虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

邱鵬，史文杰

（武警海警學(xué)院，浙江 寧波 315801）

1 前言

隨著科技的不斷發(fā)展和具體應(yīng)用，多媒體技術(shù)已經(jīng)得到了更好、更快的蓬勃發(fā)展，并且在很多領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用地位，尤其在知識傳遞、思想表達(dá)等方面能夠更好地發(fā)揮作用。在如今大多數(shù)的高校課堂中，多媒體作為一種教學(xué)手段已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在課程教學(xué)中，特別是由于多媒體具有圖、文、聲并茂甚至有活動影象這樣的特點(diǎn)，所以能提供最理想的教學(xué)環(huán)境，它必然會對教育、教學(xué)過程產(chǎn)生深刻的影響。當(dāng)然它也暴露了一些不少的弊端與不足，比如多媒體走進(jìn)課堂后，課件“統(tǒng)治”課堂，教師不能因材施教，師生難以情感交流與互動，同時隨著課程時間的推移，這種灌輸式的教學(xué)也帶來了更多的學(xué)生厭倦情緒的發(fā)生。

但隨著科技的更深的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)逐漸出現(xiàn)并開始盛行，已經(jīng)在課堂教學(xué)中活躍起來，尤其是實(shí)訓(xùn)的課程，較好地吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。眾所周知，良好的教學(xué)內(nèi)容與師資力量，也需要先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來表達(dá)傳播，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合教育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢從此由運(yùn)而生，首先就是打破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)中教師灌輸式為主的教學(xué)模式，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件設(shè)施與軟件環(huán)境，可以幫助老師更容易地授業(yè)解惑；對于學(xué)生來講，傳統(tǒng)教學(xué)方法中難免存在無法參與、無法互動的瓶頸；而虛擬現(xiàn)實(shí)重在強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程中的參與性，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，主動思考，積極學(xué)習(xí)，避免填鴨式被動教學(xué)，進(jìn)行全真模擬展示和交互，增加教學(xué)的實(shí)踐性和真實(shí)感，豐富師生對3D立體展示和實(shí)踐性的需求。在虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感中也讓老師與學(xué)生多了很多的互動性，讓學(xué)生學(xué)起知識來更加輕松、易記、感興趣。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR），一般定義是指綜合借助計算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備的平臺，采用仿真技術(shù)模擬生成的一個可交互的三維動態(tài)環(huán)境，用戶在此環(huán)境中能夠接觸到視覺、聽覺、觸覺等多感官的沉浸式感受，能夠達(dá)到一種身臨其境的體驗(yàn)。

綜合而言，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）具備了以下三大特征，即“沉浸性”“交互性”和“想象性”。

（1）沉浸性：指生動逼真的、身臨其境的感覺。用戶通過專門的虛擬操作的設(shè)備，在模擬環(huán)境中進(jìn)行對應(yīng)的操作，能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)中尋找到多感官的體驗(yàn)，有一種置身現(xiàn)實(shí)的感覺。（2）交互性：是指用戶與模擬環(huán)境進(jìn)行交互的過程。老式的人機(jī)交互是借助鼠標(biāo)等設(shè)備來進(jìn)行指令的運(yùn)行，而虛擬現(xiàn)實(shí)的交互是利用傳感器傳輸?shù)?。用戶能夠很簡單的在虛擬環(huán)境中進(jìn)行某種意圖的實(shí)現(xiàn)，其感受如同真實(shí)環(huán)境一般，例如用戶感受風(fēng)浪來時的恐懼心理，高速駕駛汽車，高空落下等體驗(yàn)。（3）想象性（也稱創(chuàng)造性）：較為豐富的、多維的模擬空間是虛擬現(xiàn)實(shí)存在的必要基礎(chǔ)。雖然模擬空間中的人和實(shí)物等都是從現(xiàn)實(shí)場景中參考和模仿而來的，但是腦海中很多場景是現(xiàn)實(shí)世界中難以產(chǎn)生和存在的，不能隨著個人的意圖而很快出現(xiàn)，那么此刻虛擬技術(shù)的應(yīng)用就正好彌補(bǔ)了此方面的空白，能夠借助虛擬軟件平臺，一定程度上再現(xiàn)個人腦海中的設(shè)想場景。

