基于虚拟现实技术的可视化教学实验训练及考核平台的研究与应用

摘要：虚拟现实技术（VR） 在教育领域的应用日益广泛。文章针对当前教学中存在的实训经验缺乏、实验环境要求高、成本及风险高等问题，研究基于虚拟现实技术的可视化教学实验训练及考核平台。通过构建一个360°全景虚拟实验教学技能训练系统，利用VR技术提供沉浸式学习体验，突破传统教学模式的瓶颈。文章详细探讨了平台的设计与实现，介绍了实验教学流程模块、实验考评模块、NLP语音系统和大数据分析系统的功能，并展示了平台在提升学习者实操能力、促进深度理解、增强参与协作及实现教育公平方面的优势。文章还梳理和分析了相关文献，并展望了虚拟现实技术在未来教育中的应用前景和研究方向。

关键词：虚拟现实技术；可视化教学；实验训练平台；沉浸式学习；教育公平；大数据分析；NLP语音系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）09-0064-04 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

虚拟现实技术的不断发展为教育领域带来了前所未有的变革契机。传统教学模式中，实验教学受场地、设备、师资力量等多方面限制，难以满足学生实践需求，尤其在大规模、高频次的实验训练和考核中更为突出。面对这些挑战，虚拟现实技术以其独特的沉浸式体验和互动性，为解决上述问题提供了有效途径。通过创建逼真的虚拟实验环境，学习者可以在一个安全、可控且成本较低的环境中进行操作和练习，不仅提高了实训效率，还大幅减少了实验教学的风险和费用。

近年来，国内外学者的大量研究和实践逐步验证了虚拟现实技术在教育中的应用价值，表明其能够提升学习者的实验能力和学习体验，促进深度理解和协作学习。这些研究提供了坚实的理论基础和实践指导，使得基于虚拟现实技术的教学实验训练及考核平台的开发成为可能和必要。

本文将详细介绍项目的研究背景与目的，探讨虚拟现实技术在教学实验训练中的应用及其优势。

1 研究背景与目的

虚拟现实技术 （VR） 以其独特的沉浸式体验和互动性，吸引了各行各业的广泛关注，尤其在教育领域。在传统教学模式中，实验教学面临着学生缺乏实训经验、实验环境要求高、专业指导有限、实验成本及危险度高等诸多问题，严重制约了教学质量的提升和学生实践能力的培养。

近年来，国家对教育信息化的重视和政策支持，推动虚拟现实技术在教育中的应用。2019年发布的《教育信息化2.0行动计划》明确指出，要推动信息技术与教育教学深度融合，鼓励创新教育模式，提升教育质量和效益。2020年《新基建发展计划》中再次强调了5G、人工智能、虚拟现实等新技术在教育中的应用，推动教育现代化，促进教育公平和资源共享[1]。

近年来，许多教育机构和研究者希望借助VR技术，提供一种更为高效、安全的实验教学模式。国内外研究表明，VR技术能够显著提升学习者的学习体验和任务绩效，例如李小平提出的VR/AR教学体验的分层构成模型和评价标准[2]，以及Metcalf等人关于虚拟学习环境生动性和沉浸性的研究[3]。这些研究为本项目的实施提供了理论基础和实践指导。

本项目旨在研究开发基于虚拟现实技术的可视化教学实验训练及考核平台，以解决当前教学过程中实训经验不足、实验环境要求高、实验成本及危险度高等问题。具体目标如下。

提升学习者实操能力：构建360°全景虚拟实验教学技能训练系统，提供沉浸式、互动性强的实验环境，帮助学习者掌握正确的操作行为和概念知识。

促进深度理解和协作：利用VR技术的多感官刺激和沉浸性，增强学习者的参与感和主动性，促进其对知识的深度理解和团队协作能力的提升。

实现教育公平：通过互联网共享优质教学资源和虚拟教学环境，帮助偏远地区和资源匮乏的学校获得与城市学校相同的教育资源，促进教育公平。

降低实验成本和风险：减少实际实验操作中的设备损耗和危险，提高实验教学的安全性和经济效益。创新教学模式：探索VR技术在教学中的应用模式，建立一套完整的虚拟现实教学体系。

