基于VR技术的虚拟实验实训教学环境设计探讨

张 莉

（南昌师范学院现代教育技术中心，江西 南昌 330032）

随着5G 时代的到来，“5G+VR”远程、移动、沉浸式教学模式在未来的教育中发挥极其重要的作用，通过VR 仿真技术可为师生营造一个仿真实训教学环境，将虚拟技术与日常教学结合，将抽象概念具体化，为学生打造仿真、可交互、沉浸式的学习环境，引导学生将理论知识应用于实际问题解决过程中，有助于学生对抽象化理论知识的理解，进而提升高校实验实训教学质量。实训室作为高校实践教学的重要场地，帮助学生养成良好的问题分析习惯，提升自我独立解决问题的能力。因此，探讨VR 技术在虚拟实验实训教学环境设计中的实际应用，对于高校学生专业实际操作能力而言具有非常重要的提升作用。

一、虚拟实验实训教学环境构成要素

虚拟实验实训教学环境搭建能够让学生置身于实验实训之中，学生通过互动式实验实训激发自主实验实训的兴趣，加强高校学生思维构建能力，进而提升高校专业课程实验实训教学成效。在虚拟实验实训教学环境中，需要建立实验实训场景环境模型，学生能够与虚拟实验实训教学环境中的虚拟资源进行互动，帮助学生对真实环境中抽象性专业知识进行理解，进而构成虚拟实验实训教学环境三大要素：实验实训场景、虚拟角色以及其他要素［1］。

二、VR 技术的虚拟实验实训教学环境设计的应用优势

1.培养学生实践操作基础

VR虚拟实验实训教学环境相比于传统的仿真系统，其仿真性、互动性更进一步，有沉浸、交互、构想等三个基本特性。在虚拟实验实训教学环境中，教师结合VR 技术帮助学生完成模拟训练，让学生身临其境体验强烈的实操代入感，能够实现互动实验实训教学，最大限度地激发学生的自主实验实训的兴趣，有助于发展学生的构建思维，提升教学效果，也为学生就业打下良好的实践操作基础。以室内设计专业为例，教师利用VR 技术建立虚拟实训室，将室内设计应用平台引入到虚拟实训室内，为学生建立可视化的室内设计装修环境，学生利用VR 技术搭建三维全景模型，同时也能够通过讨论不断优化室内设计结构。VR 虚拟实训室可操作性强，学生通过沉浸式教学可加强自身实践操作能力，从而帮助学生提升自身专业能力。

再如，生化、物理等VR 虚拟实训室，可帮助学生穿梭于微观世界与浩瀚宇宙，跨越时空变化，将实验进行模拟还原，逼真、立体的表现形式，让抽象的实验过程形象逼真演示出来，把理论课堂与实践操作融为一体。

2.满足高校实践教学需求

借助VR 技术打造综合性教学平台，可以解决“看不见、摸不着、难再现、风险高、成本高”等现场实训教学难题，将理论课堂与实践操作融为一体，以提升学生综合素质以及操作能力为主，建立网络协作式学习平台，整合教学资源库、课件制作以及互动板等各项教学工具，全面实现远程互助式教学，通过后台数据记录学生的实际学习情况，它突破了实验教学对客观条件的依赖性，满足实际的课堂教学需要，逐步成为老师得力的实验制作工具，从而满足高校实践教学需求。

三、基于VR 技术的虚拟实验实训教学环境设计措施

1.VR实训基地建设

VR 实训基地宜通过整体规划和合理布置，为师生创设安全、健康、互动，融合教学内容、教学模式和设施设备为一体的学习环境，既达到教师优质教学的目的，又满足学生自主学习的需求。VR实训基地将沉浸式教学与优质的实践教学资源相融合，为学生打造仿真式的专业实验实训教学环境，学生能够结合自身情况在不同环境中开展专业课程学习，将创新意识融入于实验过程中，帮助学生不断提升自我综合能力。VR 实训基地为学员提供一个理论与实际、科技与专业前沿相关的学习环境，以优质的专业教学资源为核心，集终端、应用系统、平台以及内容为一体，为学生创设更为真实的教学环境，将虚拟动画与实践空间相结合，把抽象的知识概念具象化，为学生打造高度开放、沉浸式并且可交互性的三维学习环境［2］。

2.基于VR技术的云平台建设

新教改强调我国高校必须加快专业课程信息化建设进程，将更多的优质教学资源汇集于网络教学资源库之中。通过云平台建设，可以把VR教学资源运行上云、渲染上云，可以实现所有VR 教学资源和IT 资源的统一管理、统一运维和共享使用，实现终端的无线化和轻量化，解决资源碎片化的问题。

如图1 所示，基于VR 技术的云平台建设主要涉及四个层面：数据接入层主要管理平台用户的认证信息、管理用户消息，应用层主要包含专业教师备课授课、学生实验实训教学以及资源库这三个方面，平台层涉及搜索引擎、云数据服务等应用管理内容，数据层则是涵盖了各类结构数据、非结构数据、缓存数据等。

