虚拟现实技术在高职实践训练中的应用

虚拟现实技术在高职实践训练中的应用摘要：改革传统的实践训练模式，优化实践训练的环境和方法，是提高应用型人才培养规格和质量的迫切要求。虚拟现实技术应用于高职教学可以使学生身临其境、主动交互学习，提高学生的学习兴趣，培养学生自主探索问题的能力和创新能力。充分利用现代教育技术，运用虚拟现实技术改革教学，尤其是实践教学，是解决当前实践教学困境和提高教学质量的有效途径。关键词：虚拟现实；高职；实践训练“实践能力薄弱，应用能力差”是当前人才培养和高职教育中普遍存在的问题。高职教育如何提升学生的能力效能?如何检验学生的知识效能?如何发展学生的创造效能?这就要求高职教育必须为学生提供良好的知识获取、加工、交流、探索和实践的环境和条件，为学生创设丰富真实的尝试探索的情境和氛围，为学生营造积极自由的时空环境和创造型思维的发展空间。传统的高职教育教学方式对这一切是无能为力或力所难及的，而基于多媒体计算机技术、仿真技术、传感器技术和人工智能技术基础之上的虚拟现实技术有效地解决了这一问题，为学生提供了良好的实践的空间和平台。由于虚拟现实技术具有其他媒体不可比拟的“真实性”优势，它应用于职业教育，可以为动态的过程仿真、复杂的技能培训、微观的解剖分析、直观的效果设计等方面带来变革，高职院校越来越重视它的研究和应用。虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。一、虚拟现实技术“虚拟”与“现实”两词具有相互矛盾的含义，但科学技术的发展却赋予了它新的含义。按最早提出虚拟现实概念的学者J.Laniar的说法，虚拟现实(VirtualReality，VR)，又称假想现实，他定义为“用电子计算机合成的人工世界”。虚拟现实是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，是一种综合计算机传感器技术、图形技术、网络技术、多媒体技术、人机交互技术、仿真技术以及立体显示技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术。虚拟现实技术能为使用者提供身临其境的主体沉浸性、自然交互性、物体自主性、全面感知性。虚拟现实技术主要包括模拟环境和模拟感知，能达到用户难辨真假的程度。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。模拟感知是指虚拟化的人所应具有的感知。除了计算机图形技术所生成的视觉感知，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知心。随着计算机以及人机交互手段的向前发展，虚拟现实技术的应用越来越广泛，正逐步渗透到各个专业领域。在教育中的主要应用有虚拟实验室、虚拟课堂、虚拟图书馆、虚拟校园、虚拟演播室、虚拟远程教育等。根据虚拟现实所倾向的特征的不同，虚拟现实系统分为桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚拟现实系统。目前限于经费和技术因素，教育领域主要采用的是前两种，其中以第一种居多。虚拟现实技术已改变了传统教育模式，由督促教学的被动学习模式转变为学习者通过自身与信息环境的相互作用获取知识、技能的主动学习模式。虚拟实验室可以让学生亲身经历如太空旅行、化合物分子结构显示等比传统教学更加具有说服力的校园学习。虚拟实训基地可用于驾驶等传统职业技能训练技术和虚拟消防训练，国外的虚拟消防训练已经深入儿童群体。二、高职虚拟现实实践训练的基本要求虚拟现实技术的引进，使我们可以立足于有限的设备资金投入，更多地依靠软件和智慧，有针对性地设计、开展各种模拟实验或虚拟教学，让学生获得与真实实验或现实教学一样的体验。高职的“以全面素质发展为基础，以职业能力为本位，以提高技能水平为核心”的实践实训教学。