虚拟现实技术在地方应用型高校的教学应用探讨

时翔 陈健 邢业新

摘要：基于地方应用型高校服务地方发展，培养应用型人才的任务需求，本文作者将大学生的创新创业训练工作，与深度的产教融合工作进行良好的结合，从课堂教学、实验教学、实训教学及创新训练四个方面对虚拟现实技术在高校教学中的应用体系进行了规划，从团队建设和内涵建设两方面探讨了应用体系建设，最后分析了虚拟现实技术应用于地方应用型高校教学与实训的重要意义。

关键词：虚拟现实;地方应用型高校;产教融合;创新创业训练

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）09-0099-05

虚拟现实（VR）技术通过创造一种模拟真实、虚拟仿真的三维动态环境，使用户沉浸其中，仿佛真实感受，进行交互式体验和感知，增强对感知内容和环境的理解和体会，提高用户的学习效果和体验感受。在世界范围内，VR技术已广泛应用于汽车制造业、游戏娱乐业、旅游业及教育业。[1-3]VR技术应用于教育是现代教育技术发展的一个飞跃，它营造了“交互式体验”和“沉浸式学习”的环境，由传统的“以教为主”的教学方式转换为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。[1-5]

本文基于地方经济发展对新一代信息技术的需求，从地方应用型高校服务地方、培养应用型人才的任务出发，对虚拟现实技术在高校教学中的应用进行了研究。

● “VR+高校教学”的应用体系规划

将VR技术与教学过程、环节进行充分融合，形成“VR+课堂教学”“VR+实验教学”“VR+实训教学”和“VR+创新训练”的系统性教学应用体系。[6-7]

1.“VR+课堂教学”应用

传统的高校课堂教学常采用讲授式教学方式，将知识以口述、阅读、板书、问答、幻灯等形式向学生进行展示。现代信息科学知识体系的交叉性、复杂性特点，使得传统讲授式的讲解已难以向学生进行知识点的准确描述，即使教师费尽口舌去表述，学生仍然感到难以理解。在高校课堂教学中应用VR技术，将知识的讲解和表述转为直观的图像和视频演示，将知识的学习从单向传授转化为交互式体验和学习，使科学理论、工作机理等知识点与技能点的传达更加生动、清晰和准确。“VR+课堂教学”将物理、化学、电子、信息、生物、材料等学科中抽象的知识点通过先进的三维视觉进行具象传达和浸入体验。在实际的课堂教学中，教师可利用VR教室，引导学生佩戴VR眼镜，通过人机交互的手柄或触控按键，调取VR教学课件和VR教学资源，不仅观看“3D”影像的教学资源，而且与知识场景进行交互体验。

2.“VR+实验教学”应用

在实验教学中，特别是在电子与信息、机械与制造、化工与材料类实验课程中，实验设备昂贵，维修费用高，更新换代快，导致某些高等级的实验无法实施，只能纸上谈兵，通过语言描述，学生知识获取的方式较为陈旧。利用VR技术，则可以彻底打破经费、时间与空间的限制，使学生能够在虚拟世界中体验和使用价格高昂的科学仪器和设备，不计成本、不计损耗地进行科学实验和数据获取，能够深入场景、浸入体验，进行危险、复杂、互动等操作和调试，完成现实中难以进行的实验项目。

3.“VR+实训教学”应用

在应用型高校的实训教学中，VR技术更扮演着重要角色。通过VR技术模拟的实习实训场景，跨越时域和空域的限制，使学生能够在虚拟的实训环境中扮演实习工程师的角色，全身心地投入到学习、训练和操作环境中，完成各种实操项目的技能训练。虚拟的训练系统无任何危险和重复使用的成本消费，如通信工程中的移动基站架设等实际操作训练等实训内容，学生不仅可以反复练习，温习知识、熟悉技能，而且可以随意更换城区、山地、乡村等移动通信环境，逐步完成实习工程师到合格工程师的角色转换。

