虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電氣類課程教學(xué)改革中應(yīng)用

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電氣類課程教學(xué)改革中應(yīng)用摘要提出一種模擬真實(shí)情境的課堂教學(xué)改革方 法，即基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課堂教學(xué)模式。介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技 術(shù)的概念、特點(diǎn)，并對其應(yīng)用于教學(xué)中的優(yōu)越性進(jìn)行分析， 最后論述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電氣類專業(yè)教學(xué)改革中的應(yīng)用，并 以電氣控制與plc課程為例，提出具體的應(yīng)用方法，進(jìn)一步 體現(xiàn)其獨(dú)特的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞教育信息化；虛擬現(xiàn)實(shí)；教學(xué)方法；電氣類課 程中圖分類號：tp391. 9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：b文章編號:1671-489x (2013) 27-0038-02在教育信息化大背景下，為了達(dá)到應(yīng)用現(xiàn)代化的信息資 源與技術(shù)手段來提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的，許多高校努力探 究各種教學(xué)改革途徑，進(jìn)

2、而產(chǎn)生出許多以教育信息化為指導(dǎo) 的教學(xué)方法，最有代表性的有多媒體技術(shù)的應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)資 源共享平臺的應(yīng)用、構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論在教學(xué)中的應(yīng)用等， 但這些都沒有克服電氣類課程專業(yè)性強(qiáng)、理論抽象、教學(xué)與 現(xiàn)實(shí)相分離等特點(diǎn)給課堂教學(xué)帶來的困難，如教學(xué)過程不夠 靈活、不夠生動形象，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不夠強(qiáng)烈，理論無法聯(lián) 系實(shí)際等。建構(gòu)主義認(rèn)為"情境”的體驗(yàn)對學(xué)習(xí)者構(gòu)建知識 是非常必要的，而傳統(tǒng)教學(xué)很難或者根本無法提供給學(xué)生這 種真實(shí)的“情境” 1。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)恰恰可以提供這種 "情境”。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高校電氣類課堂教學(xué)中，能夠形 象生動地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效營造一個能夠跟隨技術(shù)發(fā)展的 教學(xué)

3、環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識技能的效率，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的 情景化、興趣化，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)過程、提高教學(xué)質(zhì)量的目的。1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,簡稱vr),原來是美國軍 方開發(fā)出來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，主要用于軍事上的仿真2, 直到20世紀(jì)80年代末才作為一個較完整的體系被正式提 出，90年代后其內(nèi)容逐步成熟與發(fā)展。目前已在許多領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用，如機(jī)械、化工、醫(yī)藥、軍事、汽車等領(lǐng)域，主 要用于模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程、動作原理等，幫助相關(guān)人員進(jìn)一 步了解其工作原理，進(jìn)而對系統(tǒng)做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)約成 本、提高工作效率的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的集成 技術(shù)，提供一種實(shí)

4、時的、三維的虛擬環(huán)境，這個虛擬世界是 人工建造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部3。在這個虛擬環(huán)境中， 能實(shí)時產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境相同的感覺，人們可以直接觀察虛擬 環(huán)境中物體的變化，并與虛擬環(huán)境中的物體之間進(jìn)行自然的 交互，這也就大大改進(jìn)了人機(jī)交互的效果，同時體現(xiàn)了人機(jī) 交互的一個發(fā)展要求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征可概括為：1）實(shí)時交互性， 即參與者可以對模擬環(huán)境進(jìn)行一定程度的考察與操作；2） 多感知性，即對于參與者的各種操作，虛擬系統(tǒng)可以產(chǎn)生相 應(yīng)的反應(yīng)，供參與者觀察或感知；3）存在感，指參與者感 到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度；4）自主性，指 虛擬環(huán)境中物質(zhì)動作的程度服從于自然規(guī)律或者遵循設(shè)計(jì) 者想象的規(guī)

