关于虚拟现实技术在光学实验教学中的应用
尹明宏
摘 要：虚拟现实技术对高校实验教学具有重要的应用价值，有效促进了教学改革与进步，如何在实验教学中运用好虚拟现实技术成为教育工作者关注的热点。但受虚拟现实技术自身复杂性以及高校教学特点的影响，虚拟现实技术在实验教学方面的研究和应用目前还十分有限。
关键词：虚拟现实技术;光学实验教学;应用
DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.27.297
虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，简称为VR）在教育教学中的应用研究早在上世纪九十年代就开始了，身临其境的体验感、全方位的交互性、特殊教学环境的替代性等方面得到了学习者认可。随着5G时代的到来，“5G+VR”用来提升教育品质将会有更广阔的前景。但是目前虚拟现实技术在教育教学中推广还是遇到了诸多难题，如何更加有效地解决虚拟现实技术与当前教育领域融合问题，是信息教育工作者应该思考的问题。
1 虚拟现实技术在教育领域的发展
随着5G时代的到来，高速、稳定、低延迟的互联网将很好地支持虚拟现实技术的大数据量传输和瞬时交互，5G的全面推广为虚拟现实技术广泛应用于教育提供了有利条件，“VR+教育”获得了迅猛的发展。当前，虚拟现实技术应用于各阶段教育发展势头良好但并不平衡。在高等教育领域，应用VR 的教学实践课程非常多，研发课程的人才资源丰富、资金充裕，VR 技术已经很好地和很多专业培养相结合。在职业教育领域，虚拟现实技术应用也比较早，而且因其比较适合于技能型人才培养，加之国家对于职教的重视与投入使得虚拟现实技术在职教中得到广泛运用。学前教育阶段孩子们学习压力不大，VR 技术可以丰富创新学前教育的活动形式，因而也得到一定程度的应用。相比较而言，基础教育阶段对于VR 的应用较少，因为这个阶段的教育受升学考试压力影响，束缚了很多学校创新的热情。
2 虚拟现实技术与教育教学融合的优势
VR教学带来的沉浸感、交互性、想象性三大特征极大地克服了传统教学环境的限制，有利于激发学习者的学习动机，增强学习体验，实现情境学习和知识迁移。基于虚拟现实技术的特点，虚拟现实技术与教育教学融合有以下几方面优势。
2.1 沉浸式观察学习
虚拟现实技术能够让学习者的感官沉浸在虚拟空间当中，通过观察认识新事物。例如：地理学习中，学习者可以在三维虚拟的空间中变换自己的观测位置，能够全面了解地理地貌，星际空间等。生物研究中，运用虚拟现实技术可以让学习者感受到几千万年前的地球上的古生物。再如，当前许多学校建立了虚拟校园漫游系统，应用三维成像技术或者是Unity3D等三维软件技术，建立了基于校园网的360度全景漫游的场景，让使用者能足不出户观察与了解学校全貌。
2.2 多维交互式体验实践
在实际教学活动中，观察学习有时候不能够满足学习者的需求。交互体验可以增加学习者的实践经验，这对学习者也很重要。例如，针灸专业学生针灸的经验远远不足，但是没有那么多病人愿意让初学针灸者尝试。因此，该专业运用三维技术设计了一个场景，并且设计了有反馈可互动的虚拟病人，学生穿戴VR设备，进入虚拟空间后，根据观察与提示的病人病情，选择合适的针灸工具，然后对症找准穴位进行虚拟针灸治疗，虚拟病人会实时给出反馈信息，学习效果非常好。再如，基础教育中物理化学实验，也可以放到虚拟空间中，利用类似的交互式操作，观测实验效果。
2.3 特殊环境下的操作技能训练
在一些不便进入的特殊环境中，需要学习者进入虚拟空间学习与掌握一些特殊的技术，或者操作一些特殊设备。例如，航天员、飞行员的一些操控技术的学习，当今的虚拟现实技术可以很好地支持这些训练。同样的，对于一些特殊车间的操作人员也是一样，现在很多高校和职业学校特殊专业都有虚拟现实操作训练。特殊的还有像体育项目体验，很多体育项目的练习也可以借助于虛拟现实技术。
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”，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。”2020年，教育部将推出1000个“示范性虚拟仿真实验教学项目”。
5 结束语
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]国外虚拟实验室那些你不知道的精彩[N].搜狐新闻，2018-7-31.
