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摘要：以培养高职高专大学生大型分析仪器实操能力和综合分析能力为目标，结合分析仪器实操性强的特点和虚拟现实技术（VR）的沉浸式教学模式，在课程实践教学过程中探索性地使用VR技术对课程教学方式、课程教学内容和实验室事故应对等进行全新教学改革。发挥VR沉浸式交互应用和虚拟共享的交流方式，“扩充”了教学设备数量，同时打破传统课程教学模式与成效评价体系，以通关游戏形式充分调动学生学习积极性，使仪器分析课程教学更加兴趣化和实效化，提高学生关注度和降低实操时空限制的困境，在虚拟创设的“自主学习”的环境中，使其从“填鸭式”被动学习转变为“探索式”主动学习。
关键词：沉浸式教学；大型分析仪器；实操训练
本文引用格式：俞晟.沉浸式教学在分析仪器实操教学中的应用探索[J].教育现代化,2019,6(68):137-141.
目前，仪器分析课程为我国绝大多数高校开设的化学、生物、食品及环境等专业的专业基础课之一[1]。作为一门实操性强的课程，需要学生通过大量反复实践才做才能掌握和了解大型精密仪器的操作使用规程、检测过程中实际条件和相关操作注意事项等，为此才能有效培养学生分析问题、解决问题的实际工作应变能力，是学生具备大型分析仪器实操经验、维护此类仪器的专有技术，具备指定任务的目标设计与研讨能力，能应对实际生产产品质量的全过程控制然而，该课程中需用到的相当数量的大型分析仪器，因此类仪器相对属贵重教学设施设备，一般大专院校配备数量有限，难以满足学生人手一台的实际操作需求，且随着仪器分析技术方法、内容和标准的不断更迭和迅速扩充，学生反复实操时所需仪器数量不足问题将更为突出[2,3]。
在技术日新月异的当今时代，人类现有的生存状态正在不断被颠覆，我们的传统板书、静态PPT、动态视频教育教学已无法满足现代年轻一代大学生需求，因此教育教学手段也需与时俱进。在众多现代化教育教学技术手段中，被称为“未来产业”的虚拟现实技术（VR）将不再是“纸上谈兵”，因其特有的沉浸性、交互性、构想性和自主性等显著特征，可被认为是新型一代信息技术的集大成者[3,4]。自2016年VR元年起，VR技术凭借其产业潜力巨大、技术领域纷杂、应用空间广阔等一系列特点，我国各地出台了众多专项政策扶持VR技术与当地文化娱乐、医疗健康、工业制造、教育培训、商贸创意等传统行业的融合创新，其中以“VR+教育”作为重点扶持产业，丰富了教育教学所用的虚拟现实技术应用场景，有力推动教育行业的转型升级[3-5]。
“VR+仪器分析”，能充分借助VR技术的虚拟性，在课堂教学过程中为每一位仪器分析课程学习的大学生构筑专属的仪器实操实验室，通过技术手段将现实中的实验室投射入学生视野，加之耳机等辅助，可有效切断学生与杂乱现实的联系，使其在沉浸式和交互性场景中不断自主学习和试错，即有效解决大型仪器数量与学生人数难以匹配等问题，又可使学生在VR学习环境中得到不断强化，并且在无危险的前提下进行任务模拟和事故应对[6,7]。此外，仪器分析课程的VR学习，以类似游戏的方式呈现，学习结果实时反馈，符合当代大学生游戏娱乐的行为习惯，可极大地调动他们学习的热情和积极性[7-9]。本文以VR为手段，以仪器分析课程教学内容为导向，尝试将两者进行有效融合，以完成课程教学任务目标，在游戏中将知识传授给学生。
一VR教学途径实现的工具
通常来说，VR技术需借助VR移动端设备、VR一体机设备和VR外接口设备来实现，在仪器分析等实况操作性较强的课程均能达到良好的效果，但在实际教学过程中所使用的设备，需要有一定选择。
