Ｉ ．．教学鳗地…………………………， 虚拟现实技术在电工电子教学中的实际应用 江苏联合职业技术学院无锡机电分院 马丽萍 【摘要】随着科技的发展，虚拟现实（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ）技术应运而生，它利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界，使参与者获得与现实一样的感 受 本文将虚拟技术结合电工电子教学活动，从虚拟现实技术应用于电工电子教学中的可行性和必要性进行分析考证，结合教学实例总结虚拟现实技术在教学中的优势及 虚拟现实技术在电工电子教学中的应用形式，促使参与者积极主动地愉快体验，提高教学效率，优化教学过程。 【关键词】ＶＲ；教学；虚拟现实；应用；交互 １．引言 在信息传播技术迅猛发展的今天，当 前以信息技术为背景的现代教育教学中， 学生的学习兴趣较传统教学有着较大的提 针对学生的不同解答过程进行分析，同时 识结构和个性特征，使得每个人的学习习 评价学习效果，使每个学生都能处于有利 惯、思维方式也有着显著的差别。在传统 于自身的学习环境，学生可以用自己合适 的教学模式下，教师的教学计划不可能为 的速度和多条思路、多种途径来解答问 每一位学生进行私人定制，但ＶＲ技术所提 高，学习主体性也得到了较大的发挥。同 题。 时也不可避免地暴露出大部分多媒体信息 （２）提供给学生更广泛的有关电工电 的局限性，它只能按照时间的流程，程序 子课程的学习空间和选择空间 设计的流向有限制地浏览。随着科技的发 通过多种感官的刺激形式，学习者根 展，虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ，简称 据自身的实际情况选择适合自己难易程度 ＶＲ）技术应运而生，它利用计算机发展中 的学习内容，从而达到因材施教的效果。 的高科技手段构造出一个虚拟的境界， 这种学习方式增强了学生的学习信心，提 使学习者获得与现实一样的感受。可以预 高了学生主动探索能力。 测，虚拟现实技术将是继多媒体、计算机 （３）提供灵活的人机对话模式 网络之后，在教育教学领域内最具有应用 ＶＲ技术将教师的教和学生的学有机地 前景的技术之一。 融为一体，使学生和计算机始终处于一系 ＶＲ技术是２０世纪末发展起来的一门涉 列交替询问和回答的过程，这种人机对话 及众多学科的高新技术。它集计算机技 的过程中，学生选择的教学模式可以多样 术、传感技术、仿真技术、微电子技术为 化、教学方法可以任意化、教学速度可以 一体，通过计算机创建一种虚拟环境，通 多方调节，学生可以一题多问、一题多 过多感官作用，使参与者产生和现实中一 练，计算机系统提供一题多解、一题多变 样的感觉。尽管该环境并不真实存在，但 的训练功能，这样就最大限度的开阔了学 它作为一个逼真的三维环境，参与者就会 生的思路。如利用计算机模拟电工实验中 产生身临其境的感觉，并可实现参与者与 的触电和触电现场急救这一堂课，强电操 该环境的直接交互。这种技术应用于电工 作危险性极大，不当操作甚至危及生命， 电子教学活动中，可以使学生不再是被动 学生往往出现两种情况，一种是缩头缩脚 地看、听和接受所提供的内容，而是能够 啥都不动，一种就是勇往直前以身试电， 以各种形式参与到事件中去，在事件的变 这都不利于这些内容的学习，另外教师不 化过程中扮演角色。Ｌ２ 反之，学生的行为 能预设触电情境或触电状态。因此，内容 也将影响事件的发展方向，使学生的学习 非常抽象，教师难教、学生难学。传统教 像生活，像游戏一样轻松、活泼和积极有 学中一般是以大量的图片或文字进行介 效。另一方面，教师也可以在虚拟环境中 绍或借助于投影仪进行介绍。