5G网络下虚拟现实技术在高等院校实验教学中的应用

刘春宇，张 莹，张挺耸，匡尚奇

(长春理工大学理学院，吉林长春，130022)

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR) 技术是随着计算机信息技术的发展、计算机数据处理速度的快速提升、网络传输速度的提高而迅速发展的新兴技术，是计算机仿真技术的重要发展方向，它融合了系统仿真学、计算机图形学、大数据分析处理、传感以及网络信息等前沿技术，可形成逼真的三维环境[1]，使参与者能在相应装置的帮助下在虚拟系统进行体验和交互活动，有身临其境之感[2]。1987年，美国VPL公司创建人杰伦·拉尼尔提出虚拟现实这一概念，被业界称为“虚拟现实之父”。VPL公司研发出了一系列虚拟现实设备，包括头戴式显示器和手套。随着网络技术、计算机硬件系统的快速发展，虚拟现实技术较之传统视频、音频动画系统，有更为强烈的视觉感受和更为真实的体验，进一步加强了使用者的参与感。因此，VR在计算机游戏行业优先、快速发展起来，并在我国各主要城市的商场等儿童、青少年娱乐场所迅速风靡。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要(2016—2020年)》已经将虚拟现实技术明确列入国家大力支持的行业中。[3]目前，国内部分一流院校已经逐步开展虚拟实验室的建设。如，北京航空航天大学在2007年已经开始虚拟现实技术与系统国家重点实验室的建设[4]；吉林大学虚拟实验室已经建成使用，很多高校正在筹备或已经部分建成虚拟实验室。但是，传统VR技术受到网络速度的限制，部分体验者佩戴VR眼镜后画面有卡顿的现象，从而产生头晕等不适感。随着我国5G网络的快速发展，网络传输速度会有极大的提升，可消除VR受网络传输速度所限给体验者带来的不适感。就目前来看，虚拟现实技术在商业游戏的领域应用广泛，发展最快，在军事、工业等领域的应用也有所扩大，而在教育领域，虚拟现实技术还属于新兴事物。如何实现VR与教学的有效结合，以提高教学质量，还需要广大教育工作者做进一步的研究和探讨。

随着网络技术的飞速发展，学生获得知识的途径呈现出多样化特征。互联网5G技术的普及促使高等学校教学方法、学习方式产生巨大的变革，这就要求高校教育工作者开拓思维，把握机遇，科学地利用互联网平台，采用新型信息化教学手段丰富教学内容。[5]

一、“互联网+VR”教学平台的建设

(一)建设校园5G网络，为“互联网+VR”教学模式提供软环境

VR技术在高等学校教育中的普及，其首要前提就是要有一个高速信息传输网络，否则会严重影响VR技术的流畅性及体验感，也无法解决使用VR技术所引起的眩晕感问题。5G网络在我国的快速发展，为高校教育教学方法的改革提供了一个重要的载体。我国已经开始在部分省市的部分地区进行5G网络的建设，主要通信公司也纷纷推出5G资费与套餐。以此为契机，高校可以根据自身实际情况，与当地主要通信公司积极沟通，建立以校园为核心区域的5G网络。高校人员密集，且多为能接受新鲜事物、对网络依赖程度较高的年轻人。因此，优先建设校园内的5G网络是有一定的地域优势的，在某一区域内庞大的使用人群和网络开发对通讯商来说也是快速收回成本、扩大5G网络使用范围的重要途径，这有可能成为深化校企合作的成功范例。

