí)效果。

● 總結(jié)

在實踐教學(xué)中應(yīng)用沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)，可以提高學(xué)生的注意力，加深理解和記憶。隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)將會更加普遍地應(yīng)用到虛擬仿真類本科課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，也會出現(xiàn)相應(yīng)的先進(jìn)的設(shè)備和新穎的教學(xué)方法，推動實踐教學(xué)的改革創(chuàng)新，使得實踐教學(xué)質(zhì)量得到提高，有利于培養(yǎng)學(xué)生的興趣愛好，促進(jìn)個性發(fā)展，提高操作和創(chuàng)新能力。因此，教師在實踐教學(xué)中需合理、規(guī)范地應(yīng)用沉浸式虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)，使其成為一項重要的教學(xué)輔助手段，不斷地提升實踐教學(xué)質(zhì)量。

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