林勝青

（福州理工學(xué)院工學(xué)院，福州 350506）

1 引言

VR技術(shù)通過建立三維空間場景，使用戶產(chǎn)生身臨其境的虛擬場景體驗，對于用戶，可以更加真切的獲得在虛擬場景中看到、感受到的事物，類似于實踐經(jīng)歷。關(guān)于VR技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)前絕大部分還是在娛樂體驗方面，在其中占比很小的教育領(lǐng)域中，則主要以寓教于樂和培養(yǎng)興趣為導(dǎo)向，應(yīng)用于幼兒教育方面。對于高校實踐教學(xué)領(lǐng)域，合理引進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并將其發(fā)展成輔助教學(xué)工具，不僅可以針對不同學(xué)科研發(fā)相應(yīng)的課程，打造情景式與交互式的教學(xué)新模式，而且有利于緩解高校實踐教學(xué)中硬件資源的缺乏問題。由此，拓展教學(xué)新模式的同時，提高高校學(xué)生的實踐機會和實踐能力，從而增進(jìn)對理論知識的認(rèn)知程度。

2 基于VR交互系統(tǒng)特點

（1）沉浸性。VR技術(shù)采用了包含視聽、動感等豐富的表現(xiàn)形式，提供給用戶作為體驗，針對虛擬環(huán)境來說，用戶是其主導(dǎo)者，由于虛擬環(huán)境的表現(xiàn)復(fù)雜，且具有人機交互，很容易令用戶沉浸其中，愿意與虛擬環(huán)境之間進(jìn)行互動行為，并將其作為客觀存在的真實環(huán)境。

（2）感知性。VR交互系統(tǒng)中通常具有觸覺、視覺、聽覺等數(shù)種設(shè)備與傳感裝置[1]，使用戶通過多種感知提升虛擬環(huán)境的真實感。

（3）交互性。交互性實際包括兩個方面的內(nèi)容。一方面是人通過視覺和聽覺等感知到虛擬環(huán)境，作出相應(yīng)的操作行為；另一方面是虛擬環(huán)境感知到人的操作，作出相應(yīng)的反饋機制。

3 VR技術(shù)在高校實踐教學(xué)中的優(yōu)勢

（1）改善實踐教學(xué)條件。高校實踐教學(xué)，最大的問題是實驗室與實驗設(shè)備的缺乏。建設(shè)一個一流的實驗室需要購置先進(jìn)的實驗設(shè)備，同時，設(shè)備購置后需要定期維護(hù)保養(yǎng)，這些昂貴的費用無形之中增加了實踐教學(xué)成本。由此，也導(dǎo)致了不同高校之間的學(xué)科水平差異。針對不同學(xué)科需要，引入VR交互系統(tǒng)，以虛擬實驗設(shè)備代替真實實驗設(shè)備，通過虛擬設(shè)備，可以做出與真實設(shè)備相同的實驗和結(jié)果，使學(xué)生獲得了學(xué)習(xí)實踐的機會，在實踐過程中增加對理論知識的理解，也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。同時，VR交互系統(tǒng)還可以用于遠(yuǎn)程教學(xué)模式[2]中，當(dāng)下存在很多網(wǎng)絡(luò)授課形式，這種授課形式是無法建設(shè)實驗室的，因此，通過VR交互系統(tǒng)，無需多少成本，便可以使遠(yuǎn)程教育變得和學(xué)校教育一樣具有實踐意義。

（2）提高實踐教學(xué)的安全性。在高校的實踐教學(xué)中，一些存在危險或者有害健康的實驗，通常都會替換成錄像教學(xué)形式。其實很多實驗在進(jìn)行的過程中會遇到各種各樣的問題，并且實驗結(jié)果也會存在一定的差異，沒有親自參與實驗，必定無法對實驗過程中遇到的情況進(jìn)行掌握，也無法對實驗的真實現(xiàn)象和結(jié)果形成具體的認(rèn)識。引入VR交互系統(tǒng)，則完全沒有安全和健康顧慮，可以利用虛擬的實驗環(huán)境，進(jìn)行各種危險實驗的反復(fù)探索，并且不產(chǎn)生額外消耗，對于實驗過程中的一些問題，也更容易復(fù)現(xiàn)和分析，不必?fù)?dān)心實驗過程中產(chǎn)生起火、爆炸、傷人等事故。

（3）不受時間與空間限制。對于生物學(xué)領(lǐng)域中，研究生物生長與進(jìn)化等問題，研究人員現(xiàn)有做法通常都是采用一些生長繁衍較快的生物作為研究對象，比如果蠅。但是即便這樣，一些實驗往往還是需要花費幾個月甚至幾年時間，導(dǎo)致實驗周期過長。另外，在物理學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域，需要對一些物質(zhì)的內(nèi)部進(jìn)行研究，這樣實驗往往很難實施。引入VR交互系統(tǒng)，則會通過虛擬技術(shù)模擬出實驗條件，加快實驗進(jìn)度，將一次長期實驗通過虛擬交互系統(tǒng)有效縮短完成時間。另外，還能通過虛擬技術(shù)模擬進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部，完成一些受空間限制的實驗。

