虚拟现实与增强现实技术在“电工电子技术”课程实践教学中的应用研究

史添添

关键词：虚拟现实技术；增强现实技术；电工电子技术

1引言

信息革命已对人类社会的发展产生了重大影响，因此对各科专业来说，无论是专业建设、课程设计、教学环境还是教学手段，都需要不断进行改革，都要从实际出发加强实践。事实也证明，要培养一个具有创新能力的高素质人才，实践教学地位十分重要。“电工电子技术”是高等学校理工科的专业基础课程，其教学覆盖范围广、教学知识体系连贯性强、教学应用范围多元化，所以它不仅是学科基础，更是一门专业性、操作性较强的课程，对于实践能力的培养尤为重要。采用虚拟现实和增强现实技术来辅助完成“电工电子技术”课程的实践教学，不仅能满足不同学科对电学基础实验的要求，而且能满足专业技术人员对电学基础培训的需求。

2虚拟现实技术与增强现实技术概述

虚拟现实技术是一种基于多媒体计算机技术、传感器技术、模拟仿真技术的沉浸式交互技术[1]。具体而言，它就是利用计算机技术在构建的特定的虚拟环境下，借助配套的输出设备为使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟体验，进而使使用者与虚拟环境中的对象进行实时、无限制地交互，从而产生一种身临其境的效果。

增强现实技术是以虚拟现实技术为铺垫，进一步拓展研究而兴起的。增强现实技术是在计算机的3D显示和无限制交互的基础上加入网络定位追踪技术，将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间，为使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的新环境，从而将虚拟对象置于现实环境中进行交流互动。

虚拟现实与增强现实技术的共同点都是基于现实实现的，利用计算机技术构造虚拟场景或将虚拟事物与真实场景进行结合，让使用者有置身其中的感觉，通过穿越时空的方式进行交流增加了互动性、趣味性和真实感：区别是虚拟现实技术的场景是完全虚构的，辅助设备帮助使用者有感官上的真实体验，而增强现实技术是将虚拟事物嵌套到现实场景中，是对现实场景的补充。

3虚拟现实技术与增强现实技术的特征

虚拟现实技术具有31特点，即交互性（Interaction）、沉浸性（Immersion）和想象性（Imagination），在这3大特征的加持下，有别于常见的计算机仿真技术。交互性是指根据现实世界构建一个虚拟世界，使用者在现实世界中的操作在虚拟世界中会得到响应，在虚拟世界中的操作在现实世界中也会有感官的体验：沉浸性是指在虚拟世界和现实世界给使用者的体验是否一致；想象性是指使人置身于虚拟环境中，利用场景提供的多维信息使使用者能够获取新知识，进一步深化对事物的认知，提高感性和理性的认识。

所谓增强现实技术，通常也是由3个突出特点构成：（1）虚拟事物和真实世界“无缝”结合，即虚实结合，把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道、触觉等）通过计算机等科学技术[3]模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验；（2）在真实世界中确定虚拟事物的准确位置，即跟踪定位，构建虚拟事物并利用追踪定位技术呈现在真实环境中；（3）交互技术，即实时的交互性。

4虛拟现实技术与增强现实技术应用于教育领域的优势

4.1激发学生学习的兴趣

因虚拟现实和增强现实技术具有沉浸式体验的特点，能够让使用者有真实的感官刺激，可以将知识三维立体化，不再局限于传统的教学模式，利用跨地域、跨时空的优势给使用者提供亲身体验和操作的机会，交互体验有效地激发学生学习的兴趣，进而加强对所学的知识进行系统的构建，从而实现对知识的掌握及应用。

4.2为学生的自主学习提供便利

虚拟现实和增强现实技术根据不同设备可以有多种教学资源，如网络实景模拟资源、移动设备资源和立体纸质图书资源等，学生不再受到时间、场地等外在因素的限制，可以随时随地地学习，并且这2项技术为在线使用者提供一个安全的实践操作场景，既能让使用者获取课堂上未掌握的实操知识，又能让他们尝试原本不可能实现的事情，有效地帮助学生进行自主探究学习。

4.3完善资源建设

虚拟现实和增强现实技术为学习领域增加了另一个维度，让原本无法创建的场景重新展示给使用者，将各地不均衡的资源进行二次构建，有效地规避了在现实世界中重建场景教学的费用，同时避免了在危险环境下操作的风险，为现实资源起到补偿、完善的作用。

