基于虚拟现实技术的高校实验教学改革路径.pdf

136/总第238期/2023/5教学互动基于虚拟现实技术的高校实验教学改革路径李书恩（贵州财经大学，贵州 贵阳 550025）摘要：高校传统的实验教学受到设备、场地、时长等的局限，形成了以教师为主体的实验教学模式，学生实验动手操作的机会较少，并且由于学生数量多，在实验教学中无法重复操作，影响了实验教学的质量与效率。因此，该文基于高校实验教学改革面临的教学创新不足、教学内容零碎和倾向于验证性实验等现状，以虚拟现实技术（VirtualReality，VR）为依托，搭建 VR 实验系统，设计系统的演示、仿真、错误诊断与数据模拟等功能，理顺改革流程，并提出教学改革路径，以推动 VR 实验教学的落地，助力高校实验教学层次与水平提升至新的台阶。关键词：虚拟现实技术；实验教学；高校高校实验教学中需要学生多次重复操作，细致入微地观察分析，直观地理解实验过程，主动地探索知识。在高校传统的实验教学中，受到实验仪器设备贵重、数量少及教学时长固定等的限制，学生在课堂中动手操作的机会较少，部分实验项目或实验操作以观摩为主，未能给予学生动手操作探索知识的实践机会，使学生缺少试错机会与创新实践。所以，高校实验教学改革可着眼于 VR 技术，构建 VR 实验系统，以突破传统实验教学的困境。一、高校实验教学改革面临的现状（一）实验教学创新不足高校传统实验教学受固有教学思维、教学模式及教学条件等的限制，创新不足，教学以教师讲授与演示为主，学生按照教师的演示或者教材上的实验步骤进行操作，根据已经给出的实验结果验证实验操作是否准确，而非通过实验操作获取实验结果，导致学生实验操作过程中缺乏思考、探究、讨论、分析，未能实现高校实验教学培养学生科学探索精神、创新能力、思维能力，以及探究问题与解决问题能力等目的，降低了高校实验教学的意义与价值。学生在实验教学中较为被动，未能成为实验教学的主体，也没有掌握实验操作的主动权。以结果为导向的实验操作过程，与高校实验教学的综合性、设计性、创新性及研究性相背离，限制了高校实验教学效用的发挥。（二）教学内容较为零碎实验教学是高校教育教学的重要组成部分，是培养学生创造性思维、实践动手能力的重要环节，通过实验教学可以使学生掌握科学实验的方法与技能，初步培养学生实验室工作习惯与发明创造的能力，因此，高校实验教学内容需要系统、完整，才可实现实验教学培养学生素质与能力的目的。但从部分高校实验教学的现状来看，高校传统的教学模式倾向于理论教学，实验教学处于辅助地位，非独立存在的学科，而是根据专业理论教学与人才培养的需要进行实验教学内容的设计，使其内容较为零碎、不成系统，知识点之间未能串联起来，影响学生知识结构的完整性。（三）倾向于验证性实验科学实验的本质是观察、操作、分析、改进的过程，通过实验内容、操作步骤的设计，发现问题与解决问题，获取实验的结果。实验教学可以采用的实验项目有验证性实验、演示性实验、综合性实验、设计性实验、创新性实验、研究性实验等，但是在高校实验教学实践中倾向于验证性实验，是对学生学习到的理论知识进行验证，主要训练学生的基本技能和实验方法。由于设计性与创新性实验项目缺失，学生只能完成实验教学的基本任务，未能实现高校实验教学培养学生创新精神、科学探索精神、创新思维、发明创造能力等的目的，偏离了高校实验教学的宗旨。需通过实验教学改革，引进新理念、新技术与新模式，推动实验教学创新发展。二、基于虚拟现实技术的高校实验教学改革框架设计（一）虚拟现实系统结构VR 技术在高校实验教学中的应用，集成了三维图形技术、多媒体技术、仿真技术、计算机技术、伺服技术等，建设模拟仿真实验课程，为学生提供多种感官体验的虚拟实验操作平台，让学生在虚拟现实的环境中完成实验操作，直观化地感受、观察、动手操作实验，获取沉浸式、交互式体验。目前，在高校实验教学中，VR 技术已经得到了良好的应用，以 VR 头盔与手柄建立人与 VR 系统之间的连接，系统的输出设备是 VR 头盔、手机盒子、VR 一体机；输入设备为操作设备（手柄）、检测设备、配套设备。（二）VR 实验系统功能设计根据实验教学的内容，利用 VR 技术进行 VR 实验系统的设计，制作实验仪器三维模型，模拟还原实验过程，导入实验操作流程，完整搭建实验场景，设计实现的功能如下：一是实验原理演示，用于展示实验过程中所使用的实验仪器，讲解实137总第238期/2023/5/教学互动验原理；二是仿真功能，实验操作过程中实现多功能交互，观测实验现象；三是错误诊断，在学生操作出现错误时，VR 系统自动提醒操作错误；四是数据模拟，系统自动生成实验数据图表，直观呈现数据变化的规律，为学生实验观测提供支撑。