梁利東 江本赤 賈文友

摘要：信息技術(shù)的快速發(fā)展，極大推動著教學(xué)方式和教學(xué)媒體的變革。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等教育實踐教學(xué)中的研究應(yīng)用，將成為教學(xué)模式改革和提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。針對傳統(tǒng)實踐教學(xué)中存在的問題，本文提出基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)理念和實施策略，從教學(xué)關(guān)系、教學(xué)手段、教學(xué)考核及VR課程資源的開發(fā)整合等方面，闡述虛擬教學(xué)的思路和方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬教學(xué)；課程資源

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）16-0050-03

一、前言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)作為21世紀最新的技術(shù)成果，在教育領(lǐng)域具有強大的教學(xué)優(yōu)勢和潛力，已逐漸受到越來越多教育工作者的重視和青睞。VR技術(shù)綜合了計算機圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、智能技術(shù)、傳感技術(shù)、語音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門科學(xué)，將計算機處理的數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化為人們能感受的具有各種表現(xiàn)形式的多維信息。其多感知性、沉浸性、交互性及構(gòu)想性的技術(shù)特征，對于改善傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的現(xiàn)狀將產(chǎn)生重要影響，也為虛擬教學(xué)提供了新型的可視化教學(xué)模式[1，2]。VR技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用，不僅能夠讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中與教學(xué)內(nèi)容互動，解決傳統(tǒng)課堂中互動性、情境性不強等問題，還可以用于學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)，增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的形象性和趣味性。特別針對實踐教學(xué)，虛擬技術(shù)可以減少現(xiàn)實教學(xué)中某些實訓(xùn)操作的困難和危險，更能提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性，在呈獻知識信息、輔助教學(xué)活動、加速和鞏固學(xué)習(xí)過程以及設(shè)計、優(yōu)化學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)情境等方面，將發(fā)揮重要作用[3，4]。國際上關(guān)于虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用的研究方向，主要集中在基于VR技術(shù)的課堂教學(xué)法、VR學(xué)習(xí)環(huán)境以及醫(yī)學(xué)、工程、地理等具體學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域；國內(nèi)主要集中于虛擬學(xué)習(xí)資源建設(shè)、VR理論探索、虛擬仿真校園環(huán)境建設(shè)以及實踐環(huán)節(jié)的虛擬教學(xué)等[5]。合肥工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)等高校，近年來相繼成立數(shù)字化虛擬仿真實驗中心，旨在構(gòu)建教學(xué)、科研一體化的實踐平臺。因此，VR技術(shù)與教學(xué)環(huán)節(jié)的深度融合以及虛擬教學(xué)模式的探索創(chuàng)新，將成為當(dāng)前教育教學(xué)的研究重點。

二、虛擬教學(xué)的內(nèi)涵

虛擬教學(xué)是基于VR技術(shù)在虛擬空間中進行教育學(xué)習(xí)的一種新型教學(xué)模式，即運用科學(xué)技術(shù)構(gòu)建一個虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，通過對知識點客觀、真實地模擬重現(xiàn)，使教師和學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成教與學(xué)的全過程。虛擬教學(xué)的內(nèi)涵則涉及教學(xué)理念、教學(xué)關(guān)系、教學(xué)組織及教學(xué)手段等方面的變革和探索。

現(xiàn)代化的教學(xué)理念是“以學(xué)生為中心”，教學(xué)方法是以啟發(fā)引導(dǎo)式為主，教學(xué)關(guān)系追求合作化，教學(xué)手段應(yīng)賦予學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。VR技術(shù)可以提供這種教學(xué)環(huán)境，真正實現(xiàn)以學(xué)生為中心的個體化教學(xué)、合作化教學(xué)和環(huán)境中自我探究意識的培養(yǎng)。虛擬技術(shù)的沉浸感可提升學(xué)生的專注度；交互性能增強學(xué)生的反饋度；構(gòu)想性則能極大發(fā)揮學(xué)習(xí)和應(yīng)用的自由度。教學(xué)理念不僅是“傳道授受業(yè)解惑”，更應(yīng)注重成果導(dǎo)向的培養(yǎng)機制。VR能夠提供和模擬檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)成果的“試驗場”：教師的“教”是培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生各項解決實際工程問題的素質(zhì)和能力，學(xué)生的“學(xué)”則是獲取有效的方法和技能，二者相輔相成。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有的逼真學(xué)習(xí)環(huán)境，可提供良好的交互功能，在此基礎(chǔ)上，教與學(xué)的關(guān)系將發(fā)生根本改變。虛擬教學(xué)特別強調(diào)由學(xué)生主動參與構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，從而達到教學(xué)效果，即變學(xué)生的“被動聽講”為“主動學(xué)習(xí)”，由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。虛擬教學(xué)過程是一個面向問題求解的過程，教學(xué)組織形式將更靈活生動，學(xué)生的主動思考、分析、嘗試、討論將取代傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生死記硬背、不能學(xué)以致用的問題。這種虛擬環(huán)境將會極大地促使教學(xué)觀念和教學(xué)模式發(fā)生變化。教學(xué)手段是實現(xiàn)教學(xué)目的和完成教學(xué)任務(wù)的有效保證，VR技術(shù)將促使教學(xué)手段向科學(xué)化、高效益的方向發(fā)展。虛擬教學(xué)過程在可視化的虛擬環(huán)境中，通過自主控制的人機交互，實現(xiàn)思維參與、情感參與和行為參與的教學(xué)活動。在學(xué)生討論交流的基礎(chǔ)上，對其中的難點和不同觀點進行引導(dǎo)，可訓(xùn)練學(xué)生的分析總結(jié)能力，產(chǎn)生知識結(jié)構(gòu)的新生長點，利于培養(yǎng)有創(chuàng)新意識的綜合型人才。在虛擬現(xiàn)實教學(xué)中，師生和學(xué)生之間均能產(chǎn)生有效交流，且實現(xiàn)協(xié)作，培養(yǎng)協(xié)同意識和適應(yīng)大系統(tǒng)工作的能力。在虛擬實踐操作中，允許學(xué)生出現(xiàn)錯誤，讓學(xué)生了解錯誤的根由及后果，進而通過分析、綜合、比較、歸納、推理等高級思維技能尋求解決問題的正確方法。

