基于VR技术的高校实验教学模式改革研究

何均健　江晓庆　曾鸣　周恩浩

摘 要 VR技术作为一种新兴的信息技术在高校实验教学中具有很好的应用价值。该文从教学形式、实验资源、考核方式等方面剖析当前高校实验教学存在的缺陷，针对实验教学自身的特点阐述VR技术在的优势，并介绍了推广VR技术亟待解决的难点。

关键词 VR技术 实验教学 教学改革

中图分类号：G642                                   文獻标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.01.017

Abstract As a new information technology， VR technology has a good application value in college experimental teaching. This paper analyzes the defects of current experimental teaching in colleges and universities from the aspects of teaching forms， experimental resources and assessment methods. According to the characteristics of experimental teaching， this paper expounds the advantages of VR technology， and it also introduces the difficulties to be solved in popularizing VR technology.

Keywords VR technology; experiment teaching; teaching reform

1概述

VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术是一门综合计算机技术、多媒体技术、交互技术、传感技术以及人工智能等多种技术而形成的综合性技术。[1]用户一般使用头戴式显示器和具备3DOF或6DOF的输入装备，在计算机渲染生成的虚拟空间环境中与三维对象进行互动，从而得到如身处真实环境的感受和体验。VR技术的变化进展源于航天和军事机构，前沿技术成果通常被首先用于航天和军事领域，国外发达国家始终将其列为国防高科技重点发展的关键技术。[2]目前，由于VR技术所具有的优势，除了被应用到航天和军事领域，也被广泛应用到教育、医疗、制造、娱乐、商业等不同的领域。

VR技术具有沉浸感、强交互、想象性的特质，在高校实验教学中具有重要的应用价值。2007年教育部批准成立《虚拟现实应用教育部工程研究中心》。教育部在“十三五”规划中明确提出，VR教育是“发展未来学校和智慧课堂改革”的重要内容。2017中国高教版《地平线报告》也将VR列为十二项教育技术的重要发展之一。教育部印发《2017年教育信息化工作要点》强调启用VR实验实训平台建设。基于VR技术的虚拟仿真实验，可以通过模拟真实的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中，[3]进行观察式学习、体验式学习和实际操作学习，更好地理解理论知识、掌握操作技能和发挥想象力。

本文通过对高校实验教学现有的问题进行分析，介绍VR技术在高校实验教学中的应用优势，最后提出进一步推广使用VR技术需考虑的重点。

2当前高校实验教学存在的问题

2.1实验教学形式单一

高校传统的实验教学以实体课堂形式进行，教师通过一边讲解一边示范操作，带领着实验课堂的全部进程，学生大多数处于被动做验证性观察或验证性操作的状态，同时学生预习、上课和复习都会在时空和实验材料等方面受限制。在课堂以外学生可以使用网络教学平台上的视频资源进行自我学习，这在一定程度上运用了线上线下教学手段，但始终缺乏真实场景具有的交互感与场面感，一般视频资源也不具备引导、总结和考核环节，学生只是在被动地观看平面的视频或动画等信息化资源，教学效果不尽如人意。

2.2理论教学与实验操作分开，两者未能有效融合

理论教学手段大多偏向支持原始的“教师讲授、学生接受”的学习模式，学习内容过于抽象导致认知效果不足，理解难度太大，容易出现上课听不懂，甚至导致厌学等情况。而实验教学往往又是在理论教学一段时间之后进行，在理论知识开始淡忘后才进行的实验教学，使理论和实践无论从时间和空间上都存在严重脱节，实际上是不利于学生对知识的联系记忆，也不利于将理论和实验之间融会贯通。

2.3多种因素导致实验资源不足、利用率低

例如，有些仪器设备设施体积大、造价高，有些课程所需实验材料难以收集，有些实验难以保证在实验室里安全地进行，这些原因导致的实验资源缺乏或不足，使学生的实际动手机会很少。同时有些昂贵的实验教学设备仪器放在实验室只能供少数师生使用，利用率极低。而实验室非全天候开放也导致学生实验时间有限，限制了学生在课外进行学习探究的热情。另外，存在难以实施的实验教学活动，例如在空中、海洋或微观世界进行自主的观察性和探究性实验，在核辐射影响下进行设备安装维护的实验。

