虚拟现实技术在实训教学中的应用研究

邱鹏，史文杰

（武警海警学院，浙江 宁波 315801）

1 前言

随着科技的不断发展和具体应用，多媒体技术已经得到了更好、更快的蓬勃发展，并且在很多领域中都有着重要的应用地位，尤其在知识传递、思想表达等方面能够更好地发挥作用。在如今大多数的高校课堂中，多媒体作为一种教学手段已经广泛的应用在课程教学中，特别是由于多媒体具有图、文、声并茂甚至有活动影象这样的特点，所以能提供最理想的教学环境，它必然会对教育、教学过程产生深刻的影响。当然它也暴露了一些不少的弊端与不足，比如多媒体走进课堂后，课件“统治”课堂，教师不能因材施教，师生难以情感交流与互动，同时随着课程时间的推移，这种灌输式的教学也带来了更多的学生厌倦情绪的发生。

但随着科技的更深的发展，虚拟现实已经逐渐出现并开始盛行，已经在课堂教学中活跃起来，尤其是实训的课程，较好地吸引了学生的学习兴趣。众所周知，良好的教学内容与师资力量，也需要先进的虚拟现实技术来表达传播，虚拟现实技术结合教育产业的发展优势从此由运而生，首先就是打破了传统观点中教师灌输式为主的教学模式，应用虚拟现实的硬件设施与软件环境，可以帮助老师更容易地授业解惑；对于学生来讲，传统教学方法中难免存在无法参与、无法互动的瓶颈；而虚拟现实重在强调学习过程中的参与性，让学生亲身体验，主动思考，积极学习，避免填鸭式被动教学，进行全真模拟展示和交互，增加教学的实践性和真实感，丰富师生对3D立体展示和实践性的需求。在虚拟现实的沉浸感中也让老师与学生多了很多的互动性，让学生学起知识来更加轻松、易记、感兴趣。

2 虚拟现实（VR）技术特点

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），一般定义是指综合借助计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备的平台，采用仿真技术模拟生成的一个可交互的三维动态环境，用户在此环境中能够接触到视觉、听觉、触觉等多感官的沉浸式感受，能够达到一种身临其境的体验。

综合而言，虚拟现实（VR）具备了以下三大特征，即“沉浸性”“交互性”和“想象性”。

（1）沉浸性：指生动逼真的、身临其境的感觉。用户通过专门的虚拟操作的设备，在模拟环境中进行对应的操作，能够在虚拟现实中寻找到多感官的体验，有一种置身现实的感觉。（2）交互性：是指用户与模拟环境进行交互的过程。老式的人机交互是借助鼠标等设备来进行指令的运行，而虚拟现实的交互是利用传感器传输的。用户能够很简单的在虚拟环境中进行某种意图的实现，其感受如同真实环境一般，例如用户感受风浪来时的恐惧心理，高速驾驶汽车，高空落下等体验。（3）想象性（也称创造性）：较为丰富的、多维的模拟空间是虚拟现实存在的必要基础。虽然模拟空间中的人和实物等都是从现实场景中参考和模仿而来的，但是脑海中很多场景是现实世界中难以产生和存在的，不能随着个人的意图而很快出现，那么此刻虚拟技术的应用就正好弥补了此方面的空白，能够借助虚拟软件平台，一定程度上再现个人脑海中的设想场景。

3 VR在教育领域中的重要发展

2016年被称作是虚拟现实（VR）技术普及的元年，世界主要国家及咨询机构都认为虚拟现实是时代发展的重要趋势。美国、英国、日本、韩国等发达国家都认为虚拟现实是第四次产业革命的核心技术之一，并将其列入国家战略项目。就我国而言，虚拟现实已纳入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，习近平主席也多次在重要场合提及“以互联网为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发，人工智能、虚拟现实等新技术日新月异，将给人们的生产方式和生活方式带来革命性变化”。对目前处于各种教育阶段的学生来说，他们是现代技术的原住民，是未来社会的人才储备和中流砥柱，教育主管部门和学校应更多地考虑学生的感受和未来视野，提供让学生更多接触新技术的机会，促使当下的教育水平得到有效提高，为教育领域的大发展带来更多的机遇。

