喬志明，俞衛(wèi)博，趙 然，張 力

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 河北 石家莊 050003）

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)能夠利用計算機對三維現(xiàn)實世界進行模擬，用戶借助必要的設(shè)備儀器實現(xiàn)與“虛擬世界”的交互，產(chǎn)生接近真實環(huán)境的體驗和感受。隨著計算機硬件和軟件水平的提高，虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越多地應(yīng)用于教育領(lǐng)域，逐步發(fā)展成了一種新的教學(xué)手段。

作為教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，實驗教學(xué)既是理論教學(xué)的延續(xù)與支撐，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的基本方法。虛擬仿真實驗是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的典型形式，它可以營造輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗環(huán)節(jié)的操作環(huán)境，實驗者在虛擬的環(huán)境中完成各類實驗項目，得到接近真實甚至優(yōu)于真實的實驗效果。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗教學(xué)的結(jié)合具有重要的意義，同時，作為一種較新的教學(xué)手段，虛擬仿真實驗的發(fā)展也面臨很多問題。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的意義

實驗教學(xué)是教學(xué)活動的重要環(huán)節(jié)，是指學(xué)生利用儀器設(shè)備，人為控制條件使實驗對象發(fā)生變化，進而通過觀察、測定和分析，獲取知識，培養(yǎng)能力。與理論教學(xué)相比，實驗教學(xué)往往更注重增強感性認識，加深學(xué)生對知識的掌握；更注重培養(yǎng)動手實踐能力，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性；更注重激發(fā)靈感和興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。虛擬現(xiàn)實在技術(shù)實現(xiàn)效果上具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特點，與實驗教學(xué)目標(biāo)的契合程度更高，為進一步提高實驗教學(xué)效果提供了更多可能性；同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)信息化程度高，為解決信息傳輸及傳統(tǒng)實驗硬件問題提供了新的方法。

1.1 創(chuàng)新教育方法

虛擬現(xiàn)實技術(shù)科技性強、信息化程度高，極大豐富了實驗教育教學(xué)的方法和手段。一方面，虛擬仿真實驗教學(xué)可構(gòu)建豐富、直觀的感官環(huán)境，提供多種人機交互方式，增強了實驗教學(xué)的形象性、趣味性，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。另一方面，虛擬仿真實驗因其虛擬性，對實驗專用設(shè)備、儀器、試劑、環(huán)境等條件要求不高，這使得更多實驗可以在理論教室根據(jù)教學(xué)需要隨時進行模擬，不需要專門安排實驗室，節(jié)省了學(xué)生學(xué)習(xí)時間，提高了理論與實驗結(jié)合的程度。根據(jù)需要，教師還可以把通用計算機能夠虛擬的實驗項目放在互聯(lián)網(wǎng)上，以豐富學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等課下學(xué)習(xí)的方式方法。

此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入為顛覆式課堂、翻轉(zhuǎn)課堂等新的教學(xué)理念落地提供了條件，使教學(xué)更加契合學(xué)生需求，突出了“以學(xué)生為中心”的實驗教學(xué)理念。

1.2 完善教學(xué)內(nèi)容

教師可以基于實驗原理，在時長、難度、規(guī)模、內(nèi)容等方面合理設(shè)計和改造實驗項目，使得一些傳統(tǒng)課堂上無法完成的實驗項目得以實施，從而補充完善教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生實驗需求，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，促進學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。

此方面的實驗項目主要包括：現(xiàn)有技術(shù)條件下無法真實開展的實驗，比如物理上微觀世界的模擬、醫(yī)學(xué)上人體的暢游、軍事教學(xué)上的模擬對抗等；一些試驗周期過長，不便于在教學(xué)過程中展開實驗的，比如材料學(xué)上金屬的銹蝕實驗、化學(xué)上部分較慢反應(yīng)的實驗、一些社會學(xué)實驗等；一些高風(fēng)險或極端環(huán)境的實驗，在現(xiàn)實中不便直接安排學(xué)生做的實驗，比如工程上部分高電壓、強輻射實驗等。

