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摘要：随着虚拟现实技术的成熟，越来越多的高校开展了虚拟现实教学的实践。凭借其自身的特点，虚拟现实技术在教学中能够很好地提升学生直观认知程度，为解决海洋钻井工程教学中的问题提供了潜在的解决方案。本文对虚拟教学以及如何制定在海洋钻井工程中的教学策略进行了探讨，提出了部分看法和方案。
关键词：海洋钻井工程；高校教学；虚拟现实技术；应用策略
本文引用格式：朱海燕等.虚拟现实技术在海洋钻井工程课程教学中的应用策略研究[J].教育现代化，2019，6（7）：185-187
一虚拟现实技术教学概述
虚拟现实（Virtual Reality简称VR）技术是一种利用计算机软件创建三维动态视景，用户利用新式交互硬件虚拟视景进行交互的技术。该技术集成了计算机图形（CG）、计算机仿真、人工智能、网络并行处理等多领域技术[1]。
随着技术的发展，支撑虚拟现实教学应用的软、硬件生态在国内已经初步成型。教师可以用UG、3Dmax等软件搭建装备模型，通过VRML、Web3D等搭建教学平台[2,3]。硬件方面，也有了从便携式头盔到沉浸式场馆等一系列选择方案，因此其在教育领域应用成本已大为降低。
目前美国、日本、欧洲的虚拟现实技术的研究已经比我国有较大的领先优势。在石油领域，美国早在1997年就建成了世界上第一个石油天然气行业专用的虚拟现实试验系统。国外油气公司如Landmark、GeoQuest已将三维可视化技术应用到石油钻井中。2004年，中国石化勘探开发研究院开发了我国油气行业中第一套VR系统——多学科协同研究决策系统。2006年，中国海洋石油总公司在渤海油田建立了三维可视化研究中心，该系统是国内第一套多通道柱面无缝拼接背投系统。2013年8月教育部正式启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[4]。2014年，我国批准100个国家级虚拟仿真实验教学中心，研究内容涵盖地理信息、工业制造、石油天然气开采等各个领域。虽然虚拟现实技术在我国的石油教育培训领域已有了不错的发展，但与国外相比仍有较大差距，且在特定石油专业课程的虚拟现实教学策略、设计和实施方法方面研究较少。
二 海洋钻井工程面临的教学难点及VR应用分析
海洋钻井工程是现代海洋油气工程专业的核心课程，是现代海洋油气工作人员知识结构的重要组成部分。围绕着海洋油气开发这条主线，需要学生系统地掌握海洋钻井的基本装备和工艺技术。由于海洋钻井工程与传统钻井工程课程存在较大差异：其覆盖知识面更广、科技含量更高、更具有抽象性（图1）。教学场景又和实际运用场景空间距离遥远，环境差异巨大，学生难以利用已有知识和认识进行对比理解；并且在海洋的特殊环境下，数千米海水下的钻井机制、工作环境难以被学生感性认知，进而导致许多学生被迫机械地学习，难以深入理解课程所涉及到的知识内容，影响学生学习积极性，进而影响了教学效果。
利用其高沉浸感的特点，使学生在虚拟环境中产生“身临其境”的感觉，自然地将注意力集中于教学内容，并且能够对虚拟环境中的物体进行操纵和从环境中获得反馈。这种沉浸式教学模式，不仅超越课堂教学，更是具有不同于传统实践教学的特点。我们不仅想要学生掌握理论知识，更要启迪想法。比如钻井设备的结构设计，我们希望学生思考为什么，以及怎么改进的问题。这些都需要感性认识和理性理解，而VR技术的3I特征具有有效弥补这些问题的潜力。
三 VR技术在海洋钻井工程中的应用策略
（一）不同类型VR设备教学适应性分析
现有虚拟现实系统按照产生的沉浸度可以分为：沉浸式、半沉浸式；按组成形式可以划分为：一体式、桌面式、分布式、头戴式等。
将VR技术应用于教学中，沉浸感提升是3大特征中最明显的，所以需要着重考虑。沉浸式和半沉浸式的区别在于使用者所受的视觉刺激强度。使用VR头盔或球面显示设备，能够产生极强的逼真度，辅以动作传感器、手持工具模拟器等外设，能够使人产生极强的沉浸感。对于有特殊需求的领域，如航空航天，医学教育有较高的价值[5]；但对硬件和场地要求高，难以适应大班教学。
而半沉浸式一般是指利用大型银幕或分布显示屏进行VR显示，成本较低，特别适合大班教学。在海洋钻井工程教学实际中，一般按照行政班级约30-40人为单位进行教学，主要用于展示原理、模拟环境和操作训练，不必追求过高沉浸度，同时也要尽可能做到集体教学，条件允许的前提下，可以将二者进行结合构建虚拟教学系统。
（二）平台的构建策略
1.充分利用资源，构建自主教学资源库