4.“VR+创新训练”应用

“VR+创新训练”以大学生VR创新训练为主要内容，高校教师和企业团队共同为学生的创新训练进行指导和辅助。

首先，建立VR技术学习、研究与开发课程及实训体系。按三级进阶方式，建立入门级（主要为C#编程基础课程）、基础级（主要为Unity 3D及UI系统学习）和技术级（主要为AI系统、SDK系统的操作和实战）课程及实训体系，培养大学生VR技术创新能力，建立VR创新人才团队。

其次，以高校课程为应用实例，开发课程VR课件，用于课堂教学和实训，建立不同学科、不同专业课程的VR课件及素材库。

最后，在上述校内VR创新训练活动基础上，具有VR创新能力的大学生技术团队逐渐走出校外，在当地企事业单位开展“VR+技术培训”“VR+政策宣讲”等实际VR技术应用活动。

● “VR+高校教学”的应用体系建设

从地方应用型高校服务地方、培养应用型人才的根本任务出发，充分发挥高校、学生、企业三方的特点和优势，合作共赢，深度融合，进行“VR+高校教学”的应用体系建设。[8-10]

1.基于“产教融合”的建设思路

结合地方应用型高校的学科基础，从教书育人和服务地方的雙重任务出发，充分进行大学生创新与创业训练、教师教改与科研、服务地方和协助企业研发等工作，将高校的教学改革与产教融合进行良好的结合，开展VR技术在高校教学中的应用。

首先，在条件保障建设上，“VR+高校教学”应用体系整合学校多方力量，共同致力于VR技术的教学应用研究。校电子信息、人工智能等学科为应用体系提供学科支持;校属科研院所为应用体系提供VR设备、资源、技术和研究团队支持;校属各学科、专业的实验室为应用体系提供校内实验和实训场所支持;校电教中心为应用体系提供技术应用和推广上的支持。

其次，在团队建设方面，大学生VR科技创新团队、教师VR技术科研团队、企业VR技术研发团队，形成“三方合力”的VR技术教学应用研究团队。大学生科技创新团队负责3D建模、模型库建设等技术层次不高、工作量较大的工作，企业VR技术团队负责系统建模与集成、系统联调与优化等技术层次较高的工作，教师VR技术团队主要负责VR系统总体工程规划、应用及其推广工作。

最后，在服务与应用体系建设上，将大学生创新训练、教师教改科研等项工作与“VR+高校教学”应用体系紧密结合起来。通过“VR+高校教学”应用体系的建设，不仅能够锻炼大学生VR技术团队的创新能力，提高教师利用VR技术进行教学改革和科学研究的应用，而且可以为地方企事业单位进行“VR+教育”模式的红色教育、思政教育、社区教育、企业培训等，还可以以大学生和高校教师为VR技术人员，利用VR技术为企业产能更新、科技攻关等进行技术服务，使“产”与“教”进行深度融合。

应用体系不仅注重在高校教学中采取探究式及项目式教学的方法，而且在教学改革过程中，注重地方高校与VR行业的先进企业的融合。体系注重充分发挥VR技术特点和大学生勇于科技创新、探究式学习的热情，以学生团队为主力，充分发挥其数量上的优势，让其开发大数量的3D模型、3D环境等VR模型与环境数据库，在教师和企业技术团队的指导下，让其参与完成实验和实训VR课件和应用系统的开发，甚至参与教师和企业的VR科研和产品开发项目。

2.建设内容

在上述主要建设思路指導下构建的“VR+高校教学”应用体系，其主要建设内容如下。

（1）建立“三方合力”的VR技术团队

在VR技术教学应用团队结构中，大学生VR技术创新团队作为技术底层的设计开发主力，企业VR技术团队作为技术核心层的研发主力，教师VR技术团队作为技术应用顶层。大学生、企业、教师三方共同建立金字塔形的“三方合力”的VR技术团队。