三、虛擬教學(xué)的知識集成化

教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)過程中傳遞的教學(xué)信息，是學(xué)生獲取知識、掌握技術(shù)、發(fā)展能力的主要源泉。每門課程看似為獨立個體，實則綜合運用所學(xué)知識才能達到培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求。多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使教學(xué)內(nèi)容無論是外在形式還是內(nèi)在結(jié)構(gòu)都將產(chǎn)生很大的變化[6]。以綜合實驗教學(xué)為例，實驗內(nèi)容往往是多門學(xué)科的知識交叉和應(yīng)用。傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生往往依賴實驗指導(dǎo)書依次完成操作內(nèi)容，對于在實驗中碰到的問題，特別是涉及其他課程的內(nèi)容知識，通常無法再深入了解。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過計算機的集成處理，可提供如圖像、圖表、音頻、視頻和動畫等幫助信息，使學(xué)生對所學(xué)知識進行綜合掌握和運用。對于抽象或不可視的現(xiàn)象和原理，運用VR技術(shù)通過學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力構(gòu)建、模擬和探索相關(guān)實踐內(nèi)容，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高工程實踐能力具有重要意義。教學(xué)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)反映學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)，學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)則體現(xiàn)了學(xué)科知識間的邏輯關(guān)系，是學(xué)科內(nèi)含智力因素的信息源。傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)及順序大多依賴教師的教學(xué)習(xí)慣，生硬的教學(xué)順序使得學(xué)生學(xué)習(xí)的自由度不大，靈活性不強，難以實現(xiàn)知識獲取的自主性。VR技術(shù)是以人類認知特點組織和展示教學(xué)內(nèi)容并構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，它可以體現(xiàn)知識信息的形式及內(nèi)容的多樣性和復(fù)雜性，為學(xué)生提供動態(tài)、開放、自由的結(jié)構(gòu)化認知形式。它既包括學(xué)科基本內(nèi)容，又包括學(xué)科內(nèi)容間的邏輯關(guān)系；既注重知識的形成過程，又注重知識結(jié)構(gòu)。虛擬教學(xué)中，知識的有效集成使學(xué)生更直觀了解所學(xué)知識與既有認知間的聯(lián)系，同時激發(fā)學(xué)生對新知識的渴望和追求。

四、實踐教學(xué)中的應(yīng)用實例

安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院于2012年開始規(guī)劃籌建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，旨在運用VR技術(shù)對教學(xué)模式、案例教學(xué)、實踐教學(xué)、精品課程、專業(yè)建設(shè)等進行創(chuàng)新性改革和試驗。針對機械專業(yè)的多個專業(yè)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程以及面向機械系開放的綜合性實驗和創(chuàng)新實驗項目，教學(xué)團隊自主研發(fā)基于Unity3D/Quest3D引擎平臺的全3D的虛擬裝配及運動仿真系統(tǒng)實驗平臺，包括：汽車內(nèi)燃機虛擬結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)；二級圓柱齒輪減速器虛擬傳動仿真系統(tǒng)；車床主軸箱虛擬裝配及變速傳動系統(tǒng)；六自由度工業(yè)機器人虛擬裝調(diào)系統(tǒng)；CA6140機床虛擬裝配系統(tǒng)等，如圖1—圖6所示。

