虚拟现实在实践教学中的应用浅析

摘要:高校人才培养重视学生的实践能力发展。鉴于实习、实验中出现的困难,虚拟现实以技术或非技术的方式成为解决问题的有效手段,被广泛应用于学科教学中,成为实践教学的重要成分。

关键词:虚拟现实;实践教学;应用

中图分类号:G642.45文献标识码:A文章编号:1671-0568(2010)23-0123-02

一、实践教学的困难

近年来,高校人才培养越来越重视学生实践能力的发展。一方面,教育部提出“实践教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用”,[1]提出 “要大力加强实验、实习、实践和毕业设计(论文)等实践教学环节,特别要加强专业实习和毕业实习等重要环节……推进实验内容和实验模式改革和创新,培养学生的实践动手能力、分析问题和解决问题能力”。[2]另一方面,社会对高校毕业生实践能力的期望越来越高,甚至具有职业化、技能化的要求。

在此背景下,随“质量工程”的推进,实践教学得到了高度重视,“实验教学示范中心”、“大学生创新性实验计划”、“大学生竞赛活动”等项目全面启动和发展,高校也因此加快了改革和探索的步伐,进一步加大投入,完善教学体系,改革教学方法,增加实践学时比例,大力实施学科技能竞赛、实验室开放,等等。但在改革和探索的过程中,矛盾和困难逐渐凸显出来。

1.实习的困难

凡奇等将实习教学中存在的困难总结为四个反差,[3]即学生难找实习单位、实习指导力度不够、实习内容和教学大纲偏离、经费短缺等。目前,高校的毕业实习主要采取分散方式进行,学生分散到不同地方、单位,引起的问题主要有:教学质量监督难于实施;指导教师和学生无法面对面地交流和指导,基于网络、电话、E-MAIL的指导方式显得比较薄弱;指导效率和质量相对低下;学生实习基本处于“放羊”状态;实习教学的目标很难实现;实习教学设计和实际实习过程偏差较大。

2.实验教学的困难

实验教学的实施也存在诸多矛盾和困难,主要体现在实验设备、经费、危险性、师资薄弱等方面。实验设备是实验教学最基本的条件之一,设备缺乏是本科院校面临的普遍问题;实验教学和理论教学在教学成本方面有明显差异,如生物学的解剖实验,单个实验项目所产生的费用比相应的理论教学成本会高出十倍、甚至几十倍;实验教学同时还伴随着安全风险,化学、物理学、机电类等学科中都有大量风险性实验,可能导致财产危害,危及人身安全;受工作性质、强度、人事机制等影响,实验教学师资数量和质量方面都显得相当薄弱,这是高校普遍面临的问题,甚至可以说在年龄结构、职称结构、学历学位结构、学缘结构等方面,实验教师队伍是始终是一个“软肋”,极大地影响着实验教学的发展。

总之,对于实习和实验教学等实践教学中存在的矛盾和困难,高校只能在一定程度上解决和改善,其中虚拟现实的运用就是一个重要方法。

二、关于虚拟现实

陈志良教授认为:“虚拟有广义和狭义之分,广义的虚拟是指各种文明规则,指各种规则的合成、选择及其演化;狭义的虚拟是指当代的数字化的表达方式和构成方式,是我们时代的数字化生存方式、实践方式和创造方式。” 他进一步解释说:“虚拟之所以叫做虚拟,是因为在形式上虚拟构成了这一事物,它对于我们是一种感性的真实的存在,但实质上这一事物不是原来的事物,而是一种数字化方式的存在。”[4]

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)由拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出,也称灵境技术或人工环境,钱学森院士将其翻译为“灵境”。虚拟现实最早源于美国军方的作战模拟系统,九十年代初逐渐为各界所关注。

Virtual的本意是表现具有真实事物的某些属性,但本质是虚幻的;Reality的本意是“真实”而不是“现实”。从两个单词看出,VR是“真实世界的一个映像”(aimage of real world),它既不是现实,也不只是人机界面。

虚拟现实目前尚没有一个广泛被接受的定义,研究者众说纷纭,其定义同样包括广义和狭义两种。

狭义定义:虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身临其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。 为与广义定义区分,常被称之为“VR界面”。[5]

广义定义:虚拟现实是实际上而不是事实上为真实的事件或实体。[5]

