虚拟现实技术在电子类专业职业教育中的应用*

2011-02-21刘颖天津职业技术师范大学电子工程学院天津300222

职业教育研究 2011年10期

关键词：虚拟现实实验室职业

刘颖（天津职业技术师范大学电子工程学院天津 300222）

刘颖
（天津职业技术师范大学电子工程学院天津 300222）

针对电子类专业职业教育的培养目标，论述了虚拟现实技术在理论教学与技能培训中的应用前景。将虚拟现实技术应用于电子类专业职业教育，不仅可以适应学生理论学习中情景化及交互性的要求，而且也能更好地满足锻炼和提高学生实际动手能力的需要。

虚拟现实技术；电子类专业；职业教育

电子类专业职业教育的目标，是培养能够从事与电子信息技术有关的信息处理、通信技术、电子技术、计算机技术等领域工作的应用型技术人才，要求毕业生动手能力强、专业基础扎实，并能够很快适应岗位工作。职业能力的养成，需要学生不仅扎实地学习理论课程，还须接受大量的实验、实训、课程设计、专业实习等实践环节的训练。这就意味着职业院校需要投入大量的人力、物力来满足这些实践环节的需要，如多个指导教师、多套电子设备的投入以及大量元器件的消耗等。此外，当今电子信息技术及其应用的迅猛发展，对学生的电子信息技术应用能力提出了更高的要求，如何在有限的教学时间内，提高学生的专业应用能力以适应专业技术的发展，是亟待解决的问题。因此，合理利用最新技术改变旧的教学方式与实践方式，缩短理论与实践相结合的时空距离，减少实践环节长期持续的人力、物力消耗，无疑是一条值得探索的有效途径。

虚拟现实技术是一门新兴的高端综合性信息技术，它融合了计算机图形学、多媒体技术、传感器技术、数字图像处理、人工智能等多个信息技术分支。随着虚拟现实技术的飞速发展，其应用也由最初的网络游戏领域扩展到了航空航天、建筑设计、三维医学成像、电力、化工、教育、制造业等多个领域。虚拟现实技术具有多感知性、沉浸感、实时性和交互性等突出特征，对电子类专业职业教育培养动手能力强、专业技能扎实的专业技术人才具有极大的辅助作用。

虚拟现实技术的特点及虚拟现实系统的组成

虚拟现实技术具有如下特点：多感知性，包括视觉感知、听觉感知、触觉感知、味觉感知及嗅觉感知等；沉浸感，指用户在虚拟现实技术构造的三维虚拟环境中产生身临其境、沉浸其中的感觉；实时性，指虚拟环境中的各种“物体”会按照各自的规则根据用户的操作指令实时响应；交互性，指用户可通过专用设备或接口实现对模拟环境的考察和操作，并能从环境中得到反馈。

构建一个虚拟现实系统的基本手段和目标就是利用并集成高性能计算机软硬件及各类先进的传感器，结合计算机图形学、图像处理与识别技术、人机接口技术、分布处理技术、数据库技术、多媒体技术等，创建一个具有沉浸感、交互性的虚拟环境。构造这种虚拟环境，在硬件方面需要跟踪系统、触觉系统、音频系统、图像生成和显示系统以及高性能计算机处理系统等；在软件方面，除一般软件支撑环境外，还需要能把各种数据库及各种CAD软件进行调用和互联的集成环境。

虚拟现实技术应用于电子类专业职业教育的意义

虚拟现实技术是一种能有效地模拟人在某种环境中的各种感受及动作行为的高级人机交互技术。它所产生的局部世界并非真实世界，而是人造的虚构世界。但是当用户通过人机接口进入这种虚构世界时，却感觉与现实世界基本相同。在虚拟现实世界中，用户通过视、听、触等感觉的逼真体验，直接参与和探索虚拟对象的作用和变化，从而产生对相应真实对象的理解和感受。虚拟现实技术应用于电子类专业的职业教育领域，可以很好地解决教学的情景化及交互性要求，使学生在较短的时间内对所学内容产生深刻的印象，从而加深理解。

增强学生的学习效果由于虚拟现实技术具有情景化与临场化的特点，将其应用于教学之中，能够充分调动学生的各个感觉器官，使学生全身心沉浸在学习环境中，通过自身对环境中各种信息的体验来获得知识和技能。在传统教育模式下，学生仅仅通过教材和教师的讲授来获得知识，要想取得较好的学习效果，尤其是攻克难点，必须通过教师反复详细讲解、学生反复练习及实验实训等环节。而且这些环节应紧密联系，每一个都必不可缺，倘若哪个环节没有做好，或者各环节之间相互脱节，都会影响学生的学习效果。而基于虚拟现实的教学则可涵盖传统教学的各个环节，使那些抽象、枯燥、难懂的学习内容以生动形象的形式表现出来，大大提高学生的理解程度和掌握速度。例如，对于继电接触器控制系统，在传统教学模式下，在理论课上教师只能对其电子控制原理图进行讲解来说明其控制原理，比较抽象难懂，通常需要反复讲解。在实验课上若要连接建立一个较为完整的继电接触器控制系统，则需要大量密集的连线，要求在实验器材上做充分准备，但学生还是会感到晕头转向，摸不清门路。而采用虚拟现实技术，只需模拟搭接选定的电路系统，调节电路元件后，就可立即实现各继电接触器对电路的控制，从而加强学生对理论的理解，激发学生的学习兴趣。

