基于VR的交互系统在高校实践教学中的应用探讨

林胜青

（福州理工学院工学院，福州 350506）

1 引言

VR技术通过建立三维空间场景，使用户产生身临其境的虚拟场景体验，对于用户，可以更加真切的获得在虚拟场景中看到、感受到的事物，类似于实践经历。关于VR技术的应用，当前绝大部分还是在娱乐体验方面，在其中占比很小的教育领域中，则主要以寓教于乐和培养兴趣为导向，应用于幼儿教育方面。对于高校实践教学领域，合理引进虚拟现实技术，并将其发展成辅助教学工具，不仅可以针对不同学科研发相应的课程，打造情景式与交互式的教学新模式，而且有利于缓解高校实践教学中硬件资源的缺乏问题。由此，拓展教学新模式的同时，提高高校学生的实践机会和实践能力，从而增进对理论知识的认知程度。

2 基于VR交互系统特点

（1）沉浸性。VR技术采用了包含视听、动感等丰富的表现形式，提供给用户作为体验，针对虚拟环境来说，用户是其主导者，由于虚拟环境的表现复杂，且具有人机交互，很容易令用户沉浸其中，愿意与虚拟环境之间进行互动行为，并将其作为客观存在的真实环境。

（2）感知性。VR交互系统中通常具有触觉、视觉、听觉等数种设备与传感装置[1]，使用户通过多种感知提升虚拟环境的真实感。

（3）交互性。交互性实际包括两个方面的内容。一方面是人通过视觉和听觉等感知到虚拟环境，作出相应的操作行为；另一方面是虚拟环境感知到人的操作，作出相应的反馈机制。

3 VR技术在高校实践教学中的优势

（1）改善实践教学条件。高校实践教学，最大的问题是实验室与实验设备的缺乏。建设一个一流的实验室需要购置先进的实验设备，同时，设备购置后需要定期维护保养，这些昂贵的费用无形之中增加了实践教学成本。由此，也导致了不同高校之间的学科水平差异。针对不同学科需要，引入VR交互系统，以虚拟实验设备代替真实实验设备，通过虚拟设备，可以做出与真实设备相同的实验和结果，使学生获得了学习实践的机会，在实践过程中增加对理论知识的理解，也增加了学生的学习兴趣和动力。同时，VR交互系统还可以用于远程教学模式[2]中，当下存在很多网络授课形式，这种授课形式是无法建设实验室的，因此，通过VR交互系统，无需多少成本，便可以使远程教育变得和学校教育一样具有实践意义。

（2）提高实践教学的安全性。在高校的实践教学中，一些存在危险或者有害健康的实验，通常都会替换成录像教学形式。其实很多实验在进行的过程中会遇到各种各样的问题，并且实验结果也会存在一定的差异，没有亲自参与实验，必定无法对实验过程中遇到的情况进行掌握，也无法对实验的真实现象和结果形成具体的认识。引入VR交互系统，则完全没有安全和健康顾虑，可以利用虚拟的实验环境，进行各种危险实验的反复探索，并且不产生额外消耗，对于实验过程中的一些问题，也更容易复现和分析，不必担心实验过程中产生起火、爆炸、伤人等事故。

（3）不受时间与空间限制。对于生物学领域中，研究生物生长与进化等问题，研究人员现有做法通常都是采用一些生长繁衍较快的生物作为研究对象，比如果蝇。但是即便这样，一些实验往往还是需要花费几个月甚至几年时间，导致实验周期过长。另外，在物理学和化学等领域，需要对一些物质的内部进行研究，这样实验往往很难实施。引入VR交互系统，则会通过虚拟技术模拟出实验条件，加快实验进度，将一次长期实验通过虚拟交互系统有效缩短完成时间。另外，还能通过虚拟技术模拟进入物质内部，完成一些受空间限制的实验。

（4）实验过程与实验结果的有效保存。传统实践教学中，实验结果往往受实验条件等众多外部因素影响，对于同一个实验，先后两次可能出现不同的结果，而大部分情况下无法进行实验过程的比较和确定，当引入VR交互系统，可以对每次实验的过程、以及结果进行完整的保存，如果出现结果差异，能够对实验过程采取有效的回放和比对。

4 VR交互系统在高校实践教学中的应用

（1）虚拟实验。利用VR交互系统，能够建成各类型的虚拟实验室[3-4]，应用于各个学科的实践教学中。有利于合理规划使用教育经费，合理安排实验室建设和实验设备购置，通过虚拟实验，弥补实验硬件资源的缺乏问题。同时有利于促进高校实践教学模式的创新，利用VR交互系统的沉浸性[5]，激发学生对于学科知识的兴趣，乐于动手实践，并在实践中加入自己的创新想法，推动学科建设。另外，对于一些存在危险、有损健康、受时间空间限制等的实验，更加应该衡量是否引入VR交互系统，取代传统试验室，成立更加安全、健康、环保的虚拟实验室。

（2）技能训练。技能训练一般需要对简单的工作进行反复练习，以达到熟练程度。根据VR交互系统的特点分析，其具有显著的交互性与沉浸性，因此将其融入到技能训练中，将有利于学生专注地置身于虚拟环境模拟出的训练场景中，通过与虚拟场景交互来实现技能训练。如医学领域中，学生可以通过虚拟交互系统模拟出的手术场景，操作完成一台手术，其间可以虚拟出手术过程中的任何一种细节，学生通过这种实践教学，不但能够进行反复练习，而且真实模拟了现实情况，同时又不存在风险。

（3）探索学习。VR交互系统与传统实践教学工具不同，它不存在实验材料的消耗和维护，可以在课后向学生开放，促进学生自主实践的兴趣，在实践过程中不断提出自己的条件假设，并对此进行模拟验证，从而培养学生通过虚拟交互系统的实践探索能力，促进学术进步。比如对于电子与电气相关学科，学生可以在不购买不消耗任何电子器件的基础上，在虚拟实验环境下搭建自己设计的电路，并进行可行性分析；对于环境领域的学生，只需要在虚拟实验环境中搭建出温室效应的模型，便可以完成温室效应的影响因素分析。总之，基于VR的交互系统与高校实践教学相结合，能够提高学生对于学科领域的学术探索精神。

5 结束语

VR是目前备受关注的一个技术热点，人们相信VR技术的发展，将会对科研、教育，甚至生产等方面产生推动和革新的作用，改变人们对传统工具的认识。虽然该技术还不够成熟，但是基于VR的交互系统，已经可以预见其广阔的发展前景。通过本文的探讨分析可知，随着网络技术、人工智能、多媒体等领域的共同发展，基于VR的交互系统必定会通过自己的特点和优势，越来越多的出现在高校实践教学中，取代传统实践教学模式，促进高校教育的进一步发展。

[1] Grigore C·Burdea，[法]Philippe Coiffet著，魏迎梅译.虚拟现实技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 陈庆章，胡同森，胡东.应用虚拟现实技术建立远程教学系统[J].系统仿真学报，2001，（11）.

[3] 王元娟.基于高校虚拟实验室发展若干问题的建议[J].科技信息，2009（7）：130.

[4] 朱敏.虚拟实验与教学应用研究[d].华东师范大学博士学位论文，2006.6.

[5] 蔡苏，张晗，薛晓茹等.增强现实（AR）在教学中的应用案例评述[J].中国电化教育，2017，（3）：1-9.