VR技术在国际教育实验课程教学探索_熊旋.pdf

科技视界Science&Technology Vision1国际教育学院实验教学现状随着新一轮科技革命和产业变革的蓬勃发展，虚拟现实（VR）技术也逐步走向成熟，VR 技术利用生成的高仿真三维虚拟环境与传感器的结合，给人带来全方位的立体的感受。除在工业、医疗、建筑、军事、影视等领域，在教育领域，VR 技术也逐渐得到广泛应用，如普及远程教育、拓展感知能力、探索立体教学、培养学生创新和实践能力等。对本科生的 VR 实验课程，如何为教育教学提供更好的帮助，在提高教学效果的同时，使学生的科学素养、创新意识及创新能力等同时得到提高，是迫切需要教育者们关心和努力的方向1-6。以广东工业大学国际教育学院为例。由于涉及 5个工科专业，实验场地有限，该学院的实验教学主要是借助交通，跨校区实现。国际教育 2+2 模式的学生大三出国到合作院校完成后两年的专业课学习，故在国际学院的前两年，基础实验教学可以保证。但由于疫情所致国际教育的“就地国际化”，大三大四学生留在国内学校继续完成国外合作学院的本科专业学习，故本科国际班学生的专业实验教学任务就需要与国外院校合作，利用国际教育学院的实验环境，在校区内完成。国际教育学院目前场地有限，建多个专业基础实验室几乎不可能实现。而搭建一个基于 VR 的实验教学平台，能打破传统实验室场地与课堂的局限，又能保证实验的教学效果和教学质量，是当下探索实验教学的一个良策。图1国际学院实验预习复习系统教师登录界面目前，国际教育学院实验课程教学过程中存在一些亟待解决的问题。首先，传统实验需要各种实验器材，耗材及实验环境，而国际学院场地有限。若只是老师在电脑上演示一遍，这样的效果很差，而且师生、生生之间缺乏互动，学生的学习兴趣提不起来，也没有动手的乐趣和效果。其次，传统实验过程中的安全隐患问题不能忽视。同时，实验耗材的浪费、实验管理人员的重复建设等都是实验教学中需要考虑的问题。其三，实验教学课本中呈现的抽象规律、概念和原理，都不仅仅是靠一本或者几本参考书就能掌握和领会的，需要预先查找不同的资料，课后也需要有效的反刍。没有预习，甚至可能会出现上课“三不知”的局面，即不知要上什么内容，不知用什么方法去做实验，不知实验可能会得到什么样的结果。DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.31.27VR 技术在国际教育实验课程教学探索熊旋（广东工业大学国际教育学院，广东 广州510006）【摘要】简 析国 内 工 科院校VR实验 教 学平 台 建 设 现 状，结 合 正 在 进 行 的 基 于VR技 术 的 仿 真 实 验 教 学 平 台 建 设与探 索，提出在VR辅 助教学 体系 支 撑下，实 验教 学 平 台 如 何 引 入 辅 助 教 学 网 上 体 系、创 新 教 学 模 式，开 发 课 程 教 学 实验模 型，在 实 验 内容、模 式、教 学过 程等方 面 进 行 创 新 探索。希望 探 索 结 果为 以 后的 实 验 室建设 和 实 验 教学工 作提 供 可复 制与 推广的 路 径。【关 键词】VR辅 助教 学 体 系；实验教 学平 台；建设 与 探 索科学课堂102Science&Technology Vision科技视界2国际教育学院实验教学平台建设以学生学业需求为导向，凸显专业特色和学科优，势，遵循“虚实结合、以虚促实”的仿真，国际教育学院实验室在结合 VR 技术来建设虚拟仿真实验室，充分利用现有的资源，引入虚拟仿真技术，解决由于场地、设备、损耗及安全问题等受限而无法正常开展实验教学的问题。图2智能收发作业系统同时，对于预习与复习的监督及考核机制，也可以通过网络实现，使教师能随时掌握学生的情况。而且，学生出现任何问题，都可以通过网络反馈给老师，便于老师在教学及课后予以解答。