VR技术在土木工程材料实验课程中的应用效果_谭春雷.pdf

教 育 观 察JIAOYU GUANCHA2023 年 6 月第 12 卷 第 16 期VR 技术在土木工程材料实验课程中的应用效果谭春雷1,邓 宇1,崔李三1,赖飞燕2,苏柳月1(1.广西科技大学土木建筑工程学院,广西柳州,545006;2.贺州学院材料与化学工程学院,广西贺州,542899)摘要目前,远程线上教学已成为一种主流的教学模式,然而,对实验类课程的教学,仍然无法通过该模式进行远程实施。虚拟现实(VR)技术的人机交互作用模式,为实验类课程改革提供了一个新的途径。将 VR 技术融入土木工程材料实验课程,并分别研究普通视频教学学生和 VR 训练系统教学学生在沉浸感、同理心、实际行为方面的差异后发现,VR 训练系统教学的学生有着更高的沉浸感和更强的同理心,且拥有较好的实际行为,如 VR 训练系统教学中 90%的学生的出错次数低于 3 次。因此,VR 技术应用于土木工程材料实验课程,能够有效提高学生的学习效果。关键词VR 技术;土木工程材料实验课程;普通视频教学;VR 训练系统教学中图分类号G642文献标志码A 文章编号2095-3712(2023)16-0091-04一、引言土木工程材料作为土木工程专业的基础课程,是一门理论结合实验且应用性极强的课程,不仅需要教师通过实验操作来加深学生对理论知识的理解,而且需要学生将理论知识与实际应用结合起来,达到提升应用能力的目的。然而,要达到这一目标,需要学生将知识点与实际融会贯通,并将知识点融入潜意识,使大脑面对相关问题产生触景生情的应激反应。常规的课堂教学手段较难实现这一目标。虚拟现实(virtual reality,VR)技术的出现,为这一目标的实现提供了新的媒介。随着信息技术和通信技术的高速发展,VR 技术已经逐步趋于成熟,已被广泛应用于生活的各个领域,如游戏、广告、军事和教育等领域。1-2近年来,VR 技术被快速推广到很多行业,并由此衍生出许多新的服务领域,如 VR 看房、VR 旅游、VR 会议等。3VR 技术作为一种新的信息交互模式,通过借助计算机和相应的传感装置,全方位调动学生的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等感官,实现虚拟场景与学生的身心感受相联结,给予学生身临其境的感觉,使教学实践更加直观。4教师在讲述课程内容时,可以运用 VR 技术让学生对内容有更加形象、深入的了解。5例如,在天文学课堂上,教师可以使用 VR 技术向学生展示每个行星的形象及位置特点,以确保学生更好地理解天文空间的抽象本质。6在化学课上,教师可以利用 VR 技术建立虚拟实验室,在虚拟场景内向学生介绍每种化学物质产生的化学反应,以及实验设备和步骤,这样不仅可以节省空间,而且能够防范学生因操作不当带来的危险,同时让学习过程变得更加有趣和安全。7此外,随着智能手机和其他智能设备的快速发展,学生已经习惯了声光效果的刺激,因此,传统的教学方法对学生来说变得较为乏味,较难在教学过程中激发学生的学习兴趣,学生在课堂教学过程中可能会出现注意力不集中、开小差、学习效率低下等问题。VR 技术与课程教学的结合,则可为学生建立一个可操作和模仿的虚拟环境,让学生获得身临其境的感官体验,打破空间、时间的限制,提高学习过程的游戏性和趣味性,提升学生参与度和注意力,为新教学方法的实施提供新途径。8-10本研究运用 VR 技术,将水泥实验、混凝土骨料密度测试、混凝土砌块制备三个实验场景以 3D 动画的形式进行还原,搭建 VR 训练系统,并将两组学生作为对照组样本,一组采用 VR 训练系统教学,另一组采用传统视频教学。通过分析不同教学方式下两组学生在问卷调查、实验出错次数、实验报告得分方面的差异,评估 VR 技术对学生学习效果的影响,包括沉浸感、同理心和实际行为,从而为学生提供一个跨越时空界限的学习方式,为教师提供一种更加生动、形象和有效的教学方法,推动远程线上实验教学过程的实施。