(二)“互联网+VR”教学平台的建设，突出地方特色

教学环节的开展离不开教学平台的建设。我国5G高速网络的建设为VR教学平台的建设提供了前提保障。大型VR教学平台的建设投入不可能由个别教师来承担，因此，学校甚至区域的投入及支持是必不可少的。对此，高校可以考虑以联合其他高校、市级或省级教育机构来进行教学平台建设。我国多数高校在地理位置上通常不是孤立的，一般会几所高校距离较为接近，这也为高校之间联合进行教学平台的建设提供了保障。虽然在网络时代，基于网络的课程大部分是跨区域的，但是多数理工科的课程仍需要进行大量的实验、实践课程。这部分需要学生亲自动手操作的课程很难通过视频的形式进行教学，如果距离较近的几所高校联合起来进行平台建设，共享实验室资源，那么既能使学生学习到不同学校的优势学科，提高学生学习兴趣及激发创新意识，也可大大降低每个学校在网络平台建设上的投入成本。

(三)本地高校资源深度共享，搭建交流平台，多方参与

VR教学平台的建设需要大量资金，且建设周期长，前期的计算机、VR硬件、实验室改造等硬件，VR教学软件设计、购买等软件内容，以及教师培训、交流等投入资金至少为百万人民币量级，而后期的设备维护、增加实验项目等投入资金也是相当庞大的，单一院校承担起来有难度，尤其是经济不太发达、省市相关教育投入较少的地区，可能负担更重。融合本地高等教育资源，利用各高校现有优势学科、课程进行VR实验室共同建设，实现资源共享、实验室共享，不仅可以发挥各自学科优势，还可以降低投入成本，让实验教师和管理人员有更多的精力投入教学设计、题目设计、课堂教学，本地区内教师的学术交流更加便捷和低成本。总之，本地高校进行实验室的资源共享，多方参与活动，结合研讨会、参观考察、网络媒体等多种形式搭建交流平台，宣传和推广虚拟现实教育应用成果，可以让更多高校便捷地获取经验，有效而低成本地提高本地区高校整体实验教学质量。

二、“互联网+VR”实验课程建设及设计

(一)组织培训活动，开拓教师视野，提高教师对VR的认识和热情，提高教学改革主动性

学生多元化的学习方式是目前高校学生学习的主要方式。当前，学生的视野比较开阔，而教师在教学岗位长期采用传统教学方式，其在多元化、信息化方式的学习方面反而要落后于善于接受新事物的年轻人。“互联网+VR”技术虽然对高等学校教学有极大的促进作用，但是它与传统教学模式与方式差异较大。因此，任课教师要跳出自己熟悉的教学“舒适区”去接受大量新的知识，寻找新的教学模式。要让教师从心理上产生对VR的认同感，首先，学校要组织教学第一线的教师、实验教师和管理人员进行高水平的培训和研讨活动。其次，学校要支持教师到国内先进VR实验室进行体验和交流，为一线教师提供VR教学观摩和上机实践的机会，共享基于VR技术的教学模式。[6]这是让教师接受新技术最直观和重要的方式。最后，学校要支持教师参加VR的展会及厂家的技术交流活动，让教师与厂家共同探讨VR技术在高校教学中的应用及发展。这些交流、学习和讲座会使一线教师面对新的教学环境、授课对象，更有改善授课方式的动力，并提高教师开展基于“互联网+VR”模式的教学改革的主动性。

(二)产学研合作，发挥优势，节约成本

教育部在2015年全国教育工作会议上提出，地方高校要把办学思路真正转到服务地方经济发展上来，转到产教融合校企合作上来，培养的人才要符合经济社会的需求。[5]VR教学软件的设计具有一定的资金门槛，教师凭借个人力量和有限的时间很难设计出优秀的VR作品。因此，这一环节就要大力调动社会相关企业的力量，产学研密切合作，解决供、需两方面的问题。具体分工为高校提出实验题目要求、细节参数和技术需求，企业来解决如何设计VR作品的问题，最后再由高校结合实际情况提出改进意见，以此发挥企业和高校各自的技术优势，合理利用资源，更有效率地解决实际问题。校企两方进行深度合作，推动科研成果共享，进而大大节约成本。