这些方法虽 扮演一定的角色，与学生共同协调学习， 然能够帮助学生对于触电的理解，但直观 形成和谐，互动合作的教学关系，从而使 性还是比较差，学生还要靠想象才能在头 学生的学习效果获得了空前的提高。因 脑中形成印象。现借助计算机技术模拟显 此，在教育领域中恰当运用ＶＲ技术将是教 示触电状态，从而使只能通过口头语言描 育技术发展的一个飞跃。 述的抽象问题变成了动态的直观、形象化 ２．ＶＲ技术在电工电子教学中应用的优 了的图示，有效地加深了学生的理解和记 势 忆。如心肺复苏的实施，通过感官、语 ２．１发散思维能力培养与主动探索能 言、手势等比较“自然”的方式与计算机 力提高 进行交互，完全置身于一个“超越现实、 ＶＲ技术与其他教学方式的根本区别在 身临其境”的综合学习环境中。学生亲自 于：ＶＲ技术打破了传统的单向传授知识的 的体验，加上动态、直观、形象化了的图 教学模式，使学生可以最大限度地发挥其 像，开阔了学生的思路，提高了观察能力 主动性和积极性，更有利于培养学生的发 和理解能力和操作能力。只有ＶＲ技术这类 散思维能力和主动探索能力。它将学习者 智能型的教学方法，在思维方面才能满足 的学习、训练及自我检测结合起来，形成 学生细致的观察、联想、跳跃式的方式， 一种积极、生动、活泼的教学方式。 才能更增进想象力，培养学生的创新思维 具体体现在以下几个方面： 能力，锻炼学生的自律能力，增强学生的 （１）提供个性化的订单式的教学手段 持久学习动机。Ｉ４ 如计算机可以给出电工电子学的学习 ２．２个性化教学模式平台整合 目标、内容、重点和难点等教学信息，可 由于学生各自有不同的文化背景、知 一３２０一电子瞄弭 供的人机交互的特点却适用于个性化教 学，因人施教、因材施教，培养出高素质 的综合型人才。 ＶＲ技术是一种具有现实感、亲临感和 多维感的高级人机界面模式，学生能够通 过多种感官渠道从虚拟的环境中与它进行 实时交互。 在这个全新的环境模式中， 学生自主学习的空间更加广阔，创造性的 思维更加活跃，学习效果获得了空前的提 高。如在电工学中讲到《三相异步电动机 的旋转磁场》时，如果老师一味地讲有关 旋转磁场的理论就很难引起学生的注意， 但利用虚拟实物的方法展现电机的转动等 生活中身边的例子，就能充分调动学生的 兴趣，把学牛引入磁场的世界中，进一步 把电产生磁、磁产生电，通电导体在磁场 中的运动，把这类抽象、难以描述的过程 进行快慢、缩放、局部、全景的再现，使 客观事物的形、声、色生动地作用于学 生的多种感官，在情境中感知记忆，通过 思维、想象等一系列内隐的心理活动，从 而把学生引入到磁场这种无形的场的学习 中，在磁场的世界中学习相关知识。通过 计算机提供的交互模式加快了学生的感知 和理解事物的过程，有效地提高了学生的 注意力和记忆力，优化了教学效果。 总之，在ＶＲ技术中，基于自然方式的 交互作用和个性化学习环境，必然提高学 生的学习兴趣，学生不仅仅是一个观察 者，还是动作的积极参与者。因此大大激 发了学生的学习动机、提高了学习效果。 ２．３虚拟胜实体、实践出真知 经验主要通过实践获得，但是在传统 的学习过程中，一般只强调对理论知识的 掌握，没有充分认识到经验的价值。在现 代社会知识爆炸的压力下，实践活动越来 越处于重要的地位。在虚拟环境中，学习 者接触的学习材料不再是纯符号的知识， 而是进行与实践有本质关联的活动，因此 在学习理论知识的同时，也学习了实践知 识。如在电工教学中，让学生进入虚拟车 间内，熟悉机床每个部件的工作情况，观 察每个部件之间的相互联系，了解整个电 机拖动过程，这是用传统电视录像媒体和 实物媒体作为教学手段所无法比拟的；再 如学生用计算机提供的资源自己进行电路 设计，从画图设计、研发、测试到实物的 …．