19收稿日期2023-02-16基金项目2020 年广西高等教育本科教学改革工程项目“VR 技术在建筑材料课程教学中的应用研究”(2020JGZ129);2022 年广西高等教育本科教学改革工程项目“校企双赢共同体+产业良性循环圈:碳酸钙产业学院(贺州学院)新工科应用型人才培养模式探索”(2022JGZ168);2022 年广西高等教育本科教学改革工程项目“以工程能力培养为导向的地方高校实践教学改革研究”(2022JGA233);2022 年广西高等教育本科教学改革工程项目“粉体材料专业实验、实训、实践模块重构与碳酸钙产业共生发展的全方位对接探究”(2022JGA346)。作者简介谭春雷,广西科技大学土木建筑工程学院,副研究员,硕士生导师;邓宇,广西科技大学土木建筑工程学院,教授,博士生导师;崔李三,广西科技大学土木建筑工程学院,工程师,硕士生导师;赖飞燕,贺州学院材料与化学工程学院,副研究员,硕士生导师;苏柳月,广西科技大学土木建筑工程学院,讲师。DOI:10.16070/45-1388/g4s.2023.16.026二、研究设计与过程(一)研究设计本研究的 VR 训练系统设计基于情境学习理论,结合 VR 技术的特点,根据土木工程专业课程大纲设计内容,以土木工程材料实验为主题。如图 1所示,学生通过相关设备,实现自身与 VR 训练系统预设情境的互联、互动,从而实现大脑在模拟情境中获取知识,并刻画至潜意识深处,最终达到支配实际行动的目的。学习对象加深潜意识 行为沉浸声音、振动 反馈信息传递指令发布指令神经传递信息执行对象指令程序判断情境任务VR系统VR手柄+眼镜图 1 VR 训练系统的机制基于研究目的,本研究假设 VR 技术对学生的学习效果有显著影响,具体如下:H1:VR 技术显著影响学生的沉浸感。H2:VR 技术显著影响学生的同理心。H3:VR 技术显著影响学生的实际行为。(二)场景设计VR 训练系统包含水泥实验、混凝土骨料密度测试、混凝土砌块制备三个主要的实验场景,如图2 所示。在水泥实验场景中,学生处于水泥实验室,可用物品和用具包括李氏比重瓶、恒温水槽、无水煤油、天平(称量 500 g,精度 0.01 g)、负压筛、烘箱、干燥器、行星式搅拌机、试模(40mm40mm160mm)、振实台、抗折强度试验机、抗压试验机、抗压夹具(40mm40mm)、拨料器及金属刮平尺、量筒等。该场景分为水泥密度、细度稠度、安定性和水泥胶砂强度四个部分实验。在混凝土骨料密度测试场景中,学生处于骨料密度测试室,可用物品包括天平、容量瓶(500 ml)、烧杯(500 ml)、干燥皿、搪瓷盘、温度计、滴管、装砂漏斗、漏斗架、小勺等。(a)水泥实验;(b)混凝土骨料密度测试;(c)混凝土砌块制备图 2 实验场景在混凝土砌块制备场景中,学生以小组成员的身份处于混凝土实验场,场地内可用物品有电子磅秤(10 g量程50 kg)、量筒、5 L 容积桶(配一块盖桶口玻璃板)、水桶、拌板、拌铲、漏斗、捣棒、坍落度筒、直尺、抹布、抹刀、小勺、振动台、橡皮锤或木棰。(三)VR 训练系统设计在 VR 训练系统中,学生依据操作指引,通过眼镜、手柄接入 VR 训练系统,在视觉、听觉和触感方面真实感受实验场景,实现自身与实验场景的互联、互动,同时将意识沉浸于实验场景,在大脑的支配下开展实验训练。具体的教学过程如图 3 所示,教师依据不同的标准评判学生的实验操作过程是否正确,从而决定教学过程是否结束。测试学生借助强化潜意识行为重新开始实验合格水泥实验混凝土骨料密度测试混凝土砌块制备VR手柄和眼镜VR测试系统GB/T 208-2014GB/T 1345-2005GB/T 1346-2011GB/T 17671-1999 JGJ 55-2011 GB/T 50080-2016GB/T 50107-2010GB/T 14684-2011GB/T 14685-2011操作判定错误3次接入图 3 VR 训练系统设计(四)研究过程随机抽取 60 名学生作为参与者,被平均分配到实验组和对照组,并按照图 3 流程开展实验。