虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用研究

羅國(guó)亮 車仝 王睿 肖美華 張巖

摘? ?要：傳統(tǒng)高等教育的形式在實(shí)施當(dāng)中存在與前沿技術(shù)脫節(jié)、概念抽象等諸多局限性，探索基于新技術(shù)應(yīng)用的高等教育方法迫在眉睫。文章基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性、沉浸性等特點(diǎn)，以《操作系統(tǒng)》課程為例，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用框架，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了包括教學(xué)管理平臺(tái)和學(xué)生學(xué)習(xí)空間兩個(gè)子系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)，并論述了其部署、應(yīng)用場(chǎng)景，并進(jìn)一步研究和探討基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的授課及課堂討論、課程任務(wù)提交和實(shí)驗(yàn)形式的實(shí)施方案。最后，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀，分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)硬件設(shè)備瓶頸和內(nèi)容制作等約束問題探討相應(yīng)優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);高等教育;教學(xué)系統(tǒng)框架;交互性;《操作系統(tǒng)》課程

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2021）12-0037-06

一、引 言

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的高速增長(zhǎng)引發(fā)了各界對(duì)于VR教育游戲、基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)和專業(yè)技能教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷嘗試[1] [2]。就目前而言，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育界的應(yīng)用基本上還處于初步的試探性階段，對(duì)于發(fā)展建設(shè)新工科，建立更加多樣化和個(gè)性化的工程教育培養(yǎng)模式有著重要的意義[3] [4]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)生成三維逼真的虛擬環(huán)境的技術(shù)[5]。Burdea G.和Philippe Coiffet定義虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征得到較多研究者的認(rèn)同，包括交互性、沉浸感、想象性[6]。其中，交互性（Interaction）是指用戶在虛擬環(huán)境下對(duì)于虛擬對(duì)象的可操作性和得到反饋的自然程度。沉浸感（Immersion）是指虛擬世界中的多重表征和感官刺激帶給人身臨其境的感覺，如同在客觀的現(xiàn)實(shí)世界中一樣。想象性（Imagination）是指用戶根據(jù)在虛擬世界中得到的信息和自身行為，通過邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過程，對(duì)未來進(jìn)展進(jìn)行想象的能力。

使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，以及頭部、身體的追蹤裝置，確保身體運(yùn)動(dòng)和環(huán)境精確匹配后，將使用者的視覺、聽覺與外部隔離，進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，感知和操作虛擬世界中的各類對(duì)象，在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行指向、選擇和縮放等動(dòng)作以及手勢(shì)交互，從而獲得沉浸的感受和體會(huì)。從20世紀(jì)90年代開始，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步由概念性產(chǎn)品轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，包括軍事、科學(xué)與工程環(huán)境的模擬與仿真、教育與訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、藝術(shù)與娛樂等多個(gè)領(lǐng)域[7]。

2016年被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)元年”，在各大商業(yè)公司的推動(dòng)下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入全面發(fā)展階段，也出現(xiàn)了一些適合在高等教育教學(xué)活動(dòng)使用的商業(yè)化產(chǎn)品[8]。高嵩等[9]提出重構(gòu)VR教育中的VR技術(shù)屬性，以避免在VR教育研究中產(chǎn)生研究方法與價(jià)值判斷之間的矛盾。其包括四類屬性（如圖1所示）：①虛擬現(xiàn)實(shí)是對(duì)象的技術(shù)，體現(xiàn)在VR眼鏡與頭盔等方面;②虛擬現(xiàn)實(shí)是過程的技術(shù)，體現(xiàn)在VR虛擬與仿真體驗(yàn)等方面;③虛擬現(xiàn)實(shí)是知識(shí)的技術(shù)，體現(xiàn)在VR虛擬場(chǎng)景與圖形合成方面;④虛擬現(xiàn)實(shí)是意志的技術(shù)，體現(xiàn)在仿真與虛擬學(xué)習(xí)思維等方面。

