虛擬現實技術在高校教育教學中的應用策略研究

周碩

科學技術的迅速發展已經影響到了人們生產、生活的方方面面，并逐漸影響到教育領域，科技的發展和進步，改善了教育方式，更新了教育方法。鑒于此，教育領域中的教育手段也需要隨之改變，傳統的文字、圖像、多媒體教學手段需要經歷變革，走向虛擬現實技術的教學之路。在新時期改革背景下，將虛擬現實技術滲透到教育教學當中，如虛擬實驗室、數字場館、模擬訓練等，賦予了高校教育更多元化的教學方法與發展趨勢?；诖?，本文就以虛擬現實技術為切入點，探究其在高校教育中的實際應用策略，以期利用人機交互技術實現教學設計和技能培訓等教學任務，同時，優化教育質量，促進我國教育健康、持續發展。

虛擬現實技術的發展與內涵及特征

作為一種新型計算機技術，虛擬現實技術是在計算機仿真技術前提下不斷形成發展起來的，虛擬現實技術綜合涉及系統仿真、傳感、網絡信息、大數據等不同領域的內容。

1.虛擬現實技術的形成與發展

美國可以說是虛擬現實技術的發源地，也是首個將VR 虛擬技術應用到高校教育的國家。在美國，雪城大學的教育學專家Rob Salgado為了使虛擬現實技術更好地運用到教育領域，創辦了名為“The VRML Gallery of Electromagnetism”的專屬網站，該網站在美國中學、大學的物理、數學課程日常教學中得到了應用，其作用在于利用虛擬現實技術來演示一些物理學中的現象，如電磁現象，或者是用于建立模型。1985 年開始，美國宇航局（NASA）開始了VR 頭戴設備的探索研究之旅，NASA 曾經為美國建立了可廣泛應用的VR 教育系統，促進了虛擬現實技術在美國教育領域中的普遍應用。后來，美國東密歇根大學的教授借助微軟公司的XBOX Kinect攝像頭、可視化軟件，開發的虛擬現實沙盒產品應用到學校的地球科學相關課程，在實際的教學應用中，虛擬現實沙盒產品借助計算機技術將場景虛擬投射至沙盒中，學生可以自行創造投射的場景。同時，美國還有其他多所高校也注重在教育領域應用虛擬現實技術的研究，主要的成果有：華盛頓大學人機界面技術實驗室研究人的感知覺和控制力與虛擬現實技術的關聯，并成功在教育、設計、娛樂以及制造業中引入了虛擬現實技術。

2.虛擬現實技術的內涵

從狹義層面上講，其含義表現為借助多元化可視化設備和傳感器構建一種三維虛擬環境，借助聲音與畫面給用戶從聽覺、視覺等不同感官上帶來綜合體驗，以此使人們沉浸于虛擬世界之中，產生一種置身于真實情境的感覺。虛擬現實環境下，我們能夠對客觀世界及變化進行直接觀察和了解，同時通過動作、交流等方式與其開展自然交互，這樣能夠達到人機一體的效果。憑借不同傳感交互設備，如果外界以及虛擬環境可以形成反饋閉環，受到用戶主動操作的影響，虛擬環境以及用戶間進行的自然交互也將在很大程度上反作用于外部世界。伴隨著互聯網信息技術的廣泛應用，虛擬現實技術的含義得到逐步拓展，不僅是該技術有關的理論，還包括新興技術，均可以算作虛擬現實技術。

3.虛擬現實技術的特征

虛擬現實技術的特征主要體現在以下三個層面：

（1）沉浸性（Immersion）：沉浸性表現為結合人們生理及心理特征，借助不同類型計算機設備來構建一種切合實際的虛擬環境，人們能夠借助不同類型傳感交互設備來充分融入和體驗虛擬環境，在這樣的環境下能夠得到更好的情感與心理體驗。

（2）交互性（Interaction）：表現為在虛擬環境下，用戶對其中各種物體的可操作水平和人機互動的反饋情況。虛擬環境下，人們能夠借助鼠標、鍵盤等工具進行人機交互，同時人們也能夠借助數據手套等不同類型新型傳感設備來開展虛擬操作。相應地，用戶在操作計算機期間，也能夠令計算機“適應”人，這樣能夠給用戶帶來全新的高質量交互體驗，也能夠使人切實融入到虛擬現實環境中。