1.3 突破硬件局限

對于一些雖然可以做真實實驗但代價較大的項目，虛擬仿真實驗由于突破了真實實驗項目的硬件限制，可重復(fù)性和開放程度都大幅提高，而費用大幅降低，便于學(xué)生進行強化練習(xí)，提升實踐能力。

此方面的實驗項目主要包括：實驗儀器設(shè)備貴重且教學(xué)資源較少，實驗機會有限的實驗；長期實驗對環(huán)境、人體等有損害，不便于重復(fù)試驗的實驗；實驗損耗過多，重復(fù)實驗成本較大的實驗。

將真實實驗進行虛擬，一方面，學(xué)生可在真實實驗展開前反復(fù)虛擬練習(xí)，提高真實實驗時的實驗效果；另一方面，可減少需要進行強化訓(xùn)練的實驗項目的成本，以較小的代價提高學(xué)生熟練程度，比如醫(yī)學(xué)生的模擬手術(shù)培訓(xùn)、軍事武器裝備的模擬操作。

1.4 擴大開放共享

部分虛擬仿真實驗項目可基于通用計算機進行實驗項目的桌面化虛擬，并接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)開放共享，促進教育資源的優(yōu)化調(diào)配。

第一，網(wǎng)上課程建設(shè)角度。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，網(wǎng)上教育資源越來越豐富，虛擬仿真實驗可作為網(wǎng)上教學(xué)、遠程教學(xué)的重要內(nèi)容，與慕課（MOOC）等理論教學(xué)資源配套使用，相互補充，大幅提高教學(xué)效果。

第二，學(xué)生自主學(xué)習(xí)角度。學(xué)生可根據(jù)需要自主選擇、組合實驗項目，在實驗操作中發(fā)揮主觀能動性，提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

第三，教育公平角度。課程的公開化使得相對落后地區(qū)學(xué)校的孩子更方便接觸到優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，拓寬他們的視野，這在一定程度上進一步促進了教學(xué)公平。

2 虛擬仿真試驗發(fā)展中的難點問題剖析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗教學(xué)的結(jié)合雖經(jīng)歷長期發(fā)展，形成了大量的研究與應(yīng)用成果，但是，兩者結(jié)合后的大面積推廣并沒有完全展開，未獲得全面的實踐檢驗。因此，我們必須基于提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的出發(fā)點，正確看待其局限性，認識其在發(fā)展中存在的問題。

2.1 資源統(tǒng)籌難度較大

虛擬現(xiàn)實的形式和實現(xiàn)手段豐富，基本形式就有桌面式、沉浸式、增強現(xiàn)實式、分布式4 種，軟件開發(fā)平臺有Virtools、Quest 3D、VR-Platform、Unity 3D 等，語言、視覺、觸覺等方面的虛擬工具更是層出不窮，開發(fā)語言也是多種多樣。同一個虛擬實驗項目可以有多種建設(shè)方案，實現(xiàn)的效果也有很大不同。

目前，由于建設(shè)經(jīng)驗偏少，虛擬仿真實驗項目基本都是院校和教學(xué)團隊基于教學(xué)需要委托企業(yè)來做，所以出現(xiàn)了大量的實驗項目重復(fù)策劃、重復(fù)建模、重復(fù)建設(shè)的情況。這樣不僅浪費了大量的人力、物力資源，而且由于建設(shè)方案多種多樣，無法在教學(xué)評價上達到一致，統(tǒng)籌難度較大。

2.2 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一

虛擬仿真實驗項目雖發(fā)展迅猛，但與實際需求相比還形不成規(guī)模，多數(shù)學(xué)校和老師的經(jīng)驗比較匱乏，基于其開展教學(xué)的經(jīng)驗則更少，沒有形成統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前，虛擬仿真實驗平臺通常由各院校的不同教學(xué)團隊與軟件開發(fā)企業(yè)進行溝通，合作開發(fā)制作。在此過程中，一方面，企業(yè)發(fā)展良莠不齊、水平不一，開發(fā)方法和思路千差萬別；另一方面，教師對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的最新發(fā)展水平認識普遍不夠，其教學(xué)思路、教學(xué)設(shè)計在軟件上的體現(xiàn)程度不同，即使是相同實驗的軟件，在不同版本之間，設(shè)計風(fēng)格、交互程度、內(nèi)容安排、考核方法等方面差距也較大。而不同的軟件設(shè)計策略又直接影響課程培養(yǎng)方案的設(shè)計和教學(xué)評價體系的建設(shè)。