为此，建立了辅助教学网上体系，由本院 20 级学生黄宇豪主导开发了实验预习复习系统（如图 1 所示），学生登录后便能看到任课老师发布的预习内容，并能看到关于实验模块的介绍，更进一步，后期可以给出一系列视频，视频主要用来介绍实验原理、实验方法、实验步骤及实验注意事项等。并设定在学习结束后的一段限定时间内，能看到复习内容部分。在预习和复习时间段，设立讨论区，能就实验计划、内容、方法、步骤、注意事项等各部分进行讨论。使师生、生生能够实现实时互动。同时，智能收发作业系统（如图2 所示）也已经上线，并准备进一步优化，使其具有自动改作业功能。3VR仿真实验课程的教学探索在 VR 实验教学平台硬件建设基础上，国际教育学院还通过课程实践，对实验内容、模式、教学过程及创新等进行探索。VR 虚拟实验室配置的硬件系统包括立体投影系统、位置追踪系统、场景管理系统、VR 工作站、沉浸式交互系统等。软件包括 VR 内容创作引擎、3D 仿真、动画技术等实验平台软件。首先，在教学内容上，不再拘泥于受场地、设备或者经费的限制，只要有软件能够实现的实验课程，都可以在实验教学平台获取，比如电子实验仿真、机械制造设计、三维动画教学等各种教学环境为学生创建了良好的仿真实验环境。如在高层建筑结构设计中，教师可让学生佩戴 VR 眼镜，如亲临一般，感受高层建筑的设计、外观、布局及内部装饰等，这是 VR 教学的优势所在。其次，在教学模式和教学过程上，由于 VR 的引进，使得学生可以灵活安排预习时间，不受场地、设备、耗材和时间的限制，学生能更为主动去学习。在预习之后，做到心中有数去做实验，那么在实验的讲解上，教师就可以课堂上少讲精讲，把时间交给学生，让学生有更多的时间去思考，去动手操作，去发现问题、解决问题。同时，课后复习能让学生有机会对实验项目进行重建，进一步掌握该实验。而教师则只需重点在实验所涉及的方法和科学思想上进行引导，在实验注意事项上进行基本讲解即可，同时，在师生的互动过程中，亦能促进教师的创新思维。如在 高层建筑结构设计 中，学生若能在上课之前，就自己动手搜索相关内容，并借助 VRML 语言，将传统图纸无法传递的立体内容，通过 VR 技术，更好地理解该课程。其三，在教学方法上，学生利用 VR 系统提供的一系列学习资料，可以进行体验式、全方位沉浸式的学习，让学生真正能体验实验，感受实验。在新的创新教学模式下，学生与系统里的学习内容交互，与同学、老师之间相互沟通学习，这样既能培养学生浓烈的学习兴趣，又能在学习中发现自己的不足，或者发现在实验过程中的不足，然后由老师引导、归纳、总结这样或者那样的问题，并提出方案予以解决。将原本可能枯燥、全程老师讲解、演示的实验课转化为学生全程参与、动脑动手的过程，使学生在 VR环境中，感官受到全方位的冲击，从而调动学生的自主学习能力和学习积极性，让实验课程成为一门有兴趣的、能真正学到知识、对以后工作和学习有帮助的课程。4VR实验教学效果的分析思考基于 VR 技术的实验教学平台对于国际学院实验课程教学效果的提高起到了积极的推动作用。基于 VR 技术的实验平台，使得学生有比较大的科学课堂103科技视界Science&Technology Vision自由，能够不受外界客观因素的影响，合理分配时间，在开放、自主和交互的虚拟环境中开展高效、安全的实验。在教师进行讲解之前的环节，需要有较深刻的全面预习，而预习就必须要有相关的专业知识，不论是从课本还是网络获取的专业知识，都能增强学生的自学能力，并能提高学习效率。有了平台，在预习的同时，学生就有更多的时间去思考，去探索。而科学研究的本质就是思考和探索，提出新问题，尝试用各种不同的方法去解决问题，并围绕这些问题做一些周边知识的获取，并再次利用这些新学的知识，让自己的知识层面螺旋式上升。通过对学生实践能力的培养，激发学生有独立思考的能力，并能进一步深层次探索，从而达到不断创新的目的。