劉春宇，張 瑩，張挺聳，匡尚奇

(長春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林長春，130022)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR) 技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度的快速提升、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的提高而迅速發(fā)展的新興技術(shù)，是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的重要發(fā)展方向，它融合了系統(tǒng)仿真學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、大數(shù)據(jù)分析處理、傳感以及網(wǎng)絡(luò)信息等前沿技術(shù)，可形成逼真的三維環(huán)境[1]，使參與者能在相應(yīng)裝置的幫助下在虛擬系統(tǒng)進(jìn)行體驗(yàn)和交互活動，有身臨其境之感[2]。1987年，美國VPL公司創(chuàng)建人杰倫·拉尼爾提出虛擬現(xiàn)實(shí)這一概念，被業(yè)界稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)之父”。VPL公司研發(fā)出了一系列虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，包括頭戴式顯示器和手套。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)較之傳統(tǒng)視頻、音頻動畫系統(tǒng)，有更為強(qiáng)烈的視覺感受和更為真實(shí)的體驗(yàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)了使用者的參與感。因此，VR在計(jì)算機(jī)游戲行業(yè)優(yōu)先、快速發(fā)展起來，并在我國各主要城市的商場等兒童、青少年娛樂場所迅速風(fēng)靡。

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要(2016—2020年)》已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)明確列入國家大力支持的行業(yè)中。[3]目前，國內(nèi)部分一流院校已經(jīng)逐步開展虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。如，北京航空航天大學(xué)在2007年已經(jīng)開始虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)[4]；吉林大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建成使用，很多高校正在籌備或已經(jīng)部分建成虛擬實(shí)驗(yàn)室。但是，傳統(tǒng)VR技術(shù)受到網(wǎng)絡(luò)速度的限制，部分體驗(yàn)者佩戴VR眼鏡后畫面有卡頓的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生頭暈等不適感。隨著我國5G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度會有極大的提升，可消除VR受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度所限給體驗(yàn)者帶來的不適感。就目前來看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在商業(yè)游戲的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，發(fā)展最快，在軍事、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用也有所擴(kuò)大，而在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還屬于新興事物。如何實(shí)現(xiàn)VR與教學(xué)的有效結(jié)合，以提高教學(xué)質(zhì)量，還需要廣大教育工作者做進(jìn)一步的研究和探討。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)生獲得知識的途徑呈現(xiàn)出多樣化特征?；ヂ?lián)網(wǎng)5G技術(shù)的普及促使高等學(xué)校教學(xué)方法、學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生巨大的變革，這就要求高校教育工作者開拓思維，把握機(jī)遇，科學(xué)地利用互聯(lián)網(wǎng)平臺，采用新型信息化教學(xué)手段豐富教學(xué)內(nèi)容。[5]

一、“互聯(lián)網(wǎng)+VR”教學(xué)平臺的建設(shè)

(一)建設(shè)校園5G網(wǎng)絡(luò)，為“互聯(lián)網(wǎng)+VR”教學(xué)模式提供軟環(huán)境

VR技術(shù)在高等學(xué)校教育中的普及，其首要前提就是要有一個高速信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，否則會嚴(yán)重影響VR技術(shù)的流暢性及體驗(yàn)感，也無法解決使用VR技術(shù)所引起的眩暈感問題。5G網(wǎng)絡(luò)在我國的快速發(fā)展，為高校教育教學(xué)方法的改革提供了一個重要的載體。我國已經(jīng)開始在部分省市的部分地區(qū)進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，主要通信公司也紛紛推出5G資費(fèi)與套餐。以此為契機(jī)，高?？梢愿鶕?jù)自身實(shí)際情況，與當(dāng)?shù)刂饕ㄐ殴痉e極溝通，建立以校園為核心區(qū)域的5G網(wǎng)絡(luò)。高校人員密集，且多為能接受新鮮事物、對網(wǎng)絡(luò)依賴程度較高的年輕人。因此，優(yōu)先建設(shè)校園內(nèi)的5G網(wǎng)絡(luò)是有一定的地域優(yōu)勢的，在某一區(qū)域內(nèi)龐大的使用人群和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)對通訊商來說也是快速收回成本、擴(kuò)大5G網(wǎng)絡(luò)使用范圍的重要途徑，這有可能成為深化校企合作的成功范例。