对虚拟现实教学提出了明确的要求。1.职业的典型性高职院校的实践训练要根据职业的需要，注重职业调查与分析，确定职业能力范围和典型特征，从职业活动特征分析人手，找出职业岗位所必需的核心操作技能、相关知识、工作态度、应用设备等，通过虚拟现实技术真实地再现和模拟职场情境，体现和提升职业性和典型性。2.过程的情境性从心理学的角度看，亲身的经历和感受比空洞抽象的说教更便于理解和记忆，主动地参与比被动地观看更能获得更多的知识信息。虚拟现实技术可以根据教学的重点、难点给学生创设形象、逼真、生动的学习情境，学生完全可以成为虚拟情境中的参与者，扮演一个角色，完成虚拟的任务。从而充分调动学生的学习积极性，有利于培养学生的技能。3.内容的真实性从两个方面来理解：虚拟中的“真实”和现实中的“真实”，前者的重要性在于营造一个虚拟的“真实”情境，让学生沉浸在虚拟场景中，获得全方位的学习体验，情境越“真实”学习者的体验效果越好。后者的重要性在于能够让学生身临其境，亲自动手操作教学设备，获取“做”的经验，这是其他媒体所无法比拟的。在高职的实践训练中，所采用的虚拟现实实训系统应保证虚拟的教学设备，与实际使用的教学设备无论外观还是操作等属性完全一致，从而保证实践的真实可靠。4.手法的多样性利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实践基地，可以虚拟设施、虚拟环境、虚拟3D空间、虚拟人物等，包括维修技能、试验技能、教学技能、指挥作战技能、医院手术技能、体育训练技能、植物栽培技能、车辆驾驶技能等各种职业技能的训练，用到的设备与部件基本上都是虚拟的，学生可以根据需要来选择和更新。教学内容也可以根据学习计划随时调整，保证实践训练的内容能够跟上技术的发展。另外，由于虚拟现实的交互性和沉浸性、学生扮演角色的真实性，学生可以全身心地投入到学习情境中去，这对学生的技能训练非常有利。除此之外，因为虚拟的训练系统无任何危险，操作练习可以反复进行，直到学生熟练掌握。5.技术的先进性虚拟现实实践实训教学系统一般是以实际工作过程为主要任务的项目学习，通过具体的案例来解决较复杂的综合性问题或完成相应工作任务的完整工作过程，即操作的技术技巧。当任务发生变化时，虚拟现实系统不用重新制作，只需通过修改系统中有关参数的设置，就可模拟真实世界中物理参数的改变，完全可以满足新任务的需求，技术非常先进，操作也很灵活。6.实践的趣味性高职院校的学生普遍存在学习目的迷茫、学习动力不足的现象，虚拟技术的新颖、交互、即时、可逆等特性可以给学生全新的学习体验，能够极大地激发学习兴趣。另外，利用虚拟现实技术，学习者不仅可以找到“虚拟教师”来指导，也可以与“虚拟同学”很方便地结成学习伙伴，以现场的方式展现双方的面容表情和身体姿态，从而提高交流质量，这是传统的实践年教学所无法比拟的，从而使一些比较枯燥难于操作的实验变得有趣和便于掌握。三、高职虚拟现实实践训练的功能和作用1.有利于减少办学成本，解决实践费用高的问题目前，高职教育最大问题是课堂人数多、实验设备少、学校设备经费有限。由于专业实验设备单价较高，结构比较复杂，使用的成本也较高，这样势必会大幅度增加购置费。另外，学校设备少，虽然学生接触的机会就更少，但设备的利用率却很高，在使用过程中更易造成设备损耗，出现“设备越少，损坏越严重”的恶性循环，导致很多实践训练被迫放弃，无法保证教学质量。而利用虚拟现实技术构造的虚拟教学情境，学生可以根据学习任务随心所欲地对各种实验设备进行各种各样的相关操作，反复演练，直到掌握设备的操作规程和使用方法。由于是虚拟的教学环境，实验可以多次进行，实验设备既无物理上的损耗，也没有原材料消耗，从而减少办学成本，大大节约了教育教学资源，弥补了传统教学环境的不足。2.有利于避免真实实验或操作所带来的各种危险在高职实践教学中，经常会有一些危险的或对人体健康有危害的实验，如医学、生物化学、汽车驾驶等方面的实验，以往经常采用播放录像等方式来取代实验，学生无法直接参与实验，无法进行操作训练，更不可能掌握操作技巧。