融合虚拟现实技术的专业课程教学模式改革

冯建国　李桂花　高宗军　王敏　田红　陈涛

关键词：虚拟现实技术；高等教育；教学模式；专业课程；应用现状；融合策略

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）36-0124-03

作为一种新兴科技，虚拟现实技术在多学科、多领域都得到了较为广泛的应用，众多科研人员和教师也从不同角度进行了深入研究。

以“虛拟现实”为检索词，时间限定于1990年1月至2020年12月，在中国知网（https：//kns.cnki.net）中按“篇名”进行检索。2016年之前，文献数量增长缓慢，从2016开始，文献数量呈指数增长。2016年的文献数量为1705篇，2020年的文献数量达到4420篇，增长了约2.6倍。当前“虚拟现实”主要集中在计算机领域，其次是教育领域。二者之和占到全部研究领域文献数量的69.2%。以“虚拟现实”为检索词，时间限定于2000年1月至2020年12月，同时学科限定为“高等教育”，在中国知网（https：//kns.cnki.net）中按“篇名”进行检索，2012年之前，文献数量增长缓慢，从2012开始，文献数量快速增长。2012年的文献数量为9篇，2020年的文献数量达到93篇，增长了约10倍。

1 虚拟现实技术与教育教学

刘俊峰等将教育技术分为五类，即常规教学模式、多媒体教学模式、远程教学模式、网络直播教学模式和虚拟现实教学模式[1]。可见，“虚拟现实”教学模式已成为教育技术的重要组成部分和发展趋势。

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR技术）是20世纪80年代兴起的以计算机仿真技术为基础，综合了计算机图形学、传感技术、系统仿真技术、人工智能技术、大数据技术、多传感器技术以及网络信息技术等多种先进技术的最新发展成果。狭义的虚拟现实技术是指运用各种传感器和可视化设备生成一个逼真的三维虚拟环境，将画面、声音等作用于用户的视觉、触觉、听觉，从而使人沉浸在这个可以感知的、高度仿真的虚拟世界中，进而产生一种身临其境的感觉[2-3]。

1.2 虚拟现实技术的特点

（1）沉浸性。VR技术通过借助视觉、触觉、听觉等多个人体感知器官，可以让人沉浸在虚拟世界，同时产生如同身处现实世界的感觉。赵梦媛等将多个人体器官参与感知称为VR技术的多感知性[4]。

（2）交互性。VR技术进一步加强了人机交互式体验。通过触摸屏或操作手柄进行人机交互，在虚拟的场景中完成一系列操作，从最初的只有感官输入的被动式体验到可以对虚拟环境中的事物进行操作并得到及时的反馈。

（3）想象性。使用者依据在虚拟环境中获取的信息，通过自我意识行为和人机互动后，根据自身的逻辑思维、事物联想等能力，将虚拟现实系统中没有直接展现的画面和信息想象扩充并进行物像化[5-7]。

1.3 教育教学中运用虚拟现实技术的优势

元伟霞认为，VR技术与教育教学的融合，首先在建构主义学习理论、情境认知理论、模拟思维方法等方面具备稳定和成熟的理论基础[8]。此外，VR技术在教育教学领域的应用具有如下优势：

（1）人员安全得到有效保障，补充特殊场景观摩体验

实践教学是高等教育人类培养的重要组成部分，对学生专业技能的提升具有重要意义。在实践教学过程中，有些环境或操作具有一定的危险性，例如岩石剪切破坏实验、涉及强酸强碱、芳烃等有毒有害化学品分析实验等，一旦操作不当可能会造成安全事故，进而危及实验室或师生的人身安全。此外，地震、火山喷发、洪水、滑坡等灾害性场景在传统实验室是无法实现的，即便能够进行物理模拟，观摩的学生也存在一定的危险性。运用VR技术模拟实验现场和实验过程，安全性得到大幅提升，即使在操作过程中失当，也不会造成安全事故。

（2）培养学生的创新思维，提高学习积极性

VR技术利用计算机生成虚拟的三维空间，通过视觉、听觉、触觉等人体感知器官获得信息反馈，非常符合青年学生的猎奇心理。在教学过程中使用VR技术，不仅可以提高学生的学习体验，提升教学效果，而且可以给学生带来全新的观察视角，培养学生的创新思维。

