工科背景下 VR 虚拟现实技术的教学训练模式研究
（泰山科技学院 山东泰安 271000）
摘要
随着科技的快速发展，虚拟现实（VR）技术已经成为工科教育领域的一大创新点。VR技术以其沉浸式体验和交互性特点，为工科学生提供了一个全新的学习平台。本文旨在探讨VR技术在工科教学中的应用，特别是针对《电机与拖动控制》课程，研究基于VR技术的教学训练模式，并通过实践案例分析其教学效果，以期为工科教育提供新的教学方法和思路。
关键词
虚拟现实技术；教学技能训练；教学模式创新；工科
1. 引言
在传统工科教育中，学生往往难以直观地理解和掌握复杂的工程原理和操作技能。VR技术的出现为解决这一问题提供了可能。通过模拟真实的工程环境和操作过程，VR技术能够增强学生的学习体验，提高教学效果。本文以《电机与拖动控制》课程为例，探讨VR技术在工科教学中的应用模式[1]。
2. VR技术在工科教育中的应用
2.1 VR技术概述
虚拟现实（VR）技术是一种通过计算机模拟产生的能够让用户感受到沉浸式体验的技术。它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。VR技术通过头戴设备、手柄等交互设备，用户可以在虚拟环境中进行操作和交互。VR技术的核心在于创建一个让用户感觉仿佛置身其中的三维虚拟世界。这个世界可以通过视觉、听觉、触觉等多种感官模拟来实现，让用户能够与虚拟环境进行交互。
2.2 VR技术在工科教育中的优势
VR技术在工科教育中的利用，可以增强学生学习体验，VR技术提供了一种沉浸式的学习环境，使学生能够以直观和互动的方式学习复杂的工程概念和技能，从而提高学习兴趣和参与度。并为学生提供安全的学习环境，在虚拟环境中进行实验和操作，学生无需担心安全风险，可以自由探索和尝试，降低了实际操作中的潜在危险。为学校节省成本，通过模拟昂贵的实验设备和复杂的实验过程，VR技术可以显著降低教学成本，使得更多的学生能够接触到高质量的教育资源，图1为学校电力系统监控试验台。无限的实验次数，可以帮助学生在虚拟环境中重复进行实验操作，直至掌握所需的技能，这有助于加深理解和巩固记忆。VR技术可以根据每个学生的学习进度和需求提供个性化的学习路径和资源，从而实现因材施教[2]。
图1 学校电力系统监控试验台
2.3 VR技术在工科教育中的挑战
虽然VR技术发展迅速，但在某些领域的应用仍处于起步阶段，技术成熟度和稳定性需要进一步提高。在设备成本和可及性上，高质量的VR设备和系统往往价格昂贵，这可能限制了其在工科教育中的普及和应用。另外，开发高质量、符合教学需求的VR教学内容需要专业知识和创意，同时还需要大量的时间和资源投入。在教学效果评估上，如何准确评估VR教学模式下学生的学习效果，以及与传统教学模式相比较的优势和不足，是一个需要深入研究的问题。除此之外，：教师和学生可能需要额外的技术培训来熟练使用VR设备和软件，同时，技术支持和维护也是推广VR教学的挑战之一。
3. 基于VR技术的教学训练模式设计
3.1 教学目标和内容分析
在基于VR技术的教学训练模式设计中，首先需要明确教学目标和内容。这一步骤是确保教学活动有效性的关键。
首先要确定教学目标，教学目标应与课程学习成果相一致，明确学生通过VR教学应达到的知识理解、技能掌握和能力提升等层面的具体要求。例如，在《电机与拖动控制》课程中，目标可能包括理解直流电机的工作原理、掌握电机控制策略、提高故障诊断能力等。
其次深入分析教学内容，对课程内容进行深入分析，识别哪些知识点和技能适合通过VR技术进行教学。分析应涵盖理论知识、实践操作、案例研究等多个方面，确保VR教学内容的全面性和深度。
3.2 VR教学资源的开发与整合
开发和整合VR教学资源是实施VR教学的基础。根据教学目标和内容分析的结果，开发相应的VR教学资源，包括三维模型、虚拟实验环境、交互式教学软件等。这些资源应能够准确反映工程原理和操作过程，同时提供丰富的互动元素。另外将开发的VR内容与现有的教学材料和工具进行整合，形成一个统一的教学资源库。这可能包括将VR资源与在线课程、实验室手册、视频教程等相结合，以支持混合式学习。
3.3 教学实施步骤
教学实施步骤是将VR教学资源应用于实际教学活动中的过程。主要包含课前准备课前准备，课堂实施，以及课后复习。
课前准备：教师需要熟悉VR教学资源，制定详细的教学计划和操作指南。学生也需要接受基本的VR操作培训，以确保他们能够有效地使用VR设备和软件。
课堂实施：在课堂上，教师引导学生通过VR设备进行沉浸式学习体验。这可能包括虚拟现场考察、模拟操作练习、交互式问题解决等活动，见图2虚拟仿真实验平台。
图2虚拟仿真实验平台
课后复习：提供课后复习材料，如VR体验录像、操作指导文档等，帮助学生巩固和加深在VR环境中获得的知识和经验。
3.4 教学评估与反馈机制
通过评估与反馈机制，确保教学质量和持续改进教学过程。在教学过程中进行定期的形成性评估，监测学生的学习进度和理解程度。这可以通过在线测验、模拟操作考核、同伴评价等方式实现。并在结束时进行总结性评估，评价学生是否达到了预定的教学目标。这可能包括综合项目作业、实验报告、口头答辩等。进一步从学生和教师那里收集关于VR教学的反馈，了解VR技术在教学中的实际效果和存在的问题。最后根据评估结果和反馈信息，调整教学计划、改进VR教学资源、优化教学方法[3]，以提高教学效果和学生的学习体验。
4. 结论
VR技术在工科教育中的应用不仅优化了教学训练模式，提供了安全、高效、个性化的学习体验。通过沉浸式体验和实践操作，能够有效提高学生的学习兴趣和实践技能，是值得推广的教学模式。着技术的不断发展，其在未来教育领域的应用前景将更加广阔。随着政府和教育机构的支持，VR技术将更深入地融入工科教育，推动教育数字化转型和智能升级。
参考文献
[1]秦广久,丛东升,高永艳,等.基于虚拟现实技术驱动的新工科教学改革实践——以创新方法类课程为例[J].枣庄学院学报,2023,40(05):126-131.
[2瑾.新工科背景下“三维一体多元融合”的虚拟现实技术课程教学改革与实践[J].软件,2021,42(06):6-8+34.
[3 产教融合背景下基于新工科的机电一体化技术专业课程体系教学改革研究——以广州铁路职业学院为例[J]. 李哲;伍世英;许昌.科技风,2023(16).
项目号：泰山科技学院教育教学改革项目重点项目2023zd010; 泰山科技学院教育教学改革项目一般项目2023yb028。