(二)“互聯(lián)網(wǎng)+VR”教學(xué)平臺的建設(shè)，突出地方特色

教學(xué)環(huán)節(jié)的開展離不開教學(xué)平臺的建設(shè)。我國5G高速網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)為VR教學(xué)平臺的建設(shè)提供了前提保障。大型VR教學(xué)平臺的建設(shè)投入不可能由個別教師來承擔(dān)，因此，學(xué)校甚至區(qū)域的投入及支持是必不可少的。對此，高校可以考慮以聯(lián)合其他高校、市級或省級教育機(jī)構(gòu)來進(jìn)行教學(xué)平臺建設(shè)。我國多數(shù)高校在地理位置上通常不是孤立的，一般會幾所高校距離較為接近，這也為高校之間聯(lián)合進(jìn)行教學(xué)平臺的建設(shè)提供了保障。雖然在網(wǎng)絡(luò)時代，基于網(wǎng)絡(luò)的課程大部分是跨區(qū)域的，但是多數(shù)理工科的課程仍需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課程。這部分需要學(xué)生親自動手操作的課程很難通過視頻的形式進(jìn)行教學(xué)，如果距離較近的幾所高校聯(lián)合起來進(jìn)行平臺建設(shè)，共享實(shí)驗(yàn)室資源，那么既能使學(xué)生學(xué)習(xí)到不同學(xué)校的優(yōu)勢學(xué)科，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及激發(fā)創(chuàng)新意識，也可大大降低每個學(xué)校在網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)上的投入成本。

(三)本地高校資源深度共享，搭建交流平臺，多方參與

VR教學(xué)平臺的建設(shè)需要大量資金，且建設(shè)周期長，前期的計(jì)算機(jī)、VR硬件、實(shí)驗(yàn)室改造等硬件，VR教學(xué)軟件設(shè)計(jì)、購買等軟件內(nèi)容，以及教師培訓(xùn)、交流等投入資金至少為百萬人民幣量級，而后期的設(shè)備維護(hù)、增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等投入資金也是相當(dāng)龐大的，單一院校承擔(dān)起來有難度，尤其是經(jīng)濟(jì)不太發(fā)達(dá)、省市相關(guān)教育投入較少的地區(qū)，可能負(fù)擔(dān)更重。融合本地高等教育資源，利用各高?，F(xiàn)有優(yōu)勢學(xué)科、課程進(jìn)行VR實(shí)驗(yàn)室共同建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源共享、實(shí)驗(yàn)室共享，不僅可以發(fā)揮各自學(xué)科優(yōu)勢，還可以降低投入成本，讓實(shí)驗(yàn)教師和管理人員有更多的精力投入教學(xué)設(shè)計(jì)、題目設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)，本地區(qū)內(nèi)教師的學(xué)術(shù)交流更加便捷和低成本?？傊?，本地高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的資源共享，多方參與活動，結(jié)合研討會、參觀考察、網(wǎng)絡(luò)媒體等多種形式搭建交流平臺，宣傳和推廣虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用成果，可以讓更多高校便捷地獲取經(jīng)驗(yàn)，有效而低成本地提高本地區(qū)高校整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+VR”實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)及設(shè)計(jì)