（2）建立VR技术学习与开发实训体系

首先，在入门课程中，安排C#编程（核心编程结构、面向对象编程、高级编程）等基础课程学习。

其次，进行三维数字模型建模的基础学习与研究。例如，Unity 3D入门总览、玩转Unity世界、完全精通UI系统（初级）、完全精通UI系统（中级）、完全精通UI系统（高级）等课程的学习与研究。

最后，进行VR设计的技术进阶及核心提升。例如，物理引擎系统与物体运动系统精讲、AI系统/动画状态机系统详解、项目优化、打包、接入实战精讲等课程的实训。

VR技术学习与开发实训体系面向全校各专业学生开放，计算机、通信、艺术等专业学生都能够加入其中，发挥各自专业优势，成为建设VR模型与环境数据库的主力。

（3）建立学生主动式、体验式认知体系

从学生认知规律出发，在高等教育教学的课堂讲授、课内实验、课外实践中融入VR技术，使学生通过身临其境的感觉和交互，达到主动式、体验式认知效果。

从大学生学习的基本理论可知，学生主动学习的功效要远远大于被动接受式的学习。因此，从学生的认知规律出发，将VR技术应用于高等教学，不仅增强知识和规律的直观表达，而且使课堂教学中学生的角色从被动向主动转变，使其更多地参与到对知识的探索、求真和实践中，从而极大地提高了学生的学习效率。VR在高等教学中的应用，不仅能够为学生提供自主学习和训练的环境，而且节省了教育成本，规避了实际操作风险，从内因出发，激发学生知识学习和创新潜能，解决和突破传统教学中的难点和瓶颈。

（4）建立“探究式”及“项目式”教学体系

建立“教师提问与引导、学生探究与动手的探究式教学，以及“任务驱动、项目导向”的项目式教学方法体系，将教育教学任务中的VR技术与专业课程的融合交互部分，交由学生完成。新一代信息技术的发展性、创新性特质与当代大学生勇于创新、勤于动手、善于学习的品质能够很好地结合，学生主动学习中的实践及主导学习（传授给他人）的比例大幅度增加。

首先，将高校工科的专业课程的教学目标和内容，以项目分包、教学与实验课件制作等形式，发布给大学生VR技术创新团队，让团队参与VR教学课件、实践平台的制作，学生在教师的引导下，参与课堂教学的进程及其教学方式的改进。

其次，将高校理科、文科类专业课程，如普通物理、生物化学、企业管理等的教学目标和内容，以任务需求、项目分包、教学与实验课件制作等形式，发布给大学生VR技术创新团队，让工科学生深入理科、文科教育前沿，结合专业需求，制作符合专业特点的VR教学课件、活动平台。

再次，将高校继续教育类课程，以及红色教育、党课教育、地方文化教育等的教学目标和内容，在专任教师的指导下，以项目分包、教学与实验课件制作等形式，发布给高校学生，让学生在受到思政教育、思想熏陶的同时，进行VR教学课件、教育平台的制作，学生全面主导高校继续教育、社区教育类教学的改进和提升。

最后，将VR技术的高校教学应用推出校门，走向社会，进行地方事业、企业单位的技术培训、继续教育等应用，乃至企事业单位的VR技术辅助技术研发或生产开发等其他应用。

（5）建立互惠互利的“产教融合”体系

VR技术企业参与高校的专业课程、继续教育课程、社区教育课程以及其他各类高校教育范畴内的VR课件、活动平台、实践平台的开发;高校教师与学生VR技术团队，参与VR技术企业项目开发，作为企业产品开发和技术更新的强力技术团队“外援”。企业帮助教师及学生团队进行教学与科研创新，高校帮助企业在教育行业市场进行技术的更新及转化。双方互利互惠，共同致力于VR技术在教育行业中的创新性应用。

