融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的專業(yè)課程教學模式改革

馮建國　李桂花　高宗軍　王敏　田紅　陳濤

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；高等教育；教學模式；專業(yè)課程；應用現(xiàn)狀；融合策略

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）36-0124-03

作為一種新興科技，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在多學科、多領域都得到了較為廣泛的應用，眾多科研人員和教師也從不同角度進行了深入研究。

以“虛擬現(xiàn)實”為檢索詞，時間限定于1990年1月至2020年12月，在中國知網(wǎng)（https：//kns.cnki.net）中按“篇名”進行檢索。2016年之前，文獻數(shù)量增長緩慢，從2016開始，文獻數(shù)量呈指數(shù)增長。2016年的文獻數(shù)量為1705篇，2020年的文獻數(shù)量達到4420篇，增長了約2.6倍。當前“虛擬現(xiàn)實”主要集中在計算機領域，其次是教育領域。二者之和占到全部研究領域文獻數(shù)量的69.2%。以“虛擬現(xiàn)實”為檢索詞，時間限定于2000年1月至2020年12月，同時學科限定為“高等教育”，在中國知網(wǎng)（https：//kns.cnki.net）中按“篇名”進行檢索，2012年之前，文獻數(shù)量增長緩慢，從2012開始，文獻數(shù)量快速增長。2012年的文獻數(shù)量為9篇，2020年的文獻數(shù)量達到93篇，增長了約10倍。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育教學

劉俊峰等將教育技術(shù)分為五類，即常規(guī)教學模式、多媒體教學模式、遠程教學模式、網(wǎng)絡直播教學模式和虛擬現(xiàn)實教學模式[1]?？梢?，“虛擬現(xiàn)實”教學模式已成為教育技術(shù)的重要組成部分和發(fā)展趨勢。

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR技術(shù)）是20世紀80年代興起的以計算機仿真技術(shù)為基礎，綜合了計算機圖形學、傳感技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、多傳感器技術(shù)以及網(wǎng)絡信息技術(shù)等多種先進技術(shù)的最新發(fā)展成果。狹義的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指運用各種傳感器和可視化設備生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境，將畫面、聲音等作用于用戶的視覺、觸覺、聽覺，從而使人沉浸在這個可以感知的、高度仿真的虛擬世界中，進而產(chǎn)生一種身臨其境的感覺[2-3]。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

（1）沉浸性。VR技術(shù)通過借助視覺、觸覺、聽覺等多個人體感知器官，可以讓人沉浸在虛擬世界，同時產(chǎn)生如同身處現(xiàn)實世界的感覺。趙夢媛等將多個人體器官參與感知稱為VR技術(shù)的多感知性[4]。

（2）交互性。VR技術(shù)進一步加強了人機交互式體驗。通過觸摸屏或操作手柄進行人機交互，在虛擬的場景中完成一系列操作，從最初的只有感官輸入的被動式體驗到可以對虛擬環(huán)境中的事物進行操作并得到及時的反饋。

（3）想象性。使用者依據(jù)在虛擬環(huán)境中獲取的信息，通過自我意識行為和人機互動后，根據(jù)自身的邏輯思維、事物聯(lián)想等能力，將虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中沒有直接展現(xiàn)的畫面和信息想象擴充并進行物像化[5-7]。

1.3 教育教學中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢

元偉霞認為，VR技術(shù)與教育教學的融合，首先在建構(gòu)主義學習理論、情境認知理論、模擬思維方法等方面具備穩(wěn)定和成熟的理論基礎[8]。此外，VR技術(shù)在教育教學領域的應用具有如下優(yōu)勢：

（1）人員安全得到有效保障，補充特殊場景觀摩體驗

實踐教學是高等教育人類培養(yǎng)的重要組成部分，對學生專業(yè)技能的提升具有重要意義。在實踐教學過程中，有些環(huán)境或操作具有一定的危險性，例如巖石剪切破壞實驗、涉及強酸強堿、芳烴等有毒有害化學品分析實驗等，一旦操作不當可能會造成安全事故，進而危及實驗室或師生的人身安全。此外，地震、火山噴發(fā)、洪水、滑坡等災害性場景在傳統(tǒng)實驗室是無法實現(xiàn)的，即便能夠進行物理模擬，觀摩的學生也存在一定的危險性。運用VR技術(shù)模擬實驗現(xiàn)場和實驗過程，安全性得到大幅提升，即使在操作過程中失當，也不會造成安全事故。

（2）培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高學習積極性

VR技術(shù)利用計算機生成虛擬的三維空間，通過視覺、聽覺、觸覺等人體感知器官獲得信息反饋，非常符合青年學生的獵奇心理。在教學過程中使用VR技術(shù)，不僅可以提高學生的學習體驗，提升教學效果，而且可以給學生帶來全新的觀察視角，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

