劉震磊 齊紀 戚明軒 孫宏泰 段成瑞 劉連平

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.17.127

摘? 要 高校應(yīng)加強培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人才，實驗教學(xué)是達成目標的重要途徑。從實驗項目建設(shè)需求分析、實驗與服務(wù)平臺搭建、實驗教學(xué)組織與實施、實驗教學(xué)總結(jié)與思考等方面出發(fā)，開展研究工作，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)改革與實踐中，拓寬實驗教學(xué)項目的開設(shè)范圍，延伸實驗教學(xué)時間維度和空間維度。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實技術(shù);實驗教學(xué);教學(xué)改革;實驗儀器設(shè)備;實驗平臺

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）17-0127-05

1 前言

實驗教學(xué)是實踐教學(xué)的重要組織形式。在實驗教學(xué)中，學(xué)生利用儀器設(shè)備，在人為控制條件下引起實驗對象的變化，通過觀察、測定和分析，獲得知識與發(fā)展能力[1-3]。實驗教學(xué)是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要教學(xué)環(huán)

節(jié)[4-5]。《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》（教高函〔2018〕5號）指出[6]，實驗教學(xué)項目要適應(yīng)信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系發(fā)生革命性變化的要求。高等院校要推進實驗技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新一代信息技術(shù)的深度融合，拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平[7-12]。

本文從實驗教學(xué)項目建設(shè)需求分析、實驗平臺搭建、實驗教學(xué)組織與實施、實驗教學(xué)總結(jié)與思考四個方面，開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)改革與實踐中的應(yīng)用研究，推進高等教育實驗教學(xué)改革的實施和實驗教學(xué)質(zhì)量的提高。

2 實驗項目建設(shè)需求分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，拓寬了實驗項目開設(shè)的范圍，突破了實驗時間、空間和環(huán)境要素的限制? 高等院校開設(shè)實驗教學(xué)項目必須能夠有效保護實驗者的安全。如核反應(yīng)類實驗、強磁場環(huán)境實驗、強電場環(huán)境實驗等對實驗者具有潛在危險的實驗教學(xué)項目是不能夠立項和開設(shè)的，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用，突破了此類實驗項目和實驗環(huán)境限制的壁壘。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，可以大幅減少高等院校在設(shè)備采購、設(shè)備調(diào)試、設(shè)備使用與維修維護、實驗材料上的項目經(jīng)費投入? 在高等教育中，實踐教育在人才培養(yǎng)中的重要作用越來越凸顯，在培養(yǎng)計劃中所占的比重也越來越大。教育部、教育廳和高校也加大了實驗室建設(shè)的經(jīng)費投入，但依然無法滿足設(shè)備學(xué)生比的需求。國際領(lǐng)先的技術(shù)裝備、特大型或大型設(shè)備、高精密儀器設(shè)備依然是單臺套，再加上此類設(shè)備采購成本高、維修維護成本高、設(shè)備耗材成本高，限制了應(yīng)用此類設(shè)備進行實驗教學(xué)項目的開出率，即使開設(shè)了實驗項目，也多為演示性實驗教學(xué)項目，無法滿足驗證性、綜合性、設(shè)計研究性實驗教學(xué)的需求。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，可以突破由實驗者對儀器設(shè)備操作基礎(chǔ)技能差異而帶來的對實驗教學(xué)效果的限制? 實驗者的技能基礎(chǔ)是限制實驗教學(xué)項目開出的重要客觀條件。實驗儀器不同于日常生產(chǎn)生活工具，需要實驗者在進行實驗前具備對儀器設(shè)備的規(guī)范操作能力。這就需要對實驗者進行系統(tǒng)的操作培訓(xùn)，高精端、高精密儀器設(shè)備還必須取得設(shè)備操作認證后才能進行操作。但是在專業(yè)課程的課內(nèi)實驗教學(xué)大綱設(shè)置中，規(guī)定的實驗學(xué)時一般為2～4學(xué)時，即使是專業(yè)綜合訓(xùn)練類的實驗教學(xué)，單個實驗項目的教學(xué)預(yù)設(shè)學(xué)時也不會超過8個。在有限的實驗教學(xué)時間內(nèi)，要完成設(shè)備功能介紹、設(shè)備工作原理、設(shè)備操作規(guī)范教學(xué)，并使用該設(shè)備開展相關(guān)實驗驗證或?qū)嶒炘O(shè)計，這對實驗教學(xué)的開展、對教與學(xué)都提出了過高的要求。

而將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)，可以在時間和空間維度上拓展實驗者對儀器設(shè)備的操作基礎(chǔ)技能，實驗者可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下完成儀器設(shè)備基礎(chǔ)操作技能學(xué)習(xí)、技能培訓(xùn)和操作演練，為后續(xù)的專業(yè)實驗過程奠定堅實的基礎(chǔ)。