……………………… 厦地一 Ｉ 产生，这些ＶＲ技术所具有的特性使得学习 活动更具实践意义，它以抽象的信息符号 化转换成具象的物质载体，从根本上脱离 大脑对虚拟思维对象的空洞感和神秘感， 并根除了传统实验环境下对象创设的认 知局限性。 在ＶＲ技术尊重客观事实为前提的情况 下，自参与者进入虚拟空间起，主体将不 再受实体环境中的劳作经验束缚，而是把 长期积累的生活经验和生产知识共融到预 设对象的虚拟环境中，经过综合的技术处 理，对大量现实素材进行可控的操作分 一３．ＶＲ在电工电子教学中的应用形式 ３．１ ＶＲ实物展示 ＶＲ实物是指用虚拟现实的手法来展示 教学中实际用到的物体，学生可以根据自 己的想法对虚拟的实物进行设计，通过对 ＶＲ实物的操作来完成目标知识结构。如在 电工教学中讲到《三相异步电动机的结构 与原理》这一章时，如果教师一味地讲有 关的理论就很难引起学生的注意，但利用 ｖＲ的方法虚拟三相异步电动机，让学生自 己拆分组装电动机，就可能很容易地把学 生引入所学的知识，让学生在虚拟的世界 媒体技术，创造一个接近事实的训练情 境，使学生身处其中，自己动手操纵仪 器，获得经验，掌握工作能力。利用ｖＲ技 术，学生在虚拟的学习环境中扮演一个 ＶＲ角色，全身心地投入到学习环境中去， 这非常有利于学生的技能训练。利用ｖＲ技 术，可以做各种各样的技能训练，如电子 元器件的装配，电子整机装配，电器维修 与维护等技能训练。这些训练的应用不仅 减少了费用，提高了安全可靠性，而且高 效环保，能进一步拓宽学生电工电子技能 训练的范围，如一些昂贵的电工电子测量 析，展示其接近现实的真实环境。这样， 虚实两种状态就被有机统一在新的技术实 践中，现实性终于挣脱了单一发展的物质 束缚，进入一个新的创造空间。 ２．４补教学条件硬伤、促安全实验开 展 使用ｖＲ技术可给学习者提供机会去尝 试不同的选择，但没有做“真实事情”时 所带来的各种危险问题和费用损耗问题。 学生甚至还可尝试在现实世界里不可能做 的各种方案，从而判定哪种方案是最佳的 和可行的。这样，既可使学习者免受伤 害，也可使现实免遭损害。 另外，利用ＶＲ技术，可以解决学校普 遍存在的实验设备不足、型号落后，教学 经费场地缺乏等硬件建设方面条件的不 足，并将有助于解决不能视、不能摸、不 能入的多种危险性场合，也可以有效避免 真实实验操作过程中的危险因素，在安全 稳定的环境中完成预定实验，得到真实有 效数据，在愉悦的体验过程中完成既定学 习目标。 。 ｖＲ技术让实验成本得到了大幅的降 低，采用该技术教学相比传统实验教学更 具形象性和交互性。以往对存在危险因素 或对对人体健康不利的实验演示，常采用 教师单独实验、助理协作拍摄、最终课题 播放视频的方式来替代学生参与实验。实 验播放教学过程中，学生无法直接参与实 验，在感性认识上欠缺。 利用ＶＲ技术进行虚拟实验，学生在可 以放心地去操作原本存在危险因素的或对 人体健康不利的实验。如虚拟的电工 验 中的电流对熔断丝粗细的影响对比试验 中，可以避免因为电流的热效应所产生的 燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的机器故 障维修，可避免由于学生操作失误，使人 体与电的误接触而造成伤害或死亡的事 故；虚拟的电路设计教学系统，可免除学 员因操作失误而造成设备损坏的严重事故 等等。 综上所述，在虚拟环境中，生动的各 项实验可以使教学过程变得生动活泼，大 大提高学生的感知水平和学习兴趣，特别 是它的仿真模拟功能，可以使教学中一些 难做或无法做的实验可以通过计算机的动 态模拟技术演示得清楚明白，避免真实实 验或操作所带来的各种危险，更加安全可 靠，从而弥补教学条件带来的不足。 中学习相关知识。 仪器设备的使用训练、危险性实验的操作 ３．２ ＶＲ实验室建设 仿真等等。 