沉浸式虚拟现实展示系统 在本科实践教学中的应用

    王超杰 李知菲 孟冰源 朱俊杰

    

    

    

    摘要：实践教学是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养学生创新意识的重要环节，能有效提高学生理论联系实际、掌握科学方法和动手实践的能力，然而，实践教学在实际教学过程中是薄弱环节。本文提出的沉浸式虚拟现实展示系统基于计算机软硬件和各种传感器装置，能够生成可交互和具有沉浸感觉的三维虚拟场景，对现实世界环境及对象模拟仿真来说，可用于构建实践教学环境，提高学习效率，促进教学方式创新。尤其是在抽象理论的实践和学习复杂的模型中，能够使学生理解深刻，提高学习效率，进一步提高学生素养。该系统在虚拟仿真类本科课程，如“发动机原理”等的实践教学环节中进行了应用，节约了实践成本，增加了学生兴趣，调动了学生实践探究的積极性。

    关键词：实践教学;沉浸式虚拟现实;虚拟仿真;教学改革

    中图分类号：G434? 文献标识码：A? 论文编号：1674-2117（2020）05/06-0172-04

    ● 实践教学中应用沉浸式虚拟现实展示系统的背景

    在实施素质教育的今天，为培养创新型人才，提高学生的科学意识和科学思维，更有效真实地让学生理解复杂的模型及其内部结构的原理，我们需要在教学中增加实践环节，但一些必要的实践内容，由于受到实践条件的限制，仅靠课堂上教师的描述和图片的展示，终究不能让学生体验深刻。随着多媒体计算机技术、智能传感技术和信息技术的高速发展，显示器件和多媒体终端设备价格/性能比显著下降，以此技术和器件为基础发展起来的沉浸式虚拟现实展示系统，用于实践教学已成为现实。

    沉浸式虚拟现实展示系统为实验、实训的发展带来了新的契机，为提高实践教学效率，优化教学过程，加强实践技能培养，本文就沉浸式虚拟现实展示系统在实践教学中的应用做一些探讨。

    ● 沉浸式虚拟现实展示系统

    沉浸式虚拟现实展示系统是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，利用计算机软硬件和各种传感器装置，在虚拟场景中生成可交互和具有沉浸感觉的现实世界的模拟仿真，在教育领域具有巨大的潜力。也就是说利用该系统模拟产生一个三维空间的虚拟世界，操作者在这个虚拟环境当中就有一种身临其境的感觉。

    1.构成

    沉浸式虚拟现实展示系统是由计算机软硬件，以及各种传感器构成的视觉、嗅觉、触觉、力反馈等功能单元构成。下面简单介绍具有重要功能的数据手套和3D位置追踪眼镜。

    （1）数据手套

    数据手套设有弯曲传感器，不仅能够把人手的姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者，使操作者能够更加直接、自然、有效地与虚拟场景进行交互，这样就极大提高了互动性和沉浸感。数据手套如图1所示。

    （2）3D位置追踪眼镜

    3D眼镜上集成了定位传感器，可以自动识别出设备在虚拟环境中的位置的变化。当头移动时，眼镜上的定位装置与系统的传感器进行交互，传感器会自动调整场景中的坐标，这样给人的感觉是正在虚拟场景中实时地移动，体验效果更加真实。带有位置追踪功能的3D眼镜如图2所示。

    2.特点

    ①具有高度的实时性。当操作者在场景中转动头部或者走动时，位置跟踪设备及时与系统进行联系，反馈出操作者当前的位置，由计算机算出相应的场景坐标，快速准确地调整出相应场景。②具有高度的沉浸感。操作者在虚拟现实的场景中，由系统提供的虚拟场景能够让操作者身临其境，完全沉浸在环境中。③具有先进的软硬件。为了避免因延迟带来的卡顿感，有更流畅、真实的体验，应尽可能选用先进的硬件和软件。④具有并行处理的功能。这是虚拟现实系统的基本特性，操作者的每一个动作都涉及多个传感器，会产生多个同步事件。⑤具有很好的融合性。在虚拟现实系统中，各种软硬件之间需要有良好的结合，构成一个逼真的虚拟现实系统。

