基于VR技術(shù)的高校實驗教學(xué)模式改革研究

何均健　江曉慶　曾鳴　周恩浩

摘 要 VR技術(shù)作為一種新興的信息技術(shù)在高校實驗教學(xué)中具有很好的應(yīng)用價值。該文從教學(xué)形式、實驗資源、考核方式等方面剖析當(dāng)前高校實驗教學(xué)存在的缺陷，針對實驗教學(xué)自身的特點闡述VR技術(shù)在的優(yōu)勢，并介紹了推廣VR技術(shù)亟待解決的難點。

關(guān)鍵詞 VR技術(shù) 實驗教學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.01.017

Abstract As a new information technology， VR technology has a good application value in college experimental teaching. This paper analyzes the defects of current experimental teaching in colleges and universities from the aspects of teaching forms， experimental resources and assessment methods. According to the characteristics of experimental teaching， this paper expounds the advantages of VR technology， and it also introduces the difficulties to be solved in popularizing VR technology.

Keywords VR technology; experiment teaching; teaching reform

1概述

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）技術(shù)是一門綜合計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、交互技術(shù)、傳感技術(shù)以及人工智能等多種技術(shù)而形成的綜合性技術(shù)。[1]用戶一般使用頭戴式顯示器和具備3DOF或6DOF的輸入裝備，在計算機渲染生成的虛擬空間環(huán)境中與三維對象進行互動，從而得到如身處真實環(huán)境的感受和體驗。VR技術(shù)的變化進展源于航天和軍事機構(gòu)，前沿技術(shù)成果通常被首先用于航天和軍事領(lǐng)域，國外發(fā)達國家始終將其列為國防高科技重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。[2]目前，由于VR技術(shù)所具有的優(yōu)勢，除了被應(yīng)用到航天和軍事領(lǐng)域，也被廣泛應(yīng)用到教育、醫(yī)療、制造、娛樂、商業(yè)等不同的領(lǐng)域。

VR技術(shù)具有沉浸感、強交互、想象性的特質(zhì)，在高校實驗教學(xué)中具有重要的應(yīng)用價值。2007年教育部批準(zhǔn)成立《虛擬現(xiàn)實應(yīng)用教育部工程研究中心》。教育部在“十三五”規(guī)劃中明確提出，VR教育是“發(fā)展未來學(xué)校和智慧課堂改革”的重要內(nèi)容。2017中國高教版《地平線報告》也將VR列為十二項教育技術(shù)的重要發(fā)展之一。教育部印發(fā)《2017年教育信息化工作要點》強調(diào)啟用VR實驗實訓(xùn)平臺建設(shè)。基于VR技術(shù)的虛擬仿真實驗，可以通過模擬真實的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中，[3]進行觀察式學(xué)習(xí)、體驗式學(xué)習(xí)和實際操作學(xué)習(xí)，更好地理解理論知識、掌握操作技能和發(fā)揮想象力。

本文通過對高校實驗教學(xué)現(xiàn)有的問題進行分析，介紹VR技術(shù)在高校實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，最后提出進一步推廣使用VR技術(shù)需考慮的重點。

2當(dāng)前高校實驗教學(xué)存在的問題

2.1實驗教學(xué)形式單一

高校傳統(tǒng)的實驗教學(xué)以實體課堂形式進行，教師通過一邊講解一邊示范操作，帶領(lǐng)著實驗課堂的全部進程，學(xué)生大多數(shù)處于被動做驗證性觀察或驗證性操作的狀態(tài)，同時學(xué)生預(yù)習(xí)、上課和復(fù)習(xí)都會在時空和實驗材料等方面受限制。在課堂以外學(xué)生可以使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上的視頻資源進行自我學(xué)習(xí)，這在一定程度上運用了線上線下教學(xué)手段，但始終缺乏真實場景具有的交互感與場面感，一般視頻資源也不具備引導(dǎo)、總結(jié)和考核環(huán)節(jié)，學(xué)生只是在被動地觀看平面的視頻或動畫等信息化資源，教學(xué)效果不盡如人意。

2.2理論教學(xué)與實驗操作分開，兩者未能有效融合

理論教學(xué)手段大多偏向支持原始的“教師講授、學(xué)生接受”的學(xué)習(xí)模式，學(xué)習(xí)內(nèi)容過于抽象導(dǎo)致認知效果不足，理解難度太大，容易出現(xiàn)上課聽不懂，甚至導(dǎo)致厭學(xué)等情況。而實驗教學(xué)往往又是在理論教學(xué)一段時間之后進行，在理論知識開始淡忘后才進行的實驗教學(xué)，使理論和實踐無論從時間和空間上都存在嚴重脫節(jié)，實際上是不利于學(xué)生對知識的聯(lián)系記憶，也不利于將理論和實驗之間融會貫通。

2.3多種因素導(dǎo)致實驗資源不足、利用率低

例如，有些儀器設(shè)備設(shè)施體積大、造價高，有些課程所需實驗材料難以收集，有些實驗難以保證在實驗室里安全地進行，這些原因?qū)е碌膶嶒炠Y源缺乏或不足，使學(xué)生的實際動手機會很少。同時有些昂貴的實驗教學(xué)設(shè)備儀器放在實驗室只能供少數(shù)師生使用，利用率極低。而實驗室非全天候開放也導(dǎo)致學(xué)生實驗時間有限，限制了學(xué)生在課外進行學(xué)習(xí)探究的熱情。另外，存在難以實施的實驗教學(xué)活動，例如在空中、海洋或微觀世界進行自主的觀察性和探究性實驗，在核輻射影響下進行設(shè)備安裝維護的實驗。