（3）改變傳統(tǒng)教學理念，開展教學模式改革

VR技術(shù)與教育教學的融合，有利于教師改變傳統(tǒng)教學理念，開展教學模式改革。根據(jù)VR技術(shù)的特點和優(yōu)勢，與教學內(nèi)容深入銜接，持續(xù)改進教學手段，帶給學生沉浸式體驗，鼓勵學生自主學習。以成果導向為指引，用學生樂于接受和高效吸收的方式實施課程教學，便于更好地實現(xiàn)課程教學目標[2，5，9-10]。

（4）彌補實驗場地緊缺、實驗設備陳舊的問題

由于專業(yè)理論與實驗設備的不斷發(fā)展，用人單位對畢業(yè)生專業(yè)實踐技能的提高，各個高校都處于增加（擴充）實驗室、采購實驗器材的循環(huán)過程之中。辦公室與實驗室爭奪空間、實驗器材消耗折舊乃至陳舊問題突出；即便是滿足最低臺套數(shù)的實驗器材更新，動輒也需要幾萬甚至幾十萬，讓有限的教學經(jīng)費捉襟見肘。利用VR技術(shù)模擬實踐現(xiàn)場環(huán)境，則在一定程度上打破了實驗場地、實驗器材的限制，可以更好地滿足實踐教學的需求[6，11]。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與課程教學的融合

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中運用的原則

在進行虛擬現(xiàn)實教學的過程中，需要遵循的原則包括：

（1）真實性原則。VR技術(shù)的運用必須遵循教育教學的客觀規(guī)律，基于VR技術(shù)的教學內(nèi)容也必須符合專業(yè)理論的基本規(guī)律，其場景設置必須符合客觀實際，不能隨意夸大或者過分簡化。

（2）典型性原則。在VR技術(shù)與教學內(nèi)容有機融合的過程中，所制作或者引入的虛擬環(huán)境應該具有典型性和代表性，而不應該是非普遍的，甚至特殊的。

只有典型的事例才有助于學生掌握專業(yè)知識中的普遍規(guī)律。

（3）整體性原則。在利用VR技術(shù)開展教學活動時，必須把握專業(yè)知識體系的整體性。當出現(xiàn)受到各種因素的限制而不夠完整的情況時，應該及時采用其他教學模式加以補充和完善，這樣才能進一步提高學生對所學知識的掌握程度，提升課程整體的教學質(zhì)量。

（4）選擇性原則。授課教師必須認識到，VR技術(shù)不是萬能的。只有發(fā)揮VR技術(shù)的優(yōu)勢，選擇那些適合VR技術(shù)的教學內(nèi)容開展虛擬現(xiàn)實教學，才能實現(xiàn)提高教學效果的目的[12]。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用現(xiàn)狀

相對而言，國內(nèi)VR技術(shù)在教育教學領域的運用主要是小學、中學階段的科普和企事業(yè)單位的技術(shù)培訓，高等院?；赩R技術(shù)的課程教學以部分重點高校、民營私立院校為主。造成這一現(xiàn)象的主要原因包括：

（1）VR設備成本高，而國內(nèi)尚未形成完備的VR 技術(shù)研發(fā)、技術(shù)服務體系[13-14]。小學和中學階段，利用VR技術(shù)進行科學探索教育，受眾廣泛，研發(fā)和服務成本相對降低；企事業(yè)單位培訓的資金較為充足，較高的研發(fā)和服務成本也能得到認可。

（2）高等院校的專業(yè)劃分很細，同一院校不同專業(yè)的課程教學對VR技術(shù)的需求可能存在較大差異，而個性化的技術(shù)服務往往意味著高成本。不同層次高校的教育資金來源和數(shù)量存在差異，辦學理念各有不同，加之VR技術(shù)硬件投入和技術(shù)支持的成本較高，使得多數(shù)普通高等院校將VR技術(shù)用于課程教學體驗和課程教學模式創(chuàng)新[15]。

（3）當前，優(yōu)質(zhì)教育教學資源的十分匱乏，導致教育教學資源不能滿足專業(yè)化的教學需求；與此同時，VR教育資源開發(fā)的門檻較高，普通的一線教師往往不能勝任，即便開發(fā)出一些資源，其質(zhì)量往往也難以達到專業(yè)團隊的水平[16]。

（4）VR技術(shù)還處于發(fā)展階段，如何在現(xiàn)有的教育技術(shù)、教學設備、教育資源的基礎上，實現(xiàn)VR技術(shù)與其他教育技術(shù)的融合，各盡所能地為提高教育教學效果服務，還需一段較長時間的探索與磨合[17]。

上述五個方面，影響了VR技術(shù)在高等院校教學活動中的廣泛運用。當然，應該看到王婷、侯晨等人已經(jīng)成功將VR技術(shù)應用于土木工程測量教學、巖石力學實驗教學活動[18-19]，朱海燕、羅珽等人對VR技術(shù)在海洋鉆井工程課程教學、地球科學中的應用前景已經(jīng)有了成熟的認識[20-21]。

3 強化和促進虛擬現(xiàn)實技術(shù)與課程教學融合的策略

教育教學工作是一項系統(tǒng)工程，必須堅持“全員、全過程、全方位育人”的方針。而強化和促進VR技術(shù)在教育教學中的應用，也必須全盤考慮，全面統(tǒng)籌。