通過對(duì)以上四種技術(shù)特性的闡述，我們可知VR教育研究的價(jià)值取向在于解放人性，有效地應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)到日常教學(xué)當(dāng)中，將有助于實(shí)現(xiàn)工具理性和價(jià)值理性的和解。

二、傳統(tǒng)高等教育面臨的挑戰(zhàn)及局限性

隨著人們的生活方式因科技發(fā)展而產(chǎn)生變化以及高等教育理論研究的不斷推進(jìn)，高校中的傳統(tǒng)教育模式逐漸顯現(xiàn)出其局限性，給教師和學(xué)生帶來冗余的業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)，不利于為高等教育注入新的活力。傳統(tǒng)高等教育形式面臨的挑戰(zhàn)及局限性主要表現(xiàn)為以下四個(gè)方面：

1.新興技術(shù)如VR、人工智能等發(fā)展迅速

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展越來越多地依賴信息技術(shù)的發(fā)展，繼互聯(lián)網(wǎng)改變?nèi)祟惿鐣?huì)生活方式、促進(jìn)生產(chǎn)力提高之后，VR、人工智能等技術(shù)作為炙手可熱的新興技術(shù)，即將掀起一波新的浪潮，造成各類傳統(tǒng)領(lǐng)域受到?jīng)_擊與影響。具體而言，各類新型技術(shù)與產(chǎn)品的應(yīng)用，在一定程度上增加了客觀數(shù)據(jù)的維度，且教育活動(dòng)的實(shí)施場(chǎng)景可進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置和真實(shí)化呈現(xiàn)或交互，為現(xiàn)有教育范式的變革提供了契機(jī)[10]。

2.傳統(tǒng)教育方式對(duì)學(xué)生抽象理解能力要求高

在計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)課程中，采用教師傳統(tǒng)課堂授課的方式進(jìn)行教學(xué)，對(duì)于提升學(xué)生理解知識(shí)的效果并不理想。其主要原因在于課程當(dāng)中的知識(shí)點(diǎn)較為抽象，且現(xiàn)實(shí)世界中無法直接觀察到數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中的變化過程，僅憑教師的語言講授，學(xué)生難以理解和復(fù)現(xiàn)一些抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法過程。同時(shí)，學(xué)生在聽課過程中亦容易出現(xiàn)理解上的偏差，從而對(duì)所學(xué)課程倍感枯燥，造成學(xué)生課堂參與程度不高的困局，使后續(xù)過程的教學(xué)活動(dòng)無法順利實(shí)施。

3.傳統(tǒng)教育方式加重了教師教學(xué)工作負(fù)擔(dān)

由于統(tǒng)一制定的教學(xué)計(jì)劃和規(guī)定課時(shí)的限制，教師在傳統(tǒng)教育模式中不得不將教學(xué)重心放在完成教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的內(nèi)容上，以達(dá)到講授知識(shí)的完備性。由此造成課程的重復(fù)、機(jī)械性教學(xué)，教學(xué)進(jìn)度難以根據(jù)學(xué)生狀況調(diào)整，使得教學(xué)質(zhì)量不佳。學(xué)生在這樣的模式下學(xué)習(xí)，無法在教學(xué)過程中進(jìn)行主動(dòng)思考，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行遷移形成體系，學(xué)科思維較難得到合理的培養(yǎng)和建構(gòu)。

