论文部分内容阅读
[摘要]本文通过虚拟现实技术在环境类专业教学中的实践，分析了虚拟现实技术在高校环境类专业教学中的应用优势，同时分析了该技术在环境类专业教学中应用存在的问题和发展方向，以更好地发挥虚拟现实技术在教学中的作用。
[关键词]虚拟现实技术 环境类专业 优势 问题
[中图分类号]G642 [文献标识码]A
虚拟现实技术于上世纪50年代诞生在美国，90年代在英美等发达国家得以快速发展，其应用范围从最初的军事模拟和宇航训练逐步扩展到工业制造、远程医疗、商业宣传、互动娱乐、教育等诸多领域。该技术在我国的研究和应用起步较晚。本世纪初，浙江大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校才开始研究和推广该技术在教学中的应用。
随着高校教育改革的不断深化，如何培养学生实践能力和创新能力已成为高教改革的重要关注点。传统教学方法由于时空的局限性，难以将现实体系引入课堂以搭建学生与现实交互的平台，难以充分展现宏观或微观空间场景，难以解决教学过程中的自然交互性要求，难以营造一种教师为主导、学生为主体的探索性学习环境，不利于学生实践能力和创新能力的培养。
环境类专业的研究对象是由包含大气圈、水圈、岩石圈等圈层的自然环境和以生物圈为代表的生态环境组成的地球环境系统，与反映人类生产、生活和技术活动的人类活动圈组成的庞大、复杂而开放的综合体系，环境类专业课程传统教学方法和手段难以针对环境体系的宏观性、开放性和多元化等特点而进行有效的教学活动。虚拟现实技术能够很好地解决这一问题。虚拟现实技术构建出一个与现实场景逼真的虚拟环境，解决教学过程中情景化及自然交互性要求，调动学生的学习主动性，营造学生进行自主性、探索性学习的环境，培养学生的创新能力。我校于2010年10月开始研究虚拟现实技术在环境类专业教学中的应用，构建了一个含虚拟实验室和环境资源库于一体的多元化虚拟现实教学平台用于环境类专业主干课程的理论教学和实践教学。实践表明，该技术有效改善了课堂教学氛围，使教学由平面走向立体，由静态变为动态，由抽象化变为具体，使教学穿越了时间和空间局限，很好地增加了教学容量，有效地提高了教学效果。利用该技术营造了一种教师为主导、学生为主体的探索性学习环境，利于学生实践能力和创新能力的培养。但是要把该技术和教学更加有效地融合，还有需要在其应用形式和应用方法等方面做进一步研究和改进。
一、虚拟现实技术在环境类专业教学中的应用优势
1.虚拟场景有效解决了教学过程中的自然交互性要求
《环境科学概论》、《生态学》、《水资源管理》、《环境管理》、《环境评价》、《自然地理学》等专业课程所授知识具有环境体系的的宏观性特征。传统课堂教学模式由于空间的限制，难以将现实环境体系引入课堂，难以充分展现宏观空间，难以进行有效的教学活动。利用虚拟现实技术构建环境资源库，将虚拟场景引入课堂教学，搭建了学生与环境交互的平台，有效解决了教学过程中的自然交互性要求。
2.虚拟实验室有效连接了课堂与实验室
将虚拟实验室引入理论教学，可以解决《环境监测》、《环境监测实验》、《仪器分析》等培养实验技能的课程理论讲授与实验室分隔开进行的问题，保证教学组织的整体性；对于《水污染控制工程》、《水污染控制工程实验》、《水处理生物工程》、《大气污染控制工程》、《大气污染控制工程》、《大气污染控制工程实验》等培养系统性技术能力的课程，传统教学多以系统工艺中的各个反应单元为章节进行授课和实验，导致学生学习过程难以将整个系统工艺融会贯通，而虚拟实验体系可以展示整个系统工艺，能将若干知识点串联起来，起到汇总和系统化的作用，有效解决上述问题。
3.虚拟实验室可以弥补现实实践条件的不足