（3）想象性（Imagination）：表現為虛擬現實技術可以給人們帶來想象空間，某種程度上能夠進一步拓寬人類的認知空間。另外，憑借虛擬現實技術，設計者可以再現客觀世界，也能夠在此基礎上憑借人機交互來進行主動聯想，激發人們的想象力。

虛擬現實技術在高校教育教學中的應用

在我國，部分高校的主要學科教學也會應用到虛擬現實技術，學生利用虛擬教學設備獲得沉浸式學習體驗，在虛擬但逼真的情境中體驗“身臨其境”的感覺，獲得學習的真實情感體驗，同時，學生在虛擬空間里還可以實現感知交互。由于虛擬現實技術在教育領域的有利條件，我國教育市場前景廣闊，所以，越來越多以新興技術為核心，研發虛擬現實技術教學的企業應運而生，在全國多個城市開展VR 教學體驗課程，打開了我國虛擬現實技術應用于教育領域的大門。虛擬現實技術在我國高校應用情況如下：

1.虛擬實驗室的構建

高等教育中，教師在對學生做好理論知識傳輸的基礎上，還應該注重培養學生實踐能力，實驗操作必不可少，然而這類實驗操作可能存在較高的危險系數，在維護學生安全的基礎上，為確保教學活動正常進行，可以使用VR 虛擬現實技術構建虛擬的實驗操作環境，大多數危險系數高、激勵性強的實驗均能夠在虛擬實驗室中進行操作和分析。借助虛擬現實技術來開展實驗活動，能夠達到情景認知與實踐練習等不同類型的教學需要，學生在虛擬實驗室中也能夠對模擬情景形成更為真實的感受，將所學知識與實踐操作有機結合起來，引導學生借助虛擬觀察、操作及訓練等，更好地掌握相應的基礎知識與專業技能。某種程度上，在構建虛擬實驗室中引入虛擬現實技術，能夠令學生對實驗過程有更直接的觀察和了解，還能夠強化學生的創新性思維，達到最佳的學習效果。

2.數字場館漫游

VR 虛擬現實技術中，數字場館漫游是其中主要內容之一，并且在高校教學中具有很強的需求性。相應的，構建數字場館要求我們借助大數據與Web3D 技術，對整體系統完成編程，同時結合實際教學發展需要，提升虛擬數字場館的沉浸式色彩，在逼真的教學場景下給學生帶來更好的體驗感，這樣能夠令學生在虛擬環境下產生一種全新的沉浸式體驗，同時在教師的引領下開展觀察、學習和漫游演練，增強學生的學習熱情，提升學習質量。此外，教師還能夠結合所授課程實際，借助前沿計算機技術，制訂差異化數字場景，這樣學生就能在不同場景中扮演角色，借助虛擬場景進行別樣的體驗?？傊?，這樣的方式有助于提高學生創新性思維，提升高校整體教學水平，也能夠在高校教育教學工作中更好地發揮虛擬現實技術的作用。

3.模擬訓練

作為一種實踐學習方式，模擬訓練表現為借助VR 虛擬現實技術全面模擬多維場景，引導學生開展操作訓練，常見的有室外景觀仿真區、教育訓練區等，其中大多是借助3D 交互技術來完成的。借助模擬訓練活動，教師可以帶領學生更好地開展實踐操作，達到人機交互的效果。在開展模擬訓練活動時，學生能夠將所學理論知識應用到模擬訓練活動中來，這樣能夠增強學生實踐操作水平，也能夠在現有教育改革基礎上，不斷創新“優化理論+實踐操作”教學模式。相應地，VR虛擬現實技術還有助于對不同類型仿真模擬訓練場景進行設計研發，比如，高校在進行教育教學時，首先需要為學生提供仿真模擬訓練場景，用VR虛擬技術打造逼真的訓練情境，輔之以必要的感官體驗，給學生帶來真實的學習體驗，以此達到最佳的教學效果。

虛擬現實技術應用于高校教育教學的優勢

信息技術應用發展迅速，傳統的教學方式迎來了較大挑戰。虛擬現實技術有其優越性，主要表現為：使教學內容更加生動、形象、直觀；創設科技感較強的教學環境，提高學生積極性和學習效率；提升教學質量，有助于篩選教學重點、難點。具體內容如下：

