淺談無人機飛行模擬器訓(xùn)練在虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用

劉霜 扈少華

摘要：本研究在分析無人機飛行模擬器訓(xùn)練現(xiàn)實情境認(rèn)知模型基礎(chǔ)上認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用的潛力源于其在激發(fā)學(xué)習(xí)動機、增強學(xué)習(xí)體驗、創(chuàng)設(shè)心理沉浸感、實現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識遷移等方面的優(yōu)勢;虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用目前主要集中在虛擬現(xiàn)實支持學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)、支持技能實訓(xùn)、支持語言學(xué)習(xí)、等方面;文章最后從技術(shù)和教學(xué)法兩方面分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;VR SCModel;教育應(yīng)用;教學(xué)法

引言：虛擬現(xiàn)實現(xiàn)如今已經(jīng)逐漸形成一個成熟的概念，不僅如此，其技術(shù)也在不斷地進(jìn)步?，F(xiàn)階段該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多種方面，不僅可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬出軍事演習(xí)、訓(xùn)練等軍事環(huán)境，還可以應(yīng)于醫(yī)療中來模擬手術(shù)，除此之外還可以模擬娛樂中的過山車以及蹦極等等[6]。當(dāng)然，虛擬現(xiàn)實也可以變身為一名建筑設(shè)計師，將人們眼中看到的實體世界變?yōu)樘摂M世界。虛擬現(xiàn)實發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)不單單是一門技術(shù)，更是一項藝術(shù)[7]，人們可以通過虛擬現(xiàn)實來裝飾自己想要的一切。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅節(jié)省了很多人力、物力和財力，更為大家節(jié)省了大量的時間。本項目通過無人機模擬器訓(xùn)練在虛擬現(xiàn)實的仿真，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展無人機沉浸式教學(xué)，節(jié)約辦學(xué)成本，減少無人機設(shè)備的損耗，在學(xué)生通過大量無人機模擬教學(xué)仿真訓(xùn)練中掌握飛行技巧技能。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)通常有三種基本類型：

1.虛擬仿真環(huán)境設(shè)計在虛擬仿真環(huán)境中，學(xué)生做他們在真實世界中無法做到的事，例如，冰雪環(huán)境中飛行，在山峰中飛行，在沙漠中飛行，學(xué)習(xí)面對不同氣候，不同風(fēng)向的飛行。在不同旋翼損壞下的飛行。便于學(xué)生理解和應(yīng)用知識，便于教師及時調(diào)整教學(xué)方法。教學(xué)計劃、教學(xué)法都圍繞模擬的環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。虛擬仿真環(huán)境適合教師教授程序性知識，使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)到的技能完成包含多個行為序列的學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.建構(gòu)主義活動設(shè)計

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為知識的建立和學(xué)習(xí)發(fā)生在已有知識經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者在一定情境下利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式獲得。學(xué)習(xí)活動的設(shè)計對于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論在教學(xué)中的應(yīng)用至關(guān)重要。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，通過學(xué)習(xí)活動的設(shè)計，學(xué)生利用工具按照自身經(jīng)驗和興趣建構(gòu)飛行虛擬環(huán)境，或者在已有飛行虛擬環(huán)境當(dāng)中，通過探究建構(gòu)知識。

3.學(xué)習(xí)飛行體驗設(shè)計

學(xué)習(xí)飛行體驗指用戶借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)入虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，對所學(xué)知識等產(chǎn)生相應(yīng)的認(rèn)識和情感。多用戶虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是當(dāng)前教育游戲中較常用的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。多用戶虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境運用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)，創(chuàng)建的第一人稱視角下的虛擬世界，可以為教師和學(xué)生提供教學(xué)環(huán)境?！暗诙松笔窃缙诘湫偷幕赪eb3D技術(shù)的多用戶虛擬環(huán)境。雅爾蒙等對利用“第二人生”多用戶虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行研究生間的跨學(xué)科交流學(xué)習(xí)研究表明，“第二人生”的學(xué)習(xí)環(huán)境使用基于項目的方法能夠有效促進(jìn)學(xué)科的發(fā)展和交流。研究同時表明，使用創(chuàng)造體驗式教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生有機會開展社會實踐項目，能夠正向增強他們的學(xué)習(xí)體驗。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持飛行技能實訓(xùn)