现在利用虚拟现实技术进行虚拟实验，则完全可以免除上述危险。在虚拟实验环境中，学生可以非常放心地去做各种各样的实验，既无危险也不伤害身体。如虚拟的汽车驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成车辆损坏等事故。3.有利于促进学生的学习，提高学习效果虚拟现实技术能够为学生提供多种感官的综合刺激，模拟真实的工作场景，有利于学习者在人机交互过程中产生强烈的求知欲，以促进知识、技能的获取和保持；此外，它能够为学生提供近似真实、在现实中很难实现甚至实现不了的环境；还能够提供多样化的训练形式，并且可以提供各种基于专业知识和技能的教学游戏，锻炼学生的决策能力，达到开发智力，激发潜能的作用。有人曾经针对真实环境和虚拟环境中的学习效果进行了实验研究。结果表明：学生的学习兴趣在虚拟环境中远高于真实环境，尤其在增强学生的记忆能力方面，虚拟环境中的学习更加有效。4.有利于突破时间、空间的限制利用虚拟现实技术，完全可以突破时空的限制。有些需要很长时间才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。另外，无论是宇宙天体还是原子粒子等，学生通过虚拟现实技术完全可以进入这些物体的内部进行细致的观察，从而获得感性的认识，传统的实验技术是无法比拟的。5.有利于丰富教学资源，挖掘高职院校潜能虚拟现实技术的应用，促使教学不再局限于有形的教室中，开放性的、交互式的、远距离的教学方式，使实践教学活动突破了时空的限制，走向虚拟课堂和虚拟大学，为社会提供急需课程资源和新技术的培训机会。同时，虚拟现实技术进一步改善了高等职业教育的教学环境与手段，提高教学能力和教学效果。四、高职虚拟现实实践训练应注意的问题虚拟现实技术作为一门新兴的科学，目前尚有诸多因素限制它在高职教育领域的广泛应用，这些因素主要是：1.购置成本问题目前，虚拟现实系统应用的相关设备价格昂贵，且局限性大，实现成本有待降低。如一套虚拟现实设备包括大型计算机、数据手套、洞穴式投影、头盔式显示器、密封舱等，一个单元系统费用在4万～5万美元。这个价位对于一个普通高职院校无法承受。2.硬件设备问题虚拟现实技术依赖于计算机的高速运算和传输。高速运算和传输能解决虚拟现实环境的复杂逼真的环境构造和海量数据处理的问题。目前，中心计算机的处理速度还不能满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的要求，对数据存储能力也相对不足；基于嗅觉、味觉的设备还没有成熟及商品化。另外，与虚拟现实技术相关的设备普遍存在使用不方便、效果不佳等情况，难以达到虚拟现实系统的要求。在改进现有设备的同时，应该加快新设备的研制工作。同时，针对不同的领域要开发能满足应用要求的特殊硬件设备。3.软件开发问题软件所能实现的效果逼真度不高、自然交互性不够、许多算法及相关理论与技术有待解决。一般来说，虚拟教学软件的开发方式有学校自主研发、校企合作开发、完全委托企业开发等三种方式。由于各种原因，高职院校还没有完备的开发团队，也就无法保证虚拟教学产品的开发质量。4.理顺关系问题虚拟现实技术应用到高职实践训练中，绝不是完全替代关系，而是互补关系，是融入关系，有些实操实训不能实现的内容，如化学上有毒、有害的实验、操作中有危险的实训内容等，利用虚拟现实技术可以达到训练的目的。另外，还要理清二者的顺序关系，当采用虚拟现实训练与实操实训相结合的训练方案时，一般都是虚拟现实训练在前，实操实训在后。综上所述，利用虚拟现实技术来完成高职学生的实践训练，根本宗旨就在于激发学生的学习兴趣和动机，提高实践教学活动的效率与质量。它营造了“自主学习”的环境，是加强实践教学基地建设既经济又有效的一种途径，从而开启了高职实践实训教学的现代发展的新篇章。