梅文濤，苑苓苓，鄭勇峰，高 霞

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津 300402)

沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用探索*

梅文濤，苑苓苓，鄭勇峰，高 霞

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津 300402)

針對當(dāng)前高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)受設(shè)備、場地、經(jīng)費(fèi)等因素制約的現(xiàn)狀，分析了沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的可行性，探索該技術(shù)對于提高高職院校實(shí)訓(xùn)效果的有效途徑，以數(shù)控車實(shí)訓(xùn)為例提出了基于沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)虛實(shí)結(jié)合一體化，實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境和企業(yè)實(shí)訓(xùn)環(huán)境的無界化，突破了實(shí)訓(xùn)教學(xué)困境，大大提高了課堂教學(xué)效果，有著較高的實(shí)用推廣價(jià)值。

高職教育；虛擬現(xiàn)實(shí)；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；教學(xué)模型

當(dāng)前科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)、場景生成技術(shù)、仿真技術(shù)等日新月異，各行業(yè)對技術(shù)人員的素質(zhì)和能力要求越來越高，尤其對于專業(yè)技術(shù)人員的實(shí)踐操作能力。高職教育，作為以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)動(dòng)手能力培養(yǎng)的的技術(shù)性院校，雖然越來越重視實(shí)訓(xùn)教學(xué)，但是受實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)的制約等的限制，導(dǎo)致教學(xué)與生產(chǎn)崗位脫節(jié)，無法夠滿足現(xiàn)代企業(yè)對技術(shù)應(yīng)用型專門人才的迫切需求。因此如何以當(dāng)前先進(jìn)科技為依托應(yīng)用沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決教學(xué)過程中的實(shí)踐問題將成為高職院校工學(xué)教育環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問題。本文基于沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提出了高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)虛實(shí)結(jié)合一體化，實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境和企業(yè)實(shí)訓(xùn)環(huán)境的無界化，突破了實(shí)訓(xùn)教學(xué)困境，大大提高了課堂教學(xué)效果，有著較高的實(shí)用推廣價(jià)值。

一、沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)的可行性

(一)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心框架，通過可視化交互系統(tǒng)處理各種數(shù)據(jù)，構(gòu)建出一個(gè)虛擬的空間供學(xué)習(xí)者進(jìn)行體驗(yàn)各種情境的一種技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)的用戶借助必要的設(shè)備如鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，或者帶上頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，使用戶仿佛置身于一個(gè)逼真的、具有視、聽、觸覺的感觀世界從而產(chǎn)生如同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。在虛擬的環(huán)境中學(xué)生可以進(jìn)行愉悅的自主學(xué)習(xí)，如同游戲般的視覺效果使得學(xué)生一邊接收了專業(yè)知識，一邊練就了實(shí)訓(xùn)技能。

沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種主要形式，它通過提供學(xué)習(xí)者一個(gè)全新的虛擬空間，利用當(dāng)前先進(jìn)的設(shè)備如數(shù)據(jù)手套、位置傳感器等使學(xué)習(xí)者參與到虛擬空間中，在虛擬的空間中處理各種問題以及使用機(jī)器設(shè)備等，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。所謂的沉浸主要是指學(xué)習(xí)者在虛擬空間中以主角的感念存在的程度。

(二)沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的可行性

當(dāng)前高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面大多采用設(shè)備教學(xué)、以教促學(xué)、填鴨式的傳統(tǒng)教學(xué)方式。以數(shù)控車床機(jī)械結(jié)構(gòu)的教學(xué)為例，教師一般首先通過PPT演示機(jī)床結(jié)構(gòu)的示意圖，然后通過機(jī)床設(shè)備進(jìn)行實(shí)物教學(xué)，但由于機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，學(xué)生無法通過對真實(shí)機(jī)床的拆解認(rèn)知其內(nèi)部的工作狀態(tài)，嚴(yán)重影響實(shí)訓(xùn)教學(xué)的教學(xué)效果。沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅僅解決了以上的問題還為學(xué)生營造出了一種快樂教學(xué)、 自主學(xué)習(xí)的良好學(xué)習(xí)環(huán)境，將傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生在虛擬空間中主動(dòng)的與環(huán)境接觸從而獲取新知識和新技能的一種新型學(xué)習(xí)方式。將沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)既可以增強(qiáng)學(xué)生在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中樂趣又改變了以往傳統(tǒng)的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)的統(tǒng)一，突破了當(dāng)前高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的困境。