通过表1比较，不难看出VR眼镜因其操作简单，价格亲民，无需额外复杂配置等限制，可为我们大学生广泛使用。此外，手机已成为当代日常生活的必需品，而我们的大学生无论课上或是课下，往往都成为“低头族”的一员，在手机上花费大量时间，其中最主要的时间都浪费在游戏之中，若将此整段时间用以专业知识学习或者实操训练，可为将来实际岗位需求奠定良好而坚实的基础[5,9]。本文考虑到在校大学生实际承受能力，以及手机在大学生中的普及，避免使用昂贵和资源不足的VR一体机设备和VR外接口设备，而选择“VR眼镜+手机”的模试，在切断外界繁杂联系的基础上进行我们仪器分析课程实际教学和实况操作实训，在有效利用大学生爱玩手机的特点，结合VR技术构建虚拟空间的特点，以类似游戏的方式完成仪器分析课程的教学目标和任务，使学生在“游戏”中不断反复学习和训练，以强化学生分析问题和解决问题的实践应变能力。
二“VR+仪器分析”教学效果分析
虚拟现实技术（VR）与教学的融合，是传统教学适应现代技术发展的结果，是现阶段及未来我们高校培养现代综合技术人才的新型教学模式[3-5]。“VR+仪器分析”的教学模式，是将虚拟的教学所需实验室时空场所等直接呈现在学生眼前，通过在虚拟实验室环境中对仪器运行原理学习和实践训练，将客观仪器分析所需条件和运行知识要点以视觉和触觉方式不间断地强化重现和反复演练，从而改变原先“灌输式”被动学习为“探索式”主动学习，在构建的虚拟环境中掌握超出原先书本上的知识，在理论学习中进行实践锻炼，符合课程教学改革对高校教师教学模式的新要求，也侧重培养学生自主学习能力与自我思考能力[10,11]。
（一）有效解决分析仪器的数量不足
高职高专的教育和教学，主要是培养专业技术人才，是一种面向岗位和职业的就业能力的培养，其主要是大量的岗位和职业技能、技艺、技能和技术等实践化教育教学[2,5]。然而，现阶段因经费、场地、设备、环境、安全、污染等不可控因素的影响，很大程度上不能机会均等地针对每位学生进行仪器分析课程的教学和实操训练，因而难以有效实现仪器分析知识要点及重难点的教学目标和要求[3]。通过“VR+仪器分析”教学模式，可将学生和教师从课堂教师或者一般实验室等教学场所通过视觉技术手段直接“搬至”教学所需目标实验室，拓展了师生视野，极大地延伸了课堂教学空间和时间，凭借VR眼镜“扩充”了仪器分析教学资源，弥补了教师在创设仪器操作教学情境时场所不相符合的矛盾[9,12]。
针对仪器分析课程实操性强的特点，传统仪器分析课程因展现仪器的三维视图，需在仪器分析实验室，借助分析仪器本身和结合教师讲解与实操完成课程教学。此种教学模式虽然实物直接可见，教师可以面对面了解学生的学习反馈情况，增进师生间相互交流，但存在问题显而易见。在讲解仪器结构时，教师需要打开仪器本身以展现出仪器内部构造，同时结合过程性讲解使得学生明白所见仪器各个部件和结构单元用途。此时，对于外周的学生来说，因内周的学生的阻挡而难以看清仪器本身结构，也因实验室仪器运行背景噪音而扰乱了外周的学生听讲教师解说，对于外周的学生难以与内周的学生一样实地清晰解读和感受分析仪器主体。此类情况下，如若需使每一位学生均能充分认识和学习分析仪器，则需购买大量的教学设施和设备，此部分购买、运行和维护的投资成本巨大，难以得到资金有效持续性投入。此外，因企业和公司技术更新，高职院校如需同步岗位和职业标准，则另需投入资金升级或购买新设备，进而导致学生学校所学与社会实际脱节现象更为严重[1,2,13]。“VR+仪器分析”教学使通过对分析仪器进行建模而形成对应的数据库，通过将分析仪器数据库本地上传至服务器云端，当学生根据课程教学要求而需要使用特定分析仪器时，可直接通过VR眼睛终端设备下载（存储于手机等移动终端），配合VR眼镜和触感反馈即可对目标学习的分析仪器进行操作，对于一时难以理解的操作顺序，也可以在上课以外时间进行反复学习和试错直至掌握正确的分析仪器实操要求。在仪器拆解阶段，可以身临其境地全方位观察所学目标仪器，通过视听和触感反馈，加深学生对分析仪器的理解。同时，“VR+仪器分析”教学可同步互通社会实际所需和技术，仅需在数据建模阶段引入和升级新技术仪器模块，便完成分析仪器技术更新[5,11]。可见，相较传统高投入和难维护的仪器分析教学，“VR+仪器分析”仅需初期VR眼镜终端投入和后续简易数据库维护和升级，便轻松实现由传统的一台仪器（配备一位教师）对一个教学班级（或多个教学班级）（1:n模试）转变为一台仪器数据建模（容量为一个教学班级或多个教学班级）至每一位学生终端下载学习和实操（n:n=1:1模试），在保证甚至提升了教学效果的目标下，解决了分析仪器数量教学用严重不足的问题，实现了只要课程需要即可进入VR仪器分析实验室学习和操作。
