虚拟现实技术在开放教育学生远程学习环境中的应用研究

卢韬全，洪耀辉，王梅亮

(1.丽水开放大学，浙江 丽水 323000；2.丽水学院工学院，浙江 丽水 323000)

1 概述

信息技术发展至今，助推着人类科技飞速发展，在教育、医疗、科研、军事等多领域得到了充分的运用，同时也衍生出互联网、多媒体、人工智能、传感、仿真等多种技术，而虚拟现实技术就是计算机技术发展衍生出的一项技术。所谓虚拟现实技术，英文名称：Virtual Reality，就是人们常说的VR，顾名思义，就是通过计算机运用数据模拟出现实中的物体或场景，实现物体或场景的仿真，并通过相应的设备给用户视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等方面的感知，让用户能够沉浸其中，仿佛就在现场一般。

远程教育始于19世纪30年代国外的商业函授教育。与世界各国一样，我国的远程教育也是从20世纪初的函授教育开始的，经历了三个发展阶段：一是主要依靠邮政通讯手段进行函授教育；二是利用广播和电视开展广播电视教育；三是以信息为基础开展的现代远程教育。特别是20世纪90年代以来，随着计算机网络为代表的远程传输技术和移动计算技术的发展，随着多媒体、虚拟现实等新型媒体技术的发展和应用，现代远程教育成功突破了传统面授教育的局限，提供了一种突破时空界限、资源共享、交互沉浸式的学习环境[1]。其中，虚拟现实技术发挥着重要的作用，各大高校都在从事相关研究，如北京航空航天大学所研究的分布式飞行模拟；哈尔滨工业大学在人工智能和虚拟现实交互方面的研究[2]；浙江大学与哈佛大学共同研究的跨国VR远程教学[3]；浙江开放大学利用VR、幻影成像、影视厅等场地设施资源搭建，提供了沉浸式的党史学习教育环境；上海开放大学应用MR技术打造沉浸式学习空间，开发机械装配课程，依托MR混合现实三维数据可视化的呈现方式[4]等，都取得了一定的成果。

开放教育的学生可能来自各行各业，拥有着不同背景、不同能力水平，在复杂的学生背景环境下，学生能够利用的学习的时间、空间条件就会存在差异，而能够突破时空限制的远程教育作为开放大学的一项非常重要的教学手段，发挥着不可或缺的作用。随着互联网技术的飞速发展以及5G技术的逐渐成熟，课件资料教学、远程视频教学、直播教学开始登台，跨越时间和空间的阻隔，便于学生能够在家学习。但这类授课方式，主要还是以教师讲授的方式为主，学生大都处于被动接受知识的状态，而且受教学条件和教学设施所限，学生几乎无法参与实践类课程，让学生难以专注于学习、体会到学习的乐趣。而虚拟现实技术的融入正好能够解决这个问题，让学生即使不在现场，也能够拥有很好的学习体验感，给学生营造更优质的学习环境，可以极大地提高开放教育学生的学习积极性。

2 虚拟现实技术应用于开放教育远程学习的优势

开放教育学生在远程学习时，佩戴好摄像头、数字头盔以及数字手套等传感器设备，根据学习需求，通过网络服务器端根据课程内容安排预设的人机交互模块和三维建模，运用虚拟现实技术，进入系统创造的一个与学习需要相关的虚拟环境中，学生通过感知和操作，与系统进行交互，完成知识的学习或者模拟实操；或者通过增强现实型虚拟现实技术，在基础的台面上进行一系列的动态学习，如历史变迁、发展趋势、制造过程、建设过程、配件组装、模型搭建等知识内容，让学生沉浸在极具真情实感的虚拟环境中进行知识的学习和训练，充分感受到动态学习、完成任务、解决问题的乐趣，提升学生学习知识的积极性和主动性，“通过情境进行学习和练习”是利用虚拟现实技术进行自主学习的主要特点，它包含以下的一些优势：

2.1 实现多场景、多类型互动

虚拟现实技术可以让学生根据不同的学习需求，选择设置相应的虚拟学习情境进行学习。比如喜欢听讲的学生，可以置身于虚拟课堂当中，听虚拟教师进行面对面的授课，还可以进行一定程度的课堂问答互动；又如想要进行实操练习的学生，可以置身于虚拟的实操环境当中，与三维建模的实操设备进行操作互动，完成预定的实操任务；再如想要观察某一知识点的整体动态发展特征，可以展现动态发展的场景，并根据学生的操作，以时间轴为主线，进行暂停、退回、调整速率等操作，也可以在暂停中进行三维层面上各视角的观察操作。多场景、多类型的互动，可以实现学生不同类型的学习需求。

2.2 学生学习方式创新

基于虚拟现实技术的理念，学生的学习不再拘泥于单纯的课本文字的抽象知识学习或者平面化的视频教学，通过创新的学习方式，把很多晦涩难懂的知识内容，通过三维可视化的方式展现出来，增强学习内容的互动性，让学生更易理解生动有趣的内容，寓教于乐。例如建筑专业学生可以在整体的建筑结构模型上进行各构件的功能知识学习和拆装练习；机电专业学生可以对整部机器模型进行机械部件知识学习和拆装解构练习；文学专业学生可以沉浸在文学作者所处的环境或者文学内容所述的意境中感受文学知识的内涵；学生在英语课程的学习中可以在实际场景中进行对话互动，巩固知识。通过创新的学习方式，可以极大提升学生对知识学习的兴趣。

