虚拟仿真技术在课堂教学中的应用初探

宋雅嵚， 何培玲， 潘金龙， 徐奋强， 赵延喜

(1.南京工程学院 a.经济与管理学院； b.建筑工程学院，江苏 南京 211167；2.南京工业大学浦江学院 土木建筑工程学院，江苏 南京 211200)

教学改革旨在提高教育质量，注重素质教育的发展，在教师的教与学生的学方面进行改革创新，着重强调以学生发展为根本，注意锻炼其发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力，培养创新型人才[1].课堂是传授知识的重要场所，随着信息技术的发展，传统的课堂教学在提高学生综合能力方面出现了一些短板，而在课堂教学中引入虚拟仿真(意同Virtual Reality，虚拟现实，简称为VR)技术，可以利用其能情景再现的优势，补齐传统课堂教学的短板，提高学生学习的主动性，培养其创新能力.本文即研究在课堂教学中如何应用VR技术，提高课堂教学的质量和效果.

1 虚拟仿真技术简介

仿真(simulation)技术，或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术.VR实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统.此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互.VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成的结晶[2].通过VR技术可将现实环境通过相关设备、技术模拟出来.这种技术兴起于20世纪80年代，可以提供三维场景，虽然这种场景是虚拟的，但却可以将现实中的场景非常逼真地模拟出来.在这种环境中，使用者可以根据自己的需求操作设备，获得身临其境的体验.这种技术之所以能够带给人非同凡响的体验效果，大多归功于其与人之间出色的交互性和模拟场景的逼真性，能够让使用者沉浸其中，且可以通过语音和肢体动作来控制场景，获得视、听、触、动等方面的享受.VR的奥妙之处在于，它可以将世界上的各种事物或者环境，无论其存在与否，通过计算机技术进行再现.虚拟仿真的核心就是通过计算机技术生成某一种环境，使用者可以通过相关仪器设备将自己带进这个虚拟环境中，并且通过自己的认知来绘制所需要的场景，满足控制自然的欲望.更让人想不到的是，当人以真实环境的操作方法进入虚拟环境时，给人的信息回馈与真实环境无异.

VR技术中使用的交互式动画[3],是利用计算机技术，通过对相关数据的收集与整理，在虚拟环境中再现现实中的场景，并与使用者产生互动，是一种兼具可视性与操作性的全新形式，让使用者在体验时产生质的飞跃.这种交互式动画依赖的核心技术使得使用者与计算机之间能够实现“交流”和“互动”，这种技术因其出色的体验效果，得到了普遍接受和运用.

虚拟交互技术综合利用虚拟现实和交互技术，根据使用者不同的需求设定相应的内容，每一个画面都是使用者定制的，颠覆了以往只能被动接受画面的认知，使用者只需轻轻按动相应的按键进行设定，就可以与计算机形成互动，得到全新的人机交互体验.互联网的发展使得这种个人体验可以与他人分享，极大地满足了人们的体验需求.

2 虚拟仿真技术给课堂教学带来的转变

2.1 角色转变

VR技术的引入，使学生成为教学过程的核心，突出了学生的主体地位.课堂教学可以紧紧围绕如何使学生能更加积极、主动地学习而进行教学方法的设计，符合新时代以学生为中心的教学理念.在教学过程中，教师不仅是知识的传授者，而且是学生学习中的朋友，这就拉近了师生之间的距离，有利于师生间增进感情，形成良好的学习氛围.

2.2 作用转变

在教学中采用VR技术，学生既能更加有效地在短时间内充分调动自己视觉、听觉和触觉，综合理解和应用所学知识，快速高效地掌握相关知识，又能够借助亲身体验，主动分析和研究相应事物蕴含的规律，进而总结、概括出相关结论.这样，VR技术就成为学生认识事物的工具，而不仅仅是教师进行教学的工具.

2.3 过程转变

课堂教学活动体现在教与学两个方面，传统教学过程往往是教师说教在先，学生学习在后，在这个过程中，如何充分发挥学生的主观能动性，如何培养学生独立思考的习惯，如何提高学生解决问题的能力等问题一直困扰着教师.引入VR技术后，教学过程变为教师引导、组织，学生积极主动地探索与研究，通过发现问题、解决问题掌握相应的知识，从而提高学生独立思考的能力和解决问题的能力.

