虚拟现实技术在实验教学改革与实践中的应用

刘震磊 齐纪 戚明轩 孙宏泰 段成瑞 刘连平

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.17.127

摘  要 高校应加强培养具有创新意识的高素质工程技术人才，实验教学是达成目标的重要途径。从实验项目建设需求分析、实验与服务平台搭建、实验教学组织与实施、实验教学总结与思考等方面出发，开展研究工作，将虚拟现实技术应用于实验教学改革与实践中，拓宽实验教学项目的开设范围，延伸实验教学时间维度和空间维度。

关键词 虚拟现实技术;实验教学;教学改革;实验仪器设备;实验平台

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）17-0127-05

1 前言

实验教学是实践教学的重要组织形式。在实验教学中，学生利用仪器设备，在人为控制条件下引起实验对象的变化，通过观察、测定和分析，获得知识与发展能力[1-3]。实验教学是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要教学环

节[4-5]。《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（教高函〔2018〕5号）指出[6]，实验教学项目要适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系发生革命性变化的要求。高等院校要推进实验技术与虚拟现实技术等新一代信息技术的深度融合，拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平[7-12]。

本文从实验教学项目建设需求分析、实验平台搭建、实验教学组织与实施、实验教学总结与思考四个方面，开展虚拟现实技术在实验教学改革与实践中的应用研究，推进高等教育实验教学改革的实施和实验教学质量的提高。

2 实验项目建设需求分析

虚拟现实技术在实验教学中的应用，拓宽了实验项目开设的范围，突破了实验时间、空间和环境要素的限制  高等院校开设实验教学项目必须能够有效保护实验者的安全。如核反应类实验、强磁场环境实验、强电场环境实验等对实验者具有潜在危险的实验教学项目是不能够立项和开设的，而虚拟现实技术在实验教学改革中的应用，突破了此类实验项目和实验环境限制的壁垒。

虚拟现实技术在实验教学中的应用，可以大幅减少高等院校在设备采购、设备调试、设备使用与维修维护、实验材料上的项目经费投入  在高等教育中，实践教育在人才培养中的重要作用越来越凸显，在培养计划中所占的比重也越来越大。教育部、教育厅和高校也加大了实验室建设的经费投入，但依然无法满足设备学生比的需求。国际领先的技术装备、特大型或大型设备、高精密仪器设备依然是单台套，再加上此类设备采购成本高、维修维护成本高、设备耗材成本高，限制了应用此类设备进行实验教学项目的开出率，即使开设了实验项目，也多为演示性实验教学项目，无法满足验证性、综合性、设计研究性实验教学的需求。

虚拟现实技术在实验教学中的应用，可以突破由实验者对仪器设备操作基础技能差异而带来的对实验教学效果的限制  实验者的技能基础是限制实验教学项目开出的重要客观条件。实验仪器不同于日常生产生活工具，需要实验者在进行实验前具备对仪器设备的规范操作能力。这就需要对实验者进行系统的操作培训，高精端、高精密仪器设备还必须取得设备操作认证后才能进行操作。但是在专业课程的课内实验教学大纲设置中，规定的实验学时一般为2～4学时，即使是专业综合训练类的实验教学，单个实验项目的教学预设学时也不会超过8个。在有限的实验教学时间内，要完成设备功能介绍、设备工作原理、设备操作规范教学，并使用该设备开展相关实验验证或实验设计，这对实验教学的开展、对教与学都提出了过高的要求。

而将虚拟现实技术应用于实验教学，可以在时间和空间维度上拓展实验者对仪器设备的操作基础技能，实验者可以在虚拟现实环境下完成仪器设备基础操作技能学习、技能培训和操作演练，为后续的专业实验过程奠定坚实的基础。

3 实验平台的搭建

基于虚拟现实技术的实验环境的搭建  在实验环境的搭建中，虚拟现实的实验环境是依托于虚拟现实技术创建的实验环境，主要包括对现实世界实验场地的布局、实验工作环境（如温度场、磁场、电场等环境要素）的设置和实验场景的还原三个方面，是基于虚拟现实技术的实验平台搭建的重要组成部分。

如图1所示，在“飞机制造准确度”实验环境搭建中，依据飞机结构件准确度检测实际测量环境，采用虚拟现实技术搭建测量间、恒温间和气泵间三个联动实验空间，并对实验场地的布局和环境条件设计进行还原和搭建，实现虚拟现实实验环境与真实实验环境的高度匹配，为后期实验设备的搭建和实验过程的搭建提供基础设计空間和设计环境。

基于虚拟现实技术的实验仪器设备的搭建  在实验仪器设备的搭建中，虚拟现实的实验仪器设备是依托于虚拟现实技术，在虚拟仿真实验空间中创建的仪器设备，此类仪器设备一般包括实验主体设备、实验辅助设备和实验配套设备。

“飞机制造准确度”虚拟现实仪器设备的搭建中，实验主体设备为Global 9308三坐标测量机，实验辅助设备为系统控制单元、控制手柄和控制工作站，实验配套设备为空气压缩机、空气干燥机和压缩空气监测单元，如图2所示。虚拟实验仪器设备与现实仪器设备采用1∶1建模和虚拟仿真单元，依照真实实验仪器材质和颜色进行渲染，并采用第一视角照明和投影真实还原实验设备。