ＶＲ实验室是利用ＶＲ技术，建立各种ＶＲ ４．结束语 实验室，它可以根据需要随时生成各种新 ｖＲ技术作为一个新型的教学媒体，已 的“虚拟”设备，教学内容可以不断更 引起教学领域的极大关注。因为ＶＲ技术将 新，使实践训练能够及时跟上科学技术的 对探索、发展现代教学理念，提高教学水 发展。另外一方面，ｖＲ实验室能完成在现 平，改善实验环境，优化教学过程，培养 有条件下无法正常进行的实验或对人的生 具有创新型技能人才产生深远的影响，并 命有严重危害的实验，用虚拟现实的手法 将有助于解决不能视、不能摸、不能入危 按照科学理论设计一个ＶＲ实验，学生通过 险性场所的实验等问题，同时解决职业院 ｖＲ实验来观察实验过程和了解实验结果， 校普遍存在的实验设备不足、型号落后、 从而完成目标知识结构。如电工教学中有 难以更新换代等困难。目前，尽管ＶＲ系统 关“触电急救”的内容中，可以采用人工 的硬件设备还比较昂贵，ＶＲ技术教学中尚 智能技术在一个框架内将具有现实感和可 未能普及。但是，随着ＶＲ技术的不断发展 视化的详细空间模型与人体的符号模型结 和完善，以及硬件设备价格的不断降低， 合起来，通过感官、语言、手势等比较 相信ｖＲ技术作为一个新型的教学媒体，凭 “自然”的方式与计算机进行交互，完全 借自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐 置身于一个“超越现实、身临其境”的综 受到教学工作者的重视和青睐，最终在教 合学习环境中，为学生提供了最方便有利 学领域广泛应用并发挥其重要作用。 的条件。另外利用ＶＲ技术，可以有效地解 决实验条件与实验效果之间的矛盾。在教 参考文献 学中，有诸多造价高昂的教学实验，一直 【１］赵沁平．虚拟现实综述Ⅱ】．中国科学，２００９，３９（１）：２． 受价格因素的影响而得不到有效开展，在 【２】史铁君．虚拟现实在教育中的应用［Ｄ】．东北师范大 ｖＲ环境下既可以弥补传统实验的损耗价值 学，２００８－５—１：２３． ． 过高的不足之处，又可以模拟真实环境操 ［３］宋达．虚拟现实综述口）］．东北师范大学，２００５—５—１：７． 作，从而避免了不当操作的危险，同时也 悍如伟．虚拟现实的教学应用及简易虚拟学习环境设 符合当代绿色环保的理念。实验参与者将 计ｐ．南京师范大学，２００５—６．３０：２１． 可以自由地，毫无顾虑地随时进入虚拟实 ［５］苏建明，张续红，胡庆夕．展望虚拟现实技术Ⅱ］．计算机 验室操作仪器，进行各种各样的实验。 仿真，２００／，２１ ：１９． ３．３ ＶＲ角色扮演 【６】卞锋，江漫清，桑永英．虚拟现实及其应用进展Ⅱ】计算 ｖＲ角色扮演是指让学生在虚拟的教学 机仿真，２００７，２４（６）：２． 情境中充当一个角色，可以虚拟历史人 物、名人、教师、学生等各种人物形象， 项目来源：江苏省教育科学研究院现代教育研究所 创设一个人性化的学习环境，使参与者 （课题批准号：２０１４－Ｒ－２８６６８）。 能够在自然、亲切的气氛中进行学习。例 如，在虚拟的电工电子课堂学习气氛中， 作者简介：马丽萍（１９７５一），江苏无锡人，硕士， 学生可以与虚报的教师、学生一起交流、 高校讲师，现供职于江苏联合职业技术学院无锡机电 讨论，共同探讨学习中出现的各种问题， 分院。 进行协作化学习，培养学生的团队协作能 力。虚拟的教师担当“导航”和“解惑” 的重任，可以对所学的内容进行项目式教 学，指导和帮助学生获取所需要的学习资 源，根据系统教学资源对虚拟学生分组讨 论的结果及时进行评价和分析，回答虚拟 学生讨论中出现的问题，整个教学过程增 加了教学的趣味性和浓浓的人性化色彩， 从而改善教学效果，达到教学目的。 ３．４ ＶＲ技能训练 ｖＲ技能训练是利用ＶＲ技术和计算机多 电子＇ｔ｜界－３２１—