虚拟现实在高校实验教学中的应用
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作者:杜坤
摘 要： 作为高等教育的一个重要组成部分，实验教学通过相关实验仪器設备让学生在实践过程中获取知识，培养学生的动手实践能力，并促使他们专业能力的形成。随着虚拟现实技术的不断发展，在高校实验教学中得到了广泛的应用，也发挥出极大的价值。为此，本文首先就虚拟现实技术对高校实验教学的影响进行分析，再重点论述了虚拟现实技术在高校实验教学中的应用，以期推动高校实验教学与现代信息技术的深度融合，更好地发展学生的专业素养。
关键词： 高校;实验教学;虚拟现实技术;应用
中图分类号： G434 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.016
本文著录格式：杜坤. 虚拟现实在高校实验教学中的应用[J]. 软件，2019，40（12）：7072
Application of Virtual Reality in Experimental Teaching in Universities
DU Kun
（College of Education Science and Technology，Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， 210023， China）
【Abstract】： Experimental teaching is an important part of higher education. With relevant experimental instruments and equipment， students can acquire knowledge and promote professional ability through practice. With the continuous development of virtual reality technology， it has been widely used in experimental teaching in Colleges and universities， and has also played a great value. Therefore， this paper firstly analyses the influence of virtual reality technology on experimental teaching in Colleges and universities， and then focuses on the application of virtual reality technology in experimental teaching in Colleges and universities， in order to promote the deep integration of experimental teaching and modern information technology in Colleges and universities， and to better develop students' professional quality.
【Key words】： Colleges and universities; Experimental teaching; Virtual reality technology; Application
0 引言
虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是通过计算机技术让用户进入一个仿真的现实虚拟世界中获得相应的体验[1]。用户与虚拟世界中的实体对象在有效互动时需以交互设备为支撑，犹如身临其境。这属于一种先进的数字化人机接口技术，得到了越来越多人的认可，公众无需出门就能获得相应的户外体验。近年来该技术在高校教学中得到了越来越多的重视和应用，也获得了一定的成效。
1 虚拟现实技术对高校实验教学的影响分析
1.1 沉浸性特点有助于知识的传授
就VR技术而言，沉浸感（immersion）是其最核心的一个技术特征。用户通过VR技术进入虚拟