1.促進教學觀念的改變

與傳統媒介不同的是，虛擬現實技術不再以課堂、教師、課本為中心，教師作為使用教學平臺的指導者，大大促進了教學觀念的改變。以往的課堂教學更多為學生提供視覺上的體驗，學生在課堂上主要靠聽覺、視覺感知知識，缺乏其他感官的參與。應用虛擬現實技術對傳統教學形成巨大沖擊，作為重要的教學媒介進入課堂，為學生營造一個形象、逼真的學習環境，學生作為參與者和學習的主體，產生了較強的學習積極性，提升了參與的熱情，培養了創造力。

2.提高課堂教學效率

在教學課堂上引入虛擬現實技術，就必須對教學內容進行改革。全面分析虛擬現實技術的優缺點，以培養學生創新意識和實踐能力為出發點和落腳點，按照課程設置，分門進行教學內容設計。高校課堂的教學內容需要打破原有格局的束縛，運用虛擬現實技術真正讓學生熱愛學習，參與學習，提升教學效果。在虛擬現實技術打造的情境中，借助“學生—環境”二者的關系獲取知識，即使遇到難度較高的知識，也能化繁為簡，學生在能理解的基礎上掌握難度較高的知識。在實際運用過程中，教師以學生需求為參照，借助虛擬現實技術幫助學生理解專業知識，實現教學目標，提升教師的教學效率。

3.優化高校教學環境

有了虛擬現實技術的參與，能更好地開發環境潛能，實現資源的優化配置，尤其是對于高校教學環境而言，應用虛擬現實技術后可以有效提高承載水平，具體來說，高校日常教學的實驗會受制于教學經費、實驗場地、實驗器材等因素無法進行，利用VR 技術為學生創造多樣化的實驗條件，在實際操作中不需要控制各項變量條件就可以完成多項實驗，體驗了逼真的實驗過程，獲得真實的實驗數據，不僅能夠讓學生將所學知識根植于心，留下難以磨滅的學習印象，還能對優化學校教學環境起到重要作用。

4.學生直接參與實驗過程

伴隨著VR 技術的應用，師生打破了時空等客觀因素帶來的各種影響，直接參與到實驗過程中。我們能夠分別從微觀和宏觀視角出發，實現對宇宙天體、原子離子等的了解，這一優勢是其他媒體無法復制的。最為關鍵的是VR 技術能夠突破時空限制，將植物生長過程等耗費時間較長的動植物及物質演變過程呈現在師生面前，學生學習知識的難度也能因此而遞減。有些教學實驗具有較強的危險性，如果我們選用電視錄像的方式取代真實實驗，學生無法參與其中，學習積極性難免會因此受到影響，如果進行虛擬實驗，學生就能夠心無旁騖地投入到各種實驗中，不用擔心實驗中的危險性。

虛擬現實技術在高校教育教學應用中的困境

當前，我國對于虛擬現實技術的探索還處于初級階段，在理論和實踐環節存在短板。具體來看，在高校教育教學實踐活動中，如果想要實現對虛擬現實技術的充分應用，現存以下問題亟待解決。

1.優質教育教學資源欠缺

優質教學資源對高校虛擬現實技術在教育教學中的應用非常重要，但在實踐中還存在各種問題。首先，虛擬現實技術依舊處于初級探索階段，在技術和資金支持方面有著較高要求，有些學校資金實力及教育資源有限，無法滿足虛擬現實技術需要的構建要求。其次，虛擬現實技術操作人員具有較強的技術性和專業性，學校擁有的專業人才數量和質量難以滿足客觀需求，在這種情況下，虛擬現實技術的教育屬性極易遭到抑制，無法滿足師生所需。

2.專業教師隊伍建設有待加強

利用虛擬現實技術輔助教學，對于教師而言是從繁瑣的教學素材中“解放”的過程，然而，如此也會削弱教師在教學中的作用?？梢哉f，虛擬現實技術的發展和應用，為教育事業的發展帶來新的契機，也給教師群體帶來了相應的挑戰，這就要求教師群體在新媒體技術發展的環境下與時俱進，積極發揮教學主導者的作用，不斷探索、學習，豐富知識累積，提升素質水平，更好地適應虛擬現實技術在教學中的應用和發展。此外，虛擬現實技術應用到教學中離不開教育工作者、科技專業人員的參與，然而，因為科技發展迅速，部分專業教師一時還無法適應新教學模式，導致出現消極情緒，成為新媒體融合教學發展的阻礙。