图1 云平台构成

根据VR 云平台系统的核心功能，我们能够将其划分为私有云以及公有云这两大板块：私有云主要是针对教师的教学需求开设的板块，私有云能够满足专业教师对教学资源的收集、上传以及共享，实现虚拟实验实训室对各项数据的采集、存储以及备份等功能，进而建立更为完善的教学数据库；公有云主要是针对学生群体开设的板块，系统针对学生在教学资源库的高级检索内容、浏览数据等进行不断统计，教师能够根据后台数据了解到学生专业学习以及实践操作存在困难的地方，进而完善自我教学方式。由图2所示，两个核心功能板块之间相互影响，进而形成一个VR 生态系统。将VR 生态系统引入到VR编辑器之中，将沉浸式教学与STEM 理念和创客精神相结合，依托于海量的3D教学资源库，由教师进行牵引，为学生提供自由发挥创新思维的空间，让学生从学习者的身份转变为创造者。教师也可借助于VR云平台创造VR教学成果，并且通过系统共享给学生［3］。

图2 VR生态系统

3.VR教学资源库建设

目前，我国部分高校已经开始着手于VR 技术平台建设，借助相关教学资源开展虚拟实验实训教学课程，深化VR 技术在专业实践教学中的应用，从而建立集环境、平台、设备等各项服务为一体的VR 生态教育体系，推动专业教育的协同创新。由图3所示，VR教学资源库针对教师进行开放，以沉浸式教学为建设核心，进而实现优质教学资源的多元化。这些教学资源的建设，不仅仅依赖于专业院校的自身建设，还需引进校外更多优秀的专业教师资源。高校也应与其他院校开展多方位的合作与交流，定期聘请相关专业的优秀人员来校对教师进行专业培训，帮助教师了解到更多前沿化的知识，进而推动VR 教学资源库的建设。

图3 VR资源库建设计划

为落实我国教育改革新政策，我国高校应积极响应教育部教改政策，推进专业培训资源建设以及模式的改革，积极开发虚拟现实技术等数字化资源，完善我国专业教学应用资源库，进一步扩大我国优质教育资源的覆盖面。VR资源库作为高校专业教育领域的生动实践，将专业建设与信息技术紧密联系在一起，推动信息化教育教学改革，提高现代高校整体专业教学水平。相关数据统计显示，我国高校资源库共建设标准化课程近1000 门，建设资源已高达241 万条，为高校学子打造虚拟仿真类信息化资源，将抽象微观的专业知识概念变得可视化，利用信息技术手段解决大学生实习就业困难的问题，推动现代高校专业教学能力以及教育培训领域的综合应用发展。除此之外，高校VR资源库的建设，为校企合作搭建桥梁，也为双师型教学团队的建设提供良好的契机。目前，我国已有80 多个行业联盟组织近3000多家企业合力建设并调配专业教学资源，借助现代企业本身所具备的资源优势，深入高校专业人才培养过程中，实现校企之间优质教育资源的共建共享，也为校企合作不断深化提供实质性支撑［4］。

4.VR实训室整体设计

VR 虚拟仿真实训室的设计要结合学科特点，按照“以实带虚、以虚助实、虚实结合”理念，通过沉浸式+互动式+情景式的实验教学，让课堂更有趣，让教学更高效。

如图4 所示，是我校VR 展览模拟体验实验中心设计平面示意图，展览模拟体验实验中心根据功能定位，把VR实验室分为智慧教学区域（虚拟现实教学试验区）以及实训教学区域（服务台接待区、会议模拟体验区、特装实验区、标展实验区），VR实训室主要给已经准备进入到实践操作环节中的学生使用，学生通过实训教学区域的学习，了解展览的环境、功能区域、设计及施工流程等专业知识。在VR 实训区内，学生根据所学知识，运用专业软件，设计自己展览的环境、功能区域，设计及施工流程设计等等，完成自己的展位设计方案，并在仿真虚拟技术下实现师生之间的相互协作、专业知识传输以及共享，进而丰富专业实训课堂教学内容，享受到更多的自由发展空间。

图4 VR展览模拟体验实验中心

为方便学生进行讨论，智慧教学区域的布局往往会更倾向于灵活性组合，学生的桌椅都可以进行自由组合。采用宽屏一体化电子白板以及学生移动终端等各类信息实训设备，打造一体化教学实训环境，全面推动专业实训教学课堂的开展，加强学生分组协作学习能力。教师利用定制化的专业教学平台，迎合学生个性化需求，激发学生创新思维的扩散，推动现代高校专业教学课堂的改革与创新。VR实训室配备强大的教学课程编排工具，教师能够利用软硬件设备创建教学课程，利用后台数据评估学生的学习情况，教师能够根据反馈及时对教学内容作出相应的调整，提升VR 实训室教学质量。除此之外，教师能够结合大数据信息技术，智能生成学生专业实训分析报告，为现代高校专业教师以及实训操作指导教师提供更为全面化的决策性数据支持，保证院校能够为学生提供高质量特色专业学习内容，为学生更好适应于就业岗位奠定坚实的基础。

VR实训室整体设计作为专业教学内容以及实验实训操作课程正常开展的保障。教师在为学生提供更为舒适的教学环境的同时，保证VR实训室的各项设备以及相关标准符合国家规范要求。VR实训室作为综合性实验实训专业教学场景，需要从各个方面的建设过程中体现时代特色以及现代专业技术要求，为现代高校学生提供更为良好的实验实训教学环境。

VR技术为现代高校专业实验实训教学带来更多的便捷，同时也整合各项信息技术，推动现代高校网络数字化、网络化建设。在日常实验实训教学过程中，VR 实训室也能够满足师生的各方面的教学需求，学生不再局限于传统实验实训教学场地，能够拥有更多的机会动手操作，学生在自主操作过程中能够不断扩散自我创新思维将VR技术的优势发挥到最大化，为现代高校VR实验实训环境设计提供更多的参考。