构建虚拟实验室促进高职实验教学创新

摘要： 虚拟现实技术应用于教育，既是虚拟现实自身发展的要求，也是教育发展的需要。文章介绍了虚拟现实技术及其特点和分类，阐述了利用虚拟现实技术开展虚拟实验的意义，着重探讨了虚拟现实技术在高职实验教学中的应用优势以及构建虚拟实验室所用到的关键技术，并对虚拟实验教学中存在的问题作了探讨。

关键词：虚拟现实技术；高职教育；虚拟实验室；实验教学；创新

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）10-2406-03

高职教育[1]肩负着培养具有组织、管理高新技术的生产，能够操作、调试和维护高新技术设备，解决生产过程中遇到的各种实际问题的高素质技能型人才的使命，提高学生职业素质和专业能力是高职教育与普通高等教育的本质区别。高职教育特别强调培养学生的动手能力和实践能力，这就需要教学内容情景化、实时化，只有通过亲身经历才能加深对知识的理解和巩固所学的知识，而目前的教学手段很难满足实验教学的实际需要，利用虚拟现实技术构建虚拟实验室，为实验教学提供有效支撑，必将促进高职实验教学的发展。

1 虚拟现实技术介绍

国内虚拟现实的研究者对Virtual Reality的翻译存在着几种不同的观点，综合考虑虚拟现实各种定义中的要素，可以得到一个关于虚拟现实比较贴切的定义。

虚拟现实技术[2]VR是利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境，并通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互的新技术。

在很多学者的共同努力下，概括出了虚拟现实技术的3个基本特征[3]：

1）沉浸性：可以调动学习者全部的感觉器官，全身心地投入到仿真的虚拟环境中。

2）交互性：学习者与虚拟环境的交互超越传统意义的交互，从二维到三维，从单通道到多通道，引起了交互技术的革命。

3）构想性：是指学习者沉浸在“真实的”的虚拟环境中，与虚拟环境进行了各种交互作用，从而获得感性和理性的认识。

根据用户参与VR的不同形式以及沉浸程度的不同，结合国内外学者对虚拟现实领域的研究成果和在教育领域应用的实际情况，可以把虚拟现实技术划分为四类[4]：桌面型VR系统、沉浸型VR系统、增强现实型VR系统和分布式VR系统。其中桌面型VR系统技术较简单，需要投入的成本也不高，在教育领域内可应用的范围很广，推广价值高。

2 虚拟仿真技术应用在高职实验教学中的意义和优势

由虚拟现实技术构建的虚拟实验室是集视觉、听觉、触觉等多种感觉信息于一体的系统环境，学习者能以多维的方式与虚拟环境进行全方位的交互作用，因此学习者能够全身心地沉浸到虚拟环境中感受事件的发展变化过程，这是参与者以最直观、最有效的方式掌握新知识、新技能的最有效的途径。利用虚拟现实技术构建虚拟实验室，既可以丰富教师的实验教学手段，又可以加强学生实验技能和创新能力的培养。相对于传统实验，虚拟实验具有其独特的优势[5-6]。

2.1 创设真实情景，实现形象化教学

由虚拟现实技术构建的虚拟实验室，运用计算机图形、声音和图像创造逼真的实验环境，学习者由观察者转变为参与者，通过视觉、听觉、触觉等感觉器官的“真实”感受，完全沉浸于其中而无法将其与真实世界区分开来，给人们很好的临场感和逼真感。例如学习历史知识，学生们被带到一个虚拟的考古环境中，逼真的场景，甚至听到挖土的铁锹声，使学生完全进入角色；在组网实验中可以不必搭建真正的网络，通过虚拟的实验仪器来完成实验；通过虚拟的商务交易环境，学生可以亲身体验到现场交易的气氛和参与交易的过程；虚拟实验室还可以虚拟历史人物、伟人、名人、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的、逼真的学习环境，彻底打破时间和空间的限制。

2.2 激发学生的创造性思维，提供自主探索的平台

虚拟现实的教学形式能使学生通过多种感官的刺激，通过观察、联想、探索来达到主动学习的效果，传统的实验教学不允许学生违规操作，否则会有安全问题，而在虚拟实验室里，学生可以大胆地进行各种尝试，例如可以反接电流表，进而根据呈现的结果去探索、发现事物的本质，这样有利于激发学生的学习兴趣，丰富了学生的想象力，拓展了思维空间，为创新思维的培养打下了良好的基础。