3 VR在教育領(lǐng)域中的重要發(fā)展

2016年被稱作是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)普及的元年，世界主要國家及咨詢機(jī)構(gòu)都認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)是時代發(fā)展的重要趨勢。美國、英國、日本、韓國等發(fā)達(dá)國家都認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)是第四次產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)之一，并將其列入國家戰(zhàn)略項(xiàng)目。就我國而言，虛擬現(xiàn)實(shí)已納入《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，習(xí)近平主席也多次在重要場合提及“以互聯(lián)網(wǎng)為核心的新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命蓄勢待發(fā)，人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)日新月異，將給人們的生產(chǎn)方式和生活方式帶來革命性變化”。對目前處于各種教育階段的學(xué)生來說，他們是現(xiàn)代技術(shù)的原住民，是未來社會的人才儲備和中流砥柱，教育主管部門和學(xué)校應(yīng)更多地考慮學(xué)生的感受和未來視野，提供讓學(xué)生更多接觸新技術(shù)的機(jī)會，促使當(dāng)下的教育水平得到有效提高，為教育領(lǐng)域的大發(fā)展帶來更多的機(jī)遇。

4 VR對教學(xué)的促進(jìn)作用及存在的不足

4.1 促進(jìn)作用

21世紀(jì)以來，伴隨著各種新興的科技的不斷發(fā)展，日益革新的新技術(shù)正在逐漸地改變這傳統(tǒng)的教育模式和思想理念，新的教學(xué)正在借助互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等手段不斷地創(chuàng)造新的教育環(huán)境，總體而言是有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在教育領(lǐng)域中，一方面可以提高課堂教學(xué)的有效性和趣味性，另一方面還可以降低在實(shí)際教學(xué)中因客觀條件帶來的困難（如天氣惡劣、場地有限、器材短缺）和成本等，從而有效地推動教育改革的步伐，更好地開展教學(xué)。因虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）具有沉浸性、交互性和想象性等三大特點(diǎn)，故可借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來構(gòu)建與教學(xué)內(nèi)容相匹配的模擬環(huán)境，開展教學(xué)活動，形成的一種新型教育（學(xué)）模式被稱為沉浸式教育（學(xué)）。沉浸式教育（學(xué)）具有以下不可替代的促進(jìn)作用：

（1）環(huán)境逼真，便于理解。傳統(tǒng)過程中，知識（或信息）的傳授通常依靠文字、圖片等簡單形式，這些形式用于解釋當(dāng)前的簡單的具體的內(nèi)容是容易的，但是對于類似災(zāi)難場景等抽象方面教學(xué)就顯得蒼白無力。相對于傳統(tǒng)教育中知識的扁平性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以呈現(xiàn)更為立體的世界，消除時間與空間對人造成的認(rèn)知阻斷，為學(xué)生提供生動、逼真的教學(xué)環(huán)境。其側(cè)重讓受教育者親身經(jīng)歷各種現(xiàn)場，更能觸及到人的心靈，留下深刻印象，是一種值得大力推廣的實(shí)訓(xùn)教育手段。有效幫助學(xué)生加深知識印象，深刻理解抽象概念，并隨著5G的時代到來，未來5G+VR，VR多人異地同虛擬場景教學(xué)教育是大勢所驅(qū)。（2）情景再現(xiàn)，知識遷移。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供豐富的感知線索以及多通道（如聽覺、視覺、觸覺等）的反饋，幫助學(xué)習(xí)者將虛擬情境的所學(xué)遷移到真實(shí)生活中，滿足情境學(xué)習(xí)的需要。（3）避免危險，節(jié)省成本。傳統(tǒng)過程中，受到設(shè)備、場地、經(jīng)費(fèi)等條件制約，許多大型或有一定危險性的實(shí)驗(yàn)科目難以開展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可模擬實(shí)驗(yàn)場景，能讓學(xué)生足不出戶完成各種實(shí)驗(yàn)，并獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體會?？梢哉f，在保證教學(xué)效果的前提下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)減少了實(shí)驗(yàn)操作可能帶來的困難和危險，等學(xué)生操作訓(xùn)練熟練以后，再到實(shí)際的環(huán)境中展開實(shí)驗(yàn)，如此能大幅度地降低實(shí)驗(yàn)成本。（4）提高趣味，積極參與。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過呈現(xiàn)個性化特征、豐富多彩的媒體形式和刺激性的對話促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)。大量案例證明，虛擬現(xiàn)實(shí)可以給學(xué)習(xí)者帶來放松、愉悅、感興趣等積極情緒，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)部學(xué)習(xí)動機(jī)。另外，構(gòu)建的虛擬環(huán)境一般都能與設(shè)想場景逼真度較高，提供動態(tài)的高交互設(shè)置，可以讓學(xué)習(xí)者在其中顯示出較高的學(xué)習(xí)參與度，真實(shí)感較強(qiáng)，教學(xué)的效果非常好。（5）創(chuàng)新教學(xué)，改革教育。虛擬現(xiàn)實(shí)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)接近真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，將抽象概念具象化，為學(xué)習(xí)者打造高度開放、可交互、沉浸式的三維學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，突破傳統(tǒng)教學(xué)的一些難點(diǎn)和瓶頸，從而讓學(xué)校教學(xué)變得更有效率，讓學(xué)生愛上課堂，化被動為主動學(xué)習(xí)。另外，教師可以借助虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)課堂互動、自主學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等創(chuàng)新教學(xué)活動，創(chuàng)辦特色教育課程內(nèi)容，從而從整體上對教學(xué)模式進(jìn)行革新，提升學(xué)校教育教學(xué)質(zhì)量。