实验实训教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节，但由于《环境监测实验》部分项目会涉及到硫酸汞、二氯化汞等剧毒试剂的使用，实验教学中如果让学生自己配置试剂并操作实验则存在一定危险性。通过虚拟实验室，学生既可以在虚拟实验平台上利用实验仪器来操作该类型实验，获得真实实验体会，丰富感性认知，加深对教学内容的理解，还规避了教学风险。环境类专业《水污染控制工程》、《水处理生物工程》、《大气污染控制工程》等课程部分实训项目对硬件条件要求较高，由于设备、场地、经费等硬件的限制，导致一些实训项目无法进行。而利用虚拟现实系统，学生在实验室可以进行虚拟仿真，获得与真实实践一样的体验。这不仅确保了实验实训教学任务的全面进行，还极大地节省了教学成本。
4.虚拟现实教学平台为学生自主学习提供了条件
虚拟现实教学平台为学生进行专业课程实验实习的预习和复习提供了一个自主学习的平台，引导学生改变了原有的单纯接受式的学习方式，形成一种对知识进行主动探求的自主学习方式；该平台可以成为学生走出课堂进入实践前的一个桥梁，利于学生将理论知识与实践知识融会贯通，有利于学生实践能力和创新能力的培养。两年来，环境类专业学生在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、浙江省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、浙江省大学生化工设计竞赛等赛事中多次获奖。毕业生得到了社会认可，环境工程2011届、2012届毕业生就业率达97%以上，环境科学2011届、2012届毕业生就业率达95%以上。麦可思公司发布的“2012年度浙江农林大学社会需求与培养质量年度报告”表明：环境工程专业学生满意度由2011年的76%提升至2012年的96%。
二、虚拟现实技术在环境类专业教学中应用尚需解决的问题
随着高校教学改革的不断推进和社会对环境类专业人才素质能力需求的变化，环境类专业的教学需要、教学目的、教学手段也都在发生变化，要充分发挥虚拟现实技术在教学中的优势，就要遵循适用性原则，对教学内容进行充分的分析，根据教学内容的特点以及教学过程中需要解决的问题，确定是否需要采用虚拟现实技术，如果需要采用该技术，则应进行试验性教学后根据教学反馈再在不断改进中逐步推行，以确保教学手段科学合理。虚拟现实技术和环境类专业教学有机融合，尚需解决以下问题： 1.通过虚拟教学设计的完善，缩小虚拟环境与真实环境的差异
《环境监测实验》、《仪器分析》等课程的实验项目，对操作的精确度和准确度要求很高，而外界环境因素对其精确度和准确度干扰较大。虚拟现实环境是一种理想化的环境，学生在虚拟环境中学习，与在真实环境中进行实验实训存在差异，而不能完全替代真实环境下的实验实训教学。教师在设计虚拟现实教学体系时，应充分考虑在真实环境中进行实验实训可能存在的各种各样问题，在虚拟现实教学体系中提出这些问题，并让学生思考如何解决这些问题，这样学生在现实实验实训中就会注意这些问题，避免现实操作中由于这些问题的存在出现差错。
2.通过虚拟技术的改进，构建集视、听、嗅觉一体化的虚拟现实体系
目前，我国关于虚拟现实技术的应用主要关注感知方面，对于视觉合成研究的较多，对于听觉、嗅觉和触觉的关注较少，导致学生在虚拟体系中听觉、嗅觉和触觉等感官缺少充分体验，而环境类专业很多实验实训项目涉及听觉、嗅觉的评判。因此随着多媒体计算机和网络通信技术的快速发展，我们应该通过技术的改进，构建能够带给学生逼真的视、听、嗅觉一体化的强感官感知的虚拟现实环境，给学生更为逼真的体验，以进一步激发学生的兴趣，更好地提升教学效果。
3.通过虚拟技术与互联网技术的结合，实现师生互动、学生互动
虚拟现实教学平台为学生进行专业课程实验实习的预习和复习提供了自主学习的平台，但学生在该平台学习时仅实现人机交流，不能实现师生互动交流，不能实现同学讨论。对于学习自觉性较差的同学，教师无法对其自主学习过程进行监督指导。因此，我们应该将互联网技术与虚拟现实技术相结合，研究可以实现人机互动、师生互动和学生互动等多向互动的虚拟现实教学平台，以便学生进行自主学习时，教师可以对学生进行指导，学生和学生可以组织讨论，以强化学生的参与程度，丰富交互体验，还利于教师掌控学情。
