虚拟现实系统在院校教育中的应用

1、建设背景

1.1  虚拟现实系统概念

基于虚拟现实系统的展示手段通过创建和表现虚拟物体与虚拟空间,使信息的展示方式有了新的途径和形式,使信息更直观、高效的传递。随着人们对这种展示技术的逐渐了解和关注,它的应用与发展也愈加广泛和迅速。

“虚拟现实”概念来自英文“VirtualReality”,简称VR技术。从技术层面来讲,虚拟现实技术是集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高新技术模拟系统。它有以下几种基本特征:

1.1.1 沉浸感(Immersion)

又称临场感,指用户感到作为主角存在于虚拟现实系统中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假,使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,该环境中的一切看上去是真的,听上去是真的,动起来是真的,甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的,如同在现实世界中的感觉一样。

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1.1.2. 交互性(Interactivity)

指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体,这时手有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量,视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

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1.1.3. 构想性(Imagination)

强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间,可拓宽人类认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

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由于沉浸感、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I,所以这三个特性又通常被统称为3I特性。

1.2.  虚拟现实系统的政策背景

教育部于2010年3月发布的《关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知》中指出:在“国家决定大力发展互联网、绿色经济、低碳经济、环保技术、生物医药等关系到未来环境和人类生活的一些重要战略性新兴产业”的背景下,“加大战略性新兴产业人才培养力度,支持和鼓励有条件的院校从高等教育入手,加速教学内容、课程体系、教学方法和管理体制与运行机制的改革和创新,积极培养战略性新兴产业相关专业的人才”,是满足国家战略性新兴产业发展对高素质人才的迫切需求。VR作为其中核心的战略新性产业,把握好VR专业建设成为学校重要工作之一。

虚拟现实系统在院校教育中的应用

2013年8月开始,为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》(教高〔2012〕4号)精神,根据《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》,2013年—2015年,教育部分别发布工作通知,每年评选出100个国家级虚拟仿真实验教学中心。

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2017年7月教育部决定在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上,于2017-2020年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。2017年首批认定105个,2018年由示范性深化为国家项目,第二批认定298个。

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在职业教育中,根据《普通高等学校高等职业教育(专科)专业设置管理办法》,教育部组织研究确定了2018年度将虚拟现实应用技术作为3个增补专业之一,属于计算机类专业,电子信息专业大类。2019年正式实施,截止目前为止已有71所高职院校首次开设该专业。

二、   总体规划

2.1  概要

虚拟仿真实验室是以教学、实训、科研、展示为一体的创新实验室,依托虚拟现实系统、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等信息化技术建设而成。完成硬件系统建设、虚拟现实教学资源平台建设、虚拟现实教学与实训、虚拟现实内容共享、虚拟现实人才培养、创新创业基地建设、职业教育虚拟仿真实训基地建设,实现教学、实训、科研、交流共享等功能,打造“先进的教学设施+丰富的教学内容+完善的实验教学体系+优秀人才培养+资源共享示范中心”的国家级虚拟仿真实训室。

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2.2  建设规划草图及效果示意

建设规划参照下图所示(整个虚拟仿真实验室的建设规划将最终依据实际场地设计,下图仅做参照):

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2.3  虚拟现实系统实训区

虚拟现实系统在院校教育中的应用

区域简介:

本区域通过现场教学的模式意在培养学生团队协作实训能力,4个人为一个小组,通过穿戴VR设备、佩戴头盔,加入到同一虚拟实训场景中协同操作完成实训课程任务。老师和其他未操作的学生通过监控画面实时的观察实训学生的操作过程,老师即可在实训者操作过程中实时的进行教学指导。通过这种方式更能加深学生的学习记忆,提高学习效率。

容纳人数:20-50人。

系统构成:大空间虚拟现实系统、多人协同适配系统、监控实时显示系统等。

区域功能:协同实训。

2.4  虚拟现实系统创作区

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区域简介:

虚拟现实交互课桌按照5人一组的小组式教学理念设计,系统支持多用户的沉浸式虚拟现实课程协同设计,该系统占地空间相对较小,维护简单,使用寿命长,是一种区别于传统教学环境的的创新型VR学习实践环境。

