羅陸鋒 孫 爽 李國(guó)琴 楊 慧

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300222

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)中的應(yīng)用研究

羅陸鋒 孫 爽 李國(guó)琴 楊 慧

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300222

由于傳統(tǒng)的技能實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程教學(xué)受設(shè)備成本、維護(hù)保養(yǎng)等條件的制約，使得課程考核與評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)投入大而效果不佳。本研究將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)的考評(píng)相結(jié)合，將三維虛擬環(huán)境下的人機(jī)交互技術(shù)運(yùn)用于技能實(shí)訓(xùn)課程的操作考評(píng)，提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程考評(píng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。從考核內(nèi)容及評(píng)價(jià)方法、三維虛擬考評(píng)情境、考評(píng)規(guī)則庫(kù)以及評(píng)價(jià)結(jié)論等四方面闡述了考評(píng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以模具拆卸實(shí)訓(xùn)為例，介紹了三維可視化模具結(jié)構(gòu)拆裝考評(píng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，為技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)提供一種新的模式。

虛擬現(xiàn)實(shí)；技能實(shí)訓(xùn)；教學(xué)考評(píng)

近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)已開(kāi)始大量運(yùn)用于教學(xué)當(dāng)中[1-7]。在工程類(lèi)的許多課程當(dāng)中，三維虛擬仿真的教學(xué)案例尤為多見(jiàn)。這些案例能直觀對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全方位演示，從視覺(jué)傳達(dá)、人機(jī)交互等方面彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)視頻的不足。但它們大多數(shù)是針對(duì)課程中的某個(gè)單一知識(shí)點(diǎn)而設(shè)計(jì)，而將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用全課程教學(xué)考評(píng)的案例較少。因此，結(jié)合技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)的特點(diǎn)，本文提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)方法，旨在為技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供一種新的考核和評(píng)價(jià)模式。

1 虛擬教學(xué)考評(píng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)也稱(chēng)為虛擬實(shí)境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[8]?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)方法是指借助三維虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代實(shí)操考評(píng)的虛實(shí)結(jié)合操作環(huán)境，測(cè)試人員像在真實(shí)環(huán)境中一樣操作設(shè)備，取得效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得效果。該類(lèi)考評(píng)系統(tǒng)包括虛擬設(shè)備、虛擬操作工具、交互設(shè)備等?？荚u(píng)過(guò)程是對(duì)實(shí)際操作技能的虛擬再現(xiàn)。虛擬操作過(guò)程與結(jié)果可以被處理、存儲(chǔ)，操作過(guò)程可以不斷重復(fù)進(jìn)行。系統(tǒng)注重虛擬操作過(guò)程性、情境性、交互性和考核結(jié)果客觀性。系統(tǒng)具備的優(yōu)勢(shì)包括[9]：一是打破了傳統(tǒng)考評(píng)方法對(duì)場(chǎng)地和時(shí)間的限制；二是減少考評(píng)器械的損耗，無(wú)須擔(dān)心損壞實(shí)

驗(yàn)器械；三是在一些高危性的技能考評(píng)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以避免因操作失誤而帶來(lái)的人身事故。

2 虛擬技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)系統(tǒng)時(shí)，先由命題專(zhuān)家根據(jù)相關(guān)實(shí)訓(xùn)課程或技能工種確定考核內(nèi)容，并提出考核評(píng)價(jià)方法，設(shè)定考評(píng)等級(jí)。然后根據(jù)各考評(píng)知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建合適的考評(píng)情境，該部分包括構(gòu)建具有逼真感的三維可視化模型，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互界面環(huán)境和構(gòu)建操作過(guò)程信息的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)方法。根據(jù)考核內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法設(shè)置考核知識(shí)點(diǎn)，分配各知識(shí)點(diǎn)的權(quán)重，并設(shè)計(jì)操作過(guò)程中的得分、扣分規(guī)則，設(shè)置考試時(shí)限。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)合高級(jí)編程語(yǔ)言將三維虛擬考評(píng)環(huán)境與考試規(guī)則進(jìn)行融合開(kāi)發(fā)，構(gòu)建考評(píng)規(guī)則庫(kù)及三維虛擬模型交互之間的映射關(guān)系。最后根據(jù)虛擬操作的規(guī)范性、正確性、所用時(shí)間及誤操作次數(shù)等交互信息綜合得出考評(píng)等級(jí)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2.1 考核內(nèi)容及評(píng)價(jià)方法

考核內(nèi)容是指針對(duì)某一門(mén)實(shí)訓(xùn)課程或某個(gè)職業(yè)崗位特定的技能而設(shè)置的知識(shí)與技能觀測(cè)點(diǎn)。這些觀測(cè)點(diǎn)由出題專(zhuān)家根據(jù)考核和評(píng)價(jià)目標(biāo)設(shè)定，內(nèi)容需體現(xiàn)全面性、典型性、層次性。在工程實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程中，通常考核學(xué)生使用某種特定設(shè)備的能力和使用與該設(shè)備相關(guān)的其他基礎(chǔ)知識(shí)。擬定考核內(nèi)容是進(jìn)行考評(píng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的第一步，在選定考評(píng)內(nèi)容的觀測(cè)點(diǎn)后再進(jìn)行后續(xù)軟件開(kāi)發(fā)。

考核評(píng)價(jià)方法主要有量化評(píng)價(jià)和質(zhì)性評(píng)價(jià)。質(zhì)性評(píng)價(jià)是對(duì)量化評(píng)價(jià)的反思與總結(jié)提煉，受當(dāng)前人工智能水平的限制，在軟件設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)質(zhì)性評(píng)價(jià)。因此，在對(duì)技能課程的考評(píng)中，通常以量化評(píng)價(jià)為主。所以在考核學(xué)生對(duì)某種設(shè)備的基本操作技能時(shí)一般選擇量化考核。通過(guò)對(duì)各考核觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置三維虛擬可交互的操作題目，并對(duì)各題目賦予權(quán)重。將各觀測(cè)點(diǎn)的操作進(jìn)行記錄并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后根據(jù)考評(píng)規(guī)則結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中的操作記錄進(jìn)行綜合量化評(píng)價(jià)，最終得出考評(píng)結(jié)論。