(一)組織培訓(xùn)活動，開拓教師視野，提高教師對VR的認(rèn)識和熱情，提高教學(xué)改革主動性

學(xué)生多元化的學(xué)習(xí)方式是目前高校學(xué)生學(xué)習(xí)的主要方式。當(dāng)前，學(xué)生的視野比較開闊，而教師在教學(xué)崗位長期采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，其在多元化、信息化方式的學(xué)習(xí)方面反而要落后于善于接受新事物的年輕人?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+VR”技術(shù)雖然對高等學(xué)校教學(xué)有極大的促進(jìn)作用，但是它與傳統(tǒng)教學(xué)模式與方式差異較大。因此，任課教師要跳出自己熟悉的教學(xué)“舒適區(qū)”去接受大量新的知識，尋找新的教學(xué)模式。要讓教師從心理上產(chǎn)生對VR的認(rèn)同感，首先，學(xué)校要組織教學(xué)第一線的教師、實(shí)驗(yàn)教師和管理人員進(jìn)行高水平的培訓(xùn)和研討活動。其次，學(xué)校要支持教師到國內(nèi)先進(jìn)VR實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行體驗(yàn)和交流，為一線教師提供VR教學(xué)觀摩和上機(jī)實(shí)踐的機(jī)會，共享基于VR技術(shù)的教學(xué)模式。[6]這是讓教師接受新技術(shù)最直觀和重要的方式。最后，學(xué)校要支持教師參加VR的展會及廠家的技術(shù)交流活動，讓教師與廠家共同探討VR技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用及發(fā)展。這些交流、學(xué)習(xí)和講座會使一線教師面對新的教學(xué)環(huán)境、授課對象，更有改善授課方式的動力，并提高教師開展基于“互聯(lián)網(wǎng)+VR”模式的教學(xué)改革的主動性。

(二)產(chǎn)學(xué)研合作，發(fā)揮優(yōu)勢，節(jié)約成本

教育部在2015年全國教育工作會議上提出，地方高校要把辦學(xué)思路真正轉(zhuǎn)到服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展上來，轉(zhuǎn)到產(chǎn)教融合校企合作上來，培養(yǎng)的人才要符合經(jīng)濟(jì)社會的需求。[5]VR教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)具有一定的資金門檻，教師憑借個人力量和有限的時間很難設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的VR作品。因此，這一環(huán)節(jié)就要大力調(diào)動社會相關(guān)企業(yè)的力量，產(chǎn)學(xué)研密切合作，解決供、需兩方面的問題。具體分工為高校提出實(shí)驗(yàn)題目要求、細(xì)節(jié)參數(shù)和技術(shù)需求，企業(yè)來解決如何設(shè)計(jì)VR作品的問題，最后再由高校結(jié)合實(shí)際情況提出改進(jìn)意見，以此發(fā)揮企業(yè)和高校各自的技術(shù)優(yōu)勢，合理利用資源，更有效率地解決實(shí)際問題。校企兩方進(jìn)行深度合作，推動科研成果共享，進(jìn)而大大節(jié)約成本。

(三)建設(shè)VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，發(fā)揮“領(lǐng)頭羊”的作用

VR實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)對于大多數(shù)普通高校來講，仍然是新興事物，高校要分年度、分批次進(jìn)行硬件環(huán)境、軟件環(huán)境的投入，以及師資培訓(xùn)。因此，對于首先進(jìn)行哪些學(xué)科、哪些專業(yè)的VR實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，高校的選擇就要有一定的傾向性。高校可優(yōu)先選取本學(xué)校的優(yōu)勢學(xué)科、專業(yè)和課程，進(jìn)行師資投入，建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。多數(shù)高?？蓛?yōu)先考慮對通識教育、基礎(chǔ)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行建設(shè)。首先，基礎(chǔ)課因?yàn)槊嫦蛉Ｊ谡n，因此，一般都具有一定的規(guī)模和面積，也有一定數(shù)量的教師，能為VR實(shí)驗(yàn)室的持續(xù)建設(shè)提供場地及師資。其次，基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室面向的學(xué)生多為全校一年級的新生，可讓學(xué)生在入學(xué)階段就享受到高科技教學(xué)帶來的新奇感覺，更好地讓學(xué)生融入大學(xué)的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣，使其在后面的專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中有更多的主動追求知識的動力。最后，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性的思維方式要從大學(xué)低年級開始，這有利于學(xué)生思維能力的養(yǎng)成。同時，考慮到多數(shù)高校基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的情況，高校可以優(yōu)先建設(shè)大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)槌藵M足上述幾個條件之外，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)題目眾多、物理知識內(nèi)容廣泛，國內(nèi)外有眾多優(yōu)秀高校的經(jīng)驗(yàn)可供參考和學(xué)習(xí)，高?？梢宰羁斓乃俣取⒆钚〉某杀救ソㄔO(shè)VR實(shí)驗(yàn)室。同時，高?？赏ㄟ^校企合作的方式，創(chuàng)建一批標(biāo)準(zhǔn)化的、示范性的VR教學(xué)中心，引領(lǐng)高校VR教學(xué)中心建設(shè)。