本项目期望为教育领域提供一种高效、便捷、安全的实验教学新模式，为解决当前实验教学中的瓶颈问题提供新思路和新方法，推动教育信息化的发展。

2 研究方法

本研究将结合文献分析、技术开发和实证研究等方法，探讨基于虚拟现实技术的可视化教学实验训练及考核平台的设计与应用。具体研究方法如下。

2.1 文献研究法

系统收集和分析国内外相关研究文献，梳理虚拟现实技术在教育领域的应用现状和发展趋势，包括其应用理论、现有虚拟现实教学平台的设计与实现、对教学效果的影响以及教育信息化相关政策和发展方向。通过对已有研究的分析，明确本研究的理论基础和实践意义，为平台的设计与开发提供参考和指导[4-5]。

2.2 技术开发法

根据研究目标和需求，采用先进的虚拟现实技术和工具进行平台的设计与开发。具体开发步骤包括需求分析、系统设计、技术实现和系统集成。首先，分析当前教学过程中存在的问题和需求，明确平台的功能定位和设计目标。在系统设计阶段，设计360°全景虚拟实验教学技能训练系统的架构和模块，包括实验教学流程模块、实验考评模块、NLP语音系统和大数据分析系统。在技术实现环节，利用三维建模软件和Unity3D虚拟引擎，搭建虚拟实验环境，开发各功能模块，实现实验教学流程的全程模拟和互动。最后，将各模块集成到统一的平台中，进行系统测试和优化，确保平台的稳定性和易用性。

2.3 实证研究法

用于验证平台的有效性和实际应用效果。具体步骤包括实验设计、数据收集、数据分析和效果评估。首先，设计教学实验，选取不同背景和专业的学生作为实验对象，安排他们使用虚拟现实平台进行实验操作。接着，通过问卷调查、操作日志和系统记录等方式，收集学生在使用平台过程中的数据和反馈，包括操作时间、错误率、学习效果等。利用统计分析工具，对收集的数据进行分析，评估平台在提升学习者实操能力、促进深度理解和协作、实现教育公平等方面的效果。根据分析结果，对平台的功能和设计进行评估和优化，确保其在实际教学中的应用效果。

2.4 反馈与优化法

反馈与优化法在平台开发和应用的过程中，持续收集用户反馈，进行迭代优化。具体步骤包括用户反馈收集、迭代开发和持续评估。通过教师和学生的使用反馈，了解平台在实际应用中的问题和不足。根据反馈意见，不断改进和优化平台功能和用户体验，确保其能够满足教学需求和用户期望。定期进行系统评估和效果分析，确保平台的稳定性和有效性，提升其在教学中的应用价值[6-7]。

通过以上多种研究方法的综合应用，本研究将系统地探讨和验证基于虚拟现实技术的可视化教学实验训练及考核平台的设计与应用效果，为教育领域提供一种高效、安全、创新的实验教学新模式。

3 VR 技术应用于可视化教学实验训练及考核平台的必要性

1） VR技术提供的沉浸式体验和高度互动性，能够显著提升学生的学习效果和体验。 沉浸式学习通过视觉、听觉等多感官的全面刺激，创造出身临其境的学习环境，使学生能够更好地集中注意力和投入学习。互动性强的虚拟实验中，学生可以通过手持控制器与虚拟物品进行实时互动，获得即时反馈，促进动手操作能力和实际问题解决能力的提升。VR技术的创新性和趣味性激发了学生的学习兴趣，使学习过程更加生动和有趣，增加了学生的参与度和积极性。

2） 教育资源的不均衡是当前教育领域面临的重大挑战，尤其在偏远地区和资源匮乏的学校，这一问题尤为突出。VR技术可以通过互联网实现优质教育资源的共享，促进教育公平。 VR技术创建的优质虚拟实验教学资源，可以通过互联网传输到任何地方，使偏远地区的学生也能享受到优质的教育资源。通过VR技术，所有学生都能在同一虚拟环境中进行实验操作，获得相同的学习机会，缩小了教育资源和教学质量的差距。

3） 在往年的疫情期间，全球教育系统受到了巨大冲击，传统线下实验教学几乎停滞，线上教学模式虽然在理论教学上发挥了重要作用，但在实验教学方面却显得力不从心。VR技术为解决这一问题提供了有效的解决方案。 通过VR技术，学生可以在家中进行虚拟实验，保持了实验教学的连续性和完整性。即使在远程环境中，学生依然可以通过虚拟实验平台进行互动和协作，保持良好的学习效果和团队合作精神。

