虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“電工電子技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

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關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；電工電子技術(shù)

1引言

信息革命已對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，因此對(duì)各科專業(yè)來說，無論是專業(yè)建設(shè)、課程設(shè)計(jì)、教學(xué)環(huán)境還是教學(xué)手段，都需要不斷進(jìn)行改革，都要從實(shí)際出發(fā)加強(qiáng)實(shí)踐。事實(shí)也證明，要培養(yǎng)一個(gè)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，實(shí)踐教學(xué)地位十分重要?！半姽る娮蛹夹g(shù)”是高等學(xué)校理工科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)覆蓋范圍廣、教學(xué)知識(shí)體系連貫性強(qiáng)、教學(xué)應(yīng)用范圍多元化，所以它不僅是學(xué)科基礎(chǔ)，更是一門專業(yè)性、操作性較強(qiáng)的課程，對(duì)于實(shí)踐能力的培養(yǎng)尤為重要。采用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來輔助完成“電工電子技術(shù)”課程的實(shí)踐教學(xué)，不僅能滿足不同學(xué)科對(duì)電學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的要求，而且能滿足專業(yè)技術(shù)人員對(duì)電學(xué)基礎(chǔ)培訓(xùn)的需求。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種基于多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬仿真技術(shù)的沉浸式交互技術(shù)[1]。具體而言，它就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在構(gòu)建的特定的虛擬環(huán)境下，借助配套的輸出設(shè)備為使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗(yàn)，進(jìn)而使使用者與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)、無限制地交互，從而產(chǎn)生一種身臨其境的效果。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為鋪墊，進(jìn)一步拓展研究而興起的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的3D顯示和無限制交互的基礎(chǔ)上加入網(wǎng)絡(luò)定位追蹤技術(shù)，將真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的新環(huán)境，從而將虛擬對(duì)象置于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行交流互動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的共同點(diǎn)都是基于現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)的，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)造虛擬場(chǎng)景或?qū)⑻摂M事物與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)合，讓使用者有置身其中的感覺，通過穿越時(shí)空的方式進(jìn)行交流增加了互動(dòng)性、趣味性和真實(shí)感：區(qū)別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的場(chǎng)景是完全虛構(gòu)的，輔助設(shè)備幫助使用者有感官上的真實(shí)體驗(yàn)，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將虛擬事物嵌套到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，是對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的補(bǔ)充。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有31特點(diǎn)，即交互性（Interaction）、沉浸性（Immersion）和想象性（Imagination），在這3大特征的加持下，有別于常見的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。交互性是指根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界構(gòu)建一個(gè)虛擬世界，使用者在現(xiàn)實(shí)世界中的操作在虛擬世界中會(huì)得到響應(yīng)，在虛擬世界中的操作在現(xiàn)實(shí)世界中也會(huì)有感官的體驗(yàn)：沉浸性是指在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界給使用者的體驗(yàn)是否一致；想象性是指使人置身于虛擬環(huán)境中，利用場(chǎng)景提供的多維信息使使用者能夠獲取新知識(shí)，進(jìn)一步深化對(duì)事物的認(rèn)知，提高感性和理性的認(rèn)識(shí)。

所謂增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通常也是由3個(gè)突出特點(diǎn)構(gòu)成：（1）虛擬事物和真實(shí)世界“無縫”結(jié)合，即虛實(shí)結(jié)合，把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺信息、聲音、味道、觸覺等）通過計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)[3]模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)；（2）在真實(shí)世界中確定虛擬事物的準(zhǔn)確位置，即跟蹤定位，構(gòu)建虛擬事物并利用追蹤定位技術(shù)呈現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中；（3）交互技術(shù)，即實(shí)時(shí)的交互性。

4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

4.1激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

因虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸式體驗(yàn)的特點(diǎn)，能夠讓使用者有真實(shí)的感官刺激，可以將知識(shí)三維立體化，不再局限于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，利用跨地域、跨時(shí)空的優(yōu)勢(shì)給使用者提供親身體驗(yàn)和操作的機(jī)會(huì)，交互體驗(yàn)有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的掌握及應(yīng)用。

4.2為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供便利

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)根據(jù)不同設(shè)備可以有多種教學(xué)資源，如網(wǎng)絡(luò)實(shí)景模擬資源、移動(dòng)設(shè)備資源和立體紙質(zhì)圖書資源等，學(xué)生不再受到時(shí)間、場(chǎng)地等外在因素的限制，可以隨時(shí)隨地地學(xué)習(xí)，并且這2項(xiàng)技術(shù)為在線使用者提供一個(gè)安全的實(shí)踐操作場(chǎng)景，既能讓使用者獲取課堂上未掌握的實(shí)操知識(shí)，又能讓他們嘗試原本不可能實(shí)現(xiàn)的事情，有效地幫助學(xué)生進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)。

4.3完善資源建設(shè)

虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)習(xí)領(lǐng)域增加了另一個(gè)維度，讓原本無法創(chuàng)建的場(chǎng)景重新展示給使用者，將各地不均衡的資源進(jìn)行二次構(gòu)建，有效地規(guī)避了在現(xiàn)實(shí)世界中重建場(chǎng)景教學(xué)的費(fèi)用，同時(shí)避免了在危險(xiǎn)環(huán)境下操作的風(fēng)險(xiǎn)，為現(xiàn)實(shí)資源起到補(bǔ)償、完善的作用。