    沉浸式虚拟现实系统是一种高级的VR系统，常见的有头盔式虚拟现实系统、洞穴式虚拟现实系统、座舱式虚拟现实系统、投影式虚拟现实系统和远程存在系统等。该系统是用一个或多个大屏幕投影来实现大画面的立体视觉和听觉效果，使多个用户同时具有完全投入的感觉，参与者可获得完全身临其境的三维交互式体验。

    ● 本科实践教学中沉浸式虚拟现实展示系统运用的分析

    引入和应用沉浸式虚拟现实展示系统，可以提高实践教学的效率，激发学生的学习兴趣，让学生更好地投入到教学实验中。

    相关研究数据显示，人对外部世界的认知，大约有75%是来源于视觉。[1]VR技术具有沉浸性、交互性及想象性三大特征，能创设个性化学习环境，有利于激发学习者动机，增强学习体验，促进知识和技能的习得。[2]沉浸式虚拟现实展示系统利用显示场景的数据作为基础，借助计算机软硬件在虚拟场景中显示出来，将建模完成的三维物体，放到特定场景中，体验者借助相关的设备进行观察，能够达到身临其境的效果。学习是个体在特定的情境下由于练习或反复经验而产生的行为或行为潜能的比较持久的改变。由于是虚拟实践，学生在实践过程中可以放心地去调整不同的实验参数来进行对比，可以从多角度、多层次去观察，加深对实践的理解，丰富对实践的认识，这有助于培养自主探究能力。此外，虚拟实践可以反复进行训练，而不必受到实践资料短缺的影响。虚拟实践也可以作为真实实践的补充，对于真实实践的危险部分，或者是因某种条件限制而不能进行实践的部分可用虚拟实践有效替代。“虚实结合”的实践教学模式，可以更好地促进整个课程的高效开展，将多样化的实践教学模式进行深度结合，从而更好地激发学生学习课程的主观能动性，不断强化学生对课程知识点的深度理解，对学生积极向上的品质建立起着非常重要的作用。[3]因此，沉浸式虚拟现实展示系统在学校虚拟仿真类本科课程实践教学环境中有着非常重要的应用。

    相比传统的实践教学模式，沉浸式虚拟现实展示系统的运用能够让学生获得更加丰富的资讯，促使其能够独立思考现状，并发现问题、分析问题，从而提高学生认知世界的能力，是一种高效、有趣的实践教学方法。

    1.创建虚拟实践教学环境，促使学生沉浸在学习的场景中

    沉浸式虚拟现实展示系统能够提供丰富的画面、逼真的场景，激发学生的学习兴趣和好奇心。需要注意的是，心理活动是对一定对象的指向和集中，是心理过程的动力特征之一。它与认识过程、情感过程、意志过程密切联系，是一切心理活动的共同特征，利用虚拟现实技术在实践教学中可以更加吸引学生的注意力，尽量防止无意注意的出现，也能更好地利用无意注意的特点来吸引学生对教学内容的注意。在实践教学活动中应注意借助该系统构建出符合实际的、合理的实训环境，然后让学生全身心投入到教师所创建的虚拟现实环境中。所构建的虚拟现实环境要紧密联系教材基础内容，并且所构建的虚拟现实环境要主次分明，重点突出实踐教学的专业知识性。此外，构建虚拟现实的环境，既要考虑实践教学的知识性，也要兼顾趣味性。这样的实践教学，不仅能给学生以新鲜感，提高其积极主动探究学习的兴趣，还能提高学生的独立自主思考能力。

    2.充分发挥多媒体资源，获得更好的实践教学效果

    将沉浸式虚拟现实展示系统应用到高校实践教学中，要将各类多媒体资源进行充分的整合和利用。将生活中、社会生产活动中的不同情境借助虚拟现实技术展示在学生面前，能让学生通过虚拟现实环境，亲历各种实际情境，从而从多个角度学习教师在虚拟教学环境中所展示的实践教学内容。这样的教学活动，能够加深学生对现场专业知识的印象，提高其学习效率，并且能够促使学生将课本上的知识灵活运用，融入并应用到实地训练中，提高学生的实践能力。