3 虚拟仿真技术在课堂教学中的应用

VR技术在教学方式上注重与学习者的沟通与交流，使学生在相互学习中取得进步.在课堂上通过仿真将相关问题学术化，并广泛讨论、多方思考、深入研究，可以有效地提高学习者的能力.学生在解答问题时，可广泛地收集相关信息，深入分析相关因素，并在这个过程中体会到解决问题的过程实际上就是再学习的过程的道理，从而能正确地认识事物，提高自己处理问题的能力和创新能力.VR技术引入课堂的宗旨是鼓励学生主动参与，互动学习，突出学生的主体地位.在这个过程中，既可观察学生外在行为，比如举止、语言；又可了解学生的内心思维活动，即思考什么和如何思考.这既可以锻炼学生语言、行为能力，还可以优化学生思考问题的方式，让学生在掌握技能的同时提高创新能力.

VR技术应用于课堂教学中的案例可以是相关学科的内容，也可以是生活中的内容.如地铁项目，在地下车站的建设过程中，采用3D虚拟仿真技术，可以很直观地将明挖法中地铁站工程的相关维护结构、主体结构等施工流程展现出来.这些流程包含降水施工、围护结构施工、地基稳定加固施工、基坑开挖施工、基坑支护施工、主体结构施工、防水措施施工等.学生使用手柄控制器可实现虚拟空间长距离移动和自由移动，对场景进行多方位的观察，它能形象地模拟出真实项目中地铁站围护结构和主体结构，给人一种身临其境的体验效果.又如H型钢梁载荷—应变测试3D模拟实验，从试件制作、打磨、贴应变片到加载记录数据、卸载的全过程，都能让学生使用鼠标、键盘通过VR技术进行实际操作.再如，通过BIM(建筑信息模型，Building Information Modeling的简称)技术建立地下管廊工程模型后，可使用VR设备进行展示和体验，使体验者身临其境地观看现场情况并在管廊中任意漫游，可使用VR手柄与场景的实时交互来了解管线信息.当前，建筑行业中兴起了装配式建筑，虚拟仿真技术配以先进的BIM技术，以三维模型为背景，以实际装配式全过程施工为载体，可真实还原装配式构件从预制到运输，到现场后组装建设的全部施工要点.利用VR教学时，学生不用去施工现场，在教室里就可以完成相应知识点的学习，有助于培养学生的学习兴趣，提高教学效果.

4 虚拟仿真技术在课堂教学中的应用效果

(1)可以激发学生学习动机

在教学活动中，学生的学习积极性主要靠自身学习动机驱动，这个因素在学习过程中具有“核心”地位，而学习动机需要外界环境的引导和刺激，VR技术恰恰能够通过学生自主控制虚拟环境来刺激其本身对学习需求的欲望，进而激发其学习动机，提高其学习主动性.

(2)帮助学生主动发现问题

将VR技术引入课堂，学生可以选择和创造适合自己的学习环境，充分调动学习的求知欲，学生会更加注重“自主求索”，有利于学生主动地发现问题，并在相互讨论中培养思考问题的能力.这样可将教师“讲授知识”转变为学生“主动求知”.

(3)转变学生学习方式

引入VR技术，学生的学习方式有了巨大改变，一改之前在掌握知识时单纯记忆的情况，在做题时也摒弃机械式的重复练习，在发现并提出问题后能主动去解决，提高自身的综合素质.在这个过程中，“动”字很重要，在课堂教学中使用VR技术能帮助学生将“动”与“学”完美结合，做到“动中学、学中做”.

(4)增加学生主动交流的几率

使用VR技术教学时，可以相互(无论是师生间还是同学间)讨论交流，分享学习过程中的体会与心得，无论采用个人成果汇报，或者开展学习上的查漏补缺活动，亦或是对别人意见的几点补充，都可以达到较好的效果.虚拟仿真在增加学生间、教师与学生间的交流机会，创造学生的交流环境方面有不可替代的作用.学生在交流中可以完善自己的知识体系，重建个人对事物的认知结构，进而提升解决问题的能力.

5 结语

VR技术日益成熟，其不仅能在工程领域大放光彩，也能在课堂教学中发挥巨大作用，给现有的教学模式注入强心剂，使其发生质的改变.这种技术为学生提了一种新的学习环境，也为课堂教学提供了一种新的教学模式，可以带给学生和教师全新的体验.