◆姚江云 齊保謙

作者：姚江云，碩士，助教，廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院電子信息與控制工程系，主要從事電氣控制技術(shù)、智能控制技術(shù)教學(xué)研究；齊保謙，廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院電子信息與控制工程系（545616）。

在教育信息化大背景下，為了達(dá)到應(yīng)用現(xiàn)代化的信息資源與技術(shù)手段來提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的，許多高校努力探究各種教學(xué)改革途徑，進(jìn)而產(chǎn)生出許多以教育信息化為指導(dǎo)的教學(xué)方法，最有代表性的有多媒體技術(shù)的應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)資源共享平臺(tái)的應(yīng)用、構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論在教學(xué)中的應(yīng)用等，但這些都沒有克服電氣類課程專業(yè)性強(qiáng)、理論抽象、教學(xué)與現(xiàn)實(shí)相分離等特點(diǎn)給課堂教學(xué)帶來的困難，如教學(xué)過程不夠靈活、不夠生動(dòng)形象，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不夠強(qiáng)烈，理論無法聯(lián)系實(shí)際等。建構(gòu)主義認(rèn)為“情境”的體驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)者構(gòu)建知識(shí)是非常必要的，而傳統(tǒng)教學(xué)很難或者根本無法提供給學(xué)生這種真實(shí)的“情境”[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)恰恰可以提供這種“情境”。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高校電氣類課堂教學(xué)中，能夠形象生動(dòng)地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效營(yíng)造一個(gè)能夠跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識(shí)技能的效率，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的情景化、興趣化，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)過程、提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），原來是美國(guó)軍方開發(fā)出來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，主要用于軍事上的仿真[2]，直到20世紀(jì)80年代末才作為一個(gè)較完整的體系被正式提出，90年代后其內(nèi)容逐步成熟與發(fā)展。目前已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如機(jī)械、化工、醫(yī)藥、軍事、汽車等領(lǐng)域，主要用于模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程、動(dòng)作原理等，幫助相關(guān)人員進(jìn)一步了解其工作原理，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)約成本、提高工作效率的目的。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的集成技術(shù)，提供一種實(shí)時(shí)的、三維的虛擬環(huán)境，這個(gè)虛擬世界是人工建造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部[3]。在這個(gè)虛擬環(huán)境中，能實(shí)時(shí)產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境相同的感覺，人們可以直接觀察虛擬環(huán)境中物體的變化，并與虛擬環(huán)境中的物體之間進(jìn)行自然的交互，這也就大大改進(jìn)了人機(jī)交互的效果，同時(shí)體現(xiàn)了人機(jī)交互的一個(gè)發(fā)展要求。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征可概括為：1）實(shí)時(shí)交互性，即參與者可以對(duì)模擬環(huán)境進(jìn)行一定程度的考察與操作；2）多感知性，即對(duì)于參與者的各種操作，虛擬系統(tǒng)可以產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，供參與者觀察或感知；3）存在感，指參與者感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度；4）自主性，指虛擬環(huán)境中物質(zhì)動(dòng)作的程度服從于自然規(guī)律或者遵循設(shè)計(jì)者想象的規(guī)律。這些特點(diǎn)總體上體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)情境的獨(dú)特優(yōu)越性，也是其得到快速推廣應(yīng)用的主要原因。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多媒體技術(shù)發(fā)展的高級(jí)階段，其人機(jī)交互方式得到重大改進(jìn)，即人可以進(jìn)入由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境中的物體、事件進(jìn)行交互作用，這種變革對(duì)使用者產(chǎn)生的影響是深遠(yuǎn)的。21世紀(jì)將是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用的時(shí)代，教育教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)越性，為提高教學(xué)質(zhì)量與效率服務(wù)。

2 傳統(tǒng)教學(xué)模式分析

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)離不開教育的創(chuàng)新，除了教育觀念創(chuàng)新和教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新外，還包括教學(xué)方法、手段與模式的創(chuàng)新。隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及教育教學(xué)理論的不斷發(fā)展，在傳統(tǒng)教育模式的基礎(chǔ)上，不斷涌現(xiàn)出多種現(xiàn)代化的教學(xué)模式。1）傳統(tǒng)教學(xué)模式：形式死板，不足以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，陳述知識(shí)面窄，授課效率低，理論不能聯(lián)系實(shí)際。2）多媒體教學(xué)模式：文字表述過多，知識(shí)呈現(xiàn)抽象，不足以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，授課普遍稍快，不利于消化，理論不能聯(lián)系實(shí)際。3）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式：涉及知識(shí)面廣，呈現(xiàn)形式多樣化；對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)性要求較高，缺少教師指導(dǎo)，學(xué)習(xí)積極性不高；學(xué)習(xí)效率低、理論不能很好地聯(lián)系實(shí)際。4）構(gòu)建主義教學(xué)模式：是一種基于“情境”體驗(yàn)的知識(shí)構(gòu)建的學(xué)習(xí)方法，而現(xiàn)實(shí)教學(xué)中很難提供這種真實(shí)的“情境”。5）基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)模式：脫開文字與靜態(tài)原理圖，動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)整個(gè)工作過程，視覺感受強(qiáng)烈，有助于抽象知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