    3.构建虚拟实践实训教学系统，强化教学绩效评价

    高校要针对实践教学的内容，在沉浸式虚拟现实展示系统的基础上，构建起一套虚拟现实技术教学系统，并以此为依托积极改进教师教学评价体系，摒弃传统的将考试成绩作为唯一考核指标的评价体系，制订注重对学生学习过程的评价。教师在虚拟现实技术教学系统的辅助之下，将专业知识和培养学生目标能力结合在一起，借助所构建起来的虚拟现实环境，让学生在其中锻炼专业操作技能。实训教学系统由认识实践、体验实践、理解实践和实践习题练习及测试四部分组成。

    ①认识实践：学生通过认识实践模块对实践进行初步了解和学习，认识实践模块遵循直观性原则，尽量利用多种感官和学生已有经验，通过各种形式的感知，丰富学生的直接经验和感性认识。

    ②体验实践：在了解实践的基础上，学生通过虚拟现实设备，充分体验实践。情境学习理论认为，知识是学习者在特定情境下主动构建的，强调知识与情境之间的动态互动。[4]沉浸式虚拟现实展示系统的沉浸性特点克服了传统脱离实际以及缺乏互动的不足，它利用计算机技术构建一个几乎与现实世界无异的高度仿真的虚拟世界，在这个虚拟世界中学习者身心沉浸其中，具有强烈的临场感。更容易达到身心一体的境界，有效提高学习效率。另外，虚拟现实技术在让学生最大限度地投入到学习的同时，也将学生与周围世界的感知联系隔断，提高了学习的注意力。

    ③理解实践：通过感受实验，更加熟悉实验过程，有助于加深对实践的理解，使学习内容不容易遗忘。

    ④实践习题练习与测试：在以上环节完成以后，系统会给出大量的练习题进行训练，会从不同的角度进行训练，达到熟练掌握的目的。

    这些都有助于强化学生对知识的建构和记忆，进而提高学习成绩。[5]

    ● 应用沉浸式虚拟现实展示系统的案例分析

    在笔者所在学校的工学院本科生的《发动机原理》实践教学中，以往均采用语言描述结合图片视频等展示，但由于发动机结构的复杂性，学生难以深刻理解。在参观真实发动机的时候，由于发动机的装卸比较麻烦，往往只能看到表面而难以观察到其内部结构和工作传动原理。在这种情况下，沉浸式虚拟展示系统体现出它的优越性，在计算机中打开发动机的模型，学生在场景中观察发动机就跟在现实中一样，图3是在计算机虚拟场景中的发动机仿真模型。此外，在计算机中可以轻松展示零部件之间的组合以及传动原理，学生也可以在虚拟现实中自己尝试组装发动机以及点燃发动机，不仅达到了真实的组装效果，而且有效地避免了现实中可能发生的意外事件，使学生获得了深刻的体验，提高了学习效率和学习兴趣。

    根据课后调查结果得知，30名学生全部认为虚拟场景的体验比较真实，28名学生认为对理解发动机工作原理比较有帮助，从测试结果来看，学生在短时间的学习中取得了显著的学习效果。

    ● 总结

    在实践教学中应用沉浸式虚拟现实展示系统，可以提高学生的注意力，加深理解和记忆。随着经济和技术的发展，沉浸式虚拟现实展示系统将会更加普遍地应用到虚拟仿真类本科课程实践教学环节当中，也会出现相应的先进的设备和新颖的教学方法，推动实践教学的改革创新，使得实践教学质量得到提高，有利于培养学生的兴趣爱好，促进个性发展，提高操作和创新能力。因此，教师在实践教学中需合理、规范地应用沉浸式虚拟现实展示系统，使其成为一项重要的教学辅助手段，不断地提升实践教学质量。

    参考文献：

    [1]Pamela? C.Smith，Bernita? K.Hamilton.The? Effects? of Virtual Reality Simulation as a Teaching Strategy for Skills Preparation? in? Nursing? Students[J].Clinical? Simulation? in Nursing，2014，12（03）：126-128.

    [2]贾徐庆，夏许婷.虚拟现实技术在高校实践教学中的应用[J].教育天地，2019（10）：203-204.

    [3]彭鹏，周凤.“国开”思想政治理论课“虚实结合”实践教学研究[J].智库时代，2019（09）：223-230.

    [4]刘德建，刘晓琳，张琰，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22（04）：25-31.

    [5]李宝敏，王钰彪，任友群.虚拟现实教学对学生学习成绩的影响研究[J].开放教育研究，2019，4（25）：82-90.