（二）个性化仪器实况操作重复训练
在虚拟现实（VR）技术有望成为教育教学领域的标准工具的今天，其可在高等教育阶段能成为最具潜力的受教方式。教师可利用VR技术让高职高专学生在VR全景环境中与课程学习目标仪器进行互动而了解分析仪器的组成和运行过程，学生则切实操作VR技术虚拟的分析仪器进行教学实验和实训[9]。VR技术还将传统教师主宰课堂、学生被动接受、缺乏创新思维的教学模式转变为立体可视化的友好桌面、形象直观的交互式学习环境，虚拟学习环境和沉浸式教学模式提供了图文、声像并茂的综合感官刺激，使教学的气氛更活跃、自然和亲切，从而激发了学生内在的学习兴趣[11,14]。
教育教学从传统板书和图文结合发展至PPT、视屏动画直至现在的VR技术，这是科技的进步，在此过程中学生的课堂参与度也得到显著提高。表2中的3组学生分别表示传统教学模式（传统教学）教学组、信息化教学模式（微课-慕课教学）教学组和VR教学模式（VR教学）教学组在仪器分析课程教学不同种类分析仪器中的教学成效。表2中“仪器结构”部分的教学组反馈数据分析可知，不论是结构组成较简单的分析仪器（HPLC和UV-Vis等）还是结构复杂的分析仪器（AAS、GC和FT-IR等），其对仪器结构组成部件及前后顺序关系理解的人数虽然表现为VR教学组人数最多、微课-慕课教学组人数其次、传统教学组人数居末，但VR教学组人数相比传统教学组人数和微课-慕课教学组人数的优势并不显著。因为对于“仪器结构”知识主要以客观记忆为主，不论是VR视觉呈现还是传统教学和微课-慕课教学，仅需记忆中的图片与实际仪器内结构相仿，学生便可轻松识别和复述其部件名称和前后连接位置关系，虽然该部分在仪器分析课程中有一定地位但难度不高，因而3组学生教学效果的普遍反馈情况良好，在人数差异上表现就不显著[1，13]。表2中“实操技能”部分的教学组反馈数据分析可知，VR教学组在熟练操作分析仪器和知晓实操时仪器控制的技能要点上的人数显著高于传统教学组和微课-慕课教学组的人数（尤其高于传统教学组人数），VR教学组人数平均为传统教学组人数2±0.2倍，相比微课-慕课教学组人数也高出7%（UV-Vis）–33%（AAS）。“实操技能”是仪器分析课程核心要求，直接关系到学生能否顺利操作和保质保量完成仪器分析课程教学目标和任务，此部分通常需要学生反复试错学习和实操训练方可熟悉和掌握各类分析仪器的操作要点和难点，单凭书本知识讲解和视频观摩很难快速得知自己操作的短板，而VR是在虚拟环境中直接进行操作和试错，通过及时反馈，从错误中学习正确知识和操作要点，并在下一次虚拟实操中加以更正，再到实机操作时节约了大量错误时间，进而在单元时间内能更快更好地完成更多的工作任务[15,16]。表2中“遗忘时间”部分的教学组反馈数据分析可知，各组间遗忘时间天数长短差异异常显著，其VR教学组平均遗忘时间天数远大于微课-慕课教学组遗忘时间天数和传统教学组遗忘时间天数，分别达到了3.6±0.2倍（VR组/传统教学组）和1.9±0.2倍（VR组/微课-慕课教学组）。对于不同学生，各自特长不同，其训练时长和内容知识要点也不尽相同，因此需要因材施教、个性化教学，需要大量时间、场所、教师及耗材等投入，故而成本巨大，所以这对传统课堂和微课-慕课课堂讲学来讲，几乎是一个不可能完成的任务。