李雪

摘? 要：在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，5G技術(shù)的出現(xiàn)打破了制約虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有良好的交互性和沉浸性，能夠提供高度還原仿真系統(tǒng)，這一特性促使它越來(lái)越多應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用，可以有效降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。所以，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來(lái)將成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要輔助手段。

關(guān)鍵詞：“互聯(lián)網(wǎng)+”;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）10-0174-02

Abstract： In the context of "Internet Plus"， the emergence of 5G technology has broken the bottleneck restricting the development of virtual reality technology. The virtual reality （VR） technology has good interaction and immersion， and can provide a highly reductive simulation system， which urges it to be more and more used in experimental teaching. The application of virtual technology in experimental teaching can effectively reduce the cost of experimental teaching， improve the efficiency of experimental teaching and optimize the quality of experimental teaching. Therefore， virtual reality technology will become an important auxiliary means of experimental teaching in colleges and universities in the future.

Keywords： "Internet Plus"; virtual reality （VR） technology; experimental teaching

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一種由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境。通過(guò)多種傳感設(shè)備，用戶(hù)可根據(jù)自身的感覺(jué)參與其中的事件，同時(shí)提供視、聽(tīng)、觸等直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知，并使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境中[1]。

所謂虛擬實(shí)驗(yàn)室，是指依靠多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等依托計(jì)算機(jī)和虛擬頭顯設(shè)備等營(yíng)造出仿真的實(shí)驗(yàn)室或者仿真的市實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，同時(shí)提供可以操作的軟硬件設(shè)備和具體的操作環(huán)境等，實(shí)驗(yàn)者完全可以虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)和在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下一樣的實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)這種虛擬體驗(yàn)不但成本低，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)效果甚至可以超越實(shí)驗(yàn)者在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中所取得的效果。

1 國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的現(xiàn)狀

目前國(guó)外高校依托虛擬技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室中，主要采用到的技術(shù)手段包含以下七個(gè)方面（見(jiàn)表1）：

比如英國(guó) Open University的開(kāi)放科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，[2]他們不但借助虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，同時(shí)他們還利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)放了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者可以借助虛擬遙控裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。這種實(shí)驗(yàn)操作和可以提供實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程共享和在線共享等。國(guó)內(nèi)也積極建設(shè)了多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，比如北京化工大學(xué)成立了化工安全與裝備中心，該中心的虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)可以給學(xué)生提供仿真的工業(yè)環(huán)境，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中心就可以直接進(jìn)行工業(yè)活動(dòng)的實(shí)踐行為，不但安全有效，而且可以同時(shí)為多個(gè)學(xué)生服務(wù)。

目前國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬技術(shù)的運(yùn)用主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：根據(jù)課程的內(nèi)容和實(shí)踐要求，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)流程，并在這一流程中嵌入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以及對(duì)項(xiàng)目操作者的操作評(píng)估系統(tǒng);設(shè)計(jì)并裝載實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目該步驟中設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)，該任務(wù)需要具體到每一個(gè)場(chǎng)景、每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)步驟、考察到的知識(shí)點(diǎn)等，然后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)操作平臺(tái)或者計(jì)算機(jī)軟件;操作之前，教師需要對(duì)于實(shí)驗(yàn)的具體涉及到的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解，同時(shí)對(duì)操作步驟進(jìn)行訓(xùn)練;學(xué)生借助虛擬技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，教師需要通過(guò)軟件或者監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于學(xué)生的操作步驟和流程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的先進(jìn)性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最大的特點(diǎn)是其利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中的各種場(chǎng)景和環(huán)節(jié)，這樣一些迫于場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)器材等難以在一線教學(xué)中開(kāi)展的各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)，都可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展開(kāi)。比如上海交通大學(xué)建立了“小兒先心病”仿真虛擬實(shí)驗(yàn)，不但降低了實(shí)驗(yàn)室的成本，不再需要大量收集實(shí)驗(yàn)樣本，而且提高了實(shí)驗(yàn)操作的效率，學(xué)生的操作難度和操作的復(fù)雜度都可以得到有效提升。

所以，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，其先進(jìn)性主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

2.1 將信息技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行深度融合

隨著5G技術(shù)的普及，信息技術(shù)給人們的生活方式帶來(lái)了顛覆性的變化，教育領(lǐng)域引進(jìn)信息技術(shù)也是時(shí)代發(fā)展的必然。作為信息技術(shù)發(fā)展中的尖端技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)低成本、高效率和高仿真性的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，所以虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用，體現(xiàn)的是新技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一實(shí)踐性很強(qiáng)的教學(xué)活動(dòng)的深度融合，因?yàn)樾畔⒓夹g(shù)將滲透到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，甚至還會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，這也標(biāo)志著信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位和作用，也實(shí)現(xiàn)了從輔助到主導(dǎo)的演變。

2.2 拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，實(shí)現(xiàn)因材施教

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和步驟以及出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因分析主要依靠教師來(lái)進(jìn)行判斷，而往往實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，一名老師往往需要面對(duì)多名學(xué)生，對(duì)每一名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差等的監(jiān)控不可能完全顧及到，而且受限于人數(shù)、實(shí)驗(yàn)器材等的限定，實(shí)驗(yàn)的深度和廣度也會(huì)受限。依托虛擬技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室則可以有效解決這一矛盾。同時(shí)虛擬技術(shù)可以對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，這樣一來(lái)，每個(gè)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的高低也會(huì)得到有效評(píng)估，這可以幫助教師實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的因材施教，讓每一個(gè)學(xué)生都能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得最及時(shí)、最客觀的指導(dǎo)和幫助。