此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)更新周期短，其產(chǎn)品也容易隨著技術(shù)的發(fā)展而落伍，相應(yīng)的實驗教學(xué)方案也容易快速被淘汰，較難實現(xiàn)教學(xué)能力的內(nèi)涵式轉(zhuǎn)化。

2.3 專業(yè)人才力量不足

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗教學(xué)的結(jié)合是信息技術(shù)與教育教學(xué)兩個領(lǐng)域的結(jié)合，一套合理、有效的虛擬仿真實驗系統(tǒng)必須是既基于教學(xué)需求，又充分運用先進技術(shù)的系統(tǒng)。完全依賴企業(yè)進行研發(fā)，則會導(dǎo)致軟件系統(tǒng)不能滿足教學(xué)要求，實現(xiàn)不了教學(xué)效果；完全依托高校來實現(xiàn)，則不能充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實的技術(shù)優(yōu)勢，同時牽扯教師大量精力，得不償失。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實研發(fā)企業(yè)“井噴式”發(fā)展，專業(yè)領(lǐng)域人才越來越多，但既會開發(fā)系統(tǒng)軟件又懂教學(xué)理論的學(xué)科交叉領(lǐng)域人才太少，基于某一實驗教學(xué)項目需求去開發(fā)高水平系統(tǒng)軟件的難度較大，虛擬實驗建設(shè)“精品”項目還比較少。

2.4 技術(shù)發(fā)展不夠全面

虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的發(fā)展局限性比較大。例如，其雖然在視覺方面的模擬能力越來越強，然而對聽覺、觸覺的模擬還比較弱，對味覺的模擬更是非常困難；對一些隨機事件的虛擬算法研究還需要加強，對實驗過程中的各類突發(fā)情況分析沒有成熟的模擬方法。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與具體實驗教學(xué)項目結(jié)合程度還不夠高。由于專業(yè)性較強，又涉及多學(xué)科多領(lǐng)域，技術(shù)可靠性、穩(wěn)定性往往不足，多數(shù)實驗項目的虛擬效果與真實條件相差較遠，吸引力與有效程度都比較低。

2.5 配套建設(shè)比較薄弱

在系統(tǒng)硬件建設(shè)方面，由于高水平的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建設(shè)對硬件的要求比較高，而把高水平虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)引入實驗室教學(xué)則成本偏高。因此，目前的虛擬仿真實驗系統(tǒng)普遍存在延時偏長、分辨率不夠高、顯示效果不夠好等問題，建設(shè)水平偏低。多數(shù)虛擬仿真實驗為水平偏低的簡單桌面式虛擬，部分高校雖建設(shè)了沉浸式、增強現(xiàn)實式、分布式實驗系統(tǒng)，但教學(xué)轉(zhuǎn)化程度普遍偏低，對實驗教學(xué)沒有起到應(yīng)有的效果。

在建設(shè)方法研究方面，關(guān)于虛擬實驗教學(xué)方法的研究還比較少。目前，基于虛擬平臺進行實驗考核與評價標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)不成體系，虛擬仿真實驗在學(xué)生實踐能力培養(yǎng)方面的實際效果尚未得到實踐檢驗。虛擬實驗與真實實驗的比重關(guān)系、與理論教學(xué)補充關(guān)系的相關(guān)研究十分薄弱，虛擬實驗在教學(xué)中的特殊作用尚未完全凸顯出來。

3 小結(jié)

虛擬現(xiàn)實與實驗教學(xué)的結(jié)合創(chuàng)新了教育方法、完善了教育內(nèi)容、突破了硬件局限、擴大了開放共享、極大豐富了實驗教學(xué)的內(nèi)涵。但是其發(fā)展仍具有局限性，主要問題是資源統(tǒng)籌難度較大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一、專業(yè)人才力量不足、技術(shù)發(fā)展不夠全面、配套建設(shè)比較薄弱等，仍需教師進一步深化研究，以提升虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用水平。