4.通过教师培训，不断提升教师的教育教学水平
随着现代教育技术的不断发展，学校“现代技术教育中心”应加强对教师的培训，帮助教师提升应用现代技术的能力和水平。虚拟现实教学对教师提出了更高的要求，要求教师从知识传授型向指导型转化。学校“教师教育教学发展中心”应该通过教师培训，提高教师综合素质，改善教师的知识结构，帮助教师根据教学需求、教学手段的变化研究适合的教学方法和教学目标，更好地发挥教师在虚拟现实教学中的导向作用。
基金项目：浙江省新世纪教学改革项目“环境类专业多元化虚拟现实教学体系的构建与实施”。
[参考文献]
[1]孙江山. 基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的设计与实现[J].电化教育研究，2012，232（8）：70～74.
[2]安俊伟，孙雯，元冬. 虚拟现实技术对网络教学的影响[J]. 山西广播电视大学学报，2012，89（4）：48～50.
[3]蔡苏，宋倩，唐瑶.增强现实学习环境的架构与实践[J].中国电化教育，2011，（8）：114～119.
[4]蔡笑岳，何伯锋.学科领域知识的研究与教学——当代领域知识研究及其教学迁移[J].华东师范大学学报（教育科学版），2010，28（2）：43～51.
[5]TamaravanGog，FredPaas，JeroenJ.G.van Merrienboer. Effects of Process-Oriented Worked Examples on Troubleshooting Transfer Performance[J].Learning and Instruction，2006，16（2）：154～164.
[6]焦丽珍，江丽君. 空间学习——三维世界的潜行者[J].开放教育研究，2011，17（3）：34～41.
（作者单位：浙江农林大学 环境与资源学院 浙江杭州）
[关键词]虚拟现实技术 环境类专业 优势 问题
[中图分类号]G642 [文献标识码]A
虚拟现实技术于上世纪50年代诞生在美国，90年代在英美等发达国家得以快速发展，其应用范围从最初的军事模拟和宇航训练逐步扩展到工业制造、远程医疗、商业宣传、互动娱乐、教育等诸多领域。该技术在我国的研究和应用起步较晚。本世纪初，浙江大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校才开始研究和推广该技术在教学中的应用。
随着高校教育改革的不断深化，如何培养学生实践能力和创新能力已成为高教改革的重要关注点。传统教学方法由于时空的局限性，难以将现实体系引入课堂以搭建学生与现实交互的平台，难以充分展现宏观或微观空间场景，难以解决教学过程中的自然交互性要求，难以营造一种教师为主导、学生为主体的探索性学习环境，不利于学生实践能力和创新能力的培养。
环境类专业的研究对象是由包含大气圈、水圈、岩石圈等圈层的自然环境和以生物圈为代表的生态环境组成的地球环境系统，与反映人类生产、生活和技术活动的人类活动圈组成的庞大、复杂而开放的综合体系，环境类专业课程传统教学方法和手段难以针对环境体系的宏观性、开放性和多元化等特点而进行有效的教学活动。虚拟现实技术能够很好地解决这一问题。虚拟现实技术构建出一个与现实场景逼真的虚拟环境，解决教学过程中情景化及自然交互性要求，调动学生的学习主动性，营造学生进行自主性、探索性学习的环境，培养学生的创新能力。我校于2010年10月开始研究虚拟现实技术在环境类专业教学中的应用，构建了一个含虚拟实验室和环境资源库于一体的多元化虚拟现实教学平台用于环境类专业主干课程的理论教学和实践教学。实践表明，该技术有效改善了课堂教学氛围，使教学由平面走向立体，由静态变为动态，由抽象化变为具体，使教学穿越了时间和空间局限，很好地增加了教学容量，有效地提高了教学效果。利用该技术营造了一种教师为主导、学生为主体的探索性学习环境，利于学生实践能力和创新能力的培养。但是要把该技术和教学更加有效地融合，还有需要在其应用形式和应用方法等方面做进一步研究和改进。