（3）改变传统教学理念，开展教学模式改革

VR技术与教育教学的融合，有利于教师改变传统教学理念，开展教学模式改革。根据VR技术的特点和优势，与教学内容深入衔接，持续改进教学手段，带给学生沉浸式体验，鼓励学生自主学习。以成果导向为指引，用学生乐于接受和高效吸收的方式实施课程教学，便于更好地实现课程教学目标[2，5，9-10]。

（4）弥补实验场地紧缺、实验设备陈旧的问题

由于专业理论与实验设备的不断发展，用人单位对毕业生专业实践技能的提高，各个高校都处于增加（扩充）实验室、采购实验器材的循环过程之中。办公室与实验室争夺空间、实验器材消耗折旧乃至陈旧问题突出；即便是满足最低台套数的实验器材更新，动辄也需要几万甚至几十万，让有限的教学经费捉襟见肘。利用VR技术模拟实践现场环境，则在一定程度上打破了实验场地、实验器材的限制，可以更好地满足实践教学的需求[6，11]。

2 虚拟现实技术与课程教学的融合

2.1 虚拟现实技术在教学中运用的原则

在进行虚拟现实教学的过程中，需要遵循的原则包括：

（1）真实性原则。VR技术的运用必须遵循教育教学的客观规律，基于VR技术的教学内容也必须符合专业理论的基本规律，其场景设置必须符合客观实际，不能随意夸大或者过分简化。

（2）典型性原则。在VR技术与教学内容有机融合的过程中，所制作或者引入的虚拟环境应该具有典型性和代表性，而不应该是非普遍的，甚至特殊的。

只有典型的事例才有助于学生掌握专业知识中的普遍规律。

（3）整体性原则。在利用VR技术开展教学活动时，必须把握专业知识体系的整体性。当出现受到各种因素的限制而不够完整的情况时，应该及时采用其他教学模式加以补充和完善，这样才能进一步提高学生对所学知识的掌握程度，提升课程整体的教学质量。

（4）选择性原则。授课教师必须认识到，VR技术不是万能的。只有发挥VR技术的优势，选择那些适合VR技术的教学内容开展虚拟现实教学，才能实现提高教学效果的目的[12]。

2.2 虚拟现实技术的运用现状

相对而言，国内VR技术在教育教学领域的运用主要是小学、中学阶段的科普和企事业单位的技术培训，高等院校基于VR技术的课程教学以部分重点高校、民营私立院校为主。造成这一现象的主要原因包括：

（1）VR设备成本高，而国内尚未形成完备的VR 技术研发、技术服务体系[13-14]。小学和中学阶段，利用VR技术进行科学探索教育，受众广泛，研发和服务成本相对降低；企事业单位培训的资金较为充足，较高的研发和服务成本也能得到认可。

（2）高等院校的专业划分很细，同一院校不同专业的课程教学对VR技术的需求可能存在较大差异，而个性化的技术服务往往意味着高成本。不同层次高校的教育资金来源和数量存在差异，办学理念各有不同，加之VR技术硬件投入和技术支持的成本较高，使得多数普通高等院校将VR技术用于课程教学体验和课程教学模式创新[15]。

（3）當前，优质教育教学资源的十分匮乏，导致教育教学资源不能满足专业化的教学需求；与此同时，VR教育资源开发的门槛较高，普通的一线教师往往不能胜任，即便开发出一些资源，其质量往往也难以达到专业团队的水平[16]。

（4）VR技术还处于发展阶段，如何在现有的教育技术、教学设备、教育资源的基础上，实现VR技术与其他教育技术的融合，各尽所能地为提高教育教学效果服务，还需一段较长时间的探索与磨合[17]。

上述五个方面，影响了VR技术在高等院校教学活动中的广泛运用。当然，应该看到王婷、侯晨等人已经成功将VR技术应用于土木工程测量教学、岩石力学实验教学活动[18-19]，朱海燕、罗珽等人对VR技术在海洋钻井工程课程教学、地球科学中的应用前景已经有了成熟的认识[20-21]。

