何均健　江曉慶　曾鳴　周恩浩

摘 要 VR技術(shù)作為一種新興的信息技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。該文從教學(xué)形式、實(shí)驗(yàn)資源、考核方式等方面剖析當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的缺陷，針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)自身的特點(diǎn)闡述VR技術(shù)在的優(yōu)勢，并介紹了推廣VR技術(shù)亟待解決的難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 VR技術(shù) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.01.017

Abstract As a new information technology， VR technology has a good application value in college experimental teaching. This paper analyzes the defects of current experimental teaching in colleges and universities from the aspects of teaching forms， experimental resources and assessment methods. According to the characteristics of experimental teaching， this paper expounds the advantages of VR technology， and it also introduces the difficulties to be solved in popularizing VR technology.

Keywords VR technology; experiment teaching; teaching reform

1概述

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)是一門綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、交互技術(shù)、傳感技術(shù)以及人工智能等多種技術(shù)而形成的綜合性技術(shù)。[1]用戶一般使用頭戴式顯示器和具備3DOF或6DOF的輸入裝備，在計(jì)算機(jī)渲染生成的虛擬空間環(huán)境中與三維對象進(jìn)行互動(dòng)，從而得到如身處真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。VR技術(shù)的變化進(jìn)展源于航天和軍事機(jī)構(gòu)，前沿技術(shù)成果通常被首先用于航天和軍事領(lǐng)域，國外發(fā)達(dá)國家始終將其列為國防高科技重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。[2]目前，由于VR技術(shù)所具有的優(yōu)勢，除了被應(yīng)用到航天和軍事領(lǐng)域，也被廣泛應(yīng)用到教育、醫(yī)療、制造、娛樂、商業(yè)等不同的領(lǐng)域。

VR技術(shù)具有沉浸感、強(qiáng)交互、想象性的特質(zhì)，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。2007年教育部批準(zhǔn)成立《虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用教育部工程研究中心》。教育部在“十三五”規(guī)劃中明確提出，VR教育是“發(fā)展未來學(xué)校和智慧課堂改革”的重要內(nèi)容。2017中國高教版《地平線報(bào)告》也將VR列為十二項(xiàng)教育技術(shù)的重要發(fā)展之一。教育部印發(fā)《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》強(qiáng)調(diào)啟用VR實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)?；赩R技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以通過模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中，[3]進(jìn)行觀察式學(xué)習(xí)、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)和實(shí)際操作學(xué)習(xí)，更好地理解理論知識(shí)、掌握操作技能和發(fā)揮想象力。

本文通過對高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)有的問題進(jìn)行分析，介紹VR技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，最后提出進(jìn)一步推廣使用VR技術(shù)需考慮的重點(diǎn)。

2當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

2.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一

高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)體課堂形式進(jìn)行，教師通過一邊講解一邊示范操作，帶領(lǐng)著實(shí)驗(yàn)課堂的全部進(jìn)程，學(xué)生大多數(shù)處于被動(dòng)做驗(yàn)證性觀察或驗(yàn)證性操作的狀態(tài)，同時(shí)學(xué)生預(yù)習(xí)、上課和復(fù)習(xí)都會(huì)在時(shí)空和實(shí)驗(yàn)材料等方面受限制。在課堂以外學(xué)生可以使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上的視頻資源進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，這在一定程度上運(yùn)用了線上線下教學(xué)手段，但始終缺乏真實(shí)場景具有的交互感與場面感，一般視頻資源也不具備引導(dǎo)、總結(jié)和考核環(huán)節(jié)，學(xué)生只是在被動(dòng)地觀看平面的視頻或動(dòng)畫等信息化資源，教學(xué)效果不盡如人意。

2.2理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作分開，兩者未能有效融合

理論教學(xué)手段大多偏向支持原始的“教師講授、學(xué)生接受”的學(xué)習(xí)模式，學(xué)習(xí)內(nèi)容過于抽象導(dǎo)致認(rèn)知效果不足，理解難度太大，容易出現(xiàn)上課聽不懂，甚至導(dǎo)致厭學(xué)等情況。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往又是在理論教學(xué)一段時(shí)間之后進(jìn)行，在理論知識(shí)開始淡忘后才進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使理論和實(shí)踐無論從時(shí)間和空間上都存在嚴(yán)重脫節(jié)，實(shí)際上是不利于學(xué)生對知識(shí)的聯(lián)系記憶，也不利于將理論和實(shí)驗(yàn)之間融會(huì)貫通。

2.3多種因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)資源不足、利用率低

例如，有些儀器設(shè)備設(shè)施體積大、造價(jià)高，有些課程所需實(shí)驗(yàn)材料難以收集，有些實(shí)驗(yàn)難以保證在實(shí)驗(yàn)室里安全地進(jìn)行，這些原因?qū)е碌膶?shí)驗(yàn)資源缺乏或不足，使學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手機(jī)會(huì)很少。同時(shí)有些昂貴的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備儀器放在實(shí)驗(yàn)室只能供少數(shù)師生使用，利用率極低。而實(shí)驗(yàn)室非全天候開放也導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，限制了學(xué)生在課外進(jìn)行學(xué)習(xí)探究的熱情。另外，存在難以實(shí)施的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，例如在空中、海洋或微觀世界進(jìn)行自主的觀察性和探究性實(shí)驗(yàn)，在核輻射影響下進(jìn)行設(shè)備安裝維護(hù)的實(shí)驗(yàn)。