一、虚拟现实技术在环境类专业教学中的应用优势
1.虚拟场景有效解决了教学过程中的自然交互性要求
《环境科学概论》、《生态学》、《水资源管理》、《环境管理》、《环境评价》、《自然地理学》等专业课程所授知识具有环境体系的的宏观性特征。传统课堂教学模式由于空间的限制，难以将现实环境体系引入课堂，难以充分展现宏观空间，难以进行有效的教学活动。利用虚拟现实技术构建环境资源库，将虚拟场景引入课堂教学，搭建了学生与环境交互的平台，有效解决了教学过程中的自然交互性要求。
2.虚拟实验室有效连接了课堂与实验室
将虚拟实验室引入理论教学，可以解决《环境监测》、《环境监测实验》、《仪器分析》等培养实验技能的课程理论讲授与实验室分隔开进行的问题，保证教学组织的整体性；对于《水污染控制工程》、《水污染控制工程实验》、《水处理生物工程》、《大气污染控制工程》、《大气污染控制工程》、《大气污染控制工程实验》等培养系统性技术能力的课程，传统教学多以系统工艺中的各个反应单元为章节进行授课和实验，导致学生学习过程难以将整个系统工艺融会贯通，而虚拟实验体系可以展示整个系统工艺，能将若干知识点串联起来，起到汇总和系统化的作用，有效解决上述问题。
3.虚拟实验室可以弥补现实实践条件的不足
实验实训教学是培养学生实践能力和创新能力的重要环节，但由于《环境监测实验》部分项目会涉及到硫酸汞、二氯化汞等剧毒试剂的使用，实验教学中如果让学生自己配置试剂并操作实验则存在一定危险性。通过虚拟实验室，学生既可以在虚拟实验平台上利用实验仪器来操作该类型实验，获得真实实验体会，丰富感性认知，加深对教学内容的理解，还规避了教学风险。环境类专业《水污染控制工程》、《水处理生物工程》、《大气污染控制工程》等课程部分实训项目对硬件条件要求较高，由于设备、场地、经费等硬件的限制，导致一些实训项目无法进行。而利用虚拟现实系统，学生在实验室可以进行虚拟仿真，获得与真实实践一样的体验。这不仅确保了实验实训教学任务的全面进行，还极大地节省了教学成本。
4.虚拟现实教学平台为学生自主学习提供了条件
虚拟现实教学平台为学生进行专业课程实验实习的预习和复习提供了一个自主学习的平台，引导学生改变了原有的单纯接受式的学习方式，形成一种对知识进行主动探求的自主学习方式；该平台可以成为学生走出课堂进入实践前的一个桥梁，利于学生将理论知识与实践知识融会贯通，有利于学生实践能力和创新能力的培养。两年来，环境类专业学生在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、浙江省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、浙江省大学生化工设计竞赛等赛事中多次获奖。毕业生得到了社会认可，环境工程2011届、2012届毕业生就业率达97%以上，环境科学2011届、2012届毕业生就业率达95%以上。麦可思公司发布的“2012年度浙江农林大学社会需求与培养质量年度报告”表明：环境工程专业学生满意度由2011年的76%提升至2012年的96%。
二、虚拟现实技术在环境类专业教学中应用尚需解决的问题
随着高校教学改革的不断推进和社会对环境类专业人才素质能力需求的变化，环境类专业的教学需要、教学目的、教学手段也都在发生变化，要充分发挥虚拟现实技术在教学中的优势，就要遵循适用性原则，对教学内容进行充分的分析，根据教学内容的特点以及教学过程中需要解决的问题，确定是否需要采用虚拟现实技术，如果需要采用该技术，则应进行试验性教学后根据教学反馈再在不断改进中逐步推行，以确保教学手段科学合理。虚拟现实技术和环境类专业教学有机融合，尚需解决以下问题： 1.通过虚拟教学设计的完善，缩小虚拟环境与真实环境的差异