4.傳統(tǒng)教育方式導(dǎo)致教學(xué)管理過程繁瑣

在教師對(duì)學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)估問題上，傳統(tǒng)課堂通常采用計(jì)算出勤率、課堂提問、課后作業(yè)以及結(jié)課考試等方式進(jìn)行，所有的評(píng)估項(xiàng)一般都由教師拿著表格逐個(gè)記錄，在期末成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)，再將所有評(píng)估項(xiàng)按記錄進(jìn)行總分加成。這種課程管理方式的整體過程難以準(zhǔn)確評(píng)定每位學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀況和學(xué)習(xí)成果，只能在教師合理制定的情況下，對(duì)大部分學(xué)生有相對(duì)公正的判斷。不僅教師在制定評(píng)定規(guī)則、判定、統(tǒng)計(jì)等方面非常繁瑣，學(xué)生在反饋不佳的情況下亦容易產(chǎn)生抵觸情緒，從而只為應(yīng)付分?jǐn)?shù)而學(xué)習(xí)，忽略了課程學(xué)習(xí)過程中對(duì)自身思維和學(xué)習(xí)能力的鍛煉。

綜上所述，傳統(tǒng)高等教育在計(jì)算機(jī)科學(xué)人才培養(yǎng)中呈現(xiàn)的局限性亟待解決和改進(jìn)，應(yīng)充分利用目前已有的先進(jìn)技術(shù)與先進(jìn)教育理念的結(jié)合，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高等教育的方案。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用框架

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用框架——以《操作系統(tǒng)》課程為例，主要由虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)、《操作系統(tǒng)》課程的授課及課堂討論、《操作系統(tǒng)》課程的任務(wù)提交和實(shí)驗(yàn)以及《操作系統(tǒng)》課程的算法流程模擬四部分組成。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)

首先，師生日常教學(xué)活動(dòng)的有序進(jìn)行，需要合理設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)以提供基礎(chǔ)。考慮到該系統(tǒng)需要為學(xué)生提供適應(yīng)個(gè)性化用戶的學(xué)習(xí)視圖，包括個(gè)性化資源和學(xué)習(xí)過程以及策略，其整體應(yīng)當(dāng)分為教學(xué)管理平臺(tái)和學(xué)生學(xué)習(xí)空間兩個(gè)子系統(tǒng)（如圖2所示）。

（1）教學(xué)管理平臺(tái)

教師通過瀏覽器進(jìn)入教育系統(tǒng)主頁，以教師權(quán)限登錄系統(tǒng)，進(jìn)入教學(xué)管理平臺(tái)。課前，教師將教學(xué)所需的學(xué)習(xí)資源上傳至教學(xué)管理平臺(tái)，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫。課程開設(shè)期間，教學(xué)管理平臺(tái)提供相關(guān)功能，輔助教師及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、有效制定授課及評(píng)估策略、加強(qiáng)師生課堂內(nèi)外的交流與聯(lián)系。課程結(jié)束時(shí)，由該平臺(tái)輔助教師完成結(jié)課成績(jī)的評(píng)定工作，并發(fā)布至學(xué)生系統(tǒng)。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)空間

學(xué)生通過瀏覽器進(jìn)入教育系統(tǒng)主頁，以學(xué)生權(quán)限登錄系統(tǒng)，進(jìn)入學(xué)生學(xué)習(xí)空間。學(xué)生在校期間的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)都將存入多用戶數(shù)據(jù)服務(wù)器上的個(gè)人賬號(hào)中。學(xué)生在學(xué)習(xí)空間提供的不同類型虛擬空間中，將完成一系列課堂內(nèi)外的學(xué)習(xí)活動(dòng)，如預(yù)習(xí)、聽課、討論、交互式任務(wù)提交、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試等。課程結(jié)束后，最終成績(jī)將在學(xué)習(xí)空間發(fā)布給學(xué)生個(gè)人，一系列相關(guān)學(xué)習(xí)信息也將追加至服務(wù)器。

相比傳統(tǒng)教學(xué)模式，本文提出的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)幫助用戶更便捷地使用高校已有的圖書資源和網(wǎng)頁資源，使學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下完成預(yù)習(xí)、聽課、測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)、討論交流等多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。根據(jù)這些需要，設(shè)計(jì)了虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的可選虛擬空間環(huán)境，其中包括虛擬報(bào)告廳、虛擬體驗(yàn)區(qū)、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬圖書館、虛擬展廳、虛擬咖啡廳等。

