虛擬仿真「金課」，虛擬仿真技術在各學科的應用

2020-08-28 北京歐雷

受新冠肺炎疫情影響，許多大學校園變得空空蕩蕩。但在天津大學機械工程實踐教學中心，工程圖學實驗室裡卻是一番「人聲鼎沸」的景象：100多名學生正依託虛擬仿真技術創新線上授課以及實驗教學方式，「體驗」著「工程圖學」的實踐大課。

該校機械學院「工程圖學」授課教師徐健表示：「虛擬仿真技術給課堂帶來了不可思議的變化。」因為虛擬仿真技術的使用讓課程更有參與感，更能吸引學生參與，提高教學效率。

但在一流課程建設問題上，課程設計不能只關注引人入勝的效果，更重要的是互動和教學成效。

2018年11月，在中國大學教學論壇上，「什麼是『金課』」「建設五大『金課』」引發教師探討。五大「金課」包括虛擬仿真「金課」。建設虛擬仿真「金課」，主要是由於信息技術、智能技術與實驗教學的深度融合能夠幫助破解高校實驗、實習和實訓中的難題。

但是，建設虛擬仿真「金課」光靠花錢做效果遠遠不夠。教育部在發布的《關於一流本科課程建設的實施意見》裡，也提到「強化現代信息技術與教育教學深度融合，解決好教與學模式創新的問題，杜絕信息技術應用的簡單化、形式化」。這意味著虛擬仿真「金課」的設計構思仍需高校破舊立新。

北京歐雷積極響應國家政策，加入到虛擬仿真「金課」研發中來，也看到近幾年各學科在VR中的應用，取得顯著成效，對未來教育發展是很有幫助的，前景也非常可觀。

如下是北京歐雷搜集的國內外的VR方面的一些案例：

生物：實驗VR化

高等教育信息化協會專家曾預測，在兩到三年內，各種沉浸現實技術將在高校遍地開花。北京歐雷公司預測，到2021年，60%的高校將會有意識地採用虛擬實境技術改善學習環境，提高真實感。不論院校規模大小，沉浸式技術都應出現在高等教育機構首席信息官制定的戰略之中。

生物學學生換上白大褂、戴好手套開始當天的練習：幫籃球運動員檢測血樣中的血糖水平，用共聚焦顯微鏡幫農民找出農作物害病的原因——看上去這節實驗課和普通大學生物實驗沒什麼不同。這一切發生在北美一所著名公立研究型大學。該校利用虛擬仿真技術完成實驗，學生戴著VR頭盔和耳機，通過控制器環視實驗室。


實驗課包括不同場景，結合每個場景還設置了多選題，通過視覺化呈現學生表現，給予及時反饋。實驗全過程可以實現「拉近」功能，在分子層面進行觀察，還可以調節時間讓實驗加快或減慢速度。通過VR技術，學生可以一遍遍地重複實驗，不受課程安排或時間限制，實現個性化學習。如果實驗環節出錯，軟體就會給出提示。

生命科學學院教學設計經理艾米·佩特表示：「一些校園實驗室座位不足，或者一年之內只用過一兩次。VR化後，更多學生可以參與到實驗中來。」

在實驗課的研發方面，這所大學只選用一部分承包商提供的內容，課程的主要部分由生物系教授設計，使虛擬實驗室根據教學需求進行定製，符合學校要求的教學實驗標準。2018年夏天，佩特和承包商團隊共同進行大量測試，全面檢測技術效果並掃清小故障，確保實驗內容覆蓋學習目標。

在VR技術對實驗室的加持下，學校還打算設立第一個完全在線教學的生物學學位項目，利用VR技術輔助細胞與分子生物學、生態學、動物生理學課程教學。目前加拿大麥克馬斯特大學的VR實驗室也開門迎客，其VR實驗室將讓學生體驗在實體實驗室無法感受的場景，比如在分子層面觀察和操控DNA。

護理：模擬高風險處置

你可能想像不到護理學對VR技術的應用，因為肌肉注射、除顫儀使用等技能仍需要大量真實訓練才能掌握。但是一所大學的護理學院另闢蹊徑，為學生打造臨床實訓的虛擬訓練營。

在實習實訓時，一些臨床問題可能並不太經常出現，這就造成了護士應對不足，缺乏處置經驗。護理學院的VR開發正是關注了這些痛點，幫助護士在VR 體驗中積累經驗值。

目前在技術測試階段，護士可以戴上VR頭盔進入「醫院現場」。在目前設置的場景中，護士需要處置病人的多種突發狀況，比如藥物過敏的患者突然跑進診室，因為過敏加重逐漸呼吸困難，或是被貓咬傷患者注射抗生素後出現過敏性休克，護理學學生需要在模擬診療時快速應對，有針對性地給予病人護理和急救。

大四護理學學生帕特麗夏認為VR技術帶來的體驗很真實，「感覺我真的置身其中，正在處理急診案例……我必須調動所有知識和邏輯思維告訴自己先做什麼才是最佳方案。」但在仿真中心主任艾琳·亞歷山大看來，虛擬實境技術的價值有更深層意義。

模擬的危險情況和壓力使學生感受真實，學生可以嘗試多種處置方式，比較不同處置的效果。可是在現實中護士沒有犯錯的機會，遇到緊急情況時，處置失當可能會使患者付出生命的代價。所以北京歐雷是非常贊成這個觀點的：「模擬仿真訓練的價值是為學生提供了死亡風險很高的模擬情況，但不需要將患者置於危險境地。」


從以上不難看出，虛擬仿真技術正以不可阻擋的趨勢快速發展，在國家政策的扶持下，各大院校已經爭相加入到當中來，要知道講授的內容看不見摸不到，學生難以有切身體會，需要通過技術加強學生感受和理解，或是受制於現實條件無法滿足教學，只能通過技術形式賦予學生更好的學習機會。北京歐雷公司提醒正在著手進行虛擬實境課程建設的高校，VR的使用是為了讓課程更有參與感，更吸引學生和提高教學效率。所以類似課程的建設不能只是讓學生像看大片一樣走馬觀花地看新鮮、看效果，更重要的是互動和教學成效。

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