虚拟现实与系统仿真实验教学改革探讨

虚拟现实与系统仿真实验教学改革探讨

方涛,李梦雨,潘兴彤,齐祥涛

莱芜职业技术学院

摘要：为了解决虚拟现实与系统仿真教学中存在的问题，本文给出了一系列改造方案，包括建立虚拟现实教学综合实验室，使用虚拟现实技术制作实验课件，鼓励学生进行课外实践，并制定相应的考核标准。

关键词：虚拟现实；系统仿真；教学改革

引言

“虚拟现实与信息系统模拟”是计算机多媒体专业的一项重要选修课，旨在帮助学生掌握虚拟现实和信息系统模拟的基本概念，并能够运用这些理论知识来构建虚拟仿真体系。通过“虚拟现实与信息系统模拟”，学生不仅能够学习到基础理论，还能够提高实际应用能力，为将来深入开展虚拟现实和信息系统模拟打下扎实的根基。能够更好地适应虚拟现实和仿真技术的发展，培育出适应社会需求的人才，“巩固理论、重视应用、跟踪发展”和“以学生为本”作为本科专业教改项目的一部分，教师对虚拟现实与系统仿真实验开展了深度研究和探索，以期达到更好的效果，为学生提供更全面、更有效的技术知识，提升教学能力，提高学生的综合素质。

一、虚拟现实与系统仿真实验教学现状

虚拟现实与系统仿真实验教学旨在改变传统的理论教学方法，强调学生实践能力和创新意识的培养，以期推动多媒体专业教学体制的改革。然而，由于学科的深入发展，该实验课程在模式、教学方法和实验环节等领域方面存在一定不足之处，无法满足现代教育教学理念和虚拟现实最新技术的发展需求，主要问题是：如何更好地实现虚拟现实与系统仿真实验课程的有效运用，以及如何更好地满足学生的学习需求问题。而具体的问题表现在以下的几个方面：

(1)虚拟现实学科的理论比较抽象繁杂，学生在实践中对三维空间实时可视化、计算机互动等概念的理解和掌握都存在一定的困难，因此，教师需要采取有效的教学模式和实验方法，使这些抽象繁杂的概念变得更加容易理解。

(2）教学方式单一，实验手段落后，学生对虚拟现实系统的感知能力有限，缺乏沉浸式体验，因此，需要采取有效措施，加强虚拟现实设备的直观认知，激发学生对虚拟现实课程的兴趣，培养他们的能力，以提高学生的学习效果。

(3）在三维建模方面，学生只是学习了模型的基本构建，而没有真正掌握它们的应用，因此，他们需要将模型与虚拟现实技术结合起来，使其可视化，以便更深入地理解建模理论。

(4）在虚拟现实环境中，计算机互动和控制教学面临着更大的挑战，因为孩子们需要进行实验来掌握相关知识，而这些实验又比较困难，因此，教师希望进行教学改革，让孩子们能够真正的理解人机交互操作基本原理。

(5）目前，虚拟现实教学方式仍然停留在传统的课堂教学和少量演示性实验，缺乏直观性和实践性，学生们很难真正掌握虚拟现实技术，也很难在教学完成后建构出一套完整的虚拟现实仿真技术应用体系。

(6）目前，虚拟现实课程的考核方法仍然存在一定的难度，因此，教师应该努力寻求一种有效的方法来评估学生的实际能力，以改善教学质量。

实验在培养学生科学素养、创新和研究领域发挥着重要的意义，它不仅是理论教学的补充，而且也是当今科技发展的重要突破。许多实验不仅深化了概念，而且还为总结规律和解释规律提供了有力的支持，是培养学生科学素养的必备要素。实验教学应当与理论教学同等重要，以确保学生获得最佳的学习体验。

长期以来，实验教学中缺少个性和创造力，导致许多学生在实验过程中缺少自主性，仅仅根据教学实验指导书上的要求，机械地执行各项任务，而不去思考解决问题的方法，最终智能机器机器的填写数据。许多学生对试验的目的存在误解，他们认为试验就是为了验证书本上的理论知识，缺少对试验的热情，因此对待试验没有积极性，只有草率地顺利完成了各项任务。这种实验教学方式很难培养学生的实践能力和创新思维。

二、虚拟现实教学综合实验系统实验室建设

为了解决“虚拟现实与信息系统模拟”课程中缺乏教学实验教学环境和教学实验技术手段的实际问题，学校能够专门建立了一个虚拟现实教育综合实验室，它由立体投影显示子系统（投射机、立体图像、投射幕、立体眼镜）、计算机技术子系统、外围互动设施及其相应的软件平台和应用平台组成，可以实现多种试验功能，从而更好地满足学生的学习需求。这套完善的虚拟现实教育环境不仅可以满足本科生虚拟现实与信息系统模拟课程中的教学需求，而且还为虚拟现实技术研究提供了一个强大的硬件和软件网络平台，使得虚拟现实技术的发展更加迅速、更加有效。经过建立的虚拟现实教学综合实验系统，学生们对虚拟现实的兴趣大大提升，教学内容的可视化和实用性也获得了显著改善。

三、实验教学改革的内容

“虚拟现实与信息系统模拟”是一门重要的多媒体技术课程，旨在帮助学生更好地理解课程的基本概念和特点，掌握信息系统模拟的基础过程和离散系统模拟的原理，并培养学生的实践，以便他们能够更好地运用虚拟仿真技术来解决实际问题。这项实验将会产生重大影响。

（一）充分利用虚拟现实与系统仿真实验室

1、增加和完善虚拟现实实验内容

通过建立虚拟现实教学综合实验系统，学生可以体验到三维场景的沉浸感立体显示、几何对象交互操作以及3D声音效应等实验项目，可以更好地了解虚拟现实的基本原则，让抽象枯燥晦涩繁杂的计算定义变得更加直接易懂，激起学生对虚拟现实的浓厚兴趣，提高他们的自己动手实践能力。

