基于VR技術(shù)的“大學(xué)基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教剿?br/>——VR日光燈實(shí)驗(yàn)

林 宇

蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)中心 甘肅 蘭州730000

一、背景及解決教學(xué)問題的方法

2018年03月06日,教育部教育管理信息中心與微軟中國(guó)共同宣布將在全國(guó)范圍內(nèi)針對(duì)高校及中高職院校啟動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)教學(xué)應(yīng)用培訓(xùn)及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目,這是教育部在VR 領(lǐng)域又一新的重要舉措。在高校,應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面發(fā)展的趨勢(shì),在實(shí)踐教學(xué)中勢(shì)必會(huì)發(fā)揮越來越大的作用。

“基于VR技術(shù)的電工臺(tái)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”(以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”)是一種基于Web技術(shù)、VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。該“平臺(tái)”由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬器材庫和開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成,為開設(shè)各種虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境?！捌脚_(tái)”與真實(shí)電工實(shí)驗(yàn)臺(tái)類似,可供學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,教師可以利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實(shí)驗(yàn),或?qū)嶒?yàn)案例。

“平臺(tái)”的建設(shè)能夠滿足知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)方式的升級(jí)需求,為教師提供更先進(jìn)、適合、多元化的呈現(xiàn)方式;滿足高難度教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成,能夠突破時(shí)間空間的限制,解決教學(xué)重難點(diǎn);滿足教學(xué)實(shí)踐操作的需求,消除了以往教學(xué)對(duì)學(xué)生人身安全、成本消耗的顧慮,親自動(dòng)手印象深刻;滿足自適應(yīng)探究學(xué)習(xí)的需求,利用VR 技術(shù)探索學(xué)習(xí),有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,解放教師生產(chǎn)力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力。

二、簡(jiǎn)介及主要解決的教學(xué)問題

“VR基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn):VR日光燈實(shí)驗(yàn)”是“平臺(tái)”的一個(gè)綜合性強(qiáng)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn),比較符合VR 優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)的三要素(危險(xiǎn)性大、重復(fù)性強(qiáng)、成本較高),是實(shí)驗(yàn)中心在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)的一個(gè)探索性研發(fā)及應(yīng)用的試點(diǎn)。

“VR基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降奶剿?從提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率、輔助教師課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)為出發(fā)點(diǎn),將VR 技術(shù)應(yīng)用于在大學(xué)基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂,解決了傳統(tǒng)教學(xué)中存在時(shí)空情景、邏輯思維上的局限,學(xué)生對(duì)教學(xué)難點(diǎn)吸收困難,教學(xué)效率低等問題。

VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為學(xué)生帶來的改變:

一是體驗(yàn)式學(xué)習(xí),將抽象的知識(shí)具象化,想象力弱的同學(xué)對(duì)知識(shí)理解更深刻;二是更公平的環(huán)境,將抽象的知識(shí)具象化,想象力弱的同學(xué)對(duì)知識(shí)理解更深刻;三是興趣強(qiáng),全新的學(xué)習(xí)方式,寓教于樂,提高學(xué)習(xí)興趣,學(xué)習(xí)動(dòng)力提升;四是效率高,沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境直觀、生動(dòng),信息量大,提高學(xué)習(xí)效率。

VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為老師帶來的改變:

一是專攻難點(diǎn),專為各個(gè)學(xué)科的教學(xué)難點(diǎn)提供VR解決方案;二是課堂專注,VR新奇學(xué)習(xí)模式,難點(diǎn)變得更有趣,學(xué)生走神率為零;三是教學(xué)效率高,每個(gè)學(xué)生都接受直觀系統(tǒng)的難點(diǎn)講解,大大提高課堂效率;四是創(chuàng)客基地,一鍵式進(jìn)入教學(xué)難點(diǎn),體系化解決教學(xué)難點(diǎn)。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

發(fā)展是第一要?jiǎng)?wù),人才是第一資源,創(chuàng)新是第一動(dòng)力。將VR引入到大學(xué)本科基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)之中,摸索搭建虛擬仿真基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源的路子,豐富在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,這在全國(guó)高校中屬于首創(chuàng)。