3 實驗平臺的搭建

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗環(huán)境的搭建? 在實驗環(huán)境的搭建中，虛擬現(xiàn)實的實驗環(huán)境是依托于虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的實驗環(huán)境，主要包括對現(xiàn)實世界實驗場地的布局、實驗工作環(huán)境（如溫度場、磁場、電場等環(huán)境要素）的設(shè)置和實驗場景的還原三個方面，是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗平臺搭建的重要組成部分。

如圖1所示，在“飛機制造準確度”實驗環(huán)境搭建中，依據(jù)飛機結(jié)構(gòu)件準確度檢測實際測量環(huán)境，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建測量間、恒溫間和氣泵間三個聯(lián)動實驗空間，并對實驗場地的布局和環(huán)境條件設(shè)計進行還原和搭建，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實實驗環(huán)境與真實實驗環(huán)境的高度匹配，為后期實驗設(shè)備的搭建和實驗過程的搭建提供基礎(chǔ)設(shè)計空間和設(shè)計環(huán)境。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗儀器設(shè)備的搭建? 在實驗儀器設(shè)備的搭建中，虛擬現(xiàn)實的實驗儀器設(shè)備是依托于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在虛擬仿真實驗空間中創(chuàng)建的儀器設(shè)備，此類儀器設(shè)備一般包括實驗主體設(shè)備、實驗輔助設(shè)備和實驗配套設(shè)備。

“飛機制造準確度”虛擬現(xiàn)實儀器設(shè)備的搭建中，實驗主體設(shè)備為Global 9308三坐標測量機，實驗輔助設(shè)備為系統(tǒng)控制單元、控制手柄和控制工作站，實驗配套設(shè)備為空氣壓縮機、空氣干燥機和壓縮空氣監(jiān)測單元，如圖2所示。虛擬實驗儀器設(shè)備與現(xiàn)實儀器設(shè)備采用1∶1建模和虛擬仿真單元，依照真實實驗儀器材質(zhì)和顏色進行渲染，并采用第一視角照明和投影真實還原實驗設(shè)備。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗過程的搭建? 在實驗過程的搭建中，依托于虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建虛擬仿真實驗過程，主要包括實驗的準備過程、實驗的實施過程和實驗結(jié)果的輸出過程。

如圖3所示，在“飛機制造準確度”虛擬現(xiàn)實實驗過程的搭建中，采用位置約束、運動軌跡驅(qū)動、碰撞響應(yīng)驅(qū)動等多種驅(qū)動形式，實現(xiàn)Global 9308三坐標測量機對被測零件飛機隔框的尺寸準確度檢測虛擬仿真實驗過程的驅(qū)動，并采用尺寸驅(qū)動單元實現(xiàn)對被測零件尺寸準確度檢測實驗結(jié)果的記錄和生成，實現(xiàn)虛擬仿真檢測實驗過程與真實實驗過程的高度匹配。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的實驗服務(wù)平臺的搭建? 在實驗服務(wù)平臺的搭建過程中，使用的技術(shù)包括數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web平臺管理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云存儲技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，綜合打造基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的虛擬仿真實驗服務(wù)平臺。實驗服務(wù)平臺的建設(shè)框架如圖4所示，實驗服務(wù)平臺的登錄界面如圖5所示。

實驗服務(wù)平臺運行的框架共分為五層，底層為上層提供服務(wù)：數(shù)據(jù)庫負責保存和管理實驗者信息數(shù)據(jù)、實驗操作數(shù)據(jù)、教學(xué)資源數(shù)據(jù)和實驗考核數(shù)據(jù)等虛擬實驗平臺所需要的相關(guān)數(shù)據(jù);支撐層（技術(shù)后臺）是虛擬仿真實驗平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎(chǔ);服務(wù)層提供虛擬實驗教學(xué)環(huán)境正常運行的一些通用支持組件，以便操作者能夠快速在虛擬實驗平臺上完成虛擬仿真實驗;仿真層主要進行實驗儀器建模、實驗場景構(gòu)建，提供通用的仿真器，最后為上層提供實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出;應(yīng)用層根據(jù)教師的教學(xué)需要，利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)器材模型，設(shè)計各種典型實驗案例。

4 實驗教學(xué)組織與實施

課前教學(xué)環(huán)節(jié)? 與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相比，首先，實驗者進入正式的課前實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，可以在線完成實驗?zāi)康?、實驗要求、實驗?nèi)容和實驗環(huán)境的預(yù)習(xí)和自由探索。實驗教學(xué)的課前教學(xué)環(huán)節(jié)要預(yù)設(shè)實驗?zāi)繕撕蛯嶒瀮?nèi)容，根據(jù)實驗?zāi)繕撕褪谡n對象的實驗基礎(chǔ)分析，進行課前實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計。在課程教學(xué)之前，通過實驗服務(wù)平臺發(fā)布課前實驗預(yù)習(xí)任務(wù)，合理引導(dǎo)和組織學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課前準備工作。課前教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)布的實驗預(yù)習(xí)資源，包括實驗報告、實驗設(shè)備操作指南、實驗過程導(dǎo)引視頻等。實驗教師可以實時查看預(yù)習(xí)學(xué)生數(shù)量，閱讀學(xué)生反饋并和學(xué)生開展課前實驗教學(xué)互動，采集課前學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)用于對學(xué)生學(xué)情的預(yù)測和分析。