《环境监测实验》、《仪器分析》等课程的实验项目，对操作的精确度和准确度要求很高，而外界环境因素对其精确度和准确度干扰较大。虚拟现实环境是一种理想化的环境，学生在虚拟环境中学习，与在真实环境中进行实验实训存在差异，而不能完全替代真实环境下的实验实训教学。教师在设计虚拟现实教学体系时，应充分考虑在真实环境中进行实验实训可能存在的各种各样问题，在虚拟现实教学体系中提出这些问题，并让学生思考如何解决这些问题，这样学生在现实实验实训中就会注意这些问题，避免现实操作中由于这些问题的存在出现差错。
2.通过虚拟技术的改进，构建集视、听、嗅觉一体化的虚拟现实体系
目前，我国关于虚拟现实技术的应用主要关注感知方面，对于视觉合成研究的较多，对于听觉、嗅觉和触觉的关注较少，导致学生在虚拟体系中听觉、嗅觉和触觉等感官缺少充分体验，而环境类专业很多实验实训项目涉及听觉、嗅觉的评判。因此随着多媒体计算机和网络通信技术的快速发展，我们应该通过技术的改进，构建能够带给学生逼真的视、听、嗅觉一体化的强感官感知的虚拟现实环境，给学生更为逼真的体验，以进一步激发学生的兴趣，更好地提升教学效果。
3.通过虚拟技术与互联网技术的结合，实现师生互动、学生互动
虚拟现实教学平台为学生进行专业课程实验实习的预习和复习提供了自主学习的平台，但学生在该平台学习时仅实现人机交流，不能实现师生互动交流，不能实现同学讨论。对于学习自觉性较差的同学，教师无法对其自主学习过程进行监督指导。因此，我们应该将互联网技术与虚拟现实技术相结合，研究可以实现人机互动、师生互动和学生互动等多向互动的虚拟现实教学平台，以便学生进行自主学习时，教师可以对学生进行指导，学生和学生可以组织讨论，以强化学生的参与程度，丰富交互体验，还利于教师掌控学情。
4.通过教师培训，不断提升教师的教育教学水平
随着现代教育技术的不断发展，学校“现代技术教育中心”应加强对教师的培训，帮助教师提升应用现代技术的能力和水平。虚拟现实教学对教师提出了更高的要求，要求教师从知识传授型向指导型转化。学校“教师教育教学发展中心”应该通过教师培训，提高教师综合素质，改善教师的知识结构，帮助教师根据教学需求、教学手段的变化研究适合的教学方法和教学目标，更好地发挥教师在虚拟现实教学中的导向作用。
基金项目：浙江省新世纪教学改革项目“环境类专业多元化虚拟现实教学体系的构建与实施”。
[参考文献]
[1]孙江山. 基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的设计与实现[J].电化教育研究，2012，232（8）：70～74.
[2]安俊伟，孙雯，元冬. 虚拟现实技术对网络教学的影响[J]. 山西广播电视大学学报，2012，89（4）：48～50.
[3]蔡苏，宋倩，唐瑶.增强现实学习环境的架构与实践[J].中国电化教育，2011，（8）：114～119.
[4]蔡笑岳，何伯锋.学科领域知识的研究与教学——当代领域知识研究及其教学迁移[J].华东师范大学学报（教育科学版），2010，28（2）：43～51.
[5]TamaravanGog，FredPaas，JeroenJ.G.van Merrienboer. Effects of Process-Oriented Worked Examples on Troubleshooting Transfer Performance[J].Learning and Instruction，2006，16（2）：154～164.
[6]焦丽珍，江丽君. 空间学习——三维世界的潜行者[J].开放教育研究，2011，17（3）：34～41.
（作者单位：浙江农林大学 环境与资源学院 浙江杭州）