5 G+VR發(fā)展趨勢(shì),以及在“新冠肺炎”疫情防控特殊期間作為在線教學(xué)支持的實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái),都為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)帶來了機(jī)遇。

“VR日光燈實(shí)驗(yàn)”帶來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)科技發(fā)展,可以幫助老師從二維枯燥的文字描述、平面的黑板幻燈片講解模式轉(zhuǎn)變成豐富的三維可視化教與學(xué)新模式,讓學(xué)習(xí)變得更加直觀、生動(dòng)、有趣和有效率。同時(shí)VR 以其可視化、沉浸感、交互性的特點(diǎn)使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)從以教師為中心轉(zhuǎn)變到以學(xué)生為中心,變“要我學(xué)”到“我要學(xué)”。

“VR基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn):VR日光燈實(shí)驗(yàn)”是“平臺(tái)”整體解決方案的第一個(gè)強(qiáng)電綜合性實(shí)驗(yàn),它和傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比的優(yōu)勢(shì):一是在理論知識(shí)教學(xué)方面,VR 光是能把抽象問題具體化這一功能,就足以傲視同行,這對(duì)于理論問題的思考同樣也是起著良好的輔助作用;二是在實(shí)踐技能訓(xùn)練方面,VR可以鍛煉學(xué)生的操作技能,為他們提供身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn),強(qiáng)化了學(xué)生的課堂參與感,讓學(xué)習(xí)變得更有趣、更安全、更活躍。

四、推廣應(yīng)用

一是用VR(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)先去實(shí)現(xiàn)高校本科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中,重復(fù)性多危險(xiǎn)性大使用成本高有代表性的實(shí)驗(yàn)(比如電子學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)電實(shí)驗(yàn),微波實(shí)驗(yàn);化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基本操作;物理基礎(chǔ)光學(xué)實(shí)驗(yàn);醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)解剖實(shí)驗(yàn)等);

二是用AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))去直觀展示儀器儀表元器件的構(gòu)造功能,AR可以把虛擬的圖像和文字訊息與現(xiàn)實(shí)生活景物結(jié)合在一起,呈現(xiàn)效果會(huì)讓師生驚艷不已、印象深刻。

三是現(xiàn)正在與蘭大第一附屬醫(yī)院技能實(shí)訓(xùn)中心,洽談VR/AR 推廣應(yīng)用到“腰椎穿刺術(shù)”和“婦科接生術(shù)”的合作項(xiàng)目,為讓學(xué)生更快地熟悉最新的醫(yī)學(xué)技能實(shí)訓(xùn)技術(shù),跟上臨床發(fā)展的步伐,為培養(yǎng)復(fù)合型醫(yī)學(xué)應(yīng)用人才做點(diǎn)實(shí)事。

四是將“VR日光燈實(shí)驗(yàn)”應(yīng)用推廣到甘肅省科協(xié)科普大篷車西部巡展等系列活動(dòng)中,助力甘肅科普教育事業(yè)。

五、結(jié)束語

編劇:完成了“基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)電工與電路分析實(shí)驗(yàn)-日光燈實(shí)驗(yàn)”的“VR日光燈實(shí)驗(yàn)”劇本編寫,并讓設(shè)計(jì)人員反復(fù)觀摩并操作日光燈硬件實(shí)驗(yàn),通過不斷交流溝通,使他們深刻領(lǐng)會(huì)該實(shí)驗(yàn)的靈魂,盡可能使“VR日光燈實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)在硬件實(shí)驗(yàn)繼承的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。

監(jiān)制:產(chǎn)品第一版剛出來,本人就邊體驗(yàn)邊提要求提意見建議,產(chǎn)品不斷改進(jìn)升級(jí)、先后開發(fā)了7個(gè)版本;最后階段邀請(qǐng)信息學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)中心一線教師以及當(dāng)年做過實(shí)驗(yàn)的同學(xué)深度體驗(yàn),提出意見建議,繼續(xù)改進(jìn)。

驗(yàn)收:根據(jù)近二十年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),嚴(yán)格按照基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求,本著求真務(wù)實(shí),科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求地完成了第七版產(chǎn)品初步評(píng)審驗(yàn)收。“VR 日光燈實(shí)驗(yàn)”從實(shí)際使用情況表明,基本符合電工與電路分析實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)要求。