世界后认为自己是这一虚拟环境中的一部分，如此真正参与进去，更好地沉浸在这一虚拟环境活动中[2]。就高校实验教学而言，通过创设知识形成的相关原始历史场景有利于让学生更好地理解知识，从而获得更佳的教学效果。应用虚拟现实技术对知识形成、发展、变化的历史场景进行模拟，学生从虚拟世界中体验现实生活中才存在的相关感知功能。如此直观的教学方式便于从实践认知到感性认知的第一次飞跃。这也能让学生获得更加深刻的印象，加深记忆。就目前来看，该技术发展的存在的不足主要包括嗅觉、味觉、运动等感知技术还有待深入研究，而听觉、视觉、触觉方面的沉浸技术已发展得较为完善。
1.2 构想性特征促使学生创新能力的提升
将虚拟现实技术运用到高校实验教学中有助于创新教学思路与手段，师生间可突破时空的限制共同去体验在现实生活中没有发生的事件。它能让学生跳出生理的限制，深入探索研究宏观或微观世界，或者也能模拟由于条件制约而无法实现的事情。通过对现实技术构想性（imagination）这一特征的充分利用，将学生的实验构想放到真实的实验环境中，转化而成的虚拟环境就可以体现出设计者的理念。这样的教学方式能够让学生自由大胆想象，提升创新意识，尝试用专业知识去解决虚拟环境中的“实际”问题，从而提高个人的创新能力。同时，这也是对知识的进一步升华，实现了理论与实践的有机结合[3]。目前，为建立构想中的相关实验环境有赖于下列技术，包括快速图形图像处理技术、通用高性能技术、造型建模技术。近年来随着量子计算机的出现，标志着我们在高性能计算领域有了新的突破。不过不足之处在于人机沟通、快速建模、快速成型等技术领域尚无显著突破[4]。 1.3 交互性特点促使学生团队合作能力的提高
不同于传统理论教学，实验教学需要学生在实验活动中依靠團队的力量，也需要与外部环境进行交互、协调[5]。近年来关于创新创业的实验在高校实验教学中成为一股新兴的主流，更强调依靠团队力量去寻梦。虚拟现实系统强调人与虚拟世界实时、自然地交互。交互的形式也不受局限，除了传统的语言交互外，也可利用虚拟现实系统中的相关特殊硬件设备，让学生与团队、与实验对象进行充分的互动。这一特性被称为交互性（interactivity）。
1.4 有利于实现高校实验资源的共享性，提高实验资源的利用率
从现实来看，国内高校实验仪器器材的分布范围存在不均衡性的特点。据调查，就单价超过40万的昂贵实验器材为例，大多分布在一些“985工程”、“211工程”等高校;这样重要设备主要聚集在高等教育发达的地区，如北京、上海、江苏等地。可见，必须重视实验教学资源的共享，进一步提升贵重实验设备的使用率，才能促使更多大学生实验能力与创新能力的塑造和发展。VR技术的数字共享性特点（sharing）能解决上述问题，通过对一些仪器设备进行数字虚拟化培养大学生的实验操作能力以及对仪器器材的使用能力，为实验的实际开展打好基础。目前，虚拟现实设备大多为单机版或适用于局域网范围，关于对虚拟现实场景的真正整合，具有广域范围共享功能的虚拟现实设备则较为匮乏[6]。这是由诸多制约因素造成的，除了网络传输能力的制约，产品接收端缺少统一的标准也使得彼此间很难进行互联互通。这有待在硬件设备与相关标准研制方面继续努力。
2 虚拟现实技术在高校实验教学中的应用
不难看出，VR技术的优点有很多，在诸多领域也得到了日益广泛的应用。从现实来看，已在航空航天、建筑设计、机械设计、娱乐游戏等行业大量引入，此外，军事训练、体育训练、医学实习等领域也开始引入该技术。外国已将VR技术运用到课堂教学与实验教学中，我国部分高校也尝试将其运用到教学领域，具体来讲主要有以下两种：
2.1 虚拟演示实验在课堂中的应用
学生借助VR技术学习知识主要涉及到两方面：一是将现实生活中难以观察到的相关自然现象或事物的变化过程予以展现，给学生创设生动、逼真的学习素材。如此，学生就能轻易掌握学习中的重难点部分。以物理教学为例，经常涉及到很多复杂的物理现象，包括半导体导电机理、原子核裂变等。通过VR技术进行展示，学生就能观察到这些形象具体的过程[7]。二是通过该技术可以把抽象、晦涩的概念与理论转换为形象直观的画面。再以物理实验为例，在物理学中加速度是一重要知识点，不少学生理解起来比较困难。为此，通过虚拟现实技术进行动态展示，让学生看到当物体重力大小与方向两大因素出现变化时，加速度也会随之变化，学生理解起来就容易得多。