（4）實驗過程與實驗結(jié)果的有效保存。傳統(tǒng)實踐教學(xué)中，實驗結(jié)果往往受實驗條件等眾多外部因素影響，對于同一個實驗，先后兩次可能出現(xiàn)不同的結(jié)果，而大部分情況下無法進(jìn)行實驗過程的比較和確定，當(dāng)引入VR交互系統(tǒng)，可以對每次實驗的過程、以及結(jié)果進(jìn)行完整的保存，如果出現(xiàn)結(jié)果差異，能夠?qū)嶒炦^程采取有效的回放和比對。

4 VR交互系統(tǒng)在高校實踐教學(xué)中的應(yīng)用

（1）虛擬實驗。利用VR交互系統(tǒng)，能夠建成各類型的虛擬實驗室[3-4]，應(yīng)用于各個學(xué)科的實踐教學(xué)中。有利于合理規(guī)劃使用教育經(jīng)費，合理安排實驗室建設(shè)和實驗設(shè)備購置，通過虛擬實驗，彌補實驗硬件資源的缺乏問題。同時有利于促進(jìn)高校實踐教學(xué)模式的創(chuàng)新，利用VR交互系統(tǒng)的沉浸性[5]，激發(fā)學(xué)生對于學(xué)科知識的興趣，樂于動手實踐，并在實踐中加入自己的創(chuàng)新想法，推動學(xué)科建設(shè)。另外，對于一些存在危險、有損健康、受時間空間限制等的實驗，更加應(yīng)該衡量是否引入VR交互系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)試驗室，成立更加安全、健康、環(huán)保的虛擬實驗室。

（2）技能訓(xùn)練。技能訓(xùn)練一般需要對簡單的工作進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，以達(dá)到熟練程度。根據(jù)VR交互系統(tǒng)的特點分析，其具有顯著的交互性與沉浸性，因此將其融入到技能訓(xùn)練中，將有利于學(xué)生專注地置身于虛擬環(huán)境模擬出的訓(xùn)練場景中，通過與虛擬場景交互來實現(xiàn)技能訓(xùn)練。如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，學(xué)生可以通過虛擬交互系統(tǒng)模擬出的手術(shù)場景，操作完成一臺手術(shù)，其間可以虛擬出手術(shù)過程中的任何一種細(xì)節(jié)，學(xué)生通過這種實踐教學(xué)，不但能夠進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，而且真實模擬了現(xiàn)實情況，同時又不存在風(fēng)險。

（3）探索學(xué)習(xí)。VR交互系統(tǒng)與傳統(tǒng)實踐教學(xué)工具不同，它不存在實驗材料的消耗和維護(hù)，可以在課后向?qū)W生開放，促進(jìn)學(xué)生自主實踐的興趣，在實踐過程中不斷提出自己的條件假設(shè)，并對此進(jìn)行模擬驗證，從而培養(yǎng)學(xué)生通過虛擬交互系統(tǒng)的實踐探索能力，促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步。比如對于電子與電氣相關(guān)學(xué)科，學(xué)生可以在不購買不消耗任何電子器件的基礎(chǔ)上，在虛擬實驗環(huán)境下搭建自己設(shè)計的電路，并進(jìn)行可行性分析；對于環(huán)境領(lǐng)域的學(xué)生，只需要在虛擬實驗環(huán)境中搭建出溫室效應(yīng)的模型，便可以完成溫室效應(yīng)的影響因素分析。總之，基于VR的交互系統(tǒng)與高校實踐教學(xué)相結(jié)合，能夠提高學(xué)生對于學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)術(shù)探索精神。

5 結(jié)束語

VR是目前備受關(guān)注的一個技術(shù)熱點，人們相信VR技術(shù)的發(fā)展，將會對科研、教育，甚至生產(chǎn)等方面產(chǎn)生推動和革新的作用，改變?nèi)藗儗鹘y(tǒng)工具的認(rèn)識。雖然該技術(shù)還不夠成熟，但是基于VR的交互系統(tǒng)，已經(jīng)可以預(yù)見其廣闊的發(fā)展前景。通過本文的探討分析可知，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、多媒體等領(lǐng)域的共同發(fā)展，基于VR的交互系統(tǒng)必定會通過自己的特點和優(yōu)勢，越來越多的出現(xiàn)在高校實踐教學(xué)中，取代傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式，促進(jìn)高校教育的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] Grigore C·Burdea，[法]Philippe Coiffet著，魏迎梅譯.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 陳慶章，胡同森，胡東.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2001，（11）.

[3] 王元娟.基于高校虛擬實驗室發(fā)展若干問題的建議[J].科技信息，2009（7）：130.

[4] 朱敏.虛擬實驗與教學(xué)應(yīng)用研究[d].華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.6.

[5] 蔡蘇，張晗，薛曉茹等.增強現(xiàn)實（AR）在教學(xué)中的應(yīng)用案例評述[J].中國電化教育，2017，（3）：1-9.