(三)建设VR实验教学示范中心，发挥“领头羊”的作用

VR实验室的建设对于大多数普通高校来讲，仍然是新兴事物，高校要分年度、分批次进行硬件环境、软件环境的投入，以及师资培训。因此，对于首先进行哪些学科、哪些专业的VR实验室建设，高校的选择就要有一定的倾向性。高校可优先选取本学校的优势学科、专业和课程，进行师资投入，建设实验教学示范中心。多数高校可优先考虑对通识教育、基础学科的实验室进行建设。首先，基础课因为面向全校授课，因此，一般都具有一定的规模和面积，也有一定数量的教师，能为VR实验室的持续建设提供场地及师资。其次，基础课实验室面向的学生多为全校一年级的新生，可让学生在入学阶段就享受到高科技教学带来的新奇感觉，更好地让学生融入大学的学习，提高学生对学习的兴趣，使其在后面的专业基础、专业课程的学习中有更多的主动追求知识的动力。最后，激发学生创新性的思维方式要从大学低年级开始，这有利于学生思维能力的养成。同时，考虑到多数高校基础实验室开设的情况，高校可以优先建设大学物理虚拟实验室。因为除了满足上述几个条件之外，大学物理实验题目众多、物理知识内容广泛，国内外有众多优秀高校的经验可供参考和学习，高校可以最快的速度、最小的成本去建设VR实验室。同时，高校可通过校企合作的方式，创建一批标准化的、示范性的VR教学中心，引领高校VR教学中心建设。

(四)VR实验题目的选定要有代表性和针对性

VR实验室的建设不仅要考虑到网络条件、硬件条件、实验室面积等因素，VR实验题目的设置也是极为重要的环节。VR实验题目的选定要具有一定的代表性，不能与实验室已有实验设备的实验题目重复，否则就是重复建设，浪费资源与精力的不智之举。如，某VR展会上厂家展示其VR实验作品，其中就有大学物理实验中的“分光计”实验。该实验题目属于物理光学中的传统基础实验，一般高校的该课程十之八九都会有这个实验。该仪器使用范围较为广泛，仪器整体的价格及维修费用都相对比较合理，且该实验操作也没有危险性，不涉及高压、强光等内容，而开发一个新VR实验的成本很可能要远高于这种传统实验仪器的成本，这种题目的选择就是不太合理的。因此，VR实验题目的选择要进行更深入的调研、探讨和分析，一些传统课堂中仪器造价高、危险性强或者由于场地限制而无法开展的实验进行VR实验才是有必要的，而不是现有实验题目的重复。VR实验室的建设是现有传统实验有益的、必要的补充，VR实验教学无法全面代替学生能亲自动手操作的传统实验课堂教学。

(五)VR实验教材的建设与实验同步，并与传统教材有区别

VR实验教材的建设是新技术在高等学校实验教学领域中能够稳定开展的重要一环，通常本科生在没有接触真实的VR实验之前就会看到相关实验的教材和资料。VR实验教材的设计要有其独特性，直接利用传统教材很难显示出VR实验所要求本科生掌握的操作技术、操作技巧、知识结构、数据记录等内容。因此，VR实验教材的撰写和设计并不是简单的传统实验教材的翻版，而是要重新进行设计和构思。这种新型的教材应配合实验，以电子教材为主，不仅可以视频形式介绍VR设备的使用，还可以视频、动画、图画的形式展现相关的实验原理、仪器介绍，摆脱传统教材只能展示二维图形、单一文字的原理描述缺点，使本科生在进行VR实验之前对实验有生动、有趣的认知，从而对实验充满热情与期望，有效提高本科生实验学习的积极性。

随着我国5G网络的高速建设和发展，VR技术在这一契机下获得了长足的发展动力。新兴教学技术有利于激发教师教学改革的热情，激发本科生的学习动力，提高本科生的创新能力，促进学校之间的交流合作，促进学校和企业之间的产学研合作，为高等教育带来发展机遇。