虛擬仿真實驗平臺為不同學(xué)科內(nèi)容提供了統(tǒng)一的虛擬教學(xué)平臺。在該平臺上，可針對課程對象導(dǎo)入不同模型、場景及教學(xué)環(huán)境，從而實現(xiàn)不同課程資源的開發(fā)、整合及應(yīng)用。如“CA6140虛擬仿真系統(tǒng)”，可應(yīng)用于《機械制造學(xué)》和《機械制造裝備設(shè)計》的綜合實驗與課堂教學(xué)，讓學(xué)生在3D效果中身臨其境般學(xué)習(xí)復(fù)雜機器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及傳動方式，并能親自“動手”交互操作等?！皺C器人虛擬裝調(diào)系統(tǒng)”實現(xiàn)學(xué)生在虛擬場景中機器人虛擬裝調(diào)的模擬實訓(xùn)，并提供實時的視覺、聽覺的交互操作體驗，使學(xué)生更好地了解機器人結(jié)構(gòu)和裝配工藝過程，為后續(xù)工業(yè)機器人的拆裝實操實訓(xùn)教學(xué)提供有益幫助。

五、虛擬教學(xué)亟待解決的問題

1.面向VR技術(shù)的教學(xué)資源的整合與優(yōu)化。虛擬教學(xué)要求教師具備一定的VR課程資源開發(fā)能力，并通過研究本專業(yè)課程的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建具有實時交互性、空間逼真的虛擬教學(xué)VR系統(tǒng)平臺。從課堂教學(xué)和實踐教學(xué)等角度，整合優(yōu)化虛擬教學(xué)的課程案例；從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度，編排學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)過程，強調(diào)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)的多樣性，體現(xiàn)形式的生動和趣味性。只有這樣，才能將課程內(nèi)容有效融于虛擬教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可根據(jù)自己的思想和學(xué)習(xí)方式在虛擬場景中主動探求和學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，并通過虛擬系統(tǒng)的訓(xùn)練和考核環(huán)節(jié)，對學(xué)習(xí)過程及成果進行修正和評估，有利于“以學(xué)生為中心”教學(xué)理念的開展和實施。

2.保證虛擬教學(xué)考核與培養(yǎng)目標的一致性?；诔晒麑?dǎo)向教育（OBE）的理念，虛擬教學(xué)模式更強調(diào)學(xué)生學(xué)什么以及達到什么要求。虛擬系統(tǒng)可以根據(jù)課程要求（或畢業(yè)要求）直接與教學(xué)工程案例對接，教學(xué)模式貫穿從畢業(yè)要求到學(xué)習(xí)任務(wù)、從學(xué)習(xí)任務(wù)到知識內(nèi)容、從知識內(nèi)容到教學(xué)過程的所有環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)虛擬教學(xué)環(huán)境下考核內(nèi)容和考核方式的確定，使其與課程目標乃至培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求相統(tǒng)一。課程大綱中的考核內(nèi)容，要融入課程虛擬教學(xué)案例，考核形式實現(xiàn)多樣化，特別是針對實驗實訓(xùn)課程，同樣的考核內(nèi)容可以不同形式體現(xiàn)?？己朔椒ɑ蚣谢蚍稚ⅲ嬲鸬綑z驗學(xué)生學(xué)習(xí)成果的作用。虛擬教學(xué)考核作為課程考核的一部分，特別適用于專題訓(xùn)練、綜合實驗、中期考核以及大作業(yè)考核過程。

3.實現(xiàn)“師生共建”虛擬教學(xué)資源的持續(xù)性和創(chuàng)新性。虛擬教學(xué)資源和案例是虛擬教學(xué)的根本，虛擬系統(tǒng)平臺可對所有師生開放，并通過教師和學(xué)生的教與學(xué)的過程實現(xiàn)教學(xué)資源的持續(xù)共建。學(xué)生和教師可將優(yōu)秀的學(xué)習(xí)和研究成果（如設(shè)計模型、創(chuàng)新方案等）上傳至系統(tǒng)平臺共享使用，從而實現(xiàn)知識的交流和借鑒，同時對教學(xué)過程進行持續(xù)改進。

六、結(jié)束語

實踐教學(xué)是提高學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。虛擬教學(xué)是利用VR技術(shù)創(chuàng)建、重塑或還原實驗實踐教學(xué)場景的信息化模擬教學(xué)工具和方法。其不僅豐富和完善了現(xiàn)有教學(xué)手段，消除實驗實踐教學(xué)盲點，而且能增強學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，提高學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量。作為一種新的實踐教學(xué)模式，虛擬教學(xué)的應(yīng)用對教師的綜合素養(yǎng)及教學(xué)方法提出更高的要求，即需要全面提升教師對VR技術(shù)的掌握和應(yīng)用水平，以及教學(xué)內(nèi)容上保證虛擬教學(xué)與真實實踐過程的一致性。同時，在虛擬教學(xué)體系中，需要進一步建立有效的監(jiān)測和評價體系，有效保障實踐教學(xué)效果的實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]薛亞娣.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的計算機輔助教學(xué)研究[J].蘭州文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，31（1）：116-119.

[2]梁宇濤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2006，23（3）：81-85.

[3]劉園.VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究與應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（16）：207-208.

[4]李小林，徐劍坤，潘程奇.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育教學(xué)論壇，2018，（6）：140-141.

[5]高東鋒，王森.虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展對高校實驗教學(xué)改革的影響與應(yīng)對策略[J].中國高教研究，2016，（10）：56-59.

[6]賀占魁，黃濤.虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)探索[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（2）：108-111，116.