①虛擬報(bào)告廳：包括講臺(tái)、桌椅、投影系統(tǒng)、音響設(shè)備、電子白板等設(shè)施，用于教師講授知識(shí)，學(xué)生交流、匯報(bào)學(xué)習(xí)成果。

②虛擬體驗(yàn)區(qū)：包括操作系統(tǒng)形象化場(chǎng)景、各類數(shù)據(jù)模型、提示窗、答題板等設(shè)施，提供算法演示功能，用戶的虛擬化身可以化為任何一種數(shù)據(jù)模型，在虛擬空間中體驗(yàn)程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的變化。

③虛擬實(shí)驗(yàn)室：包括虛擬編譯環(huán)境、任務(wù)提示器、計(jì)時(shí)器等設(shè)施，用于個(gè)性化監(jiān)測(cè)評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提供團(tuán)隊(duì)協(xié)作比賽功能。

④虛擬圖書館：包括參考咨詢大廳、圖書閱覽室等設(shè)施，提供有關(guān)課程的各種學(xué)習(xí)資源，便于預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)以及提供使用幫助。

⑤虛擬展廳：包括圖片展板、投影系統(tǒng)、虛擬講解員等設(shè)施，用于介紹所學(xué)課程的歷史發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域。

⑥虛擬咖啡廳：包括桌椅、吧臺(tái)等設(shè)施，提供學(xué)生、師生之間課外交流的虛擬場(chǎng)所。

學(xué)生可先由虛擬展廳了解所學(xué)課程的歷史發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)所學(xué)課程有大致的了解和學(xué)習(xí)興趣，再進(jìn)入虛擬報(bào)告廳聽取教師的授課和在虛擬角色環(huán)境下進(jìn)行課程討論。在學(xué)習(xí)一些復(fù)雜算法和過程時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的引導(dǎo)，進(jìn)入虛擬體驗(yàn)區(qū)，觀察數(shù)據(jù)模型的形象化展示，并且可重復(fù)對(duì)未掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行練習(xí)。在教師發(fā)表虛擬空間實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)時(shí)，可進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，在限定的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的任務(wù)。課后，學(xué)生可自行進(jìn)入虛擬圖書館查閱資料，或進(jìn)入虛擬咖啡廳與同學(xué)、教師進(jìn)行課下交流。

上述虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)過程所需的完整虛擬空間，合理的分布式結(jié)構(gòu)便于日常的教學(xué)管理，通過各個(gè)不同功能的空間轉(zhuǎn)換，使學(xué)生跨越現(xiàn)實(shí)世界的限制，投入自身的學(xué)習(xí)生活，更好地掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

2.《操作系統(tǒng)》課程的授課及課堂討論

近年來，MOOCs的快速發(fā)展使得在線教育得到廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了高等教育的變革[11]，將優(yōu)質(zhì)在線課程引入《操作系統(tǒng)》課程的課堂教學(xué)中，能進(jìn)一步提升VR融合遠(yuǎn)程教育教育資源的可行性和優(yōu)勢(shì)。虛擬環(huán)境下，MOOCs的場(chǎng)景更為真實(shí)，學(xué)生可通過瞬移功能進(jìn)行各類空間的轉(zhuǎn)換，在觀看遠(yuǎn)程VR課程學(xué)習(xí)《操作系統(tǒng)》時(shí)，能獲得置身于授課場(chǎng)地之感，從而拉近師生空間上的距離。