2.4實(shí)驗(yàn)課堂互動(dòng)時(shí)間較少，以團(tuán)體協(xié)作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)不多

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂上，任課老師通常在開始時(shí)介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，學(xué)生單獨(dú)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。過程中學(xué)生與其他人的互動(dòng)很少，老師的參與度也不高。并且通常實(shí)驗(yàn)課程相對理論課程學(xué)時(shí)較少，學(xué)生往往只能盡快在實(shí)驗(yàn)課堂上完成本次實(shí)驗(yàn)，很難讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中有時(shí)間提出問題，難以激發(fā)想象力。

2.5實(shí)驗(yàn)考核形式單一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果難以評估

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核都是通過課堂實(shí)驗(yàn)結(jié)果、課后填寫紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期中或期末進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)考試來綜合評定，實(shí)際上是難于準(zhǔn)確判斷學(xué)生是否已經(jīng)掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)所希望學(xué)生能掌握的操作技能和綜合能力。

3 VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

3.1有效增加學(xué)生對知識(shí)的掌握和認(rèn)識(shí)

由于教學(xué)條件所限，很多實(shí)驗(yàn)材料難以在課堂上展示。而結(jié)合VR技術(shù)，將真實(shí)世界的物體對象重構(gòu)為三維數(shù)字空間的模型和場景，建立起三維的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生在其中可以直觀地了解實(shí)驗(yàn)材料和儀器設(shè)備的宏觀結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)，能根據(jù)需要對模型進(jìn)行拆解、放大、縮小、移動(dòng)等操作，能清楚地知道其構(gòu)造原理，能觀察到和真實(shí)世界對象一樣的物理變化檢測效果。

3.2理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合教學(xué)，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

通過建立起基于VR技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一方面教師講課時(shí)可以利用各種虛擬實(shí)驗(yàn)資源，將知識(shí)講解和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一起進(jìn)行;另一方面學(xué)生可使用多種不同終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過在線與老師、與其他同學(xué)一起協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)和交流想法經(jīng)驗(yàn)，可以提高個(gè)人的溝通協(xié)同能力，促進(jìn)學(xué)生想象力和創(chuàng)造力的發(fā)展。

3.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核更注重學(xué)生的實(shí)際操作能力的考核

在課堂實(shí)驗(yàn)結(jié)果、紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、筆試的基礎(chǔ)上增加基于VR技術(shù)的實(shí)操考核，可以在更真實(shí)的條件下更全面地考核學(xué)生的對課程的掌握程度。同時(shí)學(xué)生可以通過多次實(shí)驗(yàn)，在知識(shí)和技能熟悉度提高后再進(jìn)行考核，獲取更好的成績，也加深對知識(shí)的理解。

4推廣使用VR技術(shù)亟待解決的難點(diǎn)

4.1搭建基于VR技術(shù)的統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)體系

現(xiàn)在很多高校內(nèi)部存在多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不同系統(tǒng)采用的技術(shù)各不相同，相互間的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源無法共享使用，老師和學(xué)生也無法參與建設(shè)和優(yōu)化平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

4.2培養(yǎng)掌握VR技術(shù)環(huán)境下教學(xué)的教師隊(duì)伍

負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的專業(yè)老師需要具備使用VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、參與制作VR實(shí)驗(yàn)課程的能力，需要參與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和優(yōu)化，需要對現(xiàn)代信息技術(shù)、教育技術(shù)有相當(dāng)?shù)牧私狻?/p>

4.3VR實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)相匹配

VR實(shí)驗(yàn)應(yīng)作為課程大綱的內(nèi)容，作為理論教學(xué)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的必要補(bǔ)充，納入課程考核的一部分。

4.4降低VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的軟硬件成本

VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)成本包括：逼真的3D模型和場景的制作，軟件平臺(tái)的搭建， 硬件設(shè)施的購置（VR頭顯和輸入定位設(shè)備、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）。在現(xiàn)階段對高校來說還是比較大的投入。

5結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校教學(xué)的十分重要部分，基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了一個(gè)機(jī)遇，不僅豐富了現(xiàn)有的教學(xué)手段，解決影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的一些難點(diǎn)，而且有效地改善學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激活學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)習(xí)效果，調(diào)動(dòng)教師的教學(xué)活力。同時(shí)基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式還需要長時(shí)間的探索和不斷完善，為高校的教學(xué)改革提供借鑒。

基金項(xiàng)目：2017年度華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目“以智慧教育為導(dǎo)向的VR教學(xué)模式研究——以《植物學(xué)》為例”（JG17061）

參考文獻(xiàn)

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