“互联网+”背景下虚拟现实技术在实验教学中的运用研究

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　　摘  要：在“互联网+”的背景下，5G技术的出现打破了制约虚拟现实技术发展的瓶颈。虚拟现实技术具有良好的交互性和沉浸性，能够提供高度还原仿真系统，这一特性促使它越来越多应用在实验教学中。虚拟技术在实验教学中的运用，可以有效降低实验教学的成本，提高实验教学的效率，优化实验教学的质量。所以，虚拟现实技术在未来将成为高校实验教学的重要辅助手段。
　　关键词：“互联网+”;虚拟现实技术;实验教学
　　中图分类号：TP399 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）10-0174-02
　　Abstract： In the context of "Internet Plus"， the emergence of 5G technology has broken the bottleneck restricting the development of virtual reality technology. The virtual reality （VR） technology has good interaction and immersion， and can provide a highly reductive simulation system， which urges it to be more and more used in experimental teaching. The application of virtual technology in experimental teaching can effectively reduce the cost of experimental teaching， improve the efficiency of experimental teaching and optimize the quality of experimental teaching. Therefore， virtual reality technology will become an important auxiliary means of experimental teaching in colleges and universities in the future.
　　Keywords： "Internet Plus"; virtual reality （VR） technology; experimental teaching
　　虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境。通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境中[1]。
　　所谓虚拟实验室，是指依靠多媒体技术、虚拟现实技术等依托计算机和虚拟头显设备等营造出仿真的实验室或者仿真的市实验室环境，同时提供可以操作的软硬件设备和具体的操作环境等，实验者完全可以虚拟现实设备实现和在真实的实验环境下一样的实验操作，同时这种虚拟体验不但成本低，而且实验数据可以通过计算机系统进行计算，实验效果甚至可以超越实验者在传统的实验室中所取得的效果。
　　1 国内外虚拟现实技术在实验教学中的现状
　　目前国外高校依托虚拟技术构建的虚拟实验室中，主要采用到的技术手段包含以下七个方面（见表1）：
　　比如英国 Open University的开放科学实验室，[2]他们不但借助虚拟技术实现了本实验室的虚拟实验体验，同时他们还利用网络技术开放了远程实验，实验者可以借助虚拟遥控装置，实现远程操作。这种实验操作和可以提供实时远程共享和在线共享等。国内也积极建设了多个虚拟实验室，比如北京化工大学成立了化工安全与装备中心，该中心的虚拟仿真实践平台可以给学生提供仿真的工业环境，让学生在实验中心就可以直接进行工业活动的实践行为，不但安全有效，而且可以同时为多个学生服务。
　　目前国内的实验教学中，虚拟技术的运用主要表现在以下四个方面：根据课程的内容和实践要求，有针对性的设计和开发实验流程，并在这一流程中嵌入虚拟仿真实验项目，以及对项目操作者的操作评估系统;设计并装载实验项目该步骤中设计虚拟仿真实验项目的任务，该任务需要具体到每一个场景、每一个环节、每一个步骤、考察到的知识点等，然后设计开发操作平台或者计算机软件;操作之前，教师需要对于实验的具体涉及到的知识点进行详细讲解，同时对操作步骤进行训练;学生借助虚拟技术进行实验操作时，教师需要通过软件或者监控系统对于学生的操作步骤和流程进行实时分析，并对试验结果进行总结和评价。
　　2 虚拟现实技术在实验教学中的先进性
　　虚拟现实技术最大的特点是其利用计算机技术可以代替传统实验教学环境中的各种场景和环节，这样一些迫于场地、实验器材等难以在一线教学中开展的各种实验教学，都可以利用虚拟现实技术展开。比如上海交通大学建立了“小儿先心病”仿真虚拟实验，不但降低了实验室的成本，不再需要大量收集实验样本，而且提高了實验操作的效率，学生的操作难度和操作的复杂度都可以得到有效提升。
　　所以，虚拟现实技术对于现代实验教学而言，其先进性主要表现在以下四个方面：
　　2.1 将信息技术和实验教学进行深度融合