二、沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效途徑

目前，沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已取得了廣泛應(yīng)用，如在軍事、交通、醫(yī)藥、航空、建筑等眾多領(lǐng)域，應(yīng)用于高職院校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中還處于初期階段，不論在技術(shù)還是在制度上都不完善。因此，可以通過以下途徑提升高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性：

(一)理論與實(shí)踐相對應(yīng)的教學(xué)改革

首先，教學(xué)模式改革。改革“以教促學(xué)”的傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，積極推進(jìn)基于“虛實(shí)結(jié)合”的高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，通過沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)基于工作環(huán)境的、模仿真實(shí)工作者活動(dòng)的虛擬學(xué)習(xí)情境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性；同時(shí)努力探索利用該技術(shù)進(jìn)行高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效形式，例如“虛擬生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)”“項(xiàng)目虛擬教學(xué)”“任務(wù)虛擬教學(xué)”等各種形式的虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)形式，努力培養(yǎng)學(xué)生在虛擬實(shí)訓(xùn)中養(yǎng)成職業(yè)意識和職業(yè)素養(yǎng)，形成較強(qiáng)的職業(yè)能力。

其次，課程體系改革。高職院校的宗旨在于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識能力和技能實(shí)際操作的能力。以教師教授、理論授課為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，其課程體系已極大的落后于高職院校的培養(yǎng)宗旨。高職實(shí)訓(xùn)課程體系采用沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為平臺(tái)進(jìn)行改革，學(xué)生在虛擬實(shí)訓(xùn)過程中教、做、學(xué)三者相結(jié)合，有力提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，從而增強(qiáng)了實(shí)訓(xùn)的有效性。

第三，教學(xué)條件的提升。改變傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式，將課堂教學(xué)轉(zhuǎn)移到虛擬空間，教師充分利用虛擬世界中的一切資源進(jìn)行引導(dǎo)，學(xué)生自主進(jìn)行興趣練習(xí)，身臨其境體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的整個(gè)過程，充分的發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，極大的提升了學(xué)習(xí)效率。

(二)需組建高素質(zhì)、專業(yè)化的教師隊(duì)伍

作為教學(xué)活動(dòng)實(shí)施者和主導(dǎo)者的教師，其綜合素質(zhì)、專業(yè)程度直接決定著高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)有效性的開展程度。沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)既需要掌握現(xiàn)代教學(xué)方法又需要將虛擬技術(shù)與專業(yè)知識相結(jié)合的專業(yè)骨干教師。因此，對于教師素質(zhì)有更高的要求。

1.基本技能要求 教師不僅需要具備較強(qiáng)的判斷能力還需要具備敏銳的洞察力和前瞻的預(yù)測能力，對學(xué)生可以創(chuàng)造性地進(jìn)行問題引導(dǎo)，使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中自主解決遇到的問題。因此教師不僅要熟練掌握虛擬平臺(tái)的操作方法還要能夠自主開發(fā)、更新和完善虛擬平臺(tái)。

2.專業(yè)技能要求 作為技能為主體的高職院校，教師專業(yè)技能的高低將起到關(guān)鍵的作用。因此高職院教師需要經(jīng)常深入企業(yè)一線進(jìn)行實(shí)踐鍛煉，親身感受技術(shù)和崗位的最新變化，積極向企業(yè)一線專家學(xué)習(xí)，不斷反思，使自己成為名符其實(shí)的”雙師型”教師。同時(shí)高職院校也需要不斷的吸收企業(yè)技術(shù)人員參與教學(xué)，這樣可以將企業(yè)的工作特征無形的融入到教學(xué)情境之中，搭建虛擬實(shí)訓(xùn)和現(xiàn)實(shí)之間的橋梁。