基于虚拟现实技术的实验过程的搭建  在实验过程的搭建中，依托于虚拟现实技术创建虚拟仿真实验过程，主要包括实验的准备过程、实验的实施过程和实验结果的输出过程。

如图3所示，在“飞机制造准确度”虚拟现实实验过程的搭建中，采用位置约束、运动轨迹驱动、碰撞响应驱动等多种驱动形式，实现Global 9308三坐标测量机对被测零件飞机隔框的尺寸准确度检测虚拟仿真实验过程的驱动，并采用尺寸驱动单元实现对被测零件尺寸准确度检测实验结果的记录和生成，实现虚拟仿真检测实验过程与真实实验过程的高度匹配。

基于“互联网+”的实验服务平台的搭建  在实验服务平台的搭建过程中，使用的技术包括数据库技术、Web平台管理技术、互联网技术、云存储技术和虚拟现实技术，综合打造基于“互联网+”的虚拟仿真实验服务平台。实验服务平台的建设框架如图4所示，实验服务平台的登录界面如图5所示。

实验服务平台运行的框架共分为五层，底层为上层提供服务：数据库负责保存和管理实验者信息数据、实验操作数据、教学资源数据和实验考核数据等虚拟实验平台所需要的相关数据;支撑层（技术后台）是虚拟仿真实验平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础;服务层提供虚拟实验教学环境正常运行的一些通用支持组件，以便操作者能够快速在虚拟实验平台上完成虚拟仿真实验;仿真层主要进行实验仪器建模、实验场景构建，提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出;应用层根据教师的教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应器材模型，设计各种典型实验案例。

4 实验教学组织与实施

课前教学环节  与传统实验教学相比，首先，实验者进入正式的课前实验教学环节，可以在线完成实验目的、实验要求、实验内容和实验环境的预习和自由探索。实验教学的课前教学环节要预设实验目标和实验内容，根据实验目标和授课对象的实验基础分析，进行课前实验环节的教学设计。在课程教学之前，通过实验服务平台发布课前实验预习任务，合理引导和组织学生的课前预习和课前准备工作。课前教学环节发布的实验预习资源，包括实验报告、实验设备操作指南、实验过程导引视频等。实验教师可以实时查看预习学生数量，阅读学生反馈并和学生开展课前实验教学互动，采集课前学习数据用于对学生学情的预测和分析。

课上教学环节  实验过程的教学组织和实施见图6。

1）教师和学生实验的同步教学。通过虚拟仿真实验服务平台进行实验教学，实现教师的“教”和学生的“学”的同步进行，避免“教师讲、学生看”的传统实验教学模式。仿真实验模块是虚拟仿真实验服务平台的核心部分，在该模块中，学生能够和教师同步进行虚拟仿真实验的学习和全流程的操作，通过演示屏对三坐标测量机测量的全流程进行学习，再通过亲自操作三坐标测量机体验虚拟测量的全流程。

2）学生实验环节的评测和预警。在教师同步实验进行时，系统会监控每一位学生的实验操作步骤，如果在实验过程中出现误操作或者错误操作，系统会立即提醒并执行操作停止命令，设备将会被锁死，系统会显示具体操作不當的说明，并且会记录到实验成绩评定当中。了解具体信息后，学生可以选择继续实验，直到实验顺利完成。

3）实验教学中的教学互动。实验教学必须遵循实验教学的经验和规律，不能采用学生全程看录制视频或教师直播这种学生被动地听课的教学模式。在空间分离的情况下，如果只是教师一味地讲、学生被动地听课，学生的学习积极性将很快进入疲惫区。要保持学生学习的兴趣，实验教学就不能只是单向的传递知识，教师和学生的实时互动也是实验教学中不可缺少的要素。

课后教学环节  课后进行实验结果的评定和现实验证。

1）实验报告的提交和成绩的评定。在虚拟仿真实验服务平台完成实验后，需要撰写并提交实验报告，作为实验成绩评定的重要参考指标。在实验过程中的错误操作也需要被系统记录，作为实验成绩评定的辅助参考部分。

2）课后辅导和答疑。虚拟仿真实验平台设置实验交流模块，在实验完成后，可以满足学生之间的讨论和实验教师答疑需求。在该模块中，学生可以通过在讨论区留言的形式进行实验问题探讨，实验教师和学生都可以对学生问题进行回复，实验教师还可以对实验过程中经常出错的地方在这里面进行详细讲解。教师也可以通过这个模块发布教学任务，以便让更多的学生了解。

3）实验的复习和验证。在通过实验交流模块解决了实验中存在的问题后，学生可以自行登录虚拟仿真实验平台，独立完成实验，达到学习的复习和验证目的。实验教学不是以评价学生成绩为目的的学习过程，是以学生为中心的教学和学习过程。虚拟现实技术改变了传统实验教学的形态，教学的组织与教育实施过程也随着教学形态转变。

5 结论

1）虚拟现实技术在实验教学改革与实践中的应用可以创建多维度趋近于真实场景的生产实验环境。传统教学无法满足实验设备操作的基本要求，更无法满足实验者操作实验设备开展实验研究的需求。虚拟现实技术在实验教学改革中的应用，达到了实验教学项目所要求的目标，突破了此类实验项目和实验环境限制的壁垒，为高等院校推动实践教学提供了新的平台，为“双一流”和“新工科”建设提供了新的机遇。

2）虚拟现实技术在实验教学改革与实践中的应用可以优化实验教学过程。虚拟现实技术在实验教学改革中的应用，拓宽了实验项目开设的范围，突破实验时间、空间和环境要素的限制，可以突破对实验者仪器设备操作基础技能的限制，对实验进行沉浸式逐步操作，全流程完成实验。

3）虚拟现实技术在实验教学改革与实践中的应用可以培养实验者的创新能力。实践教学是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际，培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台，有利于学生素养的提高和正确价值观的形成，更好地培养学生的创新能力。

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