　　随着5G技术的普及，信息技术给人们的生活方式带来了颠覆性的变化，教育领域引进信息技术也是时代发展的必然。作为信息技术发展中的尖端技术，虚拟现实技术可以轻松实现低成本、高效率和高仿真性的实验场景的设计，所以虚拟技术在实验教学中的运用，体现的是新技术和实验教学这一实践性很强的教学活动的深度融合，因为信息技术将渗透到实验教学的各个环节，甚至还会对实验结果进行评估，这也标志着信息技术在实验教学中的地位和作用，也实现了从辅助到主导的演变。 　　2.2 拓展实验教学的深度和广度，实现因材施教
　　传统的实验教学中，学生的实验过程和步骤以及出现错误的原因分析主要依靠教师来进行判断，而往往实验教学时，一名老师往往需要面对多名学生，对每一名学生的实验过程和实验中出现的误差等的监控不可能完全顾及到，而且受限于人数、实验器材等的限定，实验的深度和广度也会受限。依托虚拟技术构建虚拟实验室则可以有效解决这一矛盾。同时虚拟技术可以对学生的实验过程进行全程实时监控，并对实验结果进行分析，这样一来，每个学生的动手能力和实践能力的高低也会得到有效评估，这可以帮助教师实现实验教学中的因材施教，让每一个学生都能够在实验教学中获得最及时、最客观的指导和帮助。
　　2.3 打破传统实验教学受制于时间和空间的限制
　　传统实验教学中，实验室的建设需要投入大量的人力、物力和成本，而且由于实验室的规模大小直接会制约使用实验室的人数。而虚拟现实技术出现之后，虚拟实验室的投资成本远远低于实体实验室，基本上依托计算机、网络和软件以及VR头显设备就可以实现和传统实验室一样的“仿真”体验，虚拟技术的出现为传统实验室提供了实验的空间和时间的无限拓展的可能性。
　　2.4 实现实验教学的线上化和智能化
　　传统的实验教学由于属于实践活动，一定是线下教学模式，但是随着虚拟技术的出现，线上实验教学和学生自主线上进行实验活动成为现实。以往的实验教学必须在实体实验室中进行，现在借助虚拟实验室进行教学之后，可以利用虚拟技术和计算机技术进行特定实验系统的设定，学生可以在任意时间进入实验室进行操作，同时计算机系统会自动会对实验过程和实验结果进行检验和判断“真正形成了与线下教学相结合的智能化、泛在化的实验教学新模式。”[3]
　　3 虚拟现实技术在实验教学中的具体应用
　　虚拟仿真实验教学系统的出现可以大幅度解决目前高校实验室不足、建设实验室成本高、实验室使用频率高导致成本较高、某些实验具有危险性、有不安全隐患等等问题，它可以有效弥补甚至取代传统的实验室，成为新型的实验室。
　　虚拟实验教学的基本特点在于借助虚拟仿真设备营造仿真环境，在仿真环境中，实验人的视觉、触觉、听觉等感受都可以最大程度实现“真实化”，而且人体会在这种“真实化”的刺激下做出相应的反应，这和传统实验室中实验者和实验对象之间的交互行为完美地进行了“复制”，所以虚拟现实技术在实验教学中主要的运用价值表现在以下两个方面：
　　3.1 交互性
　　用户佩戴特制的头显设备进入虚拟环境之后，可以通过传感装置将对环境产生的感受和环境本身应对人的行为所产生的反应传递给实验者，从而让实验者产生真实的体验和感受。比如华中师范大学2019年的虚拟仿真实验室中就有“兰科植物传粉与保护虚拟仿真项目”[4]，这一项目就可以让实验者观看到完全仿真的植物传粉的全过程，感受到风吹植物、植物的摇动等。
　　3.2 浸入性
　　人在虚拟环境中的视觉和听觉感受将取代现实中的感觉，虚拟设备能检测到人的反应，从而产生一种新的完全真实的感受。如进行沉浸式游戏体验、飞机模拟操作、康复训练、轨道交通的设计制造及运行、可视化空间地理信息服务等，让人感觉仿佛身临其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。
　　4 虚拟现实技术在实验教学中运用的前景展望
　　虚拟现实技术的出现以及在实验教学中的运用，对于高校实验教学来说无疑是重大利好。虚拟技术所展现出来的良好的交互性和沉浸性，恰恰是传统实验教学中最需要的部分，一旦可以通过低成本、高效率的方式进行，虚拟实验室和传统实验室的相结合，必然成为未来高校实验教学中的主流模式。虚拟技术对于实验教学来说，目前已经从辅助的地位开始逐渐上升到主导地位。
　　2018年，教育部公布了首批国家虚拟仿真实验教学项目，教育部高等教育司司长吴岩就指出“虚拟仿真解决了世界性的实验教学、实践教学、实训教学的难题，也解决中国大学生动手能力不足这样一个短板问题。”[5]并且预计到2020年，教育部将推出1000个“示范性虚拟仿真实验教学项目”。[6]
　　综上所述，虚拟技术对于现有的实验教学来说，是提高实验教学的效率和质量的最有效的手段，在未来的发展中，虚拟技术在实验教学中所占的比重还将显著提高，这对于提高我国实验教学的质量、锻炼和提升学生的动手能力和实践能力而言也有着划时代的意义。
　　参考文献：
　　[1]戚玉强，任玲.传感器与检测技术[M].北京航空航天大学出版社，2018：163.
　　[2]國外虚拟实验室那些你不知道的精彩[N].搜狐新闻，2018-7-31.
　　[3]孙艺.教育信息化背景下虚拟仿真技术在法学实验教学中的应用研究[J].法学博览，2019（32）：211-213.
　　[4]华中师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心[EB/OL].http：//vecb.ccnu.edu.cn/virlab/index.html.
　　[5]董娇.教育部公布首批国家虚拟仿真实验教学项目[N].央视新闻，2018-7-13.
　　[6]虚拟仿真软件：让“网上做实验”和“虚拟做真实验”成为现实[N].搜狐视新闻，2018-12-30.
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