浅谈无人机飞行模拟器训练在虚拟现实技术教育应用

刘霜 扈少华

摘要：本研究在分析无人机飞行模拟器训练现实情境认知模型基础上认为，虚拟现实技术教育应用的潜力源于其在激发学习动机、增强学习体验、创设心理沉浸感、实现情境学习和知识迁移等方面的优势;虚拟现实技术教育应用目前主要集中在虚拟现实支持学习环境创设、支持技能实训、支持语言学习、等方面;文章最后从技术和教学法两方面分析了虚拟现实技术教育应用面临的挑战。

关键词：虚拟现实;VR SCModel;教育应用;教学法

引言：虚拟现实现如今已经逐渐形成一个成熟的概念，不仅如此，其技术也在不断地进步。现阶段该技術已经应用于多种方面，不仅可以利用虚拟现实技术模拟出军事演习、训练等军事环境，还可以应于医疗中来模拟手术，除此之外还可以模拟娱乐中的过山车以及蹦极等等[6]。当然，虚拟现实也可以变身为一名建筑设计师，将人们眼中看到的实体世界变为虚拟世界。虚拟现实发展到现在已经不单单是一门技术，更是一项艺术[7]，人们可以通过虚拟现实来装饰自己想要的一切。利用虚拟现实技术不仅节省了很多人力、物力和财力，更为大家节省了大量的时间。本项目通过无人机模拟器训练在虚拟现实的仿真，借助虚拟现实技术开展无人机沉浸式教学，节约办学成本，减少无人机设备的损耗，在学生通过大量无人机模拟教学仿真训练中掌握飞行技巧技能。

一、虚拟现实技术支持学习环境创设

虚拟学习环境的创设通常有三种基本类型：

1.虚拟仿真环境设计在虚拟仿真环境中，学生做他们在真实世界中无法做到的事，例如，冰雪环境中飞行，在山峰中飞行，在沙漠中飞行，学习面对不同气候，不同风向的飞行。在不同旋翼损坏下的飞行。便于学生理解和应用知识，便于教师及时调整教学方法。教学计划、教学法都围绕模拟的环境进行设计。虚拟仿真环境适合教师教授程序性知识，使学生应用所学到的技能完成包含多个行为序列的学习任务。

2.建构主义活动设计

建构主义学习理论认为知识的建立和学习发生在已有知识经验的基础上，学习者在一定情境下利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得。学习活动的设计对于建构主义学习理论在教学中的应用至关重要。在虚拟学习环境中，通过学习活动的设计，学生利用工具按照自身经验和兴趣建构飞行虚拟环境，或者在已有飞行虚拟环境当中，通过探究建构知识。

3.学习飞行体验设计

学习飞行体验指用户借助虚拟现实技术进入虚拟学习环境中，对所学知识等产生相应的认识和情感。多用户虚拟学习环境是当前教育游戏中较常用的虚拟现实环境。多用户虚拟学习环境运用虚拟现实和增强现实技术，创建的第一人称视角下的虚拟世界，可以为教师和学生提供教学环境。“第二人生”是早期典型的基于Web3D技术的多用户虚拟环境。雅尔蒙等对利用“第二人生”多用户虚拟学习环境进行研究生间的跨学科交流学习研究表明，“第二人生”的学习环境使用基于项目的方法能够有效促进学科的发展和交流。研究同时表明，使用创造体验式教学设计，让学生有机会开展社会实践项目，能够正向增强他们的学习体验。

二、虚拟现实技术支持飞行技能实训

虚拟实训是利用网络技术、多媒体技术、仿真技术等基于虚拟实训系统的一种新的模拟实训方式。与真实环境下的实训室相比，虚拟实训飞行系统具有改善教学环境、节约办学成本、规避安全风险、激发学生兴趣的优点。虚拟现实技术打破传统课堂中“教师讲课，学生听课”的教学思维，将学生变为主体，给予他们更多的机会探索学习，促进学生主观能动地学习。飞行模拟器训练是虚拟现实技术在职业技能实训中的应用。飞行员在“真实”的飞行环境中进行训练，视觉、听觉、触觉有“真实”的感受，有助于提高飞行技能。除职业技能培训外，虚拟实验也是当下虚拟现实技术在教育中的应用热点。依据虚拟实验PDR层次模型，虚拟实验通常分三种类型，即模拟性试验、探究性实验、实证性实验。在模拟性试验中，学习者利用化学药品、天平、祛码等实验工具，操作类型多样的化学实验，近距离地观察燃烧、爆炸等化学现象;探究性实验更多的是用来展示物理、化学、生物等课程中特殊的事物，将难以描述的现象以更直观的方式呈现出来。实证性试验强调在实验者和被实验对象分离的情况下开展以解决真实问题为目标的虚拟实验。新加坡国立大学设计开发的基于网络的远程机器人操作系统是其典型代表，学习者可以通过操作该机器人进行试验，完成实验数据的记录。

三、虚拟现实技术教育应用的挑战

1.缺乏视觉或触觉反馈。健康问题。研究显示，长期使用飞行虚拟现实训练头显会产生一系列的健康问题，如晕动症、疲劳和恶心等。

2.教学法挑战

在虚拟飞行环境下活动，学生有时难以把注意力集中在学习活动上，虚拟世界过多的功能和丰富的模拟场景会干扰学习者对重要内容的注意。虚拟现实为了创造沉浸性体验往往采用多元信息传送方式，例如声音、图像、文字甚至力感等信息。多渠道的信息传递、丰富的刺激容易提高单位时间内工作记忆的认知负荷，造成认知负荷超载。因此，沉浸性虚拟现实空间环境的构建、学习材料的呈现和组织应参考认知负荷理论的相关原则，例如避免冗余效应、分散注意效应等进行设计。

总之虚拟现实教育应用的本质不在于增加新的教学工具，而在于引入新的教学方式和教学文化。这是虚拟现实技术教育应用的重点和难点。我们相信，随着技术的不断发展完善以及与教育理论的深度融合，虚拟现实在教育领域会发挥着越来越重要的作用。

参考文献：

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[2]周明全（2016）.虚拟现实高潮迭起VR教育前景可观[N].中国电子报，2016-06-14.

[3]申斌，李坦，傅小进.无人机新型教学训练手段研究与实践[J].中国新技术新产品，2018（2）：158-161

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[5]谢鸿宇，杨木壮，赵冠伟，等.无人机航测教学实验探讨[J].测绘与空间地理信息，2017（4）：157-159.

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[8]矫永康，陈勇，李芮琪.探讨无人机专业模拟训练教学[J].实验技术与管理，2017，35（增刊1）：109-111.

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基金项目：河南省科技厅科技攻关项目（152102210320）。