对于VR课堂教学，因为是在虚拟空间中完成操作，只要不存在冲突，仅需教师（通常仅需1位教师）针对每位学生表现反馈进行适当点评和引导即可随时随地进行个性差异化训练和操作，而且整个过程可以远程云端调控，大大节省时间和人力、物力成本，同时针对学生进行“一对一”指导，更有利于学生查漏补缺，避免了难以照顾每一位学生差异的全程“满堂灌”式教学，营造了一个“自主学习”的环境，即自主选择课程知识学习内容和学习时间等[5,14]。通过由传统的“以教促学”的学习方式转变为学生自主与分析仪器互动来获得知识和操作技能，VR技术为学生提供一个生动、逼真且实时反馈的学习环境，学生在虚拟学习环境中成为一名参与者，充分调动了学生学习积极性，有利于突破课程教学的重难点和培养学生自身技能，在虚拟环境中不断学习和训练，从而在仪器分析实操训练中不断将感性认识上升到理性认识，加深和巩固记忆[15,16]。
（三）安全地进行事故模拟和事故应对
实验室安全是高校长期以来及其重视的一项工作，特别是近阶段实验室事故频发，对于实验室安全不断提高到了一个新的高度。然而，以往对于实验室事故，常规或配合图片进行警示，或播放视频供学生观看，无法在安全前提下让学生有效参与其中，切身体会实验室事故的危害性，也无从谈起实验室事故的有效应对措施[7,16]。对于仪器分析实验室，常见的实验室事故有电气火灾和触电，药剂的毒性、腐蚀性和易燃易爆性等；对于分析仪器及相关配套，常见的事故有仪器因连接不当造成的损坏，检测结果异常和干扰，数据保存不当而丢失和泄露等[7]。因此，需每一位学生对实验室安全进行行之有效的培训，必须借助VR技术，使学生在安全条件下的虚拟真实环境中体会实验室事故在成的危害，使其“身临其境”，才可以规避风险下真实进行实验室事故安全应对模拟，也可以放心大胆地操作各类具有危险性的相关试验，操作易燃易爆和易腐蚀的气体、液体和固体等，或对分析仪器进行旋转、缩放和拆装是分析仪器的具体细节和部件360°全方位展现在学生眼前，或者可以在教师干预条件下，对实验室数据安全进行模拟防护等[16]。在参与学生动作捕捉和成像技术上，利用关卡形式使学生在现场体验如何紧急避险和消除对自己不利的安全隐患，学生在这个创设的交互性虚拟环境中，通过人机对话可实时体验物理反馈，进而可为参与学生提供安全条件下的进行多种实验室操作，提高学生实际从业技能、大幅降低培训成本以及改善学生培训环境，一改以往枯燥死板的“填鸭式”教学培训，充分调动学生的内在主观能动性，让一些生涩难懂的知识变得易于理解记忆，开拓了一条低成本、高成效的实验室事故模拟和事故应对培训道路[17]。
三 结语
陶行知说过解放孩子的头脑使其能想，解放孩子的眼睛使其能看，解放孩子的双手使其能动，解放孩子的时间使他们能学到自己想学的东西。VR技术的引入，可以使学生在沉浸式的教学环境中，不断思考、观察，在有效时段内使学生放心大胆地操作，不断试错学习，提高自身技能，可以无缝对接企业实际需求。仪器分析课程引入VR技术，全面调动了学生的视觉、听觉、触觉等，实现了身心感受同步，增强了学生的感受力。在改革开放40年的今天，学校的教育教育以从“一支粉笔一块黑板，一个人满堂灌”的填鸭式解学模试逐步转变为信息化教学和VR沉浸式教学，打破了原先课堂的无趣和无聊，进而形成生动有趣和引人入胜的现代课堂，在仪器分析课程结合VR技术，使得课堂教育教学在安全环境中节约了培训成本、规避了安全风险、打破了时空限制，特别是即将到来的5G技术为“VR+教育”（“VR+仪器分析”）提供了一个强大而有效的网络信息技术设施，可实时营造一个“自主学习”的环境。《中国虚拟现实应用状况白皮书（2018）》预计2020年全球VR产业规模将超2000亿元，我国VR产业生态已初步建立，可以预见的是VR游戏的现状就是VR教育的明天。
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