2.3 建立学习内容丰富的虚拟课堂

各地开放大学可以根据自身实际情况设置场地大小，仅需提供一个专用虚拟实验场地，配置VR头盔、投影设备、传感设备等完善的虚拟现实设备，就能建立一个完善的虚拟课堂，可以通过虚拟现实技术实现提供给学生各类课程的互动学习需求，让每一位学生通过沉浸式的虚拟环境体验学习的快乐。一来可以降低建设各类专用的实体实验室、操作间的成本，免除实体的实验、实操设备器材的损耗，二来可以有效解决建设场地不足的问题，以适应各地开放大学的实际场地情况，让学生可以仅靠一个虚拟教室实现不同学习场景的切换。

3 学习环境建设研究的技术路线

通过前面虚拟现实技术应用于开放教育远程学习的优势研究，根据开放教育远程教学的课程内容安排，运用计算机三维建模技术，为不同课程构建相应的三维虚拟应用场景和虚拟物体模型，同时对虚拟现实技术中与课程有关的人机交互技术进行深入研究；最后利用上述构建的三维虚拟应用场景和虚拟物体模型，并综合运用虚拟现实、互动感知、三维动画、计算机图形图像处理以及程序设计等相关技术，通过OSG图形程序开发接口在Visual C++开发环境下用C++语言对三维虚拟体验场景进行二次开发，实现能够让学生沉浸在虚拟的学习情境中，并可以与虚拟环境或虚拟物体进行实时交互的教学系统[5]。具体的研究思路和技术路线如图1所示。

4 虚拟现实技术在开放教育学生远程学习中的应用实施

运用虚拟现实技术完成课程的设计和实现后，学生就可以选择相关的学习内容，根据学习流程或学习任务进行情境学习或练习。下面以开放教育专科机电一体化专业金属切削与加工课程为例，探讨虚拟情境学习的具体实施步骤和方法。

4.1 根据课程内容和学生需求安排设置学习情境和互动模式

任课教师首先简单了解虚拟情境设置、场景互动的基本规则，设备的操作方式和注意事项，在金属切削与加工课程开课前，充分了解学生学习知识和实操练习的需求，并根据课程整体教学任务安排，进行课程内容编排，提出知识点和实操情境设置和学习任务的设想，将课程情境设置、互动内容等方面的需求向技术人员提出。技术人员根据教师需求，进行学习情境和互动内容进行设计和实施，建立完整的知识情境和实操环境。

4.2 学生预习相关课程内容

学生在课前，通过金属切削与加工课程教材了解上课的主要内容以及教材中标注的重难点，明确学习目标和学习任务，查找自己比较难理解的内容做好记录，以便上课时向任课教师提问。另外，任课教师也可以提供相关资料供学生在课外学习和了解课程的背景知识。

4.3 任课教师向学生进行课程的授课

任课教师首先通过面授或者线上直播课的方式，向学生讲授金属切削与加工课程知识，在情境体验之前，让学生对课程的内容和核心知识点进行系统的学习和掌握，并布置课后学习巩固的任务，引导学生带着任务和问题进行情境体验学习和练习，让虚拟情境学习和练习产生更好的巩固效果。另外，向初次使用设备的学生简单讲解设备使用的操作方式、规则和注意事项。

4.4 学生情境体验和实操练习

以金属切削加工实操练习为例，学生进行情境体验和实操练习分两种方式：一是针对业余时间固定或时间自由的开放教育学生，可安排统一时间进行实操练习，任课教师首先现场演示设备使用和实操练习的内容，并布置切削加工任务，随后由学生穿戴虚拟现实设备进行自主练习，根据任务要求的标准件规格（例如图2模型），在虚拟环境中，选择正确的机具（例如图3模型）、刀具进行切削加工练习，使加工的成品件尽可能符合任务要求的规格，再把成品件与标准件进行对比，查找差距，在课堂中任课教师应随时监控和指导学生，耐心解答学生的疑问，并管理好情境学习系统，合理掌控课堂各环节。二是针对时间上无法参与集中授课的学生，可安排自主练习，在学校授权下可自行使用设备进行虚拟情境实操练习，同样通过设定的实操任务，进行自主体验和练习，并在练习后适时与任课教师进行沟通与答疑。总之，情境体验和实操练习的主要目的，在于通过对虚拟情境的体验，巩固知识的学习，比如让学生在虚拟情境下掌握机床和刀具的识别、选择和操作，以完成目标金属件的加工，形成较好的知识迁移准备，顺利地将教材知识应用到实际中。

图2 切削加工目标金属件三维模型

图3 金属切削与加工机具三维模型

4.5 课后对情境学习进行总结并反馈，便于后续改进和提高

在课后，学生可以将疑问和建议进行总结，及时反馈给任课教师；同时任课教师在课堂中仔细观察学生的表现，并主动询问各学生的疑问，结合学生的主动反馈，进行整理汇总。任课教师根据汇总的问题，进行分析和总结，可以据此改进授课方法和重点，同时还可以对虚拟情境学习系统的一些不足之处提出改进意见，以便让开发和维护系统的技术人员对系统进行改进和完善。

5 结论

当今信息技术的飞速发展，使学习方式从传统的课堂讲授教学模式逐步向网络化、智能化、多元化的方式转变,虚拟现实技术更是将现实环境融入课堂学习当中，让学生有更多的机会沉浸在特定的情境或者自然的环境当中学习。实践证明，运用虚拟现实技术实现的虚拟情境学习系统应用于开放教育学生远程学习环境中，不仅可以将教材中晦涩难懂的知识点转化为立体生动的多模态信息，而且可以让学生在虚拟环境中进行直接的体验和练习，既巩固和深化学生对相关知识的理解和掌握，又锻炼了实操能力，为应用型人才的培养提供了有效的学习方式。