3.實驗設備及技術不穩定

從客觀視角看，虛擬現實技術支持的教學工具有著易損和維修難度較大的缺點，因其屬于稀有產品，相關配件成本相對較高，這對于學校教育經費而言是一個重大挑戰。在實踐活動中，虛擬現實技術的使用過于依賴技術人員和管理人員，其管理和維修成本居高不下。眾所周知，虛擬現實技術尚未成熟，在使用環節難免會出現各種技術類問題，影響其作用體現。此外，有些程序在運行過程中極易受到不確定因素影響，一旦操作不慎，極易引發連鎖反應。

4.用戶體驗感欠佳

目前的教學實踐顯示，現階段的虛擬現實技術難以為用戶提供良好的應用體驗。在教育教學過程中，尚不成熟的虛擬現實技術客觀存在短板，譬如，長時間使用極易產生不適（頭暈、目眩），也會出現成像不清晰、影像傳輸效率不高等問題。與此同時，虛擬現實技術設備具有較高的專業性，針對學習者設置了一定門檻，學習者需要通過專門學習，才能全面掌握技術、設備的使用。

虛擬現實技術在高校教育教學應用中的路徑選擇

對于高校教育而言，虛擬現實技術在教學活動中發揮著至關重要的積極作用。針對上述問題，應對舉措如下：

1.統一標準推動優質教學資源共享

在當前階段，虛擬現實技術缺乏完整性，在教育實踐環節，缺少實施標準，且存在資源匱乏等客觀問題。我國教育部門應注重有限教育資源的統籌規劃，明確實施標準，豐富資源配置路徑，促進優質教學資源的共建共享，這樣可以有效解決在教育資源方面存在的明顯不足，助力高等教育事業蓬勃發展。

2.打造優質的專業教師團隊

在教學實踐活動中，教學團隊作為核心資源能夠有效促進教學目標實現。在建設虛擬現實技術教育活動中，除教育教學資源、專業設備外，還需要專業人才的支撐。高校教師需要通過培訓或主動學習，實現對虛擬現實技術的了解和應用，促進其教育功能體現。例如，教育部門應選拔優秀教師，打造專業教學團隊；高?？梢酝ㄟ^加強相關培訓，提高專業教師團隊的綜合能力。

3.積極解決設備與技術問題

在高校教學活動中，虛擬現實技術需要得到政府及校方的支持。政府部門需要加大科研人才培養力度，鼓勵人才積極投身技術研發，此外，政府需要做好資金支撐工作，為學校提供財政支持，鼓勵他們通過實踐效果展示和經驗分享，促進虛擬現實技術推廣。高校要盡可能改變虛擬現實技術過于依賴技術人員和管理人員的現狀，通過多渠道、多方式降低管理和維修成本，不斷提升學校實踐教學能力。

4.豐富用戶實踐體驗經驗

伴隨虛擬教學方式的出現，傳統教學思想和教學觀念存在的不足之處能夠得到有效彌補。虛擬教學方式應取傳統教學方式之長，結合新的教學手段，尊重教學規律和學生成長特點，持續豐富教學模式及教學內容。虛擬現實技術的應用，促進了教學情境的創設，為學生打造更加理想的學習環境，學生的感悟能力、信息獲取能力能夠順勢得到提高。在虛擬現實技術輔助環節，應著重培養學生實踐操作能力，促進其實踐操作經驗的積累。

結語

虛擬現實技術作為科技發展成果，在高校的教育教學實踐中得到了廣泛應用，不僅幫助師生獲得全新的教學體驗，虛擬現實技術構筑了更加多元的學習情境，而且在拓寬學生視野、強化創新能力、激發學習積極性及求知欲等方面都發揮了積極作用。虛擬現實技術的成熟及應用范圍的擴大，不僅能夠為高校教育事業提供必要的基礎支撐，還能夠通過實踐活動使其逐步完善，為新時期人才培養作出應有的貢獻。