2.3 打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受制于時(shí)間和空間的限制

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需要投入大量的人力、物力和成本，而且由于實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模大小直接會(huì)制約使用實(shí)驗(yàn)室的人數(shù)。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)之后，虛擬實(shí)驗(yàn)室的投資成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)體實(shí)驗(yàn)室，基本上依托計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和軟件以及VR頭顯設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室一樣的“仿真”體驗(yàn)，虛擬技術(shù)的出現(xiàn)為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室提供了實(shí)驗(yàn)的空間和時(shí)間的無(wú)限拓展的可能性。

2.4 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的線上化和智能化

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于屬于實(shí)踐活動(dòng)，一定是線下教學(xué)模式，但是隨著虛擬技術(shù)的出現(xiàn)，線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生自主線上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)成為現(xiàn)實(shí)。以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，現(xiàn)在借助虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)之后，可以利用虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行特定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)定，學(xué)生可以在任意時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，同時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和判斷“真正形成了與線下教學(xué)相結(jié)合的智能化、泛在化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式?！盵3]

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)可以大幅度解決目前高校實(shí)驗(yàn)室不足、建設(shè)實(shí)驗(yàn)室成本高、實(shí)驗(yàn)室使用頻率高導(dǎo)致成本較高、某些實(shí)驗(yàn)具有危險(xiǎn)性、有不安全隱患等等問(wèn)題，它可以有效彌補(bǔ)甚至取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，成為新型的實(shí)驗(yàn)室。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本特點(diǎn)在于借助虛擬仿真設(shè)備營(yíng)造仿真環(huán)境，在仿真環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)人的視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感受都可以最大程度實(shí)現(xiàn)“真實(shí)化”，而且人體會(huì)在這種“真實(shí)化”的刺激下做出相應(yīng)的反應(yīng)，這和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)者和實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間的交互行為完美地進(jìn)行了“復(fù)制”，所以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要的運(yùn)用價(jià)值表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

3.1 交互性

用戶(hù)佩戴特制的頭顯設(shè)備進(jìn)入虛擬環(huán)境之后，可以通過(guò)傳感裝置將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的感受和環(huán)境本身應(yīng)對(duì)人的行為所產(chǎn)生的反應(yīng)傳遞給實(shí)驗(yàn)者，從而讓實(shí)驗(yàn)者產(chǎn)生真實(shí)的體驗(yàn)和感受。比如華中師范大學(xué)2019年的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中就有“蘭科植物傳粉與保護(hù)虛擬仿真項(xiàng)目”[4]，這一項(xiàng)目就可以讓實(shí)驗(yàn)者觀看到完全仿真的植物傳粉的全過(guò)程，感受到風(fēng)吹植物、植物的搖動(dòng)等。

3.2 浸入性

人在虛擬環(huán)境中的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)感受將取代現(xiàn)實(shí)中的感覺(jué)，虛擬設(shè)備能檢測(cè)到人的反應(yīng)，從而產(chǎn)生一種新的完全真實(shí)的感受。如進(jìn)行沉浸式游戲體驗(yàn)、飛機(jī)模擬操作、康復(fù)訓(xùn)練、軌道交通的設(shè)計(jì)制造及運(yùn)行、可視化空間地理信息服務(wù)等，讓人感覺(jué)仿佛身臨其境，可以即時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用的前景展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)以及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用，對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是重大利好。虛擬技術(shù)所展現(xiàn)出來(lái)的良好的交互性和沉浸性，恰恰是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中最需要的部分，一旦可以通過(guò)低成本、高效率的方式進(jìn)行，虛擬實(shí)驗(yàn)室和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的相結(jié)合，必然成為未來(lái)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主流模式。虛擬技術(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)說(shuō)，目前已經(jīng)從輔助的地位開(kāi)始逐漸上升到主導(dǎo)地位。

2018年，教育部公布了首批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，教育部高等教育司司長(zhǎng)吳巖就指出“虛擬仿真解決了世界性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)的難題，也解決中國(guó)大學(xué)生動(dòng)手能力不足這樣一個(gè)短板問(wèn)題?！盵5]并且預(yù)計(jì)到2020年，教育部將推出1000個(gè)“示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”。[6]

綜上所述，虛擬技術(shù)對(duì)于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)說(shuō)，是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量的最有效的手段，在未來(lái)的發(fā)展中，虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所占的比重還將顯著提高，這對(duì)于提高我國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量、鍛煉和提升學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力而言也有著劃時(shí)代的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]戚玉強(qiáng)，任玲.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2018：163.

[2]國(guó)外虛擬實(shí)驗(yàn)室那些你不知道的精彩[N].搜狐新聞，2018-7-31.

[3]孫藝.教育信息化背景下虛擬仿真技術(shù)在法學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].法學(xué)博覽，2019（32）：211-213.

[4]華中師范大學(xué)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[EB/OL].http：//vecb.ccnu.edu.cn/virlab/index.html.

[5]董嬌.教育部公布首批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[N].央視新聞，2018-7-13.

[6]虛擬仿真軟件：讓“網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)”和“虛擬做真實(shí)驗(yàn)”成為現(xiàn)實(shí)[N].搜狐視新聞，2018-12-30.