同時(shí)，教師借助MOOCs資源對(duì)于課程的講授仍然具有較大的靈活性，例如教學(xué)視頻的選擇、必要的補(bǔ)充講解和思維引導(dǎo)，都影響著教學(xué)效果[12]。優(yōu)質(zhì)的MOOCs資源使得概念和原理的講解角度更為多樣化，對(duì)于引發(fā)學(xué)生興趣和主動(dòng)探究也大有裨益。而《操作系統(tǒng)》課程中的部分概念和原理過于抽象，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)對(duì)講授知識(shí)點(diǎn)的理解有限，此時(shí)課堂討論就顯得尤為重要。在課程內(nèi)容討論的過程中，學(xué)生和教師通過選擇各自的虛擬角色進(jìn)行交流，打破了常規(guī)課程的枯燥模式，有利于提升學(xué)生交流思考的積極性。

如圖3所示，本文提出的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)模塊主要分為管理系統(tǒng)、資源系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)四大功能部分。

（1）管理系統(tǒng)

為學(xué)生選課、注冊(cè)以及預(yù)習(xí)等課前準(zhǔn)備階段提供相應(yīng)的功能。

（2）評(píng)價(jià)系統(tǒng)

包括成績(jī)模塊、測(cè)驗(yàn)?zāi)K以及實(shí)驗(yàn)的心得報(bào)告模塊。為了提高課程教學(xué)質(zhì)量并不斷改進(jìn)，還設(shè)置了追蹤學(xué)生狀態(tài)的交互評(píng)估模塊和學(xué)生評(píng)價(jià)系統(tǒng)問卷調(diào)查模塊。

（3）交互系統(tǒng)

虛擬編程模塊作為虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，為學(xué)生提供模擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境;答題模塊則設(shè)置在聽課期間，引導(dǎo)學(xué)生思考、便于教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況;聊天模塊和郵件模塊則為師生的課下交流提供工具。

（4）資源系統(tǒng)

包括教師上傳的課件、作業(yè)以及圖書館的電子書資源和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器當(dāng)中查詢的資源，為學(xué)生的課程學(xué)習(xí)提供必要的資源。

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的《操作系統(tǒng)》課程，在交互系統(tǒng)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)提供的功能輔助下，能在聽課過程中通過答題模塊不斷給出引導(dǎo)和任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考，在模擬實(shí)驗(yàn)中通過虛擬編程模塊提供的良好虛擬機(jī)環(huán)境，并通過交互評(píng)估模塊反饋學(xué)生狀態(tài)，使系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的教學(xué)調(diào)整。

3.《操作系統(tǒng)》課程的任務(wù)提交和實(shí)驗(yàn)

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，通過給出課堂任務(wù)進(jìn)行交互，能個(gè)性化監(jiān)測(cè)評(píng)估每位學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，給出相應(yīng)的指導(dǎo)提示，幫助學(xué)生主動(dòng)、高質(zhì)地完成相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。例如在講授內(nèi)存保護(hù)相關(guān)知識(shí)的過程中，由系統(tǒng)抽取一些先導(dǎo)性的問題顯示給學(xué)生，使學(xué)生對(duì)內(nèi)存保護(hù)機(jī)制先有主動(dòng)的思考和設(shè)想，再學(xué)習(xí)課本上設(shè)置界限寄存器的方法。并且在教師授課過程中，系統(tǒng)給出一些相關(guān)的小問題，學(xué)生提交后，教師能更直觀地通過系統(tǒng)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，對(duì)于學(xué)生較難理解的知識(shí)點(diǎn)，可以及時(shí)進(jìn)行詳細(xì)講解。

由于Windows、Linux等主流操作系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)制過于復(fù)雜，不利于學(xué)生在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而使用Raspberry Pi實(shí)現(xiàn)真實(shí)機(jī)器上的代碼又存在一定的難度和限制。為此，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生提供合適的小型虛擬機(jī)，可使學(xué)生將精力放在理解基本的原理與過程上，并且享受動(dòng)手編碼的樂趣。同時(shí)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將教師給出的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)形象化，便于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)任務(wù)和明確目的。例如，對(duì)FIFO、LRU等經(jīng)典算法的模擬，學(xué)生可在VR場(chǎng)景下查看系統(tǒng)給出的形象化實(shí)驗(yàn)要求，觀察頁面如何由對(duì)換區(qū)和文件區(qū)換入換出，各類情況下不同種算法的性能對(duì)比。使學(xué)生在理解算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，編制模擬程序，提交給系統(tǒng)并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