3.1 各級高等教育管理部門的支持

（1）各級高等教育管理部門應制定相應的政策支持和資金支持。積極踐行高等教育發(fā)展戰(zhàn)略，在充分認識VR技術(shù)對高等教育教學積極作用的基礎上，鼓勵開展基于VR技術(shù)的高等教育教學新模式方面的探索和研究，在不斷強化高等院校VR技術(shù)基礎設施建設的同時，以各類教學項目促進VR技術(shù)在高等教育中的運用，以實現(xiàn)引領高等教育教學模式變革的目標[2]。

（2）鼓勵和指導基于VR技術(shù)的教學資源的開發(fā)，建設基于VR技術(shù)的教學資源庫，制定相應的質(zhì)量監(jiān)控機制和評估標準，規(guī)范基于VR技術(shù)的教學活動，做到各個環(huán)節(jié)可追蹤、可衡量。

3.2 VR 技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)服務

《國家“十三五”規(guī)劃（2016－2020年）》中已經(jīng)把VR技術(shù)列入國家大力支持發(fā)展的行業(yè)之列，可以預見，VR技術(shù)服務高等院校教育教學的功能一定會得到長足的發(fā)展。

（1）通過產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新，提質(zhì)增效。要實現(xiàn)VR技術(shù)在高等院校教學活動中的廣泛運用，首先必須為廣大教師和學生提供優(yōu)質(zhì)的體驗，解決部分人員因為長時間佩戴頭戴式設備而產(chǎn)生的眩暈問題；通過技術(shù)創(chuàng)新，合理降低設備成本；制定統(tǒng)一的技術(shù)、設備等行業(yè)標準，解決不同企業(yè)產(chǎn)品、不同版本產(chǎn)品之間的兼容性問題。

（2）強化技術(shù)服務和對接。受限于VR技術(shù)二次開發(fā)的高難度和服務于專業(yè)課程的個性化需求問題，相關(guān)企業(yè)應深入高等院校，積極開展技術(shù)培訓工作；對計劃和已經(jīng)利用VR技術(shù)的院校、教學團隊和教師，應建立不同級次的長期的合作機制，了解和解決專業(yè)課程教學資源開發(fā)和維護過程中的技術(shù)需求，以優(yōu)質(zhì)服務帶動合作共贏。

（3）教學資源共享。雖然高等教育的專業(yè)劃分給VR技術(shù)的普及帶來的挑戰(zhàn)，但同時也應該看到我國高等教育的體量巨大。據(jù)相關(guān)資料，在國內(nèi)，河海大學、中國地質(zhì)大學等54家高等院校開設水文與水資源工程專業(yè)，中國地質(zhì)大學、吉林大學等56家高等院校開設地質(zhì)工程專業(yè)。因此，以服務相近專業(yè)為導向，開展合作研究，進而實現(xiàn)教學資源共享是可行的。

3.3 發(fā)揮教師在教學設計和管理中的作用

（1）VR技術(shù)的學習與培訓。教師要深入學習VR 技術(shù)，積極參與培訓交流，掌握VR技術(shù)的特點和相關(guān)設備的使用方法，才能真正掌握和駕馭這一工具，將其與課程教學內(nèi)容有機結(jié)合起來進行資源開發(fā)或者準確選擇適合當前學情的教學資源，更好地為教學服務。

（2）制訂合理的教學設計方案。通過制訂切實可行的教學設計方案，提升教師基于VR技術(shù)的教學設計能力，把VR技術(shù)和與之相匹配的教學內(nèi)容結(jié)合起來，在此基礎上設計教學思路、教學方法、教學過程等各個環(huán)節(jié)，做到前期夯實基礎，保證后期的順利執(zhí)行。

4 結(jié)語

20世紀末，歐美的一些國家就對VR技術(shù)進行了研究，并將VR技術(shù)應用于教育教學領域，并由此產(chǎn)生了多個基于VR技術(shù)的教育平臺。利用VR技術(shù)的沉浸性、交互性、想象性特點，將其應用于課堂教學環(huán)節(jié)可以提升學生的學習興趣、增強學生的學習體驗。

VR技術(shù)在國內(nèi)教育教學領域的應用尚處于發(fā)展過程的初期階段，但發(fā)展勢頭迅猛，VR技術(shù)在教育教學方面的應用研究主要集中在四個方面：VR技術(shù)相關(guān)設備和軟件的研發(fā)和實戰(zhàn)運用；虛擬現(xiàn)實教學實驗平臺的搭建和實踐；融合VR技術(shù)的教育教學模式研究；VR技術(shù)為學習者創(chuàng)建的學習環(huán)境、學習模式、學習情境研究[22]。

可以預見，憑借VR技術(shù)的快速發(fā)展和在教育教學中的優(yōu)勢，必然受到國家教育主管部門的高度重視，成為高等院校開展教育教學活動的重要手段，有力促進高校畢業(yè)生專業(yè)技能和素養(yǎng)的提升。

致謝：本文得到山東瘦課網(wǎng)教育科技股份有限公司資助。