构建开放性的教学环境采用虚拟现实技术，能够创建一个民主、和谐、平等的教学环境。师生在其中可以自由地发表意见，大胆地进行各种尝试；学生还可自行设计和选择实验方式，充分发挥想象力和能动性；允许和鼓励学生探索各种可能性，充分发挥创造力。如构造一个真实电路的虚拟系统，学生可以在此系统中搭建各种电路，信号源、示波器、直流电源、万用表以及各种电子元件都能在虚拟系统中找到并使用，而且可以得到与在真实环境中相同的测试结果。此外，当出现一些错误连接时，也会导致真实环境中相应的不良结果，如一些元器件的毁坏等，不仅能使学生直观地感受到错误连接的后果，而且能杜绝不安全的因素，避免元器件的消耗。

丰富教学内容，突破时空及其他因素的限制应用虚拟现实技术可以演示一些远离人们日常生活、不便观察的自然现象，以及一些硬件设备太过高昂的实验。例如，在有关移动通信的教学中，传统教学主要靠教师讲授，最多配合多媒体演示一些相关图片，学生难有直观的和整体的认识。而使用虚拟现实技术模拟移动通信系统，学生可以直接进入到移动通信系统中的各个部分和环节查看，如对基站与基站控制器、移动交换中心的查看以及查看话费的计价系统等，从而对整个移动通信系统有一个清楚、完整、直观的认识，轻松地理解和掌握其各个组成部分的构造与工作原理。

虚拟现实技术在电子类专业职业教育中的具体应用

在电子类专业职业教育中，学生动手能力的培养是第一位的，虚拟现实技术也应适应这一培养目标，着力于学生的实际操作训练。其具体应用可以包括：

建设虚拟实验室在电子类专业职业教育中，各个专业培养方向都应配有该方向的实验实训室，如电路与微机实验室、通信系统实验室、信号与信息处理实验室等。在这些实验室中，学生通过实际操作锻炼自己的动手能力。但是要系统、完善地建立这些实验室，并使它们紧跟技术发展的步伐，需要大量的长期不断的经费投入，且需要占用很多场地。而虚拟实验室可以是这些现实实验室的真实再现，还可以是现实世界中根本不可能存在的实验室。在虚拟实验室中，学生可以参与各种实验实训，亲身动手实践，从而实现个性化教育，避免大量人力、财力和时间的浪费。以通信系统虚拟实验室为例，它可以在虚拟世界中建立与现实世界中完全相同的固定电话网、移动通信网、卫星通信网以及光纤通信网等通信网络。这些通信网络在现实实验室中，有的只能将其简化成简单的通信模型，学生无法深入学习；有的只能模拟其中一小部分，无法让学生看到全貌，学生难以了解整个通信系统各部分之间的联系与协作；有的甚至很难在现实实验室中实现，学生只能靠理论课程上教师的讲授以及其他图书资料的介绍来学习。而在虚拟实验室中，学生可以随意进入各个通信网络中的任意组成部分，查看任意一个环节的工作状态，还可通过动手操作（如改变参数等），改变相关环节的工作状态，排查各种故障。这样，学生不仅能了解整个通信网络的全貌，还能掌握其各组成部分的工作原理，并能够熟练地分析各种故障产生的原因，从而快速解决问题。

建设信息化校园虚拟现实技术促进了高职院校信息化的建设进程，为教育队伍提供了一个高起点的科研环境，使高职院校的教学人员和科研人员有一个更为广阔的施展才华的空间，也促使学科建设不断迈上新台阶。电子类专业职业教育培养的是适应现代电子信息技术发展的应用型人才。目前，由于电子信息技术的飞速发展，各高职院校现有的实验实训设备已相对陈旧，这样也就难以培养出现有技术工作岗位所需要的人才。另外，教师对着一成不变的实验实训设备，也感觉没有自身进步和发展的空间。因此，利用虚拟现实技术建设信息化校园，可以使学生受益、教师进步，使得教、研、学同时更上一层楼，且能使三者间相互促进，形成良性循环，加快学科建设的步伐。

建设远程教育网络虚拟现实技术应用于教育网络，可以实现教师和学生间的有利互动。这样，无论教师与学生之间相距多远，无论有多少学生，学生都可以与教师“零距离”对话，从而有利于提高教学效果和节约教育投入。在基于虚拟现实技术的远程教育网络的帮助下，在校学习的学生除课堂学习外，还可在课下（如在寝室或校外）登陆远程教育网络进行预习、复习以及实践练习，从而收到良好的学习效果。另外，学校还可招收仅在校外学习的学生，实现不限地域招生和教学。这样，不仅学生可以直接在生源地的家中学习，省去住宿、伙食等费用，学校也能够以现有规模和设备招收更多的学生。

虚拟现实技术是一门崭新的具有很大潜力的技术，已经越来越多地应用于教育领域，并收到了良好的效果。但目前虚拟现实技术在电子类专业职业教育中的应用仍处于初级发展阶段，很多高职院校的电子类专业还尚未应用任何虚拟现实技术。随着相关技术的发展，相信虚拟现实技术将会在电子类专业职业教育领域发挥更大的影响和作用。

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（本栏责任编辑：谢良才）

如果教育学要从各方面去培养人，那么它首先要从各方面去了解人。

——乌申斯基