企业与高校联合进行VR高校教学资源的开发，有助于最大限度地发挥企业的科技实力与创新能力，带动高校整体的VR技术水平及其创新能力的提高，同时高校也为企业带来良好的技术应用和推广市场，实现双方互赢。企业与高校的联合，能够形成“产、学、研、用”一体化的模式，在生产实践、教学实践、科研与实际运用方面相互促进，并形成良性循环，在帮助高校提升教育教学质量的同时，能够根据国家战略部署，培育出更多VR专业人才，促进我国VR行业的发展。

（6）建立“VR+高校教学”应用的共享平台

建立“VR+高校教学”应用的资源共享平台，不仅能够促进各高校、各VR企业之间的合作关系，促进教学方式的创新以及教学模式的改革，而且有利于VR+教育的规模应用，形成地方上规模的VR经济应用。VR的建模、模型库及课件库的建立，在不同的高校、不同的学科各有侧重。只有建立起“VR+高校教学”应用的共享平台，才能够充分发挥各高校优质学科的资源，杜绝人力、物力的浪费，多快好省地建立起基于VR的“没有围墙的大学”，为各高校、各学科提供良好的VR学习、实训资源与平台。

● “VR+高校教学”实施的意义

1.改变学习方式，使其由被动向主动转化

传统讲授式教学模式，由教师安排和设置教学内容，通过语言讲授使学生被动接收知识。虽然随着教学的改革，以被动学习为主的高校教学情况有所改善，但是传统讲授式教学由于根基稳固，仍然占据主要地位。VR技术融入高校教学，能够让学生在教学过程中充满求知欲和探究热情，全方位、浸入式感受知识的原理与奇妙，让主动学习始终占据主导地位。相对于传统的教学模式，“VR+高校教学”模式下，学生在教学活动中占据了主角地位，学习的积极性和主动性以及对科技创新的热情和欲望更加强烈，学习的效率和效果也会大大提高。

2.增强教学效果，提高人才培养质量

VR技术融入高校教学，是利用计算机生成一个学习的虚拟空间，这样不仅能够发挥学生的主观能动性，使学生在浸入式学习体验中感受知识、消化知识，更可以克服经费、时间、空间、器材、场地等的限制，通过VR技术让知识的展示、感受、传授、领会、思维、创新等过程变得更加丰富和具象化。

3.降低教学成本，减少实验隐患风险

VR技术通过创建出一个虚拟教学环境，使学生通过VR设备在虚拟场景中完成课程和实训所需要的操作和实践，节约了教学场地、設备成本;VR课程资源建好后，可以重复利用、多人利用，学生可以反复学习、融汇贯通，能够快速、扎实掌握原理和技能。高校实验室一直狠抓并强调的实验室安全隐患问题，在“VR+高校教学”的实验和实训教学环境中，能够极大降低。此外，当学生在VR环境中反复学习并熟练掌握操作技能后，再进行实物操作，实验的风险也会大幅下降。

4.兼顾教育公平，共享优质教学资源

VR技术能够为教育带来更多的公平，这也是开展“VR+高校教学”的重要意义之一。“VR+高校教学”共享平台的建设，可以为落后地区、地方高校、高职院校的学生提供优质的教学资源，使其身临其境地感受高质量的教学和实训环境，使我国的高等教育更加公平和平等。

● 结语

在VR技术的高校教学应用探讨过程中，在所组建的教师、企业以及大学生VR创新团队三方合力的创新研究团队里，高校大学生科技创新团队作为创新研究的底层主力，为VR技术在高校教学中的应用提供了大量、丰富的3D模型，是VR教学资源库建设的主力，而教师及企业团队则作为总体设计和关键技术攻关的角色，引导整个VR教学团队始终面向需求，不断创新。VR技术应用底层中的大数量3D模型建模、环境渲染等工作，主要由学生VR团队完成，这能使学生更早地进入VR项目训练。

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作者简介：时翔，男，副教授，研究方向为微波毫米波系统集成及其应用。