29实验组30人男15人,女15人对照组30人男15人,女15人实验指导手册、实验报告、问卷20 min熟悉实验内容进入实验室开展实验监控记录学生的实验规范程度及操作错误率根据调查问卷、实际实验出错率、实验报告成绩得分,评估不同教学方法对学生的学习沉浸感、同理心、实验意识和实际行动的影响程度。VR仿真训练第一步第二步第三步视频教学图 4 实验过程(五)学习效果评估设计学习效果通过调查问卷、实验出错次数、实验报告得分三种形式进行评估,分析 VR 技术对学生沉浸感、同理心和实际行为的影响。沉浸感的测量借鉴 Witmer 等人11的研究,通过 20 个问题组成的互动量表,从沉浸感水平和沉浸感倾向两个维度开展问卷调查。同理心的测量借鉴 Mehrabian12和Davis13的研究,通过 10 个问题组成的量表开展问卷调查。两部分问卷采用李克特 5 点计分,从“非常同意”到“非常不同意”。实际行为的测量通过对比两种教学方式下学生在实验过程中出错超过 3 次的比例和实验报告得分进行。三、研究结果与讨论本研究中,沉浸感、同理心的 Cronbachs 分别为 0.84 和 0.92,均超过 0.8,说明结果具有较高的可靠性。协方差矩阵等式的 Boxs 检验结果(Box M=19.753,F=0.992,p=0.4650.05)不显著,不违反检验。沉浸感、同理心和实际行为的 Levene 测试结果不违反齐性检验(F沉浸感=1.505,p=0.2220.05;F同理心=2.246,p=0.0920.05;F实际行为=1.683,p=0.180.05)。双向多元方差分析检验显示,因变量与教学方法存在显著差异=0.217,F(3,58)=69.911,p=0.0000.001,2=0.783,说明不同的教学方法会产生不同的学习效果。单因素方差分析结果显示,VR技术对沉浸感、同理心和实际行为影响显著,结果分别为:F(1,60)=98.821,p=0.0000.001,2=0.622;F(1,60)=153.156,p=0.0000.001,2=0.719;F(1,60)=45.623,p=0.0000.001,2=0.432。由此说明,H1、H2 和 H3 成立。在实验过程中,学生实际行为的差异比较如图 5所示。在 VR 训练系统教学中,90%以上的学生操作错误次数少于 3 次;而在普通视频教学中,80%的学生操作错误次数在 35 次,甚至有 15%的学生操作错误次数多于 5 次。同时,参与 VR 训练系统教学的学生的实验报告得分均在 70 分以上,其中,40%的学生的实验报告得分高于 90 分,明显优于参加普通视频教学的学生。这也说明 VR 技术对学生的实际行为有显著影响。注:a 普通视频教学学生出错次数;b VR 训练系统教学学生出错次数;c 普通视频教学学生实验报告得分;d VR 训练系统教学学生实验报告得分。图 5 学生实际行为差异39 VR 技术之所以能够提高学生的学习效果,主要是因为 VR 技术模拟的立体空间可以对视频的声音和图像进行具象化,并通过多种感官的延伸和替代,让使用 VR 设备的学生在虚拟环境中产生沉浸感,对相应的行为意识产生同理心,并将其融入意识进行固化,进而以潜意识行为支配实际行动。四、结语本研究以问卷调查、实验过程跟踪的方式,探讨VR 技术在土木工程材料实验课中的应用效果。结果发现,与普通视频教学相比,VR 训练系统教学学生的学习效果更好,他们表现出更高的沉浸感、更强的同理心、更规范的实验操作意识、更熟练和正确的实验操作行为。本研究可为实验类课程的开展提供一种新的教学方法,能够有效打破时间和空间的限制,提高学生的实际操作能力。参考文献：1 ARIAS S,WAHLQVIST J,NILSSON D,etal.Virtual reality evacuation experiments on way-finding systems for the future circular collid