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| | 虚拟现实技术进入高校实验教学的研究 |
多媒体技术（MT）和信息技术（IT）为教学、实验和实训的发展带来了新的契机，同时也为高等教育的现代化带来新的机遇、需求和挑战。虚拟现实技术进入高校教学能形象生动地表现教学内容，有效地营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，达到优化教学过程，提高教学质量的目的。
一、虚拟现实技术的发展和应用
虚拟现实VR（Virtual Reality）是由高速计算机系统创建的一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界。它综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学，将计算机处理的数字化信息变为人们所能感受的具有各种表现形式的多维信息。通过视、听、触觉等作用于使用者，对使用者的控制行为作出动态的交互反应。传统的仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，无法模拟人对外界环境的感知（听觉、视觉、触觉），而虚拟现实带来了人机交互的新概念和新方法，计算机模拟外界环境对人的感官刺激已经成为可能。
虚拟现实依托的学科高度综合化，是现代仿真技术的高级发展和突破，它不仅涉及计算机、人工智能、电子、通信、数学、力学、热学、声学、光学、机械学和生理学等自然科学和技术科学，而且与美学、心理学和社会学等密切相关，它是现代科学技术的高度发展在应用领域中的结晶和反映，是经济和社会生产力发展的巨大需求的产物。
随着网络通信速度的提高和带宽的扩展，信息社会对教育提出了新的需求，VR技术的研究已经从高投入的航天、军事领域开始进入教育领域，国内外都在加紧进行如何在教育领域使用虚拟现实的研究。虚拟现实技术涉及高等教育的各个学科，由于多维信息系统具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性，使用者能够沉浸其中、超越其上、交时交互，已显示其实用性和先进性，技术潜力巨大，应用前景广阔。
二、半实物仿真的虚拟实验室构想
虚拟现实环境是由图像、图形识别与生成系统；声音、触感的识别与产生系统；网络通信系统；人工智能系统和传感器系统等不同功能、不同层次的系统所构成的集成系统，虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。就教育理论而言，虚拟现实实现人的临场化，参与者与虚拟环境是互相作用、互相影响的一个整体的两个方面，它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。虚拟实验既可缩短训练的时间，又可获得直观、真实的效果，还能对那些不可视的结构原理和不可重组的精密设备作仿真实训，一方面培养学生操作、维护和检修的技能，另一方面培养学生自我训练的意识和创新能力。
电气工程虚拟演练实验室的建设考虑到教育部门，尤其是提供给大批学生操作的环境难以采用头盔显示器、数据手套、数据衣等昂贵设备，为此，我们开展虚拟现实与半实物仿真方法的研究，采用虚实结合的形式制作，控制台上各种接触器、继电器、各种开关等均采用实际器件，电动机及控制设备板也是实物，而控制过程及逐层拆卸所观察到的360度浏览效果是由高速计算机虚拟的，通过投映眼镜或大屏幕投映呈现在操作者面前。虚拟实验室的功能模拟采用挂入式结构，可以随学科、专业的扩充在现有设备的基础上进行重组，不断增加模块，不断生成新的功能。
采用虚拟技术，学生不必真正把他们设计出来的电气设备、机械零件、传输线或车间建造起来就可以“亲身体验”。这种虚拟现实与半实物仿真可以满足大部分教学和训练的要求，大大减少经费的投入，并可向网络学校、虚拟教育延伸。
三、虚拟现实技术进入高校教学的作用
1.有利于挖掘高校潜能
引入虚拟现实高技术可改善高等教育的教学环境，扩大高校的承载能力，适应当前我国高校扩招的发展需求。
2.建设“常新”型的实验实训基地
利用多媒体技术，半实物仿真与虚拟现实相结合的方法，建造虚拟演练的现代化实验实训基地，其“设备”或“部件”多是“虚拟”的，可根据发展需要重新“生成”新设备，也可使“设备”和教学内容在虚拟环境中不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展，以培养高素质的毕业生，保证知识型的技术人才和管理人才能满足经济发展的要求。