2.4实验课堂互动时间较少，以团体协作进行的实验不多

传统实验课堂上，任课老师通常在开始时介绍实验内容和步骤，学生单独完成整个实验过程。过程中学生与其他人的互动很少，老师的参与度也不高。并且通常实验课程相对理论课程学时较少，学生往往只能尽快在实验课堂上完成本次实验，很难让学生在实验中有时间提出问题，难以激发想象力。

2.5实验考核形式单一，实验教学效果难以评估

大多数实验教学的考核都是通过课堂实验结果、课后填写纸质实验报告、期中或期末进行知识点考试来综合评定，实际上是难于准确判断学生是否已经掌握实验教学所希望学生能掌握的操作技能和综合能力。

3 VR技术在实验教学的意义

3.1有效增加学生对知识的掌握和认识

由于教學条件所限，很多实验材料难以在课堂上展示。而结合VR技术，将真实世界的物体对象重构为三维数字空间的模型和场景，建立起三维的虚拟实验环境，学生在其中可以直观地了解实验材料和仪器设备的宏观结构及微观结构，能根据需要对模型进行拆解、放大、缩小、移动等操作，能清楚地知道其构造原理，能观察到和真实世界对象一样的物理变化检测效果。

3.2理论与实验结合教学，有效调动学生的学习积极性

通过建立起基于VR技术和互联网技术的虚拟仿真实验平台，一方面教师讲课时可以利用各种虚拟实验资源，将知识讲解和实验内容一起进行;另一方面学生可使用多种不同终端进行实验，通过在线与老师、与其他同学一起协作完成实验和交流想法经验，可以提高个人的沟通协同能力，促进学生想象力和创造力的发展。

3.3实验教学考核更注重学生的实际操作能力的考核

在课堂实验结果、纸质实验报告、笔试的基础上增加基于VR技术的实操考核，可以在更真实的条件下更全面地考核学生的对课程的掌握程度。同时学生可以通过多次实验，在知识和技能熟悉度提高后再进行考核，获取更好的成绩，也加深对知识的理解。

4推广使用VR技术亟待解决的难点

4.1搭建基于VR技术的统一的实验教学平台体系

现在很多高校内部存在多个虚拟仿真实验系统，不同系统采用的技术各不相同，相互间的实验教学资源无法共享使用，老师和学生也无法参与建设和优化平台的实验教学资源。

4.2培养掌握VR技术环境下教学的教师队伍

负责实验教学的专业老师需要具备使用VR实验教学手段、参与制作VR实验课程的能力，需要参与实验平台的建设和优化，需要对现代信息技术、教育技术有相当的了解。

4.3VR实验课程的内容与教学目标相匹配

VR实验应作为课程大纲的内容，作为理论教学和真实实验的必要补充，纳入课程考核的一部分。

4.4降低VR实验教学所需的软硬件成本

VR实验教学建设成本包括：逼真的3D模型和场景的制作，软件平台的搭建， 硬件设施的购置（VR头显和输入定位设备、计算机和网络设备等）。在现阶段对高校来说还是比较大的投入。

5结语

实验教学作为高校教学的十分重要部分，基于VR技术的实验教学模式，为高校实验教学改革提供了一个机遇，不仅丰富了现有的教学手段，解决影响实验教学效果的一些难点，而且有效地改善学生学习体验，激活学习积极性，提升学习效果，调动教师的教学活力。同时基于VR技术的实验教学模式还需要长时间的探索和不断完善，为高校的教学改革提供借鉴。

基金项目：2017年度华南农业大学教育教学改革与研究项目“以智慧教育为导向的VR教学模式研究——以《植物学》为例”（JG17061）

参考文献

[1] 孙柏林.虚拟现实技术在美国军队中的应用述评[J].计算机仿真，2018，35（01）：1-7.

[2] 蒋庆全.国外VR技术发展综述[J].飞航导弹，2002（01）：27-34，61.

[3] 李顺，王震，温柳，暨波，叶益聪.虚拟仿真实验教学中心的发展现状探析[J].科教文汇（下旬刊），2019（05）：77-78.