如圖4所示，本文提出的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)通過在系統(tǒng)內(nèi)部建立學(xué)生模型、教學(xué)模型、評(píng)估模型與學(xué)生交互，構(gòu)成了完備可行的交互架構(gòu)。

（1）學(xué)生模型

學(xué)生登錄個(gè)人學(xué)習(xí)賬號(hào)后，系統(tǒng)通過評(píng)估學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)建立該生的學(xué)生模型。

（2）教學(xué)模型

根據(jù)學(xué)生模型的情況生成教學(xué)模型，向?qū)W生呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。

（3）評(píng)估模型

根據(jù)教學(xué)模型的教學(xué)內(nèi)容，生成評(píng)估模型，向?qū)W生提出學(xué)習(xí)建議和問題，學(xué)生提交對(duì)問題的解答，用以生成反映自身學(xué)習(xí)情況的相關(guān)參數(shù)。

（4）學(xué)習(xí)記錄、進(jìn)度標(biāo)識(shí)

由評(píng)估模型對(duì)比學(xué)生解答和計(jì)算機(jī)中的答案生成學(xué)習(xí)記錄（例如學(xué)生是否理解掌握知識(shí)點(diǎn)）、課程學(xué)習(xí)的進(jìn)度標(biāo)識(shí)等重要信息，用以更新相應(yīng)的學(xué)生模型，形成反饋循環(huán)。

虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)依據(jù)學(xué)生情況不斷更新適合學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容，對(duì)于較難理解的算法流程模擬教學(xué)，得以在借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將抽象問題形象化的基礎(chǔ)上，為學(xué)生的個(gè)性化練習(xí)提供良好的交互性，提高學(xué)習(xí)效率。

4.《操作系統(tǒng)》課程的算法流程模擬

如何理解較為抽象的概念和復(fù)雜的算法過程，是學(xué)生在以往教學(xué)過程中最為棘手的問題。在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)提供的虛擬體驗(yàn)區(qū)內(nèi)，則可進(jìn)行相應(yīng)的形象過程模擬，將枯燥的概念知識(shí)點(diǎn)化為可見的模型，期間輔以系統(tǒng)提示引導(dǎo)學(xué)生逐步學(xué)習(xí)所學(xué)知識(shí)，使其有意識(shí)地進(jìn)行重復(fù)觀察和嘗試。必要時(shí)學(xué)生還可化身數(shù)據(jù)元素視角進(jìn)入模型，觀察過程中的數(shù)據(jù)變化。

例如，對(duì)于《操作系統(tǒng)》課程中存儲(chǔ)器管理相關(guān)知識(shí)的教學(xué)，VR場(chǎng)景可以模擬為多道程序分配內(nèi)存空間以及裝入和鏈接的動(dòng)態(tài)過程，通過學(xué)生的學(xué)習(xí)情況反饋，著重呈現(xiàn)學(xué)生尚未理解到位的部分，使得學(xué)生對(duì)于使用不同算法如何減少碎片空間有具象的認(rèn)識(shí)和體會(huì)，更好地分析理解內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配和靜態(tài)分配的異同。而像對(duì)段頁式存儲(chǔ)涉及地址變換這類硬件相關(guān)又難以直接觀察到的復(fù)雜過程的理解，采用VR場(chǎng)景則可以展現(xiàn)微觀的數(shù)據(jù)模型和相關(guān)指令，使學(xué)生對(duì)于變換過程中指令和數(shù)據(jù)的變化有更生動(dòng)和清晰的理解，同時(shí)增強(qiáng)了趣味性，如圖5所示。