3.促进数字化校园的建设
虚拟现实所需的超高速、多媒体的数据传输，大容量的数据存储，以及数据处理的分布式与并行化无疑是促进高校信息化建设的催化剂。它能为教育技术专业队伍提供一个高起点的科研环境，促进教育技术学的学科建设更上一个新层次。
4.发展虚拟教学
课堂教学不再局限于有形的教室中，教学活动的空间和时间得到了无形扩展，将进一步向虚拟课堂、虚拟大学发展。虚拟现实也将为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，使资源由一校“独占”变为多校“共享”。通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个行业提供开放性的、远距离的继续教育，及其急需的课程教学，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，促进全国教育水平的提高。
四、虚拟现实技术对高校教学的影响
教学改革的目标是实现教学现代化，提高教学效益和质量，全面提高学生素质。然而，教学现代化并非只是设备的现代化，它应包含更深刻的含义，包括：教学观念的现代化、教学内容的现代化、教学手段的现代化。
1.教学观念的变化
传统的教学观念主要是“传道、授业、解惑”，教学观念决定了教学组织形式和教学方法。教学组织形式通常是以班授课为主，授课则主要采用课堂讲授法，教师是教学的中心，由教师决定教学内容、结构、教学方法及教学进度，这种教学方法是以教为主，学生始终处于被动的学习环境中。现代化的教学方法要求改变传统的课堂讲授式为启发引导式，追求教与学的合作化，以讲授引导思维，以教导激发感情，并赋予学生学习的主动性。虚拟现实教学有利于创造这样的环境，以教师为中心的授课形式将会被改变，以学生为中心的个别化教学、合作化教学和环境中自我探究得以真正实现。虚拟现实正是在现代教育思想指导下，使用新技术改进教学方法的尝试。引入虚拟现实技术到教学，从多媒体虚拟现实系统的组织形式看，虚拟现实是非线性的网络结构，逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能，在这个基础上教学内容的组织安排将特别强调由学生主动参与来构建知识结构，变学生的“被动听讲”为“主动学习”，由“要我学”转变为“我要学”。在这种情况下，教材的意义也将由传统的“教材控制”转变为“学习者控制”，教学内容外在形式的生动化与内在结构的科学化将更紧密的结合起来，这种环境将极大地促进教学观念发生变化。
2.教学内容的变化
教学内容是教学过程中传递的教学信息，是学生获取知识、掌握技术、发展能力的主要源泉。多媒体虚拟现实技术的引入使教学内容无论是外在形式还是内在结构都产生了很大的变化。
(1)教学内容外在形式的变化。学生的技术水平和动手能力是在实验、实训中培养出来的，在传统的实践教学中，实验课内容主要是学科性的理论验证和学会使用设备、仪器，并从中归纳、总结出规律。这些年来，随着教育技术的发展，从原来只是用录音、录像来辅助文字教材进行教学的方式发展为使用具有人机交互的多媒体技术。多媒体的信息类型有静态的、运动的、超级链接的视觉和听觉信息，媒体信息形式通过计算机的集成处理，提供了超文本、图形、图像、图表、音频、视频和动画。多媒体信息表现形式多样，对于抽象的、概括的概念、原理，除了用文字和语音协同描述外，还可以用三维实景虚拟现实过程，对于不可视的变化、无法触摸的物体或有危险的场所，甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件，也可以通过虚拟现实技术去展现。多媒体技术存贮信息量大，教学内容可以用最有效的方式来表现；而且，同一教学内容还可以用多种信息形式来表现，这就有利于克服单一媒体表现及难以协同表现的弊端。虚拟现实所提供的人机交互的特点尤其适用于个性化教育，因人施教、因材施教，培养高素质的综合型人才。