5“電工電子技術(shù)”課程實(shí)踐的特點(diǎn)及學(xué)情分析

“電工電子技術(shù)”課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，傳統(tǒng)的電工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式通常采用圖片、視頻等讓學(xué)生認(rèn)識(shí)各類設(shè)施設(shè)備，有條件的學(xué)校會(huì)購買一部分設(shè)備供學(xué)生操作或者帶學(xué)生去企業(yè)進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)。在這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生實(shí)際操作的機(jī)會(huì)非常少，因時(shí)間和場(chǎng)地的限制，學(xué)生對(duì)設(shè)施設(shè)備的認(rèn)識(shí)理解不夠深，無法將所學(xué)知識(shí)加以應(yīng)用，而且學(xué)校的教學(xué)成本很高，風(fēng)險(xiǎn)也很大，并且隨著工業(yè)時(shí)代的不斷變革，電工電子技術(shù)也在不斷更新，但在實(shí)訓(xùn)經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地和設(shè)備等因素制約下，很多更新的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目無法實(shí)施，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容已無法滿足當(dāng)代大學(xué)生的實(shí)訓(xùn)要求，因此導(dǎo)致很多大學(xué)生對(duì)這門課程失去了探索的興趣，進(jìn)而影響了課程的教學(xué)效果。

而對(duì)于大多數(shù)普通高校的學(xué)生來說，他們自主學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)，面對(duì)實(shí)踐性較強(qiáng)的科目既好奇又膽怯，創(chuàng)新意識(shí)薄弱，在有限的條件下很難對(duì)知識(shí)進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)和應(yīng)用。但由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，他們對(duì)于新生事物的獲知速度和接受速度也在成倍增長，因此大家所關(guān)注的虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心，建立起三維架構(gòu)，以培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。因此，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)完成“電工電子技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)是十分必要的。

6虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“電工電子技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于“電工電子技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)中，可根據(jù)教學(xué)任務(wù)建設(shè)虛擬設(shè)備、虛擬線路、虛擬儀表，對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備認(rèn)知、操作流程訓(xùn)練等實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行交互式教學(xué)，學(xué)生由傳統(tǒng)的被動(dòng)接收轉(zhuǎn)化為主動(dòng)研究學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)。

本文著重對(duì)以下幾方面應(yīng)用展開構(gòu)想。

6.1安全用電

在“電工電子技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)過程中要求學(xué)生以安全用電基本常識(shí)為基礎(chǔ)，掌握安全用電的基本技能，在實(shí)訓(xùn)過程中獲得對(duì)交流電的安全使用的能力[4]。而為了避免學(xué)生在實(shí)踐過程中發(fā)生觸電危險(xiǎn)，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)形式是“教師講、學(xué)生聽”，在教師的指導(dǎo)下學(xué)生一步步的模仿完成，單純的模仿使學(xué)生無法得到充分的鍛煉，無法與真實(shí)的電工電子場(chǎng)景相契合。而虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用自身的優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)這種教學(xué)形式的不足，創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)情境（如工廠），讓學(xué)生“以身試電”，通過切身體會(huì)提升學(xué)生的感性認(rèn)知，讓學(xué)生在反復(fù)練習(xí)中懂得安全用電的重要性，并且在不斷訓(xùn)練中激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其自主探究的能力。

6.2線路安裝故障排查

“電工電子技術(shù)”課程實(shí)踐要求學(xué)生掌握自主設(shè)計(jì)電子線路的方法，根據(jù)實(shí)踐中出現(xiàn)的現(xiàn)象，總結(jié)電工電路故障檢修的方法，完善電工電路檢修方案，提高檢修效率[5]。對(duì)于此知識(shí)點(diǎn)的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)形式是“學(xué)生設(shè)計(jì)、教師檢查”，檢查驗(yàn)收后方可進(jìn)行操作，大多數(shù)學(xué)生在教師理論性指導(dǎo)下排除錯(cuò)誤理解不到位，沒有機(jī)會(huì)大膽試錯(cuò)，無法在試錯(cuò)中得到成長。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)線路安裝的故障資料進(jìn)行收集，從而建立數(shù)據(jù)模型，學(xué)生可反復(fù)操作練習(xí)，既節(jié)約成本又可以讓學(xué)生在不斷糾錯(cuò)中成長，有效提升實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效率，強(qiáng)化學(xué)生敢于嘗試錯(cuò)誤的探索能力。

6.3電工電子儀器設(shè)備的使用培訓(xùn)

實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)是需要團(tuán)體的支持，需要與外界環(huán)境進(jìn)行溝通、協(xié)調(diào)[6]。為了使電工電子技術(shù)與工業(yè)變革相協(xié)調(diào)，可根據(jù)工廠的實(shí)際情況創(chuàng)設(shè)場(chǎng)景，讓學(xué)生置身于虛擬車間，讓學(xué)生在校就可以觀察儀器設(shè)備的工作狀況，以及每一個(gè)零部件之間的聯(lián)系，與車間技術(shù)人員共享信息，為學(xué)生提供一個(gè)能夠互動(dòng)交流的虛擬平臺(tái)。這不僅使學(xué)生的好奇心和體驗(yàn)感增強(qiáng)，更能以鮮活的方式傳授知識(shí)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到激發(fā)，有效地提高教師的教學(xué)效果。

7結(jié)束語

教學(xué)上采用虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)直觀性更強(qiáng)，虛實(shí)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)為學(xué)生提供與真實(shí)設(shè)備之間交流的機(jī)會(huì)，有效地幫助學(xué)生進(jìn)行模擬操作，充分地發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，跨時(shí)空、地點(diǎn)的體驗(yàn)使學(xué)生的創(chuàng)新性得到提高，并且具有操作零風(fēng)險(xiǎn)、更新低成本等優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)必將推動(dòng)越來越多的高等院校主動(dòng)利用此技術(shù)來改變?cè)械慕虒W(xué)方法和教學(xué)模式。