(三)合理開發(fā)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

以沉浸虛擬技術(shù)的平臺(tái)開發(fā)應(yīng)符合高職院校專業(yè)人才培養(yǎng)要求和企業(yè)崗位環(huán)境，可以逼真的反映課程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開發(fā)需要企業(yè)和高職院校共同完成以便實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與企業(yè)崗位對接，同時(shí)模塊結(jié)構(gòu)分布應(yīng)該充分反映企業(yè)崗位需求。主體上應(yīng)包含自主學(xué)習(xí)模塊、虛擬訓(xùn)練模塊和綜合評價(jià)模塊。使學(xué)生熟悉崗位職責(zé)、掌握相關(guān)專業(yè)知識和技能，可適當(dāng)置增強(qiáng)了趣味性開發(fā)如游戲式的闖關(guān)實(shí)訓(xùn)，實(shí)訓(xùn)結(jié)束后可有效的對學(xué)生操作過程進(jìn)行點(diǎn)評和提示和糾正。

三、以數(shù)控車為例的沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)體系中數(shù)控技術(shù)是機(jī)械制造業(yè)的核心技術(shù)，對于其技術(shù)的掌握水平將最直接的影響產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)前高端數(shù)控人才稀缺，高職數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)中著重考慮的問題就在于如何將當(dāng)前企業(yè)中最新、最實(shí)用的數(shù)控技能教授給學(xué)生。但是昂貴的機(jī)床造價(jià)限制了高職院校的購買能力，而教學(xué)和實(shí)訓(xùn)又不能缺少數(shù)控設(shè)備。這一突出的問題因?yàn)槌两摂M技術(shù)的出現(xiàn)而得以解決。應(yīng)用沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬數(shù)控加工情境，學(xué)生利用該情境進(jìn)行練習(xí)從而有效掌握數(shù)控加工技術(shù)，極大的改善了數(shù)控教學(xué)環(huán)境，提升了教學(xué)效果和質(zhì)量。對此，提出以下幾個(gè)方面將沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)教學(xué)上。

(一)沉浸虛擬技術(shù)的教學(xué)演示

在以往的教學(xué)方法中，學(xué)生獲取各類型數(shù)控設(shè)備以及輔助儀器感性認(rèn)識的方式主要是教材中的平面圖和教師的PPT講解以及觀察實(shí)際教學(xué)設(shè)備的外形等。平面認(rèn)知嚴(yán)重限制了學(xué)生的想象力，設(shè)備教學(xué)又嚴(yán)重增加了高職院校的教學(xué)投入。沉浸虛擬技術(shù)為我們打開了另外一扇門。利用虛擬技術(shù)將實(shí)物虛化，如利用CATIA技術(shù)建立數(shù)控設(shè)備的三維模型，并存放到虛擬數(shù)控實(shí)訓(xùn)教室里，學(xué)生通過虛擬平臺(tái)可以隨時(shí)隨地地認(rèn)識這些設(shè)備，并可以近距離觀察甚至拆分這些設(shè)備以便了解其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了數(shù)控教學(xué)的趣味，教學(xué)效果明顯。

(二)沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬實(shí)訓(xùn)和仿真教學(xué)

在傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，由于各方面的限制因素，諸如設(shè)備昂貴、材料價(jià)格限制、破壞性等等，許多實(shí)訓(xùn)是根本不可能普及甚至僅僅停留在理論的講解，學(xué)生無法深入的了解。而在沉浸虛擬技術(shù)建立的虛擬數(shù)控加工情境中，學(xué)生可以身臨其境的進(jìn)行加工操作，如對毛坯進(jìn)行定義，對工件進(jìn)行裝夾以及對刀操作等內(nèi)容，完全模擬了零件加工的整個(gè)過程，并檢驗(yàn)了學(xué)生對數(shù)控指令的掌握程度，解決了學(xué)生需要反復(fù)操作練習(xí)而設(shè)備不足等的問題。甚至于可以在虛擬環(huán)境中指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行限制性額破壞實(shí)驗(yàn)。另一方面學(xué)生在虛擬數(shù)控情境中可以對機(jī)床各部分進(jìn)行拆裝和組裝練習(xí)，熟料掌握機(jī)床結(jié)構(gòu)，不受限于外界因素，也不會(huì)因?yàn)楦鞣N失誤造成安全事故。