学生对现有知识的梳理、总结与整合，对未知知识的求知与探索，也是自我提升、不断优化的一个过程。同时，在这个过程中，教师能够从中发现能力较强的学生，充分发掘他们的科研创新能力，再引导其创建科技创新小组、加入科研团队及申报大学生创新创业训练项目等。显然，这对于我校本科教学质量的提高会起到潜移默化的作用，也会为我国的研究生教育提供优质生源。同时，教师在少讲精讲的基础上，更加重视实操能力，学生可以在预习以后，在更短的时间里完成实验，而余下部分时间可以对实验本身、实验硬件、软件及实验步骤、实验拓展等方面进行高层次的探讨7-8。这样不但能培养学生的动手能力，更能进一步培养学生的“动脑”能力。最后，有了实验平台的搭建，还可以展开教学自建模式，如加入从科研转化所构成的实验教学。这样一来，实验教学与科研便可相生相长，互相促进。教学可以向科研延伸，而科研同时又能促进实验教学平台的建设，学生有更深入学习和研究的机会，同时，实验教学也获得继续完善和更深改善的契机。这样在教学成效上，能取得明显效果，国际学院的学生很多都是要出国深造的，VR 技术的引入，使得学院的实验教学与国际接轨，与国际也能更好地合作，同时能把国际先进的技术转化为我们自己的技术，该平台教学对学生兴趣有重要的引导作用，且对他们投身科研也有积极的促进作用。同时，实验不仅仅只是一个实验本身，更重要的是在遇到问题、有困惑时，应用复习部分，能让学生在对平台实验学习的回顾中，找到新的思路，找到新的方法，从而寻求新的动力。5总结与展望在工科教学环境下，教学平台的建设和探索都是围绕着育人理念、以生为本、合理定位人才培养目标来展开的。对实验教学而言，实验平台与教学体系的建设是教学模式、教学过程、教学方法得以实施最有力的支撑。而取得好的教学效果，则需要对教学平台建设进行合理设计，认真思考在教学中如何应用，对学生怎么引导，以及如何更好达到教学的既定目标等。更深层次，除了融合实验平台与实验设计及教学实施，更需要进行前瞻性的思考。在平台的建设和探索中，我们会有针对地开展资源配对，在提高教学效率与学生参与度等方面展开更精准地服务，促进教学质量的提升。同时，也使学生能从自主学习、自行探究、摸索中，从对实验的理解和总结归纳，发散其思维，逐步提升到具有解决复杂问题的能力，从中引发其创新的可能性，课内实验与课外学习相结合，教师指导和学生自主学习之间相辅相成，充分发挥 VR 实验室的作用，在众多新型领域的发展和未来各种新技术的相互融合中，使得 VR 实验室得到充分利用，在进一步提高本科实验教学质量的同时，也能为接下来的研究生教育培养优质生源。【参考文献】1李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平J.实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.2杜月林，黄刚，王峰，等建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式J.实验技术与管理，2015，32（12）：26-29.3陈光林，倪潮延，朱耀东.VR应用于高校实验室解决安全环保问题的探讨J.高校实验室工作研究，2018（3）：72-75.4王艳春，张曙.网络环境下基于虚拟现实技术的虚拟实验室的研究J.齐齐哈尔大学学报：自然科学版，2007（1）：77-79.5李金.基于VR的农业虚拟实验室设计和研究J.科技视界，2016（23）：14.6魏焱.基于VR的变电站智能巡检场景研究与设计J.科技视界，2013（27）：316-318.7牟中飞，吴福根，朱道云，等.基于互联网的工科院校大学物理实验教学改革的探索与实践J.科技视界，2019，268（10）：130-132.8董春桥，王秀萍，梁莎.“互联网+”环境工程原理虚拟仿真实验教学项目建设J.试验技术与管理，2021，8（38）：214-215.科学课堂104