(2)教学内容的内在结构的变化。虚拟现实的应用将带来教学内容结构的变化。教学内容的内在结构就是学科知识结构设计，知识结构是学科知识间的逻辑关系，是学科内含智力因素的信息源。传统的教材及实验指导材料都是以线性结构来组织学科知识结构的，知识内容的结构及顺序都是以教为主，教学顺序性很强，学生只能在教师的讲授下获得正确的概念、原理及逻辑关系。这种形式的学习，学生对教师的依赖性很大，教材也只是一种教授材料，学生利用它学习的自由度不大，灵活性不强，难以促使学生从已建立的知识结构向新知识结构迁移。使用虚拟现实技术后，多种媒体的信息通过网络化超链接，就可以接近人类认知特点的方式去组织和展示教学内容、构建知识结构，这种网状的信息组织方式是一种非线性结构，链是知识之间的层级逻辑关系。虚拟现实与普通多媒体是多媒体信息处理的高度集成，把信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性结合起来，为学生提供了一种动态、开放的结构化认知形式，它既包括了学科的基本内容，又包括了学科内容之间的逻辑关系，既注重知识的形成过程，又注重知识的结构，凭藉视觉、听觉、触觉信息的协调作用使教学内容的统一与灵活性得到了完善的结合。虚拟现实的这种非线性结构利于学生进行扩散思维，联想原有的知识，获得新知识。
3.教学手段的变化
教学手段是教学过程重要的组成部分之一，它是实现教学目的和教学任务的有效保证。多媒体虚拟现实技术应用于教学过程后，可以促使教学手段向科学化、高效益方向发展，其变化可以体现在以下几个方面：
(1)互动启发式教学。虚拟现实有助于启发式教学的开展，与传统的幻灯、投映胶片和CAI课件相比都有很大的进步，尤其在演示教学内容方面能提供直观的、形象的多重感官刺激的视听觉材料，以一种直接的信息传递方式，通过亲临其境的、自主控制的人机交互，由视觉、听觉、触觉获取“外界”的反应，提供生动活泼的直观形象思维材料、展现学生不能直接观察到的事物等，形成知识点。学生则从思维、情感和行为三个方面参与教学活动。这也是形成启发式教育的基础。虚拟现实教学对教师引导学生讨论交流带来方便，更有利于训练学生的分析总结能力，产生知识结构的新生长点，构建多学科交叉的知识网络，有利于学生知识的获取和增长，培养有创新意识的综合型人才。
(2)发现式教学。发现式教学是以解决问题为中心的教学形式，虚拟现实在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境，有针对性地建构虚拟情景，引导学生进行探究，它以一种接近人类认知特点的网络化结构形式，每个节点包含不同媒体信息的知识点，各知识点之间的逻辑链接关系构成了教学内容的知识结构，提供了发现式的学习思维轨迹。虚拟现实教学不但提供良好的人机交互，还允许学生出错时，自行了解错误的根由及后果，发现解决问题的方法，进而通过分析、综合、比较、归纳、推理等高级思维技能围绕假设进行论证，接近或掌握真理。形成发现式的学习风格和策略，培养高层次的思维技能，这也是素质教育的重要内容之一。
(3)协同工作式教学。以往的教学手段交流只能限于师生之间，学生与学生之间缺乏协作，而虚拟现实教学不受空间位置和相互距离的限制，可让远距离的师生或位置分散的学生“共处于”一个虚拟空间中，通过共同参与，且必须具备协同操作能力才能完成某些项目的设计或训练。这种教学手段与传统的课堂教学中师生之间的交流仅局限于固定时间、固定空间的结构中有很大的差别，不但师生之间可有效交流，而且学生之间能实现协作，培养协同工作的意识，使学生具备适应大系统工作的能力。
(4)情境式教学。虚拟现实技术具有动画虚拟现实的能力，能够把教学中的抽象概念原理、真实的实验过程等形象生动地表现出来，给学生创设真实学习情境，帮助学生获得示范性的知识，把握概念原理的实质。
综上所述，虚拟现实技术进入高校教学的研究将对探索、发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验实训环境、优化教学过程，培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响，并将有助于解决不可视、不可摸、不可入、危险性场所的实验等问题，解决高校普遍存在的实训设备不足、型号落后、难以更新换代跟上科技发展的困难。综合运用多媒体技术、虚拟现实技术和网络技术，还可避免采用数据头盔等极其昂贵设备的半实物仿真方案，能充分发挥虚拟现实技术的集成性、控制性和交互性的特点，这种运用还可向网络学校、虚拟教育延伸。 |
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