4） 随着5G技术的发展和VR硬件成本的降低，VR技术在教育领域的应用前景愈加广阔。未来教育的发展将更加注重技术与教学的深度融合，以提升教育质量和效率。 VR技术作为一种重要的教育工具，未来教育将更加依赖信息技术，VR技术将成为教育信息化的重要组成部分，推动教育模式的创新和变革。VR技术能够根据学生的学习进度和需求，提供个性化的学习内容和指导，满足不同学生的学习需求。VR技术不仅在实验教学中发挥作用，还将在医学、建筑、工程等多个学科领域得到广泛应用，提升各学科的教学效果。

5） 通过使用CiteSpace软件对AI教育领域的关键词进行聚类分析，生成了关键词聚类图谱（图1） 。聚类分析有助于对文献中的关键词进行进一步的归纳总结，使研究者能够更加清晰地识别该领域的研究热点。从图1左上角的数据显示，Q值为0.5819，S值为0.9493，符合Q值大于0.3、S值大于0.5的标准，这表明聚类图谱的结构具有显著的合理性。此次分析共识别出“教育应用”“深度学习”“创新发展”“中小学”等8 个聚类，突出了目前VR教育领域的主要研究方向和热点问题。

综上所述，VR技术在教育中的应用，不仅解决了传统教学模式的诸多局限，还显著提升了教学效果和学习体验，促进了教育公平和资源共享，为应对未来教育发展趋势提供了新的解决方案。本项目开发的基于VR技术的可视化教学实验训练及考核平台，旨在充分发挥VR技术的优势，为学生提供更加高效、安全、便捷的实验教学新模式，推动教育信息化的发展，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

4 平台设计与实现

1） 需求分析与系统设计：首先进行详细的需求分析，明确平台的功能定位和设计目标。通过调研当前教学过程中存在的问题和需求，确定平台需要具备的核心功能和技术指标。在系统设计阶段，规划整个系统的架构和功能模块，包括实验教学流程模块、实验考评模块、NLP 语音系统和大数据分析系统等。最后实现图2中所示流程。

2） 三维建模与虚拟引擎开发：三维建模是构建虚拟实验环境的关键步骤。使用三维建模软件创建虚拟实验室和实验设备的模型，确保其具备高仿真度和互动性。在虚拟引擎开发中，采用 Unity3D 虚拟引擎进行系统开发，将三维模型导入引擎中，实现虚拟环境的构建和功能模块的开发。Unity3D 引擎能够提供高效的渲染和物理模拟功能，确保虚拟实验环境的真实性和稳定性。

3） NLP 语音系统与大数据分析系统集成：NLP 语音系统和大数据分析系统是平台的重要组成部分。NLP 语音系统实现对学习者操作过程的实时语音提示和反馈，帮助学习者及时纠正操作错误，提高学习效率。大数据分析系统对学习者的操作数据进行收集和分析，生成实验操作的优化报告，帮助学习者有针对性地改进和提升。

4） 实验教学流程模块和实验考评模块：实验教学流程模块是平台的核心功能模块之一。该模块通过头戴式显示器和手持控制器，模拟真实的实验教学过程，学习者可以按照预设的实验步骤进行操作，系统会根据操作情况进行实时提示和指导。实验考评模块则用于评估学习者的实验操作能力，通过对操作数据的分析，生成操作评分和评估报告，帮助学习者了解自己的操作水平和不足之处。

5） 系统测试与用户反馈收集：在平台开发完成后，进行全面的系统测试，确保平台的稳定性和功能的完整性。邀请不同背景和专业的学生参与平台测试，收集他们的操作数据和使用反馈。数据收集方式包括问卷调查、操作日志和系统记录等。通过数据分析，评估平台在提升学习者实操能力、促进深度理解和协作、实现教育公平等方面的效果。

6） 迭代优化与持续改进：根据测试结果和用户反馈，对平台进行迭代优化和持续改进。通过不断改进和优化平台功能和用户体验，确保其能够满足教学需求和用户期望。迭代优化过程中，重点关注平台的稳定性、易用性和互动性，确保其在实际教学中的应用效果。