学生使用 VR 实验系统可完成整个实验操作过程，系统的错误诊断功能为学生提供了纠错的机会，学生在 VR 系统中可以反复地尝试操作实验，反复地观测实验现象与实验数据，直至成功完成实验操作，获取理想的实验成果。此外，在系统功能设计中，留有实验创新扩展编译接口，学生可通过对 VR 系统重新编译，将实验操作过程中产生的新想法付诸实践，完成实验论证，实现知识的探索，促进对创新思维及能力的培养。（三）教学改革流程设计基于 VR 技术的高校实验教学改革流程主要划分为三个阶段，具体如图 1 所示。首先是以教助学，教师进行实验教学理论知识与实验原理的讲解，演示实验操作步骤，讲解 VR 系统操作方法及注意事项。其次是以生为本，VR 系统实验操作与传统仪器实验操作相互结合开展。最后是反馈讨论，教师与学生围绕 VR 实验错误与传统实验操作错误进行互动，教师提出问题，学生回答；学生提出问题，教师进行答疑解惑。三、基于虚拟现实技术的高校实验教学改革实施（一）课前实验教学环节在 VR 实验教学之前，教师需确定实验教学的目标，根据实验教学的内容，结合学生实验操作能力水平与学习水平设计教学流程、教学活动及教学内容。在正式教学之前，教师通过微信群发布课前预习任务、教学视频、学习资料，以及实验设备操作指南等。学生在接收到文件后，按照教师布置的预习任务自主学习，并利用 VR 系统完成初步的实验操作与观测，了解 VR 系统实验操作场景、操作环境及操作流程，熟悉实验知识与内容。在完成预习后，学生将任务完成情况反馈给教师，并提出自己在实验中面临的问题与难点，教师通过预习反馈的收集，完成实验教学设计的调整与补充，提高教学的针对性。（二）课上实验教学环节1.教与学保持同步在进入正式教学环节，教师完成实验理论知识与原理的讲解后，使用 VR 系统进行演示教学，学生同样登录系统跟随教师的演示进行操作，保持教与学的同步，教师一边示范一边指导学生操作，对学生操作中出现的问题及时指正，并进一步说明注意事项。学生通过演示屏观看教师整个操作过程，学习实验操作步骤，使用自己的 VR 系统同步操作，完成初次的实验动手操作，将所学理论直接转化为实践，提高学习效率。2.实验过程评测在实验动手操作环节，学生使用系统的多功能交互功能，在虚拟空间进行实验操作，当学生操作出现错误时，系统自动发出错误提示，停止执行操作命令，并给出正确的操作步骤，学生按照提示完成整个实验操作。VR 系统将此次错误操作记录至系统后台，完成对学生实验过程的评测。3.注意实时互动虽然实验教学采用了 VR 系统，学生佩戴 VR 设备进行实验操作，但是不能完全地脱离课堂教学的本质，需注意教学的虚实结合，在学生顺利完成 VR 系统实验操作后，再使用传统仪器进行实验操作。在学生进行实践动手操作时，教师与学生需保持实时互动，教师从旁指导及协助学生，在学生遇到操作疑点与难点时，教师可组织学生进行讨论分析，让学生之间分享操作心得体会，提出实验创新点。还可适时提出问题，引发学生之间的讨论，营造热烈的科学探究实验教学的课堂氛围，避免课堂教学的沉闷感。（三）课后实验教学环节1.提交实验报告学生在完成实验操作后，根据实验操作中的心得体会编写实验报告，在报告中提出实验操作出现的问题，以及自己对实图 1 基于 VR 系统的实验教学流程138/总第238期/2023/5教学互动验的创新想法、获取的实验成果等，并作为本次实验教学中学生成绩评定的参考之一，形成教学的闭环。2.课后反馈讨论在实验教学的最后阶段，教师汇总学生在 VR 系统及传统仪器实验操作中出现的问题，提炼其中的共性问题，组织学生进行讨论。教师与学生均可提出问题，共同讨论解决问题，实现教学相长的目的。教师通过反馈讨论收集学生学习中遇到的问题，分析自身实验教学中的不足，进行改进与调整。学生通过教师的指导以及在讨论过程中获取的信息，评估自身实验操作中存在的问题，课后在 VR 系统中重复训练，深化对实验知识的理解，熟练掌握实验操作方法。3.课后巩固提升VR 实验系统应用不受空间与时间的限制，教师在完成实验课堂教学后，布置课后实验任务，用于课后的巩固与提升。学生使用 VR 系统重复观察、操作与分析，利用课堂所学进一步科学探索理论知识，主动探究发现创新点，达到设计实验、创新实验的目的，获取最佳的实验学习效果。