4 VR对教学的促进作用及存在的不足

4.1 促进作用

21世纪以来，伴随着各种新兴的科技的不断发展，日益革新的新技术正在逐渐地改变这传统的教育模式和思想理念，新的教学正在借助互联网、云计算、人工智能、大数据等手段不断地创造新的教育环境，总体而言是有效地提高了教学质量。虚拟现实技术运用在教育领域中，一方面可以提高课堂教学的有效性和趣味性，另一方面还可以降低在实际教学中因客观条件带来的困难（如天气恶劣、场地有限、器材短缺）和成本等，从而有效地推动教育改革的步伐，更好地开展教学。因虚拟现实（VR）具有沉浸性、交互性和想象性等三大特点，故可借助虚拟现实技术来构建与教学内容相匹配的模拟环境，开展教学活动，形成的一种新型教育（学）模式被称为沉浸式教育（学）。沉浸式教育（学）具有以下不可替代的促进作用：

（1）环境逼真，便于理解。传统过程中，知识（或信息）的传授通常依靠文字、图片等简单形式，这些形式用于解释当前的简单的具体的内容是容易的，但是对于类似灾难场景等抽象方面教学就显得苍白无力。相对于传统教育中知识的扁平性，虚拟现实技术可以呈现更为立体的世界，消除时间与空间对人造成的认知阻断，为学生提供生动、逼真的教学环境。其侧重让受教育者亲身经历各种现场，更能触及到人的心灵，留下深刻印象，是一种值得大力推广的实训教育手段。有效帮助学生加深知识印象，深刻理解抽象概念，并随着5G的时代到来，未来5G+VR，VR多人异地同虚拟场景教学教育是大势所驱。（2）情景再现，知识迁移。虚拟现实技术能够提供丰富的感知线索以及多通道（如听觉、视觉、触觉等）的反馈，帮助学习者将虚拟情境的所学迁移到真实生活中，满足情境学习的需要。（3）避免危险，节省成本。传统过程中，受到设备、场地、经费等条件制约，许多大型或有一定危险性的实验科目难以开展。虚拟现实技术可模拟实验场景，能让学生足不出户完成各种实验，并获得与真实实验一样的体会。可以说，在保证教学效果的前提下，虚拟现实技术减少了实验操作可能带来的困难和危险，等学生操作训练熟练以后，再到实际的环境中展开实验，如此能大幅度地降低实验成本。（4）提高趣味，积极参与。虚拟现实技术通过呈现个性化特征、丰富多彩的媒体形式和刺激性的对话促进学习者的学习动机。大量案例证明，虚拟现实可以给学习者带来放松、愉悦、感兴趣等积极情绪，激发学生的内部学习动机。另外，构建的虚拟环境一般都能与设想场景逼真度较高，提供动态的高交互设置，可以让学习者在其中显示出较高的学习参与度，真实感较强，教学的效果非常好。（5）创新教学，改革教育。虚拟现实为学生创设接近真实的学习环境，将抽象概念具象化，为学习者打造高度开放、可交互、沉浸式的三维学习环境，能够激发学生学习的兴趣和热情，突破传统教学的一些难点和瓶颈，从而让学校教学变得更有效率，让学生爱上课堂，化被动为主动学习。另外，教师可以借助虚拟现实的技术，实现课堂互动、自主学习、探究式学习等创新教学活动，创办特色教育课程内容，从而从整体上对教学模式进行革新，提升学校教育教学质量。

4.2 存在不足

任何事物都有两面性，VR技术在教育领域有所重大发展的同时，也在某些具体方面的应用及拓展中存在一定的不足之处，影响教学效果的提升。

（1）具体学科实证研究存在不足。每一个新兴科技力量的发展和应用都需要大量的努力和不断的检验以及修正过程，只有经历了各个方面的考研，才能逐渐地完善自己的不足，从而达到较为大众满意的科技与技术的服务。受其自身性质的影响，虚拟现实技术在某些应用方面还存在着明显的学科实证研究不足的问题，例如在物理等有关教学中比较常见，在其他学科中的具体应用就有时显得难以满足，需要进一步依据实际的情况进行多次的修正与逼真再现，以满足当前课程中的教学发展需求。