4.2 存在不足

任何事物都有兩面性，VR技術(shù)在教育領(lǐng)域有所重大發(fā)展的同時，也在某些具體方面的應(yīng)用及拓展中存在一定的不足之處，影響教學(xué)效果的提升。

（1）具體學(xué)科實(shí)證研究存在不足。每一個新興科技力量的發(fā)展和應(yīng)用都需要大量的努力和不斷的檢驗(yàn)以及修正過程，只有經(jīng)歷了各個方面的考研，才能逐漸地完善自己的不足，從而達(dá)到較為大眾滿意的科技與技術(shù)的服務(wù)。受其自身性質(zhì)的影響，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在某些應(yīng)用方面還存在著明顯的學(xué)科實(shí)證研究不足的問題，例如在物理等有關(guān)教學(xué)中比較常見，在其他學(xué)科中的具體應(yīng)用就有時顯得難以滿足，需要進(jìn)一步依據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行多次的修正與逼真再現(xiàn)，以滿足當(dāng)前課程中的教學(xué)發(fā)展需求。

（2）教學(xué)評價與監(jiān)控具有缺陷。在虛擬課程的實(shí)際教學(xué)中，目前的VR技術(shù)水平在教學(xué)應(yīng)用中仍然有一些不足之處，例如在有些課程的教學(xué)評價和監(jiān)控方面存在缺陷，沒有完善的系統(tǒng)性管理，授課老師不能根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行課程的監(jiān)控，會對整體教學(xué)造成弱化的現(xiàn)象，會降低教學(xué)效果。例如目前的“微視酷”平臺在具體的應(yīng)用過程中，原本是能夠以實(shí)際情況進(jìn)行教學(xué)開展的，并利用后臺的技術(shù)優(yōu)勢開展升級優(yōu)化，但是在教學(xué)監(jiān)控的方面缺失，會對數(shù)據(jù)的信息反饋與處理不協(xié)調(diào)，如此教師不能對學(xué)生的學(xué)習(xí)掌握情況也會造成判斷失誤，從而整體的教學(xué)質(zhì)量有所降低。因此，需要積極地拓展相關(guān)的評估方面的二次開發(fā)，在整體的監(jiān)控方面有待加強(qiáng)，完善評估回饋模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（3）當(dāng)前VR技術(shù)創(chuàng)新有待提高。VR技術(shù)作為一種新興的技術(shù)逐漸的在各個行業(yè)中得到了具體的應(yīng)用，對相關(guān)行業(yè)的更好發(fā)展起到了促進(jìn)了作用?，F(xiàn)階段，VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用大部分體現(xiàn)在VR視頻、VR語音等方面的技術(shù)開展。但是，現(xiàn)階段的VR資源內(nèi)容的很多標(biāo)準(zhǔn)都存在差距，部分內(nèi)容和技術(shù)的創(chuàng)新性存在缺陷，會降低質(zhì)量，因此要與時俱進(jìn)，加強(qiáng)創(chuàng)新，將VR技術(shù)與教育領(lǐng)域更好的協(xié)調(diào)和結(jié)合，不斷地跟隨教育發(fā)展的需求。