5、律。這些特點(diǎn)總體上體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠真 實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)情境的獨(dú)特優(yōu)越性，也是其得到快速推廣應(yīng)用 的主要原因。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多媒體技術(shù)發(fā)展的高級階段，其人機(jī)交 互方式得到重大改進(jìn)，即人可以進(jìn)入由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán) 境中，與虛擬環(huán)境中的物體、事件進(jìn)行交互作用，這種變革 對使用者產(chǎn)生的影響是深遠(yuǎn)的。21世紀(jì)將是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣 泛應(yīng)用的時代，教育教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu) 越性，為提高教學(xué)質(zhì)量與效率服務(wù)。2傳統(tǒng)教學(xué)模式分析創(chuàng)新人才的培養(yǎng)離不開教育的創(chuàng)新，除了教育觀念創(chuàng)新 和教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新外，還包括教學(xué)方法、手段與模式的創(chuàng)新。 隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及教育教學(xué)理論的不斷發(fā)展， 在傳統(tǒng)教育模式

6、的基礎(chǔ)上，不斷涌現(xiàn)出多種現(xiàn)代化的教學(xué)模 式。1）傳統(tǒng)教學(xué)模式：形式死板，不足以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣， 陳述知識面窄，授課效率低，理論不能聯(lián)系實(shí)際。2）多媒 體教學(xué)模式：文字表述過多，知識呈現(xiàn)抽象，不足以激發(fā)學(xué) 習(xí)興趣，授課普遍稍快，不利于消化，理論不能聯(lián)系實(shí)際。3）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式：涉及知識面廣，呈現(xiàn)形式多樣化；對學(xué) 生自主學(xué)習(xí)性要求較高，缺少教師指導(dǎo)，學(xué)習(xí)積極性不高； 學(xué)習(xí)效率低、理論不能很好地聯(lián)系實(shí)際。4）構(gòu)建主義教學(xué) 模式：是一種基于"情境”體驗(yàn)的知識構(gòu)建的學(xué)習(xí)方法，而 現(xiàn)實(shí)教學(xué)中很難提供這種真實(shí)的"情境”。5）基于虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)的教學(xué)模式：脫開文字與靜態(tài)原理圖，動態(tài)地呈現(xiàn)整 個

7、工作過程，視覺感受強(qiáng)烈，有助于抽象知識的理解，激發(fā) 學(xué)習(xí)興趣。可見，相比于傳統(tǒng)教學(xué)模式，現(xiàn)代化的教學(xué)方式在內(nèi)容、 形式、手段上有了很大的突破，克服了傳統(tǒng)教學(xué)的一些弊端, 但普遍存在一個問題就是不能夠提供一個“真實(shí)情境"來 幫助學(xué)生進(jìn)一步理解問題，理論難以聯(lián)系實(shí)際。同時也帶來 另外一些問題，如對學(xué)生自主學(xué)習(xí)性要求較髙，對教學(xué)條件 的依賴性強(qiáng)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正好能夠解決“真實(shí)情境”的 問題，同時由于在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)，便于管理學(xué)生，學(xué)習(xí) 效率高，教學(xué)成本低。3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用電氣類課程課堂教學(xué)過程中，尤其需要改變傳統(tǒng)的教育 觀念，摒棄那種“滿堂灌”的教育觀，給學(xué)生創(chuàng)造一個生動、

8、 有效的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，才有助于理解抽象的理論性和專業(yè)性 強(qiáng)的知識，進(jìn)一步提高掌握實(shí)際技能的效率。這在很大程度 上離不開技術(shù)的支持，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以滿足這種需 求，為學(xué)生提供很好的自主學(xué)習(xí)環(huán)境?？梢哉f虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 給教育領(lǐng)域注入新的生機(jī)和活力，由于它的諸多特點(diǎn)，為教 育界開展教育創(chuàng)新提供了有益的幫助。鑒于電氣類專業(yè)的實(shí)際教學(xué)情況與自身的教學(xué)感受，結(jié) 合學(xué)生對于傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的反應(yīng)，總結(jié)出目前急需進(jìn)行 教學(xué)改革的兩個基本問題：1）對于理論性強(qiáng)的課程，文字 表述過于繁瑣且不利于理解，所配靜態(tài)插圖（原理圖）不能 說明整個動態(tài)的工作工程，不夠形象直觀；2）試驗(yàn)設(shè)備有 限且較為單一化，大多數(shù)為驗(yàn)證性