（2）教学评价与监控具有缺陷。在虚拟课程的实际教学中，目前的VR技术水平在教学应用中仍然有一些不足之处，例如在有些课程的教学评价和监控方面存在缺陷，没有完善的系统性管理，授课老师不能根据实际的情况进行课程的监控，会对整体教学造成弱化的现象，会降低教学效果。例如目前的“微视酷”平台在具体的应用过程中，原本是能够以实际情况进行教学开展的，并利用后台的技术优势开展升级优化，但是在教学监控的方面缺失，会对数据的信息反馈与处理不协调，如此教师不能对学生的学习掌握情况也会造成判断失误，从而整体的教学质量有所降低。因此，需要积极地拓展相关的评估方面的二次开发，在整体的监控方面有待加强，完善评估回馈模式，提高学生的学习效果。

（3）当前VR技术创新有待提高。VR技术作为一种新兴的技术逐渐的在各个行业中得到了具体的应用，对相关行业的更好发展起到了促进了作用。现阶段，VR技术在教学中的应用大部分体现在VR视频、VR语音等方面的技术开展。但是，现阶段的VR资源内容的很多标准都存在差距，部分内容和技术的创新性存在缺陷，会降低质量，因此要与时俱进，加强创新，将VR技术与教育领域更好的协调和结合，不断地跟随教育发展的需求。

5 VR对实训科目的影响

5.1 打造逼真实训环境

虚拟现实技术作为一种模拟生成技术，可以设计从简单操作到危险环境的各种逼真实训场景，参与者置身其中，在视觉、听觉、触觉、嗅觉等方面都能更真实地感知某种现实环境。虚拟技术能够营造许多传统课程实训中因气候或场地限制无法设置的环境，有效满足不同课目和难度的实训要求，甚至可以形成一整套的实训环境转换模式，最大限度地满足对实训环境的要求。多种多样的科目危险环境设置，可以使学生获得有关实际环境中最直接的认知，忘我地投入实训，实现实训所需要的沉浸感，真正提高实训的效果。

5.2 打破常规训练瓶颈

实训一个重要目的就是寻求对制约实训效果的瓶颈能够进行有效突破，找到未来应用中的取得重大成就的真正手段。但现实实训活动由于受场地、器材、准备工作以及人员积极性等多种因素影响，往往难以在短时期内实现对实训的真正突破。虚拟实训的出现由于不受任何主客观限制，具备较大的自由度，可以根据现实实训要求构想出实训思路程序，着重设计实训内容演变的更多可能性，有利于打破教材化、程式化的实训套路，摒弃念脚本、背台词的剧本式演练，进而实现对实训瓶颈的突破。尤其是通过虚拟演练中，可导调出更多模拟的紧急“情况”、设置出更多复杂“考题”，变化出更多变局、危局，驱动学生面临危险情况时的紧急应变能力，并可在虚拟实训系统中设置考核评价系统，真正提高学生分析判断能力以及灵活反应水平。

6 结语

由于实训的很多科目在实际环境中会具有单一枯燥或者复杂以及各种危险发生的特点，而如何开展高效、安全地提高课程实训效果对高校的教学目标以及学科发展就显得尤为重要。由于绝大部分实训科目的特殊性，常规的训练手段往往无法营造某种特殊的、高效的实训环境，难以达到教学目标，但目前随着时代的进步，高新技术的快速发展，VR技术作为新型手段在实训科目的教学模式改革中得到了广泛运用，具有沉浸性、交互性和想象性等显著特征，可为受训者提供“真实的”实训对象、逼真的实训环境，能够成为高校课程中模拟实训的重要手段，从而大大提高教学效果。