四、基于虚拟现实技术的高校实验教学改革路径（一）突破教学固有思维，尊重学生主体地位利用虚拟现实技术进行高校实验教学改革，首先教师要突破实验教学固有的思维，转变传统的教学模式与教学方法，充分利用 VR 系统的开放性、共享性等优势，确立学生在实验教学中的主体地位，以培养学生实践动手能力、创新能力、科学探究精神及解决问题能力为目标，进行实验教学的改革与技术升级，为学生创建良好的实验环境，弥补传统教学中的不足。在运用 VR 系统教学时，着重引导学生发现、讨论、解决问题，创设问题情境，鼓励学生利用 VR 系统进行实验论证，使学生转变为实验项目的设计者、创新者与实践者。（二）完善教学大纲，调优教学体系借助 VR 技术推动高校实验教学的改革，必然涉及教学大纲的调整，应根据高校人才培养的目标及实验教学的目的，设计阶梯式增长的实验项目，按照演示、验证、综合、设计、创新等，系统设计实验教学内容，提升实验教学的完整性，完善学生的知识结构。一是减少验证性实验，利用 VR 系统打好实验技能基础，开展综合性实验教学，提升学生综合实验能力，为后续的设计与创新实验打好基础。二是设计多层次、阶梯式实验教学，完成基本理论与基本技能至综合应用与综合实践循序渐进地转变。三是将实验教学划分为虚拟与现实两部分，两种教学机制相互结合，实现虚拟至现实的转化，增强学生实验操作的真实感受。四是注重实验与现实生活的关联，并且相同的实验项目设计不同层次的实验操作内容，因材施教，满足不同层次学生的学习需求，保证所有学生在实验教学中均能有所收获。（三）打造实验成果展示平台，激发学生实验兴趣为了最大程度激发学生对实验操作及学习的兴趣，可利用VR 技术打造实验成果展示平台，用来展示学生在 VR 系统中的实验作品，同时共享优秀资源，其他学生可通过对展示作品的观察与分析，评估自身实验作品的不足，在后续的实验操作中学习与借鉴同学的经验，或者与同学进行学习交流及讨论，调动学生实验探究的热情，深挖释放学生的学习潜能。该平台实现的功能如下：一是通知公告，教师用其发布各项信息，如发布预习任务、布置作业、通知公告等；二是作品展示，选择优秀实验作品，在虚拟空间进行三维立体化动态展示，利用高质量的实验作品，正方向地感染与影响学生，拓宽学生的学习眼界，发散学生的思维，鼓励引导学生设计实验与创新实验，营造浓厚的科学研究氛围；三是作品管理，学生在平台中拥有个人空间，用于存储自己的实验作品、学习资料，并可在空间分享知识与实验作品，也可与其他同学进行在线交流，相互借鉴、学习，共同进步。通过实验成果展示平台的构建，建立学生与学生之间、教师与教师之间实时互动交流的桥梁，开通高校实验教学网络社交，将其作为实验教学的第二课堂，帮助学生课后巩固提升，培养学生自主学习意识。（四）增强师资力量，扎实教学改革基础实验教师作为高校实验教学改革的实施者，将 VR 技术应用于实验教学中，对于教师的教学素养、教学技能提出了新的要求。因此，为了保证 VR 技术在高校实验教学中的全面应用，需专门组建实验教学和实验技术团队，以增强师资力量，扎实教学改革的基础，如熟练掌握及运用虚拟现实技术的教师，以及在虚拟实验设计环节提供指导的电脑艺术设计教师，还有实验教学经验丰富的专职教师等。高校在实验教学改革中，需加大师资队伍建设力度，在招聘优秀教师的同时，做好原有实验教师的培训工作，并为教师的实验教学科研提供全面的支持，加快高校 VR 实验教学体系建设的速度，保障高校实验教学改革顺利落地。五、结语高校实验教学改革中，利用虚拟现实技术构建 VR 实验系统，在虚拟的环境中仿真模拟现实的实验场景、实验仪器、实验内容，解决了高校实验教学设备短缺、实验操作机会少及教学时长不足等痛点，并通过实验教学的创新改革，丰富实验教学内容，设计完整系统的实验教学大纲，同时减少验证性实验，增加设计性、综合性、创新性等实验项目，从而实现高校实验教学的全面突破与创新，推动高校实验教学质效的提升。参考文献：1 徐春明，周艳，蒋国璋，等.基于虚拟现实技术的机械原理实验教学研究 J.大学教育，2022（2）：103-106.2 王少兰，李涛，范妤，等.虚拟仿真实验在组织学教学中的应用 J.解剖学杂志，2021，44（1）：67-69.3伍玲密，周苏洁，郑伟，等.虚拟仿真实验教学在人才培养中的应用与探索以“电工电子技术”课程为例J.科技与创新，2021（4）：103-105，107.4 杨锋，康志强，吴杰，等.基础地质虚实结合实验教学模式的探索与实践 J.实验室科学，2021，24（3）：138-140.5 王艳艳，何小武，刘士余，等.基于“VR+云平台”的农业水利工程专业实验教学模式改革探究 J.创新创业理论研究与实践，2022，5（3）：157-159.作者简介：李书恩，女，贵州铜仁人，硕士研究生，助理实验师，研究方向：实验教学。