(四)VR實(shí)驗(yàn)題目的選定要有代表性和針對性

VR實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不僅要考慮到網(wǎng)絡(luò)條件、硬件條件、實(shí)驗(yàn)室面積等因素，VR實(shí)驗(yàn)題目的設(shè)置也是極為重要的環(huán)節(jié)。VR實(shí)驗(yàn)題目的選定要具有一定的代表性，不能與實(shí)驗(yàn)室已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)題目重復(fù)，否則就是重復(fù)建設(shè)，浪費(fèi)資源與精力的不智之舉。如，某VR展會上廠家展示其VR實(shí)驗(yàn)作品，其中就有大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的“分光計(jì)”實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)題目屬于物理光學(xué)中的傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，一般高校的該課程十之八九都會有這個實(shí)驗(yàn)。該儀器使用范圍較為廣泛，儀器整體的價(jià)格及維修費(fèi)用都相對比較合理，且該實(shí)驗(yàn)操作也沒有危險(xiǎn)性，不涉及高壓、強(qiáng)光等內(nèi)容，而開發(fā)一個新VR實(shí)驗(yàn)的成本很可能要遠(yuǎn)高于這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的成本，這種題目的選擇就是不太合理的。因此，VR實(shí)驗(yàn)題目的選擇要進(jìn)行更深入的調(diào)研、探討和分析，一些傳統(tǒng)課堂中儀器造價(jià)高、危險(xiǎn)性強(qiáng)或者由于場地限制而無法開展的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行VR實(shí)驗(yàn)才是有必要的，而不是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)題目的重復(fù)。VR實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是現(xiàn)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有益的、必要的補(bǔ)充，VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法全面代替學(xué)生能親自動手操作的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)。

(五)VR實(shí)驗(yàn)教材的建設(shè)與實(shí)驗(yàn)同步，并與傳統(tǒng)教材有區(qū)別

VR實(shí)驗(yàn)教材的建設(shè)是新技術(shù)在高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域中能夠穩(wěn)定開展的重要一環(huán)，通常本科生在沒有接觸真實(shí)的VR實(shí)驗(yàn)之前就會看到相關(guān)實(shí)驗(yàn)的教材和資料。VR實(shí)驗(yàn)教材的設(shè)計(jì)要有其獨(dú)特性，直接利用傳統(tǒng)教材很難顯示出VR實(shí)驗(yàn)所要求本科生掌握的操作技術(shù)、操作技巧、知識結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)記錄等內(nèi)容。因此，VR實(shí)驗(yàn)教材的撰寫和設(shè)計(jì)并不是簡單的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教材的翻版，而是要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)思。這種新型的教材應(yīng)配合實(shí)驗(yàn)，以電子教材為主，不僅可以視頻形式介紹VR設(shè)備的使用，還可以視頻、動畫、圖畫的形式展現(xiàn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理、儀器介紹，擺脫傳統(tǒng)教材只能展示二維圖形、單一文字的原理描述缺點(diǎn)，使本科生在進(jìn)行VR實(shí)驗(yàn)之前對實(shí)驗(yàn)有生動、有趣的認(rèn)知，從而對實(shí)驗(yàn)充滿熱情與期望，有效提高本科生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性。

隨著我國5G網(wǎng)絡(luò)的高速建設(shè)和發(fā)展，VR技術(shù)在這一契機(jī)下獲得了長足的發(fā)展動力。新興教學(xué)技術(shù)有利于激發(fā)教師教學(xué)改革的熱情，激發(fā)本科生的學(xué)習(xí)動力，提高本科生的創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)校之間的交流合作，促進(jìn)學(xué)校和企業(yè)之間的產(chǎn)學(xué)研合作，為高等教育帶來發(fā)展機(jī)遇。