2.3 可以进行高危险的实验，弥补教学条件的不足

利用虚拟现实技术，可以揭示事物的现象和本质、事物运动的形式和规律、事物间的联系和相互作用，避免开展真实的高危险实验带来的各种安全问题，充分发挥学生的各种感官作用，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。例如易爆炸的化学实验、风险性的外科手术、飞机驾驶等教学项目，都可以利用虚拟实验室而得以开展。时间方面，虚拟现实技术可以将一些需要长时间的变化过程压缩到可接受的时间里呈现给学生，也可以反过来将时间延长，以利于学生观察学习，而且，虚拟实验的教学资源是数字化资源，方便扩充和共享，教学资源虚拟化可以解决教学资源短缺、设备陈旧及更新缓慢等日益突出的问题，同时也是新技术下解决教育均衡发展的有效方式。

2.4 跟踪实验过程，进行智能诊断

虚拟实验是在软件系统的控制下完成的，系统可以记录每个学生的每一个操作步骤，并将其保存，如果在系统中加入诊断功能，就能对整个实验过程进行再现、和判断，以便于作出合理的评价以及找出操作中存在的问题 。

3 虚拟实验室构建的实现技术

虚拟实验室的构建[7]必须建立在模型的设计与交互功能的基础上，可以归纳为计算机三维模型创建于三维模型交互开发的一个过程，因此构建虚拟实验室过程中所用到的主要关键技术包括三维建模技术和虚拟交互技术。

3.1 三维建模技术

虚拟现实中模型的建立是整个虚拟实验室构建的基础，好的模型不仅能表现出三维效果，还能带来强烈的视觉和感官冲击力，因此三维建模技术是虚拟实验室构建成败的关键技术之一。三维实体是对现实世界中的物体进行仿真，所以必须是客观存在的，不能进行不存在的虚拟，其次还要注意模型的精确性，否则会导致实验结果的偏差。用于虚拟实验室建模的工具软件根据系统需求可以有多种选择，其中比较典型的有3Dmax、Maya、Open GVS等。

3.2 虚拟交互技术

近乎自然的交互方式是虚拟实验室的另一个显著特征，使用者从键盘、鼠标等传统意义上的交互，发展成为通过一些特殊传感器设备例如数据手套、特殊头盔等进行交互。因此交互技术也是直接影响虚拟实验室构建成功与否的另一个关键技术，我们主要利用开发软件的特性来完成系统的交互效果，目前主流的技术主要有X3D、Viewpoint、Cult3D和Virtools等。

4 虚拟实验教学存在的问题

4.1 虚拟实验中学生的自主性太大容易偏离教学目标

虚拟实验教学有利于学生主动探索、主动发现，有利于创造型人才的培养，这是其突出的优点。但是这种教学模式过于强调学生的自主性，往往忽视教师主导作用的发挥，当学生自主学习的自由度过大时，容易偏离教学目标的要求，这又是其不足之处。

4.2 虚拟实验教学环境容易造成情感教育的缺失[8]

虚拟实验教学环境，用单调乏味的虚拟教学代替了原本多姿多彩的课堂教学，那些富有人性化教学特色的实验教学活动，变成了机械的、冰冷的虚拟教学活动，使本来很直接的师生关系变得复杂，师生之间隔着冷冰冰的计算机或网络终端，削弱了直接交流的情感教育。而且虚拟实验容易使学生失去真实的生活，缺少现实感和判断力，虚拟实验容许出错和反复练习，虽然能够提高技能，但也有轻视、麻木的隐患，容易在现实中随性所欲、酿成大错。虚拟实验室能够引起学生学习的兴趣，提高实验教学效果，但它无法代替教育领域内人的全部活动，因此虚拟现实技术应用与教学时，不能忽视对学生的情感教育。

5 结束语

随着三维建模技术、交互技术等虚拟仿真技术的发展，使得虚拟现实技术在高职实验教学中具有广阔的应用前景。虚拟实验室作为传统实践教学手段的有益的、必要的补充，将大大改善教学环境、提高教学效率。虽然虚拟现实技术还处于探索前进与不断完善阶段，实际应用中，还存在很多需要解决的理论与技术上的问题。但从虚拟现实技术本身的特点、优势，我们坚信它将对未来的教育产生深远的影响。

参考文献：

[1] 丁立明.现代教育技术对高等职业教育的影响[J].光盘技术，2008（10）.

[2] 汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 邹俊强.运用现代教育技术提高实验教学质量[J].中国现代教育装备，2006（6）.

[4] 李欣.虚拟现实及其教育应用[M].北京：科学出版社，2008.

[5] 祝士明.多媒体技术在职业教育教学中的运用[J].中国职业技术教育，2008（10）.

[6] 曾希君.虚拟现实技术在高职计算机专业课教学中的作用[J].计算机教育，2008（8）.

[7] 赵士斌.高校实训教学的虚拟现实技术研究[J].长沙电力学院学报：自然科学版，2001（3）.

[8] 朱凤.基于VRML室内虚拟环境构建的研究与实现[J].南京邮电学院学报，2004，24（4）：80-85.