2、建模理论方法与虚拟现实实验教学

通过将构建理论与虚拟现实技术相结合，能够让学生更加直观地体验3D渲染的过程，从而更好地理解构建的概念和方法。例如，将3D路线和模型导入虚拟现实软件中，能够让学生更加直观地观察到模拟的动作，从而更深入地理解模拟的原理。

3、课外开放实验室

通过建立虚拟现实教育综合实验体系，不仅能够提高学生的上机实验学时和课程，还能够在上课时开设试验室，让学生有机会在课堂上完成一些实验，激活他们的学习积极性，提升他们的实践操作水平。

4、提供配套的软件开发和应用平台

为了更好地满足应用型人才培养的需求，教师能够设计出一个与虚拟现实软硬件基础相配套的软件网络平台和技术应用网络平台，以帮助学生更好地理解虚拟现实的基本原理和理论，并能够利用这个平台开发出具有趣味性和交互性的应用软件，从而提升学生的程序开发能力。

（二）虚拟现实实验课件制作及使用

1、虚拟现实可视化课件

教师利用虚拟现实技术制作课件，以可视化的方式展示出客观世界中那些肉眼无法直接感知的事物和现象，从而让学生更好地理解和掌握知识。采用流体动力学（CFD）的飞机部分进气场的可视化成果，它们清晰地展示了气体在飞机上的流动情况，包括飞机周围任意一个点的流速向量，使教师能够更加直接地感受到天气与飞机之间的相互作用。通过这些可视化表示方式，学生可以更容易地理解专业知识，并且可以更好地掌握虚拟现实技术的实现方法。

2、虚拟现实人机交互控制课件

根据虚拟现实技术，教师利用学校内拥有的机械设备和电工两大优势，能够与学生一起共同编制车辆组装和高温发电教学实验模拟软件，让学生在虚拟环境中体验实际操作，并通过交互操作实现三维场景中几何对象的精确模拟。

通过使用人机交互课件，学生不但能够更直接地理解虚拟现实可视化和互动操控的知识，而且还能够更好地掌握课件的具体功能和实现技术，进而培养学生的学习兴趣和自主实践的意识与能力，获得更好的学习体验效果。

3、改革虚拟现实实验课程考核手段

虚拟现实教学强调实践性，重视培养学生的能力。为此，教师采取课题引导或行动指导的方法，并将考核方式从传统的理论知识笔试改为实验考核。进行实验考核，不仅能够有效评估学生对教材的掌握情况，还能够激发学生参与实验训练的积极性，从而提升学生的能力。

采用三维可视化教学方法，结合虚拟现实技术，教师能够更好地激发学生对虚拟现实学习的浓厚兴趣，并帮助他们更好地了解虚拟现实和网络模拟的理论知识和实施技术。此外，教师还希望透过自制三维课件、进行三维虚拟交互操作实践和项目实例教学来提高学生的动手实践能力，从而增强他们的就业竞争力。

采用计算机仿真技术进行实验教学具有多种优势，其中最显著的是：节省资金投放，一次性投资即可重复利用；安全性高，实验室人员不用担心仪器设备受损或对学生身体带来损害；能够自由尝试各种实验，不受时间和地点的限制；而且，高逼真度的计算机仿真实验能够激发学生的学习热情。

随着计算机仿真技术的发展，许多学校都开始利用它来进行实验，以满足不同的需求。这些试验可以是常规教学，也可以是高难度试验，比如行星碰撞试验，还可以是危险系数极高的试验，比如汽车碰撞试验，甚至是周期漫长的试验，比如小麦育种试验。

尽管计算机仿真技术可以提供文本提示、图形、图像或动画等直观的信息，但是它仍然存在一定的局限性，因为它只能让人们通过观察来获取结果，而不能真正体验到实验教学中的内容。静态的仿真实验缺乏交互，这种交互指的是使用者可以通过虚拟环境中的物品完成动作，并且可以从情境中得到实时反馈。尽管计算机仿真技术可以模拟人类对外部环境的感知，但它们仍然不能完全模拟人类的感官体验，比如失重仿真实验中，人们不能真实感受到失重的存在；重力试验中，人们抓起被模拟的物品时，也不能感受到物品的重力。

通过虚拟现实仿真实验室的应用，不但能够培养学生的学习兴趣和自主实践的意识能力，还能够有效地提高课程教学的效果，并且能够达到试验资源的共用，从而缩小教育投资的差距。

总结：

通过虚拟现实与系统仿真教学改造，学生不但能够深入理解基本理论，还得以逐步了解现代计算机仿真技术。这一教学发展不但拓宽了学生的视野，而且也改变了传统教学模式，丰富了教学内容，从而更好地满足教学改革的要求，充分体现了它的科学化、切实可行和超前性。虚拟现实与系统仿真实验教学改革是一个具有重要意义的尝试，它不但有利于帮助学生更好地学习专业知识，而且还有利于培养他们熟练地运用计算机技术的能力，为他们未来的发展提供了有力的支持。

参考文献：

[1]杨庆,黄陈蓉.虚拟现实与系统仿真实验教学改革探讨[J].实验技术与管理,2011,28(03):94-97.

[2]柴群,张世禄,李佳.基于虚拟现实仿真的教学实验室研究[J].中国教育技术装备,2009(04):62-64.

[3]周漪清,潘美意.远程教育中实验教学模式的改革与创新[J].广东广播电视大学学报,2006(01):29-31.

本文系莱芜职业技术学院2022年度学生科研项目《基于虚拟现实（VR）技术的仿真实验研究》研究成果，课题编号：2022xsky48。