5 VR對實(shí)訓(xùn)科目的影響

5.1 打造逼真實(shí)訓(xùn)環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種模擬生成技術(shù)，可以設(shè)計從簡單操作到危險環(huán)境的各種逼真實(shí)訓(xùn)場景，參與者置身其中，在視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等方面都能更真實(shí)地感知某種現(xiàn)實(shí)環(huán)境。虛擬技術(shù)能夠營造許多傳統(tǒng)課程實(shí)訓(xùn)中因氣候或場地限制無法設(shè)置的環(huán)境，有效滿足不同課目和難度的實(shí)訓(xùn)要求，甚至可以形成一整套的實(shí)訓(xùn)環(huán)境轉(zhuǎn)換模式，最大限度地滿足對實(shí)訓(xùn)環(huán)境的要求。多種多樣的科目危險環(huán)境設(shè)置，可以使學(xué)生獲得有關(guān)實(shí)際環(huán)境中最直接的認(rèn)知，忘我地投入實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)所需要的沉浸感，真正提高實(shí)訓(xùn)的效果。

5.2 打破常規(guī)訓(xùn)練瓶頸

實(shí)訓(xùn)一個重要目的就是尋求對制約實(shí)訓(xùn)效果的瓶頸能夠進(jìn)行有效突破，找到未來應(yīng)用中的取得重大成就的真正手段。但現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)活動由于受場地、器材、準(zhǔn)備工作以及人員積極性等多種因素影響，往往難以在短時期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)的真正突破。虛擬實(shí)訓(xùn)的出現(xiàn)由于不受任何主客觀限制，具備較大的自由度，可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)要求構(gòu)想出實(shí)訓(xùn)思路程序，著重設(shè)計實(shí)訓(xùn)內(nèi)容演變的更多可能性，有利于打破教材化、程式化的實(shí)訓(xùn)套路，摒棄念腳本、背臺詞的劇本式演練，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對實(shí)訓(xùn)瓶頸的突破。尤其是通過虛擬演練中，可導(dǎo)調(diào)出更多模擬的緊急“情況”、設(shè)置出更多復(fù)雜“考題”，變化出更多變局、危局，驅(qū)動學(xué)生面臨危險情況時的緊急應(yīng)變能力，并可在虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中設(shè)置考核評價系統(tǒng)，真正提高學(xué)生分析判斷能力以及靈活反應(yīng)水平。

6 結(jié)語

由于實(shí)訓(xùn)的很多科目在實(shí)際環(huán)境中會具有單一枯燥或者復(fù)雜以及各種危險發(fā)生的特點(diǎn)，而如何開展高效、安全地提高課程實(shí)訓(xùn)效果對高校的教學(xué)目標(biāo)以及學(xué)科發(fā)展就顯得尤為重要。由于絕大部分實(shí)訓(xùn)科目的特殊性，常規(guī)的訓(xùn)練手段往往無法營造某種特殊的、高效的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，但目前隨著時代的進(jìn)步，高新技術(shù)的快速發(fā)展，VR技術(shù)作為新型手段在實(shí)訓(xùn)科目的教學(xué)模式改革中得到了廣泛運(yùn)用，具有沉浸性、交互性和想象性等顯著特征，可為受訓(xùn)者提供“真實(shí)的”實(shí)訓(xùn)對象、逼真的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，能夠成為高校課程中模擬實(shí)訓(xùn)的重要手段，從而大大提高教學(xué)效果。