9、實(shí)驗(yàn)，對于理論知識的實(shí) 際應(yīng)用接觸較少。上述問題也是目前普通高等院校工科類專 業(yè)教學(xué)中普遍存在的，因而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用將是非常必 要的。下面以電氣控制與plc教學(xué)為例，說明具體的應(yīng)用方 法。 3. 1虛擬動畫演示針對課堂教學(xué)內(nèi)容的抽象性，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制 作模擬動畫，實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)內(nèi)容的工作原理、工作過程甚至整 個系統(tǒng)的動作過程的動態(tài)模擬。相比于單一的文字陳述與靜 態(tài)的工作原理框圖，模擬動畫具有繽紛清晰的動態(tài)畫面，人 機(jī)交互的動態(tài)參數(shù)修改操作的特點(diǎn)，它能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步 理解某一內(nèi)容或系統(tǒng)的工作原理、性能特點(diǎn)，進(jìn)而牢固掌握 所涉及的知識。此外，這種脫離單一文字的動態(tài)畫面式教學(xué) 模式還有助于

10、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，樹立良好的整體學(xué)風(fēng)。 在實(shí)際教學(xué)過程中這種虛擬動畫可以重復(fù)播放、不斷改進(jìn)， 達(dá)到節(jié)約成本、多次使用、輕松教學(xué)的效果。此方法在電氣 控制與plc課程教學(xué)中已有使用，教學(xué)效果良好。圖1為干 簧式水位開關(guān)工作原理動畫演示過程截圖。3. 2虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立在電氣類人才培養(yǎng)過程中，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備多少與先進(jìn)程 度很大程度上決定了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的情 況下，可以建立虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，來模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與 設(shè)備，供學(xué)生操作與使用。這種虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立有幾大 優(yōu)點(diǎn)。首先，能夠代替實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，節(jié)約教學(xué)成本。其 次，它完全存在于計(jì)算機(jī)中，可以方便地使用，不必受時間 空間的限制

11、，能夠更好地理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)對所學(xué)知識的 及時消化。如在講授完理論知識需要配合實(shí)驗(yàn)時，教師可以 在課堂上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，達(dá)到一個現(xiàn)場鞏固知識的目的。再 次，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立還具有豐富實(shí)驗(yàn)資源、簡化實(shí)驗(yàn)管 理、全面向?qū)W生開放等特點(diǎn)。電氣控制與plc課程教學(xué)中，plc的編程思想是靠大量 的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訓(xùn)練出來的，在實(shí)驗(yàn)資源較少的情況下，建立虛 擬實(shí)驗(yàn)室供學(xué)生練習(xí)是非常必要的。虛擬實(shí)驗(yàn)其近乎真實(shí)的 實(shí)驗(yàn)環(huán)境比純粹的軟件仿真更為真實(shí)，便于學(xué)生理解。圖2 為混合溶液plc自動控制虛擬實(shí)驗(yàn)界面。4總結(jié)隨著信息時代的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前 景，特別是在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用更是處于起步階段，具有較 大的挖掘潛力。本文初步探究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在獨(dú)立院校電 氣類課程教學(xué)改革中的應(yīng)用，以電氣控制與plc課程為例， 提出幾點(diǎn)具體的應(yīng)用措施，其方法也在實(shí)踐教學(xué)過程中初步 實(shí)施，取得良好的效果。但由于所掌握的技術(shù)的不成熟與實(shí) 際條件的限制，所提出的方案沒有得到全方位的開發(fā)，所取 得的效果不是非常突出，還需要以后進(jìn)一步的研究與完善。參考文獻(xiàn)1 李建華基于構(gòu)建主義的教育模式探究與實(shí)踐j. 西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：人文社科