可見，相比于傳統(tǒng)教學(xué)模式，現(xiàn)代化的教學(xué)方式在內(nèi)容、形式、手段上有了很大的突破，克服了傳統(tǒng)教學(xué)的一些弊端，但普遍存在一個(gè)問題就是不能夠提供一個(gè)“真實(shí)情境”來幫助學(xué)生進(jìn)一步理解問題，理論難以聯(lián)系實(shí)際。同時(shí)也帶來另外一些問題，如對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)性要求較高，對(duì)教學(xué)條件的依賴性強(qiáng)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正好能夠解決“真實(shí)情境”的問題，同時(shí)由于在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)，便于管理學(xué)生，學(xué)習(xí)效率高，教學(xué)成本低。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

電氣類課程課堂教學(xué)過程中，尤其需要改變傳統(tǒng)的教育觀念，摒棄那種“滿堂灌”的教育觀，給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)生動(dòng)、有效的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，才有助于理解抽象的理論性和專業(yè)性強(qiáng)的知識(shí)，進(jìn)一步提高掌握實(shí)際技能的效率。這在很大程度上離不開技術(shù)的支持，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以滿足這種需求，為學(xué)生提供很好的自主學(xué)習(xí)環(huán)境。可以說虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給教育領(lǐng)域注入新的生機(jī)和活力，由于它的諸多特點(diǎn)，為教育界開展教育創(chuàng)新提供了有益的幫助。

鑒于電氣類專業(yè)的實(shí)際教學(xué)情況與自身的教學(xué)感受，結(jié)合學(xué)生對(duì)于傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的反應(yīng)，總結(jié)出目前急需進(jìn)行教學(xué)改革的兩個(gè)基本問題：1）對(duì)于理論性強(qiáng)的課程，文字表述過于繁瑣且不利于理解，所配靜態(tài)插圖（原理圖）不能說明整個(gè)動(dòng)態(tài)的工作工程，不夠形象直觀；2）試驗(yàn)設(shè)備有限且較為單一化，大多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)于理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用接觸較少。上述問題也是目前普通高等院校工科類專業(yè)教學(xué)中普遍存在的，因而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用將是非常必要的。下面以電氣控制與PLC教學(xué)為例，說明具體的應(yīng)用方法。

3.1 虛擬動(dòng)畫演示

針對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的抽象性，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作模擬動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的工作原理、工作過程甚至整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作過程的動(dòng)態(tài)模擬。相比于單一的文字陳述與靜態(tài)的工作原理框圖，模擬動(dòng)畫具有繽紛清晰的動(dòng)態(tài)畫面，人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)參數(shù)修改操作的特點(diǎn)，它能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步理解某一內(nèi)容或系統(tǒng)的工作原理、性能特點(diǎn)，進(jìn)而牢固掌握所涉及的知識(shí)。此外，這種脫離單一文字的動(dòng)態(tài)畫面式教學(xué)模式還有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，樹立良好的整體學(xué)風(fēng)。在實(shí)際教學(xué)過程中這種虛擬動(dòng)畫可以重復(fù)播放、不斷改進(jìn)，達(dá)到節(jié)約成本、多次使用、輕松教學(xué)的效果。此方法在電氣控制與PLC課程教學(xué)中已有使用，教學(xué)效果良好。圖1為干簧式水位開關(guān)工作原理動(dòng)畫演示過程截圖。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

圖1 干簧式水位開關(guān)工作原理動(dòng)畫演示過程

在電氣類人才培養(yǎng)過程中，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備多少與先進(jìn)程度很大程度上決定了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的情況下，可以建立虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，來模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與設(shè)備，供學(xué)生操作與使用。這種虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立有幾大優(yōu)點(diǎn)。首先，能夠代替實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，節(jié)約教學(xué)成本。其次，它完全存在于計(jì)算機(jī)中，可以方便地使用，不必受時(shí)間空間的限制，能夠更好地理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的及時(shí)消化。如在講授完理論知識(shí)需要配合實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以在課堂上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，達(dá)到一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)鞏固知識(shí)的目的。再次，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立還具有豐富實(shí)驗(yàn)資源、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)管理、全面向?qū)W生開放等特點(diǎn)。

電氣控制與PLC課程教學(xué)中，PLC的編程思想是靠大量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訓(xùn)練出來的，在實(shí)驗(yàn)資源較少的情況下，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室供學(xué)生練習(xí)是非常必要的。虛擬實(shí)驗(yàn)其近乎真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境比純粹的軟件仿真更為真實(shí)，便于學(xué)生理解。圖2為混合溶液PLC自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)界面。

圖2 混合溶液PLC自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)界面

4 總結(jié)

隨著信息時(shí)代的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用更是處于起步階段，具有較大的挖掘潛力。本文初步探究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在獨(dú)立院校電氣類課程教學(xué)改革中的應(yīng)用，以電氣控制與PLC課程為例，提出幾點(diǎn)具體的應(yīng)用措施，其方法也在實(shí)踐教學(xué)過程中初步實(shí)施，取得良好的效果。但由于所掌握的技術(shù)的不成熟與實(shí)際條件的限制，所提出的方案沒有得到全方位的開發(fā)，所取得的效果不是非常突出，還需要以后進(jìn)一步的研究與完善。

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[2]鄒湘軍,孫健,何漢武等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展與展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004(9):1905-1909.

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