何均健　江曉慶　曾鳴　周恩浩

摘 要 VR技術作為一種新興的信息技術在高校實驗教學中具有很好的應用價值。該文從教學形式、實驗資源、考核方式等方面剖析當前高校實驗教學存在的缺陷，針對實驗教學自身的特點闡述VR技術在的優(yōu)勢，并介紹了推廣VR技術亟待解決的難點。

關鍵詞 VR技術 實驗教學 教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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，虛擬現實）技術是一門綜合計算機技術、多媒體技術、交互技術、傳感技術以及人工智能等多種技術而形成的綜合性技術。[1]用戶一般使用頭戴式顯示器和具備3DOF或6DOF的輸入裝備，在計算機渲染生成的虛擬空間環(huán)境中與三維對象進行互動，從而得到如身處真實環(huán)境的感受和體驗。VR技術的變化進展源于航天和軍事機構，前沿技術成果通常被首先用于航天和軍事領域，國外發(fā)達國家始終將其列為國防高科技重點發(fā)展的關鍵技術。[2]目前，由于VR技術所具有的優(yōu)勢，除了被應用到航天和軍事領域，也被廣泛應用到教育、醫(yī)療、制造、娛樂、商業(yè)等不同的領域。

VR技術具有沉浸感、強交互、想象性的特質，在高校實驗教學中具有重要的應用價值。2007年教育部批準成立《虛擬現實應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)展未來學校和智慧課堂改革”的重要內容。2017中國高教版《地平線報告》也將VR列為十二項教育技術的重要發(fā)展之一。教育部印發(fā)《2017年教育信息化工作要點》強調啟用VR實驗實訓平臺建設?；赩R技術的虛擬仿真實驗，可以通過模擬真實的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中，[3]進行觀察式學習、體驗式學習和實際操作學習，更好地理解理論知識、掌握操作技能和發(fā)揮想象力。

本文通過對高校實驗教學現有的問題進行分析，介紹VR技術在高校實驗教學中的應用優(yōu)勢，最后提出進一步推廣使用VR技術需考慮的重點。

2當前高校實驗教學存在的問題

2.1實驗教學形式單一

高校傳統(tǒng)的實驗教學以實體課堂形式進行，教師通過一邊講解一邊示范操作，帶領著實驗課堂的全部進程，學生大多數處于被動做驗證性觀察或驗證性操作的狀態(tài)，同時學生預習、上課和復習都會在時空和實驗材料等方面受限制。在課堂以外學生可以使用網絡教學平臺上的視頻資源進行自我學習，這在一定程度上運用了線上線下教學手段，但始終缺乏真實場景具有的交互感與場面感，一般視頻資源也不具備引導、總結和考核環(huán)節(jié)，學生只是在被動地觀看平面的視頻或動畫等信息化資源，教學效果不盡如人意。

2.2理論教學與實驗操作分開，兩者未能有效融合

理論教學手段大多偏向支持原始的“教師講授、學生接受”的學習模式，學習內容過于抽象導致認知效果不足，理解難度太大，容易出現上課聽不懂，甚至導致厭學等情況。而實驗教學往往又是在理論教學一段時間之后進行，在理論知識開始淡忘后才進行的實驗教學，使理論和實踐無論從時間和空間上都存在嚴重脫節(jié)，實際上是不利于學生對知識的聯系記憶，也不利于將理論和實驗之間融會貫通。

2.3多種因素導致實驗資源不足、利用率低

例如，有些儀器設備設施體積大、造價高，有些課程所需實驗材料難以收集，有些實驗難以保證在實驗室里安全地進行，這些原因導致的實驗資源缺乏或不足，使學生的實際動手機會很少。同時有些昂貴的實驗教學設備儀器放在實驗室只能供少數師生使用，利用率極低。而實驗室非全天候開放也導致學生實驗時間有限，限制了學生在課外進行學習探究的熱情。另外，存在難以實施的實驗教學活動，例如在空中、海洋或微觀世界進行自主的觀察性和探究性實驗，在核輻射影響下進行設備安裝維護的實驗。

