高校课程VR虚拟实验室的研究

郭亮 刘书廷

摘  要：高校虚拟实验室的最大特点在于一切实验操作都是在看似虚拟实则逼真的虚拟空间中完成，以类似游戏的形式让學生长时间集中精神在学习上，通过寓教于乐的方式熟练掌握每个知识点。通过对虚拟实验室技术的深入研究，能够解决传统教学枯燥无味的现象，无论学生成绩好坏，都能从VR技术提供的沉浸式教学中获益。更希望在未来几年中，还会有越来越多的人通过各种方式在虚拟世界中观察和体验真实的世界，以一种全新的、更加全面的方法来学习。

关键词：虚拟现实;知识点;沉浸式

多年的从教经验让我发现，尽管教师们都希望学生能在自己课堂上时刻保持全神贯注的状态，但现实往往是绝大多数学生做不到这一点。然而学生却会在“课余时间”花费数小时全神贯注地打游戏，通宵者也并不少见，而花同样精力在学习上的人却屈指可数。“VR虚拟现实”作为时下流行的新兴技术，在与课堂教学的结合使用上，已经能在很多国家看到案例，特别是高校虚拟实验室的出现，已经成为国外推行“智慧课堂”过程中很重要的一项应用。

高校虚拟实验室的最大特点在于一切实验操作都是在看似虚拟实则逼真的虚拟空间中完成，以类似游戏的形式让学生长时间集中精神在学习上，通过寓教于乐的方式熟练掌握每个知识点。通过对虚拟实验室技术的深入研究，能够解决传统教学枯燥无味的现象，无论学生成绩好坏，都能从VR技术提供的沉浸式教学中获益。更希望在未来几年中，还会有越来越多的人通过各种方式在虚拟世界中观察和体验真实的世界，以一种全新的、更加全面的方法来学习。

1.研究意义

研究高校虚拟实验室的意义在于，与不同学科方向的合作、交叉，开展以VR虚拟现实技术为基础的研究。例如通过对电气、机械制造类专业课程的数字化模拟，将看似虚拟的实则较为逼真的多媒体教学环境应用于课堂，给予学生身临其境的真实感受，以此来激发学生的学习兴趣，引导学生发挥想象力，提升学生的创新思维。从而践行我国现代教学中数字场景教学理念，解决高等教育及义务教育中特定教学内容难呈现、成本高、难重复、高危险等问题。

2.国内外研究现状

美国是虚拟现实技术研究的发源地，最初研究的虚拟现实技术只是用于美国军方对飞行驾驶员和宇航员的模拟训练。然而，随着冷战结束后美国军费大大的削减，虚拟现实技术就逐渐转为民用，目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。

英国在VR开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备研究方面，在欧洲来说是领先的。德国在VR领域上主要应用于改造传统产业方面，例如在产品设计时降低成本，以及产品演示和新生产设备投入使用前用虚拟工厂来提高工人的操作水平等方面。

在我国虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离，随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视。清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全景VR制;浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统;哈尔滨工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等。

3.研究目标

虚拟实验室的研究目标是希望通过对VR虚拟现实技术的研究，将课程中涉及到实际操作方面的知识通过逼真的虚拟现实技术还原出来，学生以类似游戏的形式参与到教学当中，从而达到人机交互、身临其境、寓教于乐的效果，开展以实现“智慧课堂”为最终目标的技术研究。在制作效果上主要达到以下技术指标：

（1）完成课程中使用的所有仪器设备的模型制作。

（2）能够通过VR设备清晰识别到虚拟实验室，以及流畅完成对实验设备的操作。

（3）系统中模拟昼夜更替、四季变化、风霜雨雪等自然现象。

（4）为场景添加音效、语音提示、教学辅助等功能，突出人工智能特点。

（5）课程内容设计合理，条理清晰，能够较好的完教学任务。

4.风险分析

（1）技术风险

随着VR领域的不断发展，新设备、新技术的更新日新月异。目前业内普遍使用的VR设备是HTC公司生产的VIEW和Facebook公司生产的Oculus两款设备，而目前线上发行的虚拟产品大多只针对个别设备使用，无法做到全部兼容，由此便会影响到高校的采购和使用。

（2）市场风险

市场产品销售量与价格为项目运行效益的较大风险。由于产品的附加值较高，预计从事本行业的研究和生产单位会有所增加。省内研究虚拟现实较为成熟的公司主要有“长春博立科技有限公司”、“长春启宏教育”、“吉林合厚数字科技有限公司”。三家公司均以制作虚拟实验教学、虚拟漫游类项目为主，但产品价格较高，后期维护费用昂贵。

5.前景分析

虚拟现实发展前景十分广阔，而将该技术搭载在大数据、云计算、5G等技术上，更是我们一直渴求的。从某种意义上说它将改变人们的思维方式，甚至会改变人们对世界、自己、空间和时间的看法。它是一项正在发展的、具有深远潜在应用方向的新技术。

参考文献

[1]  高伟王 昱霖. 基于虚拟现实技术下深度学习环境的构建研究[J] .辽宁：辽宁师范大学计算机与信息技术学院，2019.

[2]  流畅.指导老师：尚晓明.初探结合VR虚拟现实技术的动画技术运用[J] .卷宗，2017，（31）：234-234.

作者简介：郭亮，1984年5月出生，男，汉族，籍贯辽宁，讲师，硕士研究，就职于长春光华学院，研究方向：虚拟现实、三维动画。刘书廷，1986年6月出生，女，汉族，籍贯天津，二级教师，硕士研究，就职于长春市第一实验银河小学，研究方向：英语、虚拟现实情景教学。