2.4實驗課堂互動時間較少，以團體協(xié)作進行的實驗不多

傳統(tǒng)實驗課堂上，任課老師通常在開始時介紹實驗內(nèi)容和步驟，學(xué)生單獨完成整個實驗過程。過程中學(xué)生與其他人的互動很少，老師的參與度也不高。并且通常實驗課程相對理論課程學(xué)時較少，學(xué)生往往只能盡快在實驗課堂上完成本次實驗，很難讓學(xué)生在實驗中有時間提出問題，難以激發(fā)想象力。

2.5實驗考核形式單一，實驗教學(xué)效果難以評估

大多數(shù)實驗教學(xué)的考核都是通過課堂實驗結(jié)果、課后填寫紙質(zhì)實驗報告、期中或期末進行知識點考試來綜合評定，實際上是難于準(zhǔn)確判斷學(xué)生是否已經(jīng)掌握實驗教學(xué)所希望學(xué)生能掌握的操作技能和綜合能力。

3 VR技術(shù)在實驗教學(xué)的意義

3.1有效增加學(xué)生對知識的掌握和認識

由于教學(xué)條件所限，很多實驗材料難以在課堂上展示。而結(jié)合VR技術(shù)，將真實世界的物體對象重構(gòu)為三維數(shù)字空間的模型和場景，建立起三維的虛擬實驗環(huán)境，學(xué)生在其中可以直觀地了解實驗材料和儀器設(shè)備的宏觀結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)，能根據(jù)需要對模型進行拆解、放大、縮小、移動等操作，能清楚地知道其構(gòu)造原理，能觀察到和真實世界對象一樣的物理變化檢測效果。

3.2理論與實驗結(jié)合教學(xué)，有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

通過建立起基于VR技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的虛擬仿真實驗平臺，一方面教師講課時可以利用各種虛擬實驗資源，將知識講解和實驗內(nèi)容一起進行;另一方面學(xué)生可使用多種不同終端進行實驗，通過在線與老師、與其他同學(xué)一起協(xié)作完成實驗和交流想法經(jīng)驗，可以提高個人的溝通協(xié)同能力，促進學(xué)生想象力和創(chuàng)造力的發(fā)展。

3.3實驗教學(xué)考核更注重學(xué)生的實際操作能力的考核

在課堂實驗結(jié)果、紙質(zhì)實驗報告、筆試的基礎(chǔ)上增加基于VR技術(shù)的實操考核，可以在更真實的條件下更全面地考核學(xué)生的對課程的掌握程度。同時學(xué)生可以通過多次實驗，在知識和技能熟悉度提高后再進行考核，獲取更好的成績，也加深對知識的理解。

4推廣使用VR技術(shù)亟待解決的難點

4.1搭建基于VR技術(shù)的統(tǒng)一的實驗教學(xué)平臺體系

現(xiàn)在很多高校內(nèi)部存在多個虛擬仿真實驗系統(tǒng)，不同系統(tǒng)采用的技術(shù)各不相同，相互間的實驗教學(xué)資源無法共享使用，老師和學(xué)生也無法參與建設(shè)和優(yōu)化平臺的實驗教學(xué)資源。

4.2培養(yǎng)掌握VR技術(shù)環(huán)境下教學(xué)的教師隊伍

負責(zé)實驗教學(xué)的專業(yè)老師需要具備使用VR實驗教學(xué)手段、參與制作VR實驗課程的能力，需要參與實驗平臺的建設(shè)和優(yōu)化，需要對現(xiàn)代信息技術(shù)、教育技術(shù)有相當(dāng)?shù)牧私狻?/p>

4.3VR實驗課程的內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)相匹配

VR實驗應(yīng)作為課程大綱的內(nèi)容，作為理論教學(xué)和真實實驗的必要補充，納入課程考核的一部分。

4.4降低VR實驗教學(xué)所需的軟硬件成本

VR實驗教學(xué)建設(shè)成本包括：逼真的3D模型和場景的制作，軟件平臺的搭建， 硬件設(shè)施的購置（VR頭顯和輸入定位設(shè)備、計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）。在現(xiàn)階段對高校來說還是比較大的投入。

5結(jié)語

實驗教學(xué)作為高校教學(xué)的十分重要部分，基于VR技術(shù)的實驗教學(xué)模式，為高校實驗教學(xué)改革提供了一個機遇，不僅豐富了現(xiàn)有的教學(xué)手段，解決影響實驗教學(xué)效果的一些難點，而且有效地改善學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，激活學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)習(xí)效果，調(diào)動教師的教學(xué)活力。同時基于VR技術(shù)的實驗教學(xué)模式還需要長時間的探索和不斷完善，為高校的教學(xué)改革提供借鑒。

基金項目：2017年度華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項目“以智慧教育為導(dǎo)向的VR教學(xué)模式研究——以《植物學(xué)》為例”（JG17061）

參考文獻

[1] 孫柏林.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在美國軍隊中的應(yīng)用述評[J].計算機仿真，2018，35（01）：1-7.

[2] 蔣慶全.國外VR技術(shù)發(fā)展綜述[J].飛航導(dǎo)彈，2002（01）：27-34，61.

[3] 李順，王震，溫柳，暨波，葉益聰.虛擬仿真實驗教學(xué)中心的發(fā)展現(xiàn)狀探析[J].科教文匯（下旬刊），2019（05）：77-78.