虛擬實訓(xùn)是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)等基于虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)的一種新的模擬實訓(xùn)方式。與真實環(huán)境下的實訓(xùn)室相比，虛擬實訓(xùn)飛行系統(tǒng)具有改善教學(xué)環(huán)境、節(jié)約辦學(xué)成本、規(guī)避安全風(fēng)險、激發(fā)學(xué)生興趣的優(yōu)點。虛擬現(xiàn)實技術(shù)打破傳統(tǒng)課堂中“教師講課，學(xué)生聽課”的教學(xué)思維，將學(xué)生變?yōu)橹黧w，給予他們更多的機會探索學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生主觀能動地學(xué)習(xí)。飛行模擬器訓(xùn)練是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)技能實訓(xùn)中的應(yīng)用。飛行員在“真實”的飛行環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練，視覺、聽覺、觸覺有“真實”的感受，有助于提高飛行技能。除職業(yè)技能培訓(xùn)外，虛擬實驗也是當(dāng)下虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用熱點。依據(jù)虛擬實驗PDR層次模型，虛擬實驗通常分三種類型，即模擬性試驗、探究性實驗、實證性實驗。在模擬性試驗中，學(xué)習(xí)者利用化學(xué)藥品、天平、祛碼等實驗工具，操作類型多樣的化學(xué)實驗，近距離地觀察燃燒、爆炸等化學(xué)現(xiàn)象;探究性實驗更多的是用來展示物理、化學(xué)、生物等課程中特殊的事物，將難以描述的現(xiàn)象以更直觀的方式呈現(xiàn)出來。實證性試驗強調(diào)在實驗者和被實驗對象分離的情況下開展以解決真實問題為目標(biāo)的虛擬實驗。新加坡國立大學(xué)設(shè)計開發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程機器人操作系統(tǒng)是其典型代表，學(xué)習(xí)者可以通過操作該機器人進(jìn)行試驗，完成實驗數(shù)據(jù)的記錄。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用的挑戰(zhàn)

1.缺乏視覺或觸覺反饋。健康問題。研究顯示，長期使用飛行虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練頭顯會產(chǎn)生一系列的健康問題，如暈動癥、疲勞和惡心等。

2.教學(xué)法挑戰(zhàn)

在虛擬飛行環(huán)境下活動，學(xué)生有時難以把注意力集中在學(xué)習(xí)活動上，虛擬世界過多的功能和豐富的模擬場景會干擾學(xué)習(xí)者對重要內(nèi)容的注意。虛擬現(xiàn)實為了創(chuàng)造沉浸性體驗往往采用多元信息傳送方式，例如聲音、圖像、文字甚至力感等信息。多渠道的信息傳遞、豐富的刺激容易提高單位時間內(nèi)工作記憶的認(rèn)知負(fù)荷，造成認(rèn)知負(fù)荷超載。因此，沉浸性虛擬現(xiàn)實空間環(huán)境的構(gòu)建、學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)和組織應(yīng)參考認(rèn)知負(fù)荷理論的相關(guān)原則，例如避免冗余效應(yīng)、分散注意效應(yīng)等進(jìn)行設(shè)計。

總之虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用的本質(zhì)不在于增加新的教學(xué)工具，而在于引入新的教學(xué)方式和教學(xué)文化。這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用的重點和難點。我們相信，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展完善以及與教育理論的深度融合，虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域會發(fā)揮著越來越重要的作用。

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基金項目：河南省科技廳科技攻關(guān)項目（152102210320）。