上述流程表明，在虛擬體驗(yàn)區(qū)內(nèi)采用可視化模型逐步分解算法步驟，根據(jù)學(xué)生在每個(gè)步驟的問題任務(wù)提交情況，系統(tǒng)能個(gè)性化地引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)程度對(duì)算法細(xì)節(jié)進(jìn)行反復(fù)揣摩、各個(gè)擊破，從而使學(xué)生深入理解整個(gè)算法流程，減輕師生教與學(xué)的負(fù)擔(dān)。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)分析

基于上述情況，以《操作系統(tǒng)》為例介紹VR技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用框架，其在該高等教育教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)主要如下：

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用幫助學(xué)生理解抽象概念和流程

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的想象性使得其應(yīng)用于教學(xué)時(shí)有對(duì)抽象符號(hào)的具體化呈現(xiàn)，提高了學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的感性和理性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而深化概念并引發(fā)其新的聯(lián)想。虛擬現(xiàn)實(shí)教育空間提供的各類功能，作為良好的知識(shí)可視化工具，既有利于學(xué)習(xí)者更直觀地了解所學(xué)的知識(shí)、深入掌握知識(shí)組件及其內(nèi)在聯(lián)系，又提供將學(xué)生所學(xué)知識(shí)通過流程圖、思維導(dǎo)圖等形式表示出來的合理途徑， 便于教師、學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)過程中存在的問題。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用打破課堂在時(shí)間和空間上的約束

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)MOOCs引入教學(xué)提供了更優(yōu)質(zhì)的沉浸體驗(yàn)，根據(jù)雙重編碼理論，視覺信息與聽覺信息組合呈現(xiàn)相比單獨(dú)使用更能刺激學(xué)生選擇、組織和加工所接收到的信息，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[13]。將視、聽覺和交互實(shí)踐結(jié)合，課堂效果將得到進(jìn)一步提升[14]。通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下個(gè)性化學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)，學(xué)生只需穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，在教室里便可實(shí)現(xiàn)多種空間的轉(zhuǎn)換，由此得以充分利用遠(yuǎn)程的優(yōu)質(zhì)教育資源，打破課堂在時(shí)間和空間上的約束。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使師生以角色扮演的方式，在虛擬情境下通過自己選擇的角色進(jìn)行交流成為可能，將學(xué)生由知識(shí)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸ひ饬x建構(gòu)的主體[6]。對(duì)于《操作系統(tǒng)》這類較為抽象的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課，將轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)方式下教師講授為主的情況，使學(xué)生以打破現(xiàn)實(shí)環(huán)境禁錮的方式成為新視域下的主動(dòng)參與者。在這種情境下，學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行的學(xué)習(xí)和社會(huì)互動(dòng)能持續(xù)地挑戰(zhàn)已有的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)新知識(shí)形成良性循環(huán)。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用增強(qiáng)學(xué)生在課程中的參與感

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互特性，使學(xué)生參與獲得知識(shí)的整體過程，而不局限于低效的傳統(tǒng)聽課模式，學(xué)習(xí)和探索如何確定學(xué)習(xí)目標(biāo)、選擇學(xué)習(xí)方法、監(jiān)控學(xué)習(xí)過程、評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)結(jié)果。對(duì)于《操作系統(tǒng)》這類邏輯性強(qiáng)、知識(shí)體系較為結(jié)構(gòu)化的課程，學(xué)生在反饋信息的交互作用下保持高度參與，使每個(gè)學(xué)生成為自身的課堂中心，養(yǎng)成對(duì)課程知識(shí)體系的準(zhǔn)確掌握和解決實(shí)際問題的能力，合理檢測(cè)學(xué)習(xí)成果，最終達(dá)到課程要求。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)方案

與此同時(shí)，VR技術(shù)作為一種快速發(fā)展的新興技術(shù)，在高等教育中的應(yīng)用還存在以下一些問題：

1.設(shè)備性能問題

硬件方面，VR頭顯存在使用者頭暈、設(shè)備發(fā)熱耗電、高端頭顯配置麻煩以及線纜等問題。當(dāng)前45人以上的用戶同時(shí)連接、下載VR內(nèi)容將對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大壓力。