3 强化和促进虚拟现实技术与课程教学融合的策略

教育教学工作是一项系统工程，必须坚持“全员、全过程、全方位育人”的方针。而强化和促进VR技术在教育教学中的应用，也必须全盘考虑，全面统筹。

3.1 各级高等教育管理部门的支持

（1）各级高等教育管理部门应制定相应的政策支持和资金支持。积极践行高等教育发展战略，在充分认识VR技术对高等教育教学积极作用的基础上，鼓励开展基于VR技术的高等教育教学新模式方面的探索和研究，在不断强化高等院校VR技术基础设施建设的同时，以各类教学项目促进VR技术在高等教育中的运用，以实现引领高等教育教学模式变革的目标[2]。

（2）鼓励和指导基于VR技术的教学资源的开发，建设基于VR技术的教学资源库，制定相应的质量监控机制和评估标准，规范基于VR技术的教学活动，做到各个环节可追踪、可衡量。

3.2 VR 技术创新和技术服务

《国家“十三五”规划（2016－2020年）》中已经把VR技术列入国家大力支持发展的行业之列，可以预见，VR技术服务高等院校教育教学的功能一定会得到长足的发展。

（1）通过产品技术创新，提质增效。要实现VR技术在高等院校教学活动中的广泛运用，首先必须为广大教师和学生提供优质的体验，解决部分人员因为长时间佩戴头戴式设备而产生的眩晕问题；通过技术创新，合理降低设备成本；制定统一的技术、设备等行业标准，解决不同企业产品、不同版本产品之间的兼容性问题。

（2）强化技术服务和对接。受限于VR技术二次开发的高难度和服务于专业课程的个性化需求问题，相关企业应深入高等院校，积极开展技术培训工作；对计划和已经利用VR技术的院校、教学团队和教师，应建立不同级次的长期的合作机制，了解和解决专业课程教学资源开发和维护过程中的技术需求，以优质服务带动合作共赢。

（3）教学资源共享。虽然高等教育的专业划分给VR技术的普及带来的挑战，但同时也应该看到我国高等教育的体量巨大。据相关资料，在国内，河海大学、中国地质大学等54家高等院校开设水文与水资源工程专业，中国地质大学、吉林大学等56家高等院校开设地质工程专业。因此，以服务相近专业为导向，开展合作研究，进而实现教学资源共享是可行的。

3.3 发挥教师在教学设计和管理中的作用

（1）VR技术的学习与培训。教师要深入学习VR 技术，积极参与培训交流，掌握VR技术的特点和相关设备的使用方法，才能真正掌握和驾驭这一工具，将其与课程教学内容有机结合起来进行资源开发或者准确选择适合当前学情的教学资源，更好地为教学服务。

（2）制订合理的教学设计方案。通过制订切实可行的教学设计方案，提升教师基于VR技术的教学设计能力，把VR技术和与之相匹配的教学内容结合起来，在此基础上设计教学思路、教学方法、教学过程等各个环节，做到前期夯实基础，保证后期的顺利执行。

4 结语

20世纪末，欧美的一些国家就对VR技术进行了研究，并将VR技术应用于教育教学领域，并由此产生了多个基于VR技术的教育平台。利用VR技术的沉浸性、交互性、想象性特点，将其应用于课堂教学环节可以提升学生的学习兴趣、增强学生的学习体验。

VR技术在国内教育教学领域的应用尚处于发展过程的初期阶段，但发展势头迅猛，VR技术在教育教学方面的应用研究主要集中在四个方面：VR技术相关设备和软件的研发和实战运用；虚拟现实教学实验平台的搭建和实践；融合VR技术的教育教学模式研究；VR技术为学习者创建的学习环境、学习模式、学习情境研究[22]。

可以预见，凭借VR技术的快速发展和在教育教学中的优势，必然受到国家教育主管部门的高度重视，成为高等院校开展教育教学活动的重要手段，有力促进高校毕业生专业技能和素养的提升。

致谢：本文得到山东瘦课网教育科技股份有限公司资助。