除此之外，通过该技术也能建立学生提出的相关假设模型，并在虚拟系统中观察到这一假设的最终结果。比如，在化学教学中学生可任意将不同分子组合为一组，虚拟出想象中的组合物质。这有助于锻炼学生的探究能力。其次，学生借助该技术能够对很多学科进行探索性学习，如电路设计、机械设计、建筑设计、地质、气候等方向研究。然后设计出新的电路、新的设备与建筑物，或者总结出不同地理环境对世界气候的影响特点及规律。运用该技术开展探索性学习能够锻炼学生的创新思维，提高他们的创新水平。再次，通过运用该技术的模拟软件来展示部分系统的结构与动态，让学生从这一环境中去体验与观察。将数据录入计算机模拟系统中，学生就能看到相应的变化。教学模拟软件具有价格实惠、无危险等优点，能让学生与真实世界进行有效的交互。学生对模型元素进行操作，输入不同的模型变量，记录不同的结果。比如，以一个虚拟世界中的城市为例，由学生负责对该城市的管理，包括交通、能源、预算、环境污染、犯罪等公共事务，综合上述因素作出合理的决策。不同的决策对城市发展的影响也是存在差异的，好的决策能推动城市的稳步发展，坏的决策可能让城市陷入经济危机，导致世界性环境污染问题，决策引发的实际效应能够及时有效地显现在模拟系统中。模拟软件的使用使得课堂实验不再局限于一室之内，允许身处异地的教师和学生互相看得见听得着， 不但可以利用实时通讯功能实现传统教室中所能进行的大多数教学活动， 还能利用异步通讯功能实现前所未有的教学活动， 如异步辅导、异步讨论等。虚拟现实系统利用网上群体虚拟现实工具 MUD、MOO支持异步式学习交流形式。MUD 代表虚拟的多用户空间（Multi User Dimension），MOO（Multi User Dimension Object-Oriented）是一种面向对象的MUD， 它通过对由各种 MOO 对象构成的核心数据库的共享来向用户提供虚拟社会环境。MOO提供实时的在线通讯， 它引入房屋空间隐喻的概念，使得在实际地理位置上处于分离状态的用户能够在一个共同机制中进行交互和协作。它利用MOO提供的各种通讯工具（电子邮件、电子报纸、文档、电子白板等），来支持各种教学活动，使得实验教学更加丰富和多样化。
2.2 在虚拟实验室内进行虚拟实验
运用VR技术我们可以根据需要创设相应的虚拟实验室。比如，在物理虚拟实验室中学生可开展物理实验，包括惯性实验、重力实验，也可以进行现实实验中难度很大的实验，如火山喷发模拟实验。又如，在虚拟化学实验中进行一些现实中危险性较大或步骤繁琐、耗时较长的化学时间。在虚拟的生物实验室中完成一些解剖实验等等，观察实验现象与结果[9]。VR技术的交互性与沉浸性特点能让学生参与到虚拟学习环境中去，认真投入到学习活动中，有助于培养他们学习能力。通过VR技术还能开展很多技能训练。比如，可开展不同专业的职业技能训练，包括汽车驾驶技能训练、外科手术技能训练、军事作战技能训练、农作物栽培技能训练、电器维修技能训练、机械零件加工与装备训练等。利用“电子工作台”这一软件系统，学生就能参与到相应的电路训练中，可通过该平台所提供的相关元件设计不同的模拟电路与数字电路，然后对电路性能进行测试。此外，学生可利用虚拟实验室WEB系统创设一个可视化的三维环境，这里面各个可视化的三维物体都表示一种实验对象。点击鼠标学生就能进行相应的虚拟实验。构建网络虚拟实验室有赖于一定的技术支持，主要有多媒体计算机技术、网络技术、精密仪器技术。将虚拟仪器技术与认知模拟技术融合在一起，使虚拟实验室具备了智能化特征。师生可随时随地进入虚拟实验室中实施相应的实验。这是高校实验远程教育的创新内容，也为高校实验教学改革奠定了技术基础。同时，也便于学生随时运用各种实验仪器开展实验活动。基于WEB浏览器/服务器（B/S）计算机模式属于虚拟实验室中最基本的模式之一。WEB属于虚拟实验室的一种基础平台。服务器端在软件操作的控制下仿真相关实验环境，同时，收到来自客户端的实验操作请求。之后针对客户端的实验请求适当调整仪器，从而模拟所需的实验活动，获得对应的实验数据[10]。学生利用客户端进行模拟实验，实验中所形成的数据及实验结果数据均可放在服务器端，部分涉密数据也允许独立保存在客户端。当多人参与虚拟实验时，为了确保大家的同步，实验者可借助WEB或其它方式开展交互。在服务器端的后台数据库中储存有共享的实验数据与实验流程。上述训练模式是安全、可重复性的，学生能够多次进行反复训练，直到熟练掌握操作技能、获取理想实验结果、得出正确合理结论为止。
3 结语
总之，虚拟现实技术在高校实验中具有诸多优势，包括交互性、沉浸性等。要将该技术完美融入到高校实验室教学中关键需要我们教师找到最佳的突破点与方向。目前，国内高校VR教育尚处于初级阶段，很多方面还有待完善。为此，作为高校教师我们要从自己的专业角度出发，善于把握VR技术与实验教学的特点，实现二者的完美结合，进一步提高实验教学的有效性，更好地培养学生的实验能力。
参考文献
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