1 引言

随着国家教育领域的蓬勃发展，每年本科生数量不断增加，对现有的教学模式带来了挑战，面对来自新时代的教学需求，在机械工程、自动化等专业教学中，传统的教学模式存在以下弊端:

①经济成本高，无论是精密设备使用的成本，还是零部件损耗的成本都相当高昂，其次，还需要技术人员的现场指导以及其他形式师资力量的投入，都会造成资源的损耗。

②安全隐患以及空间限制，装配过程所用的部分设备体型庞大，结构复杂，操作繁琐，用于教学任务时安全性差，且不方便直接装配实物。

③教学方式枯燥，传统教学方式大多以图片、视频教学为主，缺乏实践操作，而对装配工艺复杂部分难以理解，太过依赖用户自身的联想能力，从而学习效率较低。虚拟学习技术是虚拟现实技术在教育行业的拓展运用，也是计算机技术中极具发展潜力的技术之一。在教育领域，崭新的教育技术必将带来崭新的教育思维，一场围绕虚拟教学的教育变革也就不可避免。本文中，分析了虚拟学习技术目前涉及的关键技术; 构建了个性化自适应虚拟学习技术框架，为虚拟学习技术的发展提供有益补充。

2 虚拟教学关键技术

人类教育发展史中，发生过三次根本性变革: 第一次是从个别的原始教育走向个性的农耕教育; 第二次是从个性的农耕教育走向班级授课式的规模化教育; 第三次是从规模化教育走向分散化、生态化、生命化、网络化的个性化教育。个性化教育技术注重主体生命体验，为改善教育质量提供了理论基础，一定程度上弥补了传统教育的不足。

2016年是VR元年，在整个世界的第四次工业革命中也有着举足轻重的地位，作为VR技术的重要衍生技术之一，虚拟学习技术将给教育领域带来同样深远的影响，尤其体现在个性化教学方面。

2.1 虚拟交互技术

虚拟交互技术是用户与虚拟学习技术之间信息交换的有效方式。杨普[1]借助触觉交互设备，以Visual Studio 2008为开发平台，结合Open Haptics库，完成物理属性与几何模型的集成和力反馈设备的交互式操作。李嘉[2]运用VC++与OSG相结合，实现了虚拟物体的拾取和移动，开发了基于力反馈的交互式虚拟拆卸系统。Durgin[3]利用虚拟现实技术，提出了研究感知/动作交互的策略，使用无标度的单参数数据，提取我们预期的基本数据，减少了动态失真。

在虚拟学习技术中，有目的创造虚拟交互，兼具艺术性，给学生创造出一个良好的学习情境，实现课程学习和学生之间、人与人之间的交流，最大限度地实现人们的体验需求[4]。

2. 2 可视化技术

让知识在个体间清晰的表达和交换，是知识可视化研究的起源。可视化技术运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并在此基础上进行交互处理。目前正在飞速发展的虚拟现实技术也是以图形图像的可视化技术为基础的。

可视化技术主要方法为认知地图法，概念图法，知识图谱，思维导图和思维地图，统计图表等，增强认知与知识学习，促进知识的利用与生成。清楚呈现知识相关信息与数据，积极调动人的视觉经验。具备快速识别简单模式，有助于分析、组织、解构与建构，在高阶学习、复杂任务的处理中，减少认知压力。可视化技术改变了知识的加工、处理、传播方式，有利于信息理解、分析效率的提高，也减少了认知负荷，解决信息过载、知识爆炸问题，促进了知识在人类工作、学习、生存发展中传播。[5]

3 个性化虚拟教学系统设计

虚拟学习技术的个性化，可以理解为“挑战与技能”之间从产生矛盾到不断适应以及解决的过程。当在设计学习任务时，就要尽可能地在挑战与技能之间找到平衡点，使其进入一种沉浸式的学习状态。为了向学习者提供符合其个性特征的学习路径和学习服务，一是要分析学习者的个性行为特征，找到反映其个性优势的内容; 二是建立学习行为分析内容与学习结果之间的联系，为后面学习结果的预测分析提供依据［6］。

图 1 虚拟学习技术的设计框架

沈军［7］搭建了知识应用模式与认知结构，这种结构模式支持分布式个性化网络教学，在构建主义的基础上，建立了个性化网络学习模型。林海平［8］依据学生学习状态的变化，设计出个性化内容推荐算法，该算法可以为个性化系统学习提供了强有力的理论支持。

研究了相关文献之后，提出虚拟学习技术的设计框架，如图 1 所示。该框架以个性化沉浸式为导向，实现学习者的能力与挑战相匹配。学习者的学习记录和兴趣喜好都会被记录，为学习者特征分析、教学目标分析、学习类容分析分析提供支持。

虚拟学习技术的创建不是简单的在传统学习方式的基础上加上虚拟现实技术，它是一种拥有独特设计和全新功能的学习环境，如能够改善学习者参与交互的频度不均衡问题，交互活动积极意义的产生，评价方式仅仅是简单地分级等。针对这些问题，虚拟学习技术对课程教学信息资源进行有效整合，培养学生解决实际问题的能力，实现交互式学习和虚拟学习的个性化。

为了设计与实现学科知识可视化系统，必须对系统做需求分析，包括功能需求、数据需求、输入输出需求，构建学科知识可视化系统的设计原则和架构设计。对于教育可视化的设计，必须注意并确保可视化对象和内容与特定的环境和学习目标相适应，借助可视化技术，使知识系统而生动的呈现于学习者面前，成为虚拟学习技术中不可或缺的一环。

4 结束语

本文主要介绍了虚拟学习技术的理论基础、技术支持以及独特的优势，相对于传统学习模式，虚拟学习技术的未来无疑是更加璀璨的，但作为一项未来可期的新兴技术，虚拟学习技术仍然有较大的进步空间，主要表现在：

①如何在充分利用虚拟现实技术本身优势的同时最大程度地降低其负面影响，如何更好的实现个性化学习中的自适应，如何解决学习者过度沉浸于虚拟场景，如何实现技能与挑战匹配过程中的评估等。

②虚拟学习技术与传统课堂的衔接问题，如何运用现有技术实现知识的可视化，如何实现虚拟学习技术的教学设计，让知识合理有序的展现在学习者面前，同时，在情景设计上，如何减少和避免认知负荷等等，都有待进一步深化研究。

不断的发现缺陷、革新理论，是每一个新兴技术必然需要经过的考验，虚拟学习技术在经历不断地改善后，也必然能在新时代脱颖而出。

参考文献

[1] Yang Y,Guo W,Li J,et al. Research on motion controltechnology for virtual assembly platform[C]/ / InternationalConference on Pervasive Computing and the NetworkedWorld. Springer - Verlag,2012: 719 - 727.

[2] 李嘉,侯文,夏文文等. 基于力反馈的虚拟拆卸系统关键技术研究[J]. 图学学报,2014,35( 3) : 450 -454.

[3] Durgin F H,Li Z. Controlled interaction: Strategies for usingvirtual reality to study perception [J]. Behavior ResearchMethods,2010,42( 2) : 414 - 420.

[4] 高旭. 虚拟交互技术在教学中的应用[J]. 人民论坛,2015( a11) : 129 -131.

[5] 孙雨生,张梦珍,李沁芸,等. 国内知识可视化研究进展:实践应用[J]. 情报理论与实践,2017,40( 5) : 139 -144.