2.4實驗課堂互動時間較少，以團體協(xié)作進行的實驗不多

傳統(tǒng)實驗課堂上，任課老師通常在開始時介紹實驗內容和步驟，學生單獨完成整個實驗過程。過程中學生與其他人的互動很少，老師的參與度也不高。并且通常實驗課程相對理論課程學時較少，學生往往只能盡快在實驗課堂上完成本次實驗，很難讓學生在實驗中有時間提出問題，難以激發(fā)想象力。

2.5實驗考核形式單一，實驗教學效果難以評估

大多數實驗教學的考核都是通過課堂實驗結果、課后填寫紙質實驗報告、期中或期末進行知識點考試來綜合評定，實際上是難于準確判斷學生是否已經掌握實驗教學所希望學生能掌握的操作技能和綜合能力。

3 VR技術在實驗教學的意義

3.1有效增加學生對知識的掌握和認識

由于教學條件所限，很多實驗材料難以在課堂上展示。而結合VR技術，將真實世界的物體對象重構為三維數字空間的模型和場景，建立起三維的虛擬實驗環(huán)境，學生在其中可以直觀地了解實驗材料和儀器設備的宏觀結構及微觀結構，能根據需要對模型進行拆解、放大、縮小、移動等操作，能清楚地知道其構造原理，能觀察到和真實世界對象一樣的物理變化檢測效果。

3.2理論與實驗結合教學，有效調動學生的學習積極性

通過建立起基于VR技術和互聯網技術的虛擬仿真實驗平臺，一方面教師講課時可以利用各種虛擬實驗資源，將知識講解和實驗內容一起進行;另一方面學生可使用多種不同終端進行實驗，通過在線與老師、與其他同學一起協(xié)作完成實驗和交流想法經驗，可以提高個人的溝通協(xié)同能力，促進學生想象力和創(chuàng)造力的發(fā)展。

3.3實驗教學考核更注重學生的實際操作能力的考核

在課堂實驗結果、紙質實驗報告、筆試的基礎上增加基于VR技術的實操考核，可以在更真實的條件下更全面地考核學生的對課程的掌握程度。同時學生可以通過多次實驗，在知識和技能熟悉度提高后再進行考核，獲取更好的成績，也加深對知識的理解。

4推廣使用VR技術亟待解決的難點

4.1搭建基于VR技術的統(tǒng)一的實驗教學平臺體系

現在很多高校內部存在多個虛擬仿真實驗系統(tǒng)，不同系統(tǒng)采用的技術各不相同，相互間的實驗教學資源無法共享使用，老師和學生也無法參與建設和優(yōu)化平臺的實驗教學資源。

4.2培養(yǎng)掌握VR技術環(huán)境下教學的教師隊伍

負責實驗教學的專業(yè)老師需要具備使用VR實驗教學手段、參與制作VR實驗課程的能力，需要參與實驗平臺的建設和優(yōu)化，需要對現代信息技術、教育技術有相當的了解。

4.3VR實驗課程的內容與教學目標相匹配

VR實驗應作為課程大綱的內容，作為理論教學和真實實驗的必要補充，納入課程考核的一部分。

4.4降低VR實驗教學所需的軟硬件成本

VR實驗教學建設成本包括：逼真的3D模型和場景的制作，軟件平臺的搭建， 硬件設施的購置（VR頭顯和輸入定位設備、計算機和網絡設備等）。在現階段對高校來說還是比較大的投入。

5結語

實驗教學作為高校教學的十分重要部分，基于VR技術的實驗教學模式，為高校實驗教學改革提供了一個機遇，不僅豐富了現有的教學手段，解決影響實驗教學效果的一些難點，而且有效地改善學生學習體驗，激活學習積極性，提升學習效果，調動教師的教學活力。同時基于VR技術的實驗教學模式還需要長時間的探索和不斷完善，為高校的教學改革提供借鑒。

基金項目：2017年度華南農業(yè)大學教育教學改革與研究項目“以智慧教育為導向的VR教學模式研究——以《植物學》為例”（JG17061）

參考文獻

[1] 孫柏林.虛擬現實技術在美國軍隊中的應用述評[J].計算機仿真，2018，35（01）：1-7.

[2] 蔣慶全.國外VR技術發(fā)展綜述[J].飛航導彈，2002（01）：27-34，61.

[3] 李順，王震，溫柳，暨波，葉益聰.虛擬仿真實驗教學中心的發(fā)展現狀探析[J].科教文匯（下旬刊），2019（05）：77-78.