(三)沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)考核

利用沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)功能以及局域網(wǎng)環(huán)境中的雙向互動(dòng)功能，不但可以實(shí)現(xiàn)高職數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)的遠(yuǎn)程培訓(xùn)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作業(yè)、考試、評價(jià)等一體化功能，并自動(dòng)保存試卷和評價(jià)，供學(xué)習(xí)者進(jìn)行自主查詢，實(shí)現(xiàn)無紙化辦公。

(四)沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的拓展

數(shù)控機(jī)床的帶來的不僅僅是生產(chǎn)效率的提高，同時(shí)機(jī)床故障維修也必不可少。由于數(shù)控設(shè)備價(jià)格高昂，將生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)拆裝是不現(xiàn)實(shí)的。利用沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立數(shù)控機(jī)床拆裝平臺(tái)從而達(dá)到培訓(xùn)和教學(xué)的目的，以廈門創(chuàng)壹虛擬數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用虛擬技術(shù)進(jìn)行逼真的3D 動(dòng)畫演示并且自動(dòng)顯示相關(guān)原理，同時(shí)可實(shí)時(shí)實(shí)行視點(diǎn)變換等功能。能夠?qū)崿F(xiàn)場景互動(dòng)的實(shí)時(shí)性和360度的全方位展示，效果直觀場景真實(shí)。學(xué)生除動(dòng)手對機(jī)床進(jìn)行虛擬仿真操作外，還可以對機(jī)床進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣線路方面的拆裝練習(xí)，進(jìn)一步積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

四、結(jié)論

隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用將日益廣泛地。對于當(dāng)前高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)狀，應(yīng)用沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)將存在極大的發(fā)展空間，在數(shù)控機(jī)床方面的先行探索也為虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)積累了有效經(jīng)驗(yàn)，將大大突破當(dāng)前高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)的困境，提高了教學(xué)效果。目前，沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還存在許多問題，如虛擬環(huán)境與真實(shí)生產(chǎn)的差異、效果有待加強(qiáng)、成本有待進(jìn)一步降低等。作為一種新型的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式和媒體，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，這種新的實(shí)訓(xùn)方式必將廣泛應(yīng)用于高職實(shí)訓(xùn)教育教學(xué)中并發(fā)揮其重要作用。

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Research on Application of Immersive Virtual Reality Technology in Practical Teaching in Higher Vocational Schools

MEI Wen-tao, YUAN Ling-ling, ZHENG Yong-feng, GAO Xia

(MechanicalEngineeringDepartmentofTianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300402)

In view of the current status that the practical teaching in higher vocational schools is restricted by devices, sites, and expenditure, this paper analyzes the feasibility of applying immersive virtual reality technology to practical teaching in higher vocational schools and explores effective ways to improve the results of practical teaching through this technology. Taking practical training of CNC lathe for example, this paper puts forward practical teaching based on immersive virtual reality technology in higher vocational schools to realize the combination of virtuality and reality in practical teaching, achieve boundless teaching environment and enterprise practice, break through difficulties of practical teaching and then greatly improve the effect of classroom teaching. It has higher practical promotional value.

higher vocational education; virtual reality; practical teaching; teaching model

2015-06-29

*2014年度天津市高等職業(yè)教育技術(shù)研究會(huì)課題，課題編號：XIV412

梅文濤(1985-)，男，山東人，講師，主要講授數(shù)控加工課程。

TP399

A

1673-582X(2015)08-0078-04