5“电工电子技术”课程实践的特点及学情分析

“电工电子技术”课程的实践性较强，以培养应用型人才为目标，传统的电工类专业实践教学模式通常采用图片、视频等让学生认识各类设施设备，有条件的学校会购买一部分设备供学生操作或者带学生去企业进行参观实习。在这种传统的教学模式下，学生实际操作的机会非常少，因时间和场地的限制，学生对设施设备的认识理解不够深，无法将所学知识加以应用，而且学校的教学成本很高，风险也很大，并且随着工业时代的不断变革，电工电子技术也在不断更新，但在实训经费、场地和设备等因素制约下，很多更新的实训项目无法实施，实训内容已无法满足当代大学生的实训要求，因此导致很多大学生对这门课程失去了探索的兴趣，进而影响了课程的教学效果。

而对于大多数普通高校的学生来说，他们自主学习能力不强，面对实践性较强的科目既好奇又胆怯，创新意识薄弱，在有限的条件下很难对知识进行拓展学习和应用。但由于互联网技术的蓬勃发展，他们对于新生事物的获知速度和接受速度也在成倍增长，因此大家所关注的虚拟现实和增强现实技术能较好地调动学生的好奇心，建立起三维架构，以培养其创新精神。因此，应用虚拟现实和增强现实技术对完成“电工电子技术”课程实践教学是十分必要的。

6虚拟现实与增强现实技术在“电工电子技术”课程实践教学中的应用

虚拟现实与增强现实技术应用于“电工电子技术”课程实践教学中，可根据教学任务建设虚拟设备、虚拟线路、虚拟仪表，对实训设备认知、操作流程训练等实践内容进行交互式教学，学生由传统的被动接收转化为主动研究学习，以培养学生自主学习的意识。

本文着重对以下几方面应用展开构想。

6.1安全用电

在“电工电子技术”课程实践教学过程中要求学生以安全用电基本常识为基础，掌握安全用电的基本技能，在实训过程中获得对交流电的安全使用的能力[4]。而为了避免学生在实践过程中发生触电危险，传统的实践教学形式是“教师讲、学生听”，在教师的指导下学生一步步的模仿完成，单纯的模仿使学生无法得到充分的锻炼，无法与真实的电工电子场景相契合。而虚拟现实和增强现实技术利用自身的优点可以弥补这种教学形式的不足，创设现实情境（如工厂），让学生“以身试电”，通过切身体会提升学生的感性认知，让学生在反复练习中懂得安全用电的重要性，并且在不断训练中激发创新意识和创新思维，培养其自主探究的能力。

6.2线路安装故障排查

“电工电子技术”课程实践要求学生掌握自主设计电子线路的方法，根据实践中出现的现象，总结电工电路故障检修的方法，完善电工电路检修方案，提高检修效率[5]。对于此知识点的训练，传统的实践教学形式是“学生设计、教师检查”，检查验收后方可进行操作，大多数学生在教师理论性指导下排除错误理解不到位，没有机会大胆试错，无法在试错中得到成长。而利用虚拟现实和增强现实技术可以对线路安装的故障资料进行收集，从而建立数据模型，学生可反复操作练习，既节约成本又可以让学生在不断纠错中成长，有效提升实训的教学效率，强化学生敢于尝试错误的探索能力。

6.3电工电子仪器设备的使用培训

实践教学的特点是需要团体的支持，需要与外界环境进行沟通、协调[6]。为了使电工电子技术与工业变革相协调，可根据工厂的实际情况创设场景，让学生置身于虚拟车间，让学生在校就可以观察仪器设备的工作状况，以及每一个零部件之间的联系，与车间技术人员共享信息，为学生提供一个能够互动交流的虛拟平台。这不仅使学生的好奇心和体验感增强，更能以鲜活的方式传授知识，使学生的学习兴趣得到激发，有效地提高教师的教学效果。

7结束语

教学上采用虚拟现实与增强现实技术直观性更强，虚实结合的优势为学生提供与真实设备之间交流的机会，有效地帮助学生进行模拟操作，充分地发挥学生的主动性，跨时空、地点的体验使学生的创新性得到提高，并且具有操作零风险、更新低成本等优势，这些优势必将推动越来越多的高等院校主动利用此技术来改变原有的教学方法和教学模式。