VR教学在体验上具有独特的优势，但是从教学的角度上来这只是一种手段，需要认真搭建虚拟系统内的教学内容。例如：需要把海洋钻井平台3维模拟图建立出来，并进行虚拟展示（图3）。
目前，国外的一些数字内容生产商如Promethean、Discovery Education等开发的3D教学资源已经开始国外提供服务；台湾地区采用引进国外资源翻译汉化的方式，来满足课堂教学对3D教学资源的需求，而国内的3D教学资源还十分缺乏[6]。
由于虚拟教学的素材如三维模型，音频、视频、动画的制作需要专业软件且耗费时间和金钱成本，因此在虚拟教学开发时，需要以注意教学资源库的自主建设问题。
自主建设方面不仅要培养引进相关青年教师，并且可以尝试引入高年级相关专业学生组成团队，以设置课题的形式，鼓励学生参与到虚拟教学资源开发，既为学生提供实践平台，也同时充分利用已有资源。这样建立自主的虚拟教学开发团队，保证教学资源的正常有序迭代。
2.根据教学目的选择合适前沿硬件
用于教学的设备，需要以实用角度出发，不必盲目追求最好。同时VR设备更新换代频繁，在具体硬件选择上又要有一定的前瞻性，预留一定的性能余量。特别是计算能力和显示效果，减少时延和视觉疲劳；可以选择集成有手柄、定位装置等模块的设备，让学生有更好的互动体验。
（三）教学策略
1.虚拟教学与课堂教学相结合
虚拟教学技术虽然方兴未艾，但课堂教学依然不可或缺。如果过于侧重于虚拟教学，设备损耗导致教学成本畸高；学生长时间沉浸在强视觉刺激的虚拟环境中，对人的学习习惯和认知模式产生的改变也难以预计[7]。并且是人与人之间的交流，不仅是一种不可或缺的学习模式，也是价值塑造的重要途经，所以课堂教学依然重要。
在课堂教学后，教师可以利用VR技术进行深化；也可以先利用VR系统构建框架，后通过课堂教学细化内容；两者有机结合，相辅相成，才能实现目的。
2.利用虚拟教学锤炼实践分析能力
虚拟教学与传统的多媒体教学相比，除了在展示能力上的进步以外，还具有人机交互的能力。依托于强大实时数据处理能力，能够将使用者的操作及时带入系统模型中进行运算，并及时对使用者的操作进行反馈。利用该特点可以进行海洋油气教学中难以实现的实践课程模拟。
例如：学生在虚拟教学平台上，实现海洋钻井全流程自主操作实践。配合体感震动模块、集成操作手柄等设备，学生能实时接受系统反馈；锻炼分析问题、解决问题的能力。
3.教学内容科学完整
从教学目标出发，在VR教学内容的设计上要突出科学性、系统性和完整性[8]。海洋钻井工程知识体系繁杂，包括工况环境、钻井原理、钻井设备、故障处理等诸多方面，为了有效适应行业要求，必然在教学有所侧重。参考学生的知识层次、学习习惯等，综合对教学内容进行规划，确定每一步的教学方式与目标，合理安排知识点，保持合适的认知强度，避免产生知识爆炸。
四 总结与展望
随着技术的发展，虚拟教学技术应用门槛逐渐降低，其独特优势有望成为高校解决教学难题，提升人才培养质量的有力抓手。在国家政策和市场的双重推动的环境下，各高校不能盲目跟风，需要根据自身需求合理评估和选择。
由于我国推广使用虚拟教学的时间不长，不同行业的虚拟教学理论研究尚不完善。但在当今广泛推广的环境下，通过在高校中的广泛使用，可以逐渐摸索出在不同行业虚拟教学的使用策略及问题应对方案，相信未来它一定能真正成为提升教学水平和人才培养质量的利器。
参考文献
[1]陈敏捷,羊荣金,沈孟锋.虚拟现实技术在液压传动实验教学中的应用研究[J].实验技术与管理,2018(04):136-139.
[2]徐霞.浅谈矿山机械教学中虚拟现实技术的应用策略[J].赤子,2017(36):280.
[3]中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于开展2014年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/
t20130821_156121.html.
[4]孔祥溢,王任直.虚拟现实技术在神经外科手术规划及教学培训中的应用[J].中国医学物理学杂志,2017(06):641-643.
[5]王琳.3D虚拟现实技术在教育教学中的应用策略探析[J].中国教育技术装备,2016(06):3-5.
[6]李彩虹,丁航,邱文峰,等.虚拟现实技术在医学生物化学实验教学中的应用策略研究[J].中国教育技术装备,2013(06):126-127.
[7]裴培.浅谈虚拟现实技术的教育应用[J].中国教育信息化,2018.
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