鉴于虚拟现实运用于教学的广泛性,本文取广义的虚拟现实。

三、虚拟现实应用于实践教学的认识基础

实践教学的目的常表现为两个方面。一为检验、验证所学理论知识与方法,采用相应手段,按实际工作的程序、要求教学活动,从而使学生掌握基本实践技能。二为培养学生的动手、协作、问题解决的能力。可以说,其本质是在实践活动中体验、构建知识,解决问题,是和理论教学相结合又相对应的一种教学形式。

“实践活动是实践主体为了自己生存和发展的需要而使用实践工具能动地改造实践客体的社会性的客观物质活动,是实践主体和实践客体相互作用的过程”,[6]即实践活动是主客体相互作用的过程,目的是获得生活经验。

虚拟现实运用于实践教学的根本原因是以技术或非技术的手段,创造出虚拟的环境,为人们提供了一种类似于真实的感受和体验。即虚拟现实为人们在“虚拟”的环境中得到类似真实生活情境中的经验和感受提供了可能,作为这种运用,虚拟现实和现实在表象方面是统一的,尽管它的本质是虚拟的,因此,虚拟现实才作为一种手段或方法,为实践教学提供了可能的支持。

进一步说,“尽管虚拟现实是真与假的统一体”,[4]但它“真”的属性为实践教学提供了可能性。如果把虚拟现实当作“现实”(真)来对待,那么实践教学和这个“现实”即为主体和客体的关系,主体和客体之间的活动就是一个认知的过程,即在虚拟现实环境下进行的实践教学也是一种经验感知的过程,这和一般所指的实践教学过程是统一的。

故虚拟现实通过“经验”和实践教学联系起来,为学生提供了一个安全、不昂贵的方式与真实世界交互,它以最仿真、最低成本和跨越时空的方式为实践教学提供了可能,其主要优势体现为:①弥补现有教育经费、教学条件的不足;②避免真实实验或操作带来的各种危险;③突破时空的限制;④具有高度的灵活性。

四、虚拟现实在实践教学中的应用现状

虚拟现实一经提出和应用,很快就被引入教育领域,在科技研究、虚拟校园、虚拟教学、虚拟实验等方面都得到了广泛而深入的运用,典型形式有PH酸碱度(美国科学探索网络)、几何光学实验室、飞行模拟器、分布式交互模拟网络系统、虚拟微型手术系统、数字化古罗马、大学物理仿真实验、虚拟电气工程实验台、EWB、虚拟电子实验仿真软件、演练消化系统、演练呼吸系统、核反应堆、数控插补原理教学(MATLAB)、电路实验仿真技术(EWB)、单片机原理(FRANKLIN软件仿真)、“虚拟果蝇”的模拟实验软件等等,虚拟现实正以技术或非技术的形式广泛运用于文、理、工、农等各学科的教学中,对某些课程来说,虚拟现实已经发展成较成熟、健全的教学模式,成为实践教学中的重要组成部分。

同时,高校还设立了很多关于虚拟现实应用的科研项目,如中国人民解放军装备指挥技术学院开发了机械模拟驾驶训练系统;吉林大学汽车学院利用虚拟现实技术进行了汽车动态模拟实验研究;厦门大学机电工程系利用虚拟现实技术研制模拟飞机维修;山东大学机械工程学院虚拟工程研究中心也在探索与虚拟现实的相关技术和虚拟产品的开发;山东大学建立了虚拟手术仿真中心……。

五、总结

虚拟现实应用于实践教学首先应该以观念为前导。

一方面,经验使虚拟现实与实践教学联系起来,为实践教学提供了广阔的运用空间,具有积极意义,在实践教学尤其是实习、实验教学中,可以尝试运用虚拟现实的方法和手段,弥补实习、实验条件的不足,促进高校实践教学的发展。另一方面,虚拟现实并不完全能够取代现实世界成为人的认识来源,它的“假”的属性同时会引发社会的、伦理的、文化的问题,对学生发展的负面影响亦不容忽视。总之,虚拟现实因为和真实世界的区别,引起了现实与非现实、可能与不可能、主体和客体等关系的变化,在实践教学中应该以适用性的方式来认识和实践。

参考文献:

[1]教育部.关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见[Z].教高(2001)4号.

[2]教育部.关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见[Z].教高(2007)2号.

[3]凡奇.实践教学未必都要走出校园[J].辽宁高等教育研,1999,(4).

[4]陈志良.虚拟:人类中介系统的革命[J].中国人民大学学报,2000,(4).

[5]张兰华,黄伟奇.虚拟现实在工科实践教学中的应用[J].甘肃科技,2007,(2).

[6]龚振黔,李文英.“实践”定义新探[J].贵州教育学院学报(社会科学版),1998,(4).