容纳人数:30-60人。

系统构成:一体化升降实训课桌、MR混合现实头盔、空间定位追踪系统、高性能图形处理工作站、多人协同适配系统。

区域功能:内容创作。

2.5  虚拟现实系统集中授课区

虚拟现实系统在院校教育中的应用

区域简介:

本区域主要意在培养锻炼学生单人实训的能力,通过小组式VR内容大赛将全校不同专业的学生进行团队组合,发挥专业的创新性。以赛促学,锻炼学生的团队协作,实践创新技能。

容纳人数:50人。

系统构成:MR混合现实头盔、高性能图形运算系统等。

区域功能:大赛创作。 

三、   建设意义

3.1  推动课程改革和校内实训基地建设模式创新

信息化教学资源支撑下的虚拟现实课程,能够调动学生的学习主动性、注重创新精神和实践能力的培养、提高信息素养和环境意识、培养终身学习能力。在课程结构上,通过信息化手段进行课程间的整合,凸显就业岗位能力和素质训练;在课程内容上,强化了与工作过程、技术发展密切联系;在构建知识体系结构的同时,开发虚拟现实职业活动课程,有利于对学生学习方式与实践能力的培训。在学习方式上,强调学生自主与探索性和基于问题解决的学习模式,注重接受、探索、模仿、体验等学习方式的综合运用,强调学生创造力、信息能力、交流与合作能力,关注学习结果与学习过程。

虚拟现实课程改革也在改变校内实训基地建设模式,虚拟仿真实训室建设以虚拟现实系统与实际操作有效融合。虚实结合不仅解决了实操实训进不去、看不见、难再现、多污染、高消耗、不安全、台位数不够、指导教师不足等难题,而且体现了趣味性、现场氛围、个性化指导、智能化考核、分层次实训等职业教育要求,创造出智能化、信息化、现代化的实训环境。只有虚实结合、融入信息化要素的实训基地建设方案,才能符合职业教育教学技能获得规律,实现智能化实训教学目的,使学生提早了解工厂、了解岗位、了解工作环境。

3.2  提升教师队伍素质

通过虚拟现实系统的研发,把广大教师同现场工程技术人员、现场操作能手、计算机软件设计师凝聚到了一起,形成校企合作伙伴关系,快速提升职业教师的职业能力、岗位技能、信息技术水平。参与的教师必须掌握虚拟仿真实训教学软件的设计过程,掌握形成信息化教学环境下的虚拟现实技术手段与技术路线设计,这将提高教师专业能力、现场经验、操作技能以及对新工艺、新设备、新标准的了解与掌握。

3.3  节约实训实习成本

在虚拟仿真实训中心通过虚拟现实环境实训实习,只需软件,设备投入少,投入计算机和一定的研发费用,这个投入相对于购买实物设备来说,是非常低廉的。实物仪器设备维护成本高,报废快,更新时造成大量的浪费,而虚拟现实教学只需要维护计算机和软件,这个难度和费用都是很低的。在更新时,多数是更新软件。

3.4  提高学习效率,缩短实操实训时间

在使用虚拟现实软件后,原先需要很长时间才能做好的事情,可以在短时间内高效的完成,比如电路图的连接,在实际操作中不论是用面包板插元件连接还是焊锡焊接,效率都不高,在虚拟现实系统中,只需用鼠标轻点需要连接的对象即可,大大提高效率。而且在仪器仪表的使用上,虚拟现实系统直观的获得测量的结果,而在实物试验中,要调整、校对、读数,占用大量时间。在一般的虚拟现实系统中,会提供技术参数或文档生成功能,需要的一些文字材料可以直接生成,大大节约了文字输入的时间。

3.5  提高实验安全,解决常规实操实训难以再现的难点问题和开放性问题

职业院校的专业课程教学中,有时候需要进行破坏性实验或模拟故障实验,例如电子电器中的极限电压实验、电器故障模拟实验等。这些实验有些将破坏实习件,有些具有安全隐患。这时候,在实训中心采用计算机系统配合虚拟现实系统进行演示实验和观察,无疑将带来很大的方便。所谓开放性,就是允许学生出错,将常规错误的代价表现在学生面前,带给学生视觉上沉重的代价反馈。

3.6  解决环境污染问题

     某些领域实操实训存在较大的污染,对学生身体健康危害较大,可通过减少实训时间以减少污染的危害,而实操前的虚拟现实系统可解决导训问题,有效减少被污染时间。