浅谈虚拟现实技术在教学实践中的应用＊

无锡商业职业技术学院 杨梦希

人工智能、虚拟现实技术等一批代表性的前端科技已经部分应用到各行各业中，给生活带来日新月异的变化。在教育领域，部分高校及相关机构已经开展了初步研究，但大都处于初级阶段。目前，各国都在大力推进未来教育，虚拟现实技术是实现教育现代化的主要发展方向之一。本文首先简述了虚拟现实技术的发展状况，介绍了常用的虚拟现实技术的开发工具。然后从现有的教育教学入手，指出了当前教学中存在的问题，同时亦阐述了虚拟现实技术引入教育教学中的优缺点，以便更好地适应教育教学改革和未来的变化。最后文章着重阐述了虚拟现实技术在教育教学中的一些应用场景，有助于各专业教师实现教学目标，提高学生学习兴趣及动手能力，适应与时俱进的教学方式，帮助其更好地理解和掌握教学内容。

当前，数字技术地飞速发展带来了日新月异的变化。人工智能、虚拟现实技术等一批代表性的前端科技已部分应用到生产及生活中。目前，国外等一些国家都在大力推进未来教育，通过信息化重塑教育的基础设施、课程与教学，并不断深化核心素养研究，引导教育变革向前大步迈进[1]。

1 虚拟技术的发展

虚拟现实（Virtual Reality）简称VR，是通过运用计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术、人工智能等新兴信息技术，利用可视装备将客观上存在或并不存在的东西呈现在眼前的一种新技术[1]。目前，该技术较多的运用在游戏方面，并且趋向于成熟，而在教学方面的应用，还处在待开发的状态。

目前，常用的虚拟现实技术开发工具主要有:Java、QTVR、VRML、ActiveX 等。另外SGI 公司的三位图形接口OpenGL 支持图形变换、像素操作、光照等计算机图形算法，具有独立的硬件平台、强大的建模功能、真实感强的场景及交互性强的优点。

2 目前教学中存在的问题

2.1 教学手段单一、枯燥

在现有教学过程中，特别是车辆工程、建筑设计、理化试验等方面，纯粹照着书本传授知识已无法满足目前学生的需求。书本、PPT 等教学手段主要是以理论教学为主，强调理论知识的灌输。但是现实情况是教材内容往往与市场主流存在偏差，市场上最新的内容不能及时快速地在书本上体现出来。

2.2 教学过程中学生参与不足，互动性差

教学手段的单一，往往导致老师在课堂上费心费力的讲解，而下面听课的同学半知半解。老师和学生对授课内容认知上的差异导致学生在学习过程中处在被动的状态，不能有效快速地理解授课内容，久而久之任其自然。

2.3 一些需要实践的科目，缺乏充分的锻炼导致动手的能力欠缺

有些科目，比如车辆工程，在教学过程中，为了让学生能充分地了解各类汽车设计原理及构造，一些条件较好的学校会将车辆模型或者部件带入课堂，但是，有些项目需要学生在实践中接触实物、动手操作才能充分掌握。当一些教学设备价格昂贵、安全性存疑时，很难让学生得到充分的锻炼，从而难以提高动手能力。

3 虚拟现实教学应用中的优缺点

虚拟现实技术可以建立一个多感知、沉浸式和交互性的立体感知场景。在课程教学过程中引入虚拟现实技术，特别是一些动手操作性的课程，具有以下几点优势。

3.1 可编程，适应性强

虚拟现实技术可以根据不同需求创建不同的实地情景模式，教学时可根据实际需求开发相应的情景模式。比如，汽车、农机工程类专业、电气工程及其自动化专业、艺术设计专业等，均可开发相对应的实地情景模式，模拟一些类似于发动机组装、高压放电、室外写生等，让学生在真正实践前先在虚拟世界得到充分的锻炼。

3.2 低成本可重复性

利用虚拟现实技术开发出相应的实地情景模式后，不管是老师教学也好、学生课后练习也好，可实现多次重复利用。随着市场技术的更新、改进，也可以相应地调整实地情景模式，使之能快速与市场接轨，从而使老师能教授最新的技术，学生能学到实用的本领。

3.3 提高学生学习的乐趣

利用虚拟现实技术，可以创设一个生动的场景，调动学生探索新鲜实物的兴趣，提高学习热情。如果在上课的时候，利用虚拟现实技术，让学生体验身临其境般的操作，并且操作结果能实时反馈给学生，可以指导学生及时纠错。重复演练，直至得出满意的结果。

3.4 培养科学的兴趣

良好的体验同样能激发学生的求知欲。如果有恰如其分的引导，可以让学生对虚拟技术本身产生兴趣，在其心中种下对新技术探求的萌芽。兴趣爱好是科学探索的动力源泉，由此推动的学习动力，能起到事半功倍的学习效果。

当然，虽然虚拟现实技术已经完善到一定程度，但是将其运用到教学实践中还是存在着不足之处，主要有以下几点。

3.4.1 课件开发成本相对较高

当前利用虚拟现实技术开发的课程成本还是比较高的，主要是硬件VR 眼镜和软件开发成本价格相当高。如果在教学中大量引入虚拟现实技术，引进初期所需要投入的软、硬件费用会相当高昂。因此，初期引入一些简单移动的课程，比如汽车驾驶实习，既可以提高学生的兴趣度，又可以达到寓教于乐的目的。