改進(jìn)方案：考慮設(shè)置定時(shí)休息提示，避免長(zhǎng)時(shí)間佩戴頭顯為使用者帶來的不適。引入“瘦終端”設(shè)備，將大量數(shù)據(jù)處理任務(wù)轉(zhuǎn)移至云端。改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和部署WAN（特別是5G）以提高整體帶寬，部署可靠性更高的WiFi基礎(chǔ)設(shè)施至建筑物中，方便建立一對(duì)多的連接。在網(wǎng)絡(luò)邊緣投入云計(jì)算和CDN，確保內(nèi)容高效分發(fā)和傳輸。

2.課堂設(shè)計(jì)、制作問題

虛擬空間模型的“第一人稱”視角可能阻礙學(xué)生的遷移和發(fā)散性思考。豐富的視覺元素可能分散學(xué)生對(duì)關(guān)鍵內(nèi)容的注意力，造成認(rèn)知負(fù)荷超載[15]。模型和場(chǎng)景的制作成本較高，創(chuàng)建的內(nèi)容很難標(biāo)準(zhǔn)化，版權(quán)保護(hù)存在一定問題。

改進(jìn)方案：在課程的制作中注重模型的合理設(shè)計(jì)，并在交互模型中設(shè)計(jì)遷移對(duì)比知識(shí)的相關(guān)引導(dǎo)問題。簡(jiǎn)化演示空間的視覺元素，在關(guān)鍵內(nèi)容出現(xiàn)時(shí)給出提示和對(duì)應(yīng)的問題。采用一些運(yùn)營(yíng)商內(nèi)容服務(wù)平臺(tái)提供的模塊化組件和開源軟件工具，構(gòu)建高質(zhì)量的教學(xué)應(yīng)用。

3.課程測(cè)評(píng)問題

系統(tǒng)任務(wù)的提交情況作為反映學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)狀態(tài)的主要部分，是影響最終成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，而每位學(xué)生在上課過程中與系統(tǒng)的交互情況各不相同，若沿用傳統(tǒng)教學(xué)的評(píng)定方法，將難以制定公平的測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)。

改進(jìn)方案：為交互評(píng)估模塊設(shè)計(jì)合適的統(tǒng)計(jì)模型和算法合理評(píng)定成績(jī)，以學(xué)生提交答案反映出對(duì)知識(shí)的掌握程度達(dá)到課程要求為準(zhǔn)，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)由教師布置相應(yīng)的綜合任務(wù)進(jìn)行人為判斷。

六、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在影視制作和游戲等領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，使得該新興技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。如何將新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于高等教育領(lǐng)域，對(duì)于突破傳統(tǒng)教育形式的教育改革有著非凡的意義。針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的知識(shí)點(diǎn)過于抽象、難以理解導(dǎo)致學(xué)生興趣不高、教學(xué)質(zhì)量較低的問題，本文以《操作系統(tǒng)》課程為例進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的探究，依據(jù)相關(guān)的學(xué)習(xí)理論，合理設(shè)計(jì)了集成的虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，旨在為學(xué)生提供主動(dòng)學(xué)習(xí)的良好環(huán)境，并減輕教師在教學(xué)統(tǒng)籌和管理上的負(fù)擔(dān)。

目前VR教育的相關(guān)研究正方興未艾，盡管大量的研究表明，虛擬空間對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)有積極的作用，但如何提升學(xué)習(xí)者的感官體驗(yàn)和提供更加智能適度的交互，仍然有很多值得探究和挑戰(zhàn)之處。未來應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育改革方案，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)而不濫用，使工科高等教育發(fā)展有自由而蓬勃的動(dòng)力。

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（編輯：李曉萍）