課上教學(xué)環(huán)節(jié)? 實驗過程的教學(xué)組織和實施見圖6。

1）教師和學(xué)生實驗的同步教學(xué)。通過虛擬仿真實驗服務(wù)平臺進行實驗教學(xué)，實現(xiàn)教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”的同步進行，避免“教師講、學(xué)生看”的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式。仿真實驗?zāi)K是虛擬仿真實驗服務(wù)平臺的核心部分，在該模塊中，學(xué)生能夠和教師同步進行虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)和全流程的操作，通過演示屏對三坐標測量機測量的全流程進行學(xué)習(xí)，再通過親自操作三坐標測量機體驗虛擬測量的全流程。

2）學(xué)生實驗環(huán)節(jié)的評測和預(yù)警。在教師同步實驗進行時，系統(tǒng)會監(jiān)控每一位學(xué)生的實驗操作步驟，如果在實驗過程中出現(xiàn)誤操作或者錯誤操作，系統(tǒng)會立即提醒并執(zhí)行操作停止命令，設(shè)備將會被鎖死，系統(tǒng)會顯示具體操作不當?shù)恼f明，并且會記錄到實驗成績評定當中。了解具體信息后，學(xué)生可以選擇繼續(xù)實驗，直到實驗順利完成。

3）實驗教學(xué)中的教學(xué)互動。實驗教學(xué)必須遵循實驗教學(xué)的經(jīng)驗和規(guī)律，不能采用學(xué)生全程看錄制視頻或教師直播這種學(xué)生被動地聽課的教學(xué)模式。在空間分離的情況下，如果只是教師一味地講、學(xué)生被動地聽課，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性將很快進入疲憊區(qū)。要保持學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，實驗教學(xué)就不能只是單向的傳遞知識，教師和學(xué)生的實時互動也是實驗教學(xué)中不可缺少的要素。

課后教學(xué)環(huán)節(jié)? 課后進行實驗結(jié)果的評定和現(xiàn)實驗證。

1）實驗報告的提交和成績的評定。在虛擬仿真實驗服務(wù)平臺完成實驗后，需要撰寫并提交實驗報告，作為實驗成績評定的重要參考指標。在實驗過程中的錯誤操作也需要被系統(tǒng)記錄，作為實驗成績評定的輔助參考部分。

2）課后輔導(dǎo)和答疑。虛擬仿真實驗平臺設(shè)置實驗交流模塊，在實驗完成后，可以滿足學(xué)生之間的討論和實驗教師答疑需求。在該模塊中，學(xué)生可以通過在討論區(qū)留言的形式進行實驗問題探討，實驗教師和學(xué)生都可以對學(xué)生問題進行回復(fù)，實驗教師還可以對實驗過程中經(jīng)常出錯的地方在這里面進行詳細講解。教師也可以通過這個模塊發(fā)布教學(xué)任務(wù)，以便讓更多的學(xué)生了解。

3）實驗的復(fù)習(xí)和驗證。在通過實驗交流模塊解決了實驗中存在的問題后，學(xué)生可以自行登錄虛擬仿真實驗平臺，獨立完成實驗，達到學(xué)習(xí)的復(fù)習(xí)和驗證目的。實驗教學(xué)不是以評價學(xué)生成績?yōu)槟康牡膶W(xué)習(xí)過程，是以學(xué)生為中心的教學(xué)和學(xué)習(xí)過程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)改變了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的形態(tài)，教學(xué)的組織與教育實施過程也隨著教學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)論

1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)改革與實踐中的應(yīng)用可以創(chuàng)建多維度趨近于真實場景的生產(chǎn)實驗環(huán)境。傳統(tǒng)教學(xué)無法滿足實驗設(shè)備操作的基本要求，更無法滿足實驗者操作實驗設(shè)備開展實驗研究的需求。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用，達到了實驗教學(xué)項目所要求的目標，突破了此類實驗項目和實驗環(huán)境限制的壁壘，為高等院校推動實踐教學(xué)提供了新的平臺，為“雙一流”和“新工科”建設(shè)提供了新的機遇。

2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)改革與實踐中的應(yīng)用可以優(yōu)化實驗教學(xué)過程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用，拓寬了實驗項目開設(shè)的范圍，突破實驗時間、空間和環(huán)境要素的限制，可以突破對實驗者儀器設(shè)備操作基礎(chǔ)技能的限制，對實驗進行沉浸式逐步操作，全流程完成實驗。

3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)改革與實踐中的應(yīng)用可以培養(yǎng)實驗者的創(chuàng)新能力。實踐教學(xué)是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動手能力的重要平臺，有利于學(xué)生素養(yǎng)的提高和正確價值觀的形成，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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