3.4.2 教育资源质量参差不齐

虚拟现实技术在教学中一般采用新老教学方式结合的模式。资源充足的学校，可以在一些典型的课程或者重要的课程上采用虚拟现实技术开发专门的系统提供给老师[2]。但是资源不足的学校，也许只能象征性地推出一些市场上常用的通用情景模式，提升一下学生的学习兴趣。

3.4.3 虚拟现实技术对硬件的要求较高

虚拟现实技术地实现必须配备相应的硬件设施，比如，头戴显示器、洞穴Cave、VR 前庭系统输出设备以及体感输出设备等。相对来说，头戴显示器比较便宜，但其他输出设备相对昂贵，大规模的装备可能性较低。

4 应用场景

虚拟现实技术可在教学实践的多个方面得到应用。常见的应用场景有情景体验、教学试验、教学培训等。

4.1 情景体验

利用虚拟技术实现虚拟场景教学，不仅可以帮助学生体验社会生活，而且可以帮助学生充分理解生活的常识和道理。现有的教育模式下，很多教学模式还处于简单的说教，内容枯燥，无法引起学生的共鸣。比如，初中课程《道德与法治》，教授的内容主要是爱国、社会礼仪、人生哲理等。如果上课的形式主要是照本宣科的话，即使这些内容并不复杂，但是对于一群处于青春叛逆期的少年来说，理解并接受的程度显然会大打折扣。如果可以引入虚拟现实技术，将一些课程内容制作成虚拟体验场景，比如，体验闯红灯的情景模式、体验鲁迅文章《药》之中人血馒头的情景模式以及体验《骆驼祥子》的苦难等。这样的新生事物，能让现在这些从小接触电子产品的少年们产生兴趣，用理论联系实际，身临其境地感受生活，领悟社会生活的真谛。另外，一些常识教育，如交通规则遵守、垃圾分类实施等，同样可以制作成虚拟体验场景。学生可以通过体验闯红灯的后果的情景体验，深刻理解遵守交通规则的重要性，亲身体验总比口头说教更难忘怀。同样，垃圾分类教育也应从小教育，任何人如果体验到垃圾满地，苍蝇蚊子满天飞的场景，都会在扔垃圾的那一刻提醒自己要按照不同垃圾不同分类。

4.2 高危理化试验操作

在实际教学中，经常会有一些危险性较高的试验，有着较高的安全要求。现实操作时存在的各种担忧可以通过运用虚拟现实技术来避免。教师和学生可以从物理、生理等各个层面深度投入，集中注意力，增加学生思考的能力和师生互动，达到提升教学效率、提高教学安全性的目的[2]。比如，医学院涉及到微生物、病毒类的实验课程，其操作环境有特殊实验要求，存在安全隐患。如果在该实验课程中引入虚拟现实技术，学生和老师可以同步展开虚拟实验，可有效解决实验中存在的操作性、安全性等温度，确保实现教学要求。一些高温、高电压、高辐射的危险性操作内容，如图1 所示，同样也可以引入虚拟现实技术，通过多次模拟练习积累经验后再操作，能减少伤害，大幅提高操作成功率。

4.3 高价值物品操作练习

在一些实训中，虚拟现实技术也能大放光彩。比如车辆工程，当前大部分高职院校的车辆工程还是以理论教学为主，主要通过课堂教学和灌输理论知识，教授的内容也相对比较老旧，未能跟上技术前沿[3]。当前电动汽车技术趋向于成熟，电动汽车销量大幅上升，国内保有量已经高达数百万辆，但是学校的教材对此涉猎不多。如此数量电动汽车的生产、维修及保养，都需要大量的配套人才[3]。如果利用虚拟现实技术开发电动汽车相关的课程，能有效练习电动汽车拆装实习（如图2 所示）、电动汽车维修实习等一系列课程，避免了大量采购当前比较昂贵的电动汽车造成的成本负担，也减少了高价值物品的损耗。

图2 虚拟环境下电机拆装Fig.2 Motor disassembly in virtual environment

4.4 异地虚拟现实教学

虚拟现实技术可以实现异地多人教学。现实生活中各种不可控因素（天灾、成本考虑等）可能会引起人员流动的不便，这就可以利用虚拟现实技术来解决这样的问题。基于互联网，分属不同空间的师生可以通过虚拟现实头盔同处一个虚拟空间，能够进行实时同步教学，实现远程互动教育。举例来说，身处学校教室的医学院学生，可以通过虚拟现实技术实现在医院手术室身临其境的手术操作，如消毒、固定、缝合等，获得初步动手能力。

4.5 与用人单位协作，提前适应操作需求

学校可以利用虚拟现实技术提前与企业协作，培养企业需要的人才。大型企业的定向委培学生或者一些就业方向比较固定的学生，如车辆专业、电力专业等方向，学校可以和企业建立合作关系，共同培养学生。按照企业的用工需求，两者可以共同开发适合的场景，比如，发动机专业、芯片设计等，需要分析、组建高精尖技术的培训。

5 总结

虚拟现实技术在教学中可应用的场合很多，情景体验、高危理化试验操作、高价值物品操作练习、异地虚拟现实教学等都是其适用的模式。通过虚拟现实技术，学校可以节约教学成本、提高实践教学的安全性、激发学生的积极性和参与性并大幅提升动手能力。本文介绍了虚拟现实技术的发展现状，探讨了虚拟现实技术引入教学实践中的优缺点，着重描述了虚拟现实技术在教学中的应用场景。当然，本文所探讨的内容尚需通过实践来检验，但是在教学过程中引入虚拟现实技术是未来发展趋势，虚拟现实技术将在未来的教育领域中得到越来越多的应用。