西周中后期，政局動(dòng)蕩不安，社會(huì)矛盾激化，統(tǒng)治者的治國(guó)理念也發(fā)生了變化。周穆王命令大臣呂侯作《呂刑》，規(guī)定了墨（刺字）、劓（割鼻）、剕（斷足）、宮（去勢(shì)）、大辟（處死）五種刑罰以及三千款處罰條文。如果犯罪事實(shí)不清、證據(jù)不足，允許嫌犯繳納罰金贖免。呂侯還提出了“世輕世重”的理論，即刑罰輕重要根據(jù)社會(huì)情況的變化加以調(diào)整。“刑新國(guó)用輕典，刑平國(guó)用中典，刑亂國(guó)用重典”。[3]在政權(quán)建立之初、國(guó)家安定下來(lái)和社會(huì)秩序混亂等三個(gè)不同時(shí)期要采用輕重不同的刑罰，統(tǒng)治者可以靈活地、有意識(shí)地加以調(diào)整。“世輕世重”是對(duì)“明德慎罰”思想的重要補(bǔ)充。

2.2 構(gòu)建考評(píng)情境

根據(jù)考核內(nèi)容構(gòu)建與之對(duì)應(yīng)的逼真三維虛擬考試情境是開(kāi)發(fā)考評(píng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。考評(píng)情景主要由真實(shí)感三維虛擬環(huán)境、人機(jī)交互與虛擬行為等部分組成。

2.2.1 構(gòu)建三維可視化環(huán)境

根據(jù)目前的三維建模軟件種類(lèi)較多，基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模的軟件主要有：SolidWorks，UG，CATIA，Pro/e，該類(lèi)軟件可構(gòu)建尺寸精確的三維模型，但在紋理貼圖和渲染等方面不如3Dmax軟件，因此，需要根據(jù)對(duì)象選擇合適的三維建模軟件。例如，在機(jī)械領(lǐng)域的三維模型一般采用SolidWorks等軟件構(gòu)建，而對(duì)于一些場(chǎng)景類(lèi)的三維模型一般采用3Dmax軟件。建模是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及許多結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型，因此，在建模需要綜合衡量模型的精確度、顯示速度、操縱效率、廣泛性等。用建模軟件所建立的三維模型一般需要經(jīng)過(guò)模型優(yōu)化、渲染與美化，達(dá)到逼真效果后再通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化將其導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)計(jì)[10]。目前的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)主要有：VRML，Java3D，Cult3D，Quest3D，Virtools，EonStudio等[11]。

2.2.2 人機(jī)交互與虛擬行為

人機(jī)交互是指人與計(jì)算機(jī)之間相互理解和交流的對(duì)話過(guò)程，在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的技能考評(píng)系統(tǒng)中，人機(jī)交互主要體現(xiàn)在測(cè)試者與虛擬設(shè)備之間交互。通常一個(gè)完整的交互過(guò)程包含如下流程：首先測(cè)試者通過(guò)輸入設(shè)備(數(shù)據(jù)手套、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等外部設(shè)備)對(duì)虛擬設(shè)備施加一種特定的操作，虛擬設(shè)備在接到操作命令以后執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的虛擬行為，輸出設(shè)備將虛擬行為的可視化信息、音效等傳送給測(cè)試者，同時(shí)操作信息被存入數(shù)據(jù)庫(kù)，為操作評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持?？荚u(píng)系統(tǒng)中虛擬行為是指真實(shí)設(shè)備完成特定功能的一些系列行為過(guò)程的虛擬仿真。在虛擬環(huán)境中的行為實(shí)質(zhì)為一系列三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)，其運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)方式由真實(shí)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)動(dòng)移植而來(lái)，是對(duì)真實(shí)設(shè)備運(yùn)動(dòng)行為的一種三維虛擬再現(xiàn)。

2.3 編制考評(píng)規(guī)則

技能教學(xué)考評(píng)是對(duì)測(cè)試者操作過(guò)程行為的正確性和規(guī)范性以及對(duì)基本知識(shí)的掌握程度等進(jìn)行全方位評(píng)估。因此，在進(jìn)行評(píng)價(jià)之前，需要對(duì)各考核觀測(cè)點(diǎn)的操作進(jìn)行規(guī)則化描述。先提煉出各觀測(cè)點(diǎn)的屬性特征[12]，再將這些特征用數(shù)學(xué)規(guī)則方法進(jìn)行描述，并建立與三維可視化虛擬交互操作之間關(guān)聯(lián)映射。

在編制考評(píng)規(guī)則時(shí)，可借助數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將定義的考評(píng)規(guī)則存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，組建考評(píng)規(guī)則庫(kù)。將各觀

測(cè)點(diǎn)的操作方法、得分扣分規(guī)則及其他約束規(guī)則等用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述后用數(shù)據(jù)表形式存入規(guī)則庫(kù)。編制這些規(guī)則時(shí)，應(yīng)具備如下特征。

(1)考評(píng)規(guī)則應(yīng)具有正確性和可用性。每條考評(píng)規(guī)則都應(yīng)是對(duì)客觀事實(shí)的一種數(shù)學(xué)化描述，同時(shí)應(yīng)避免規(guī)則設(shè)置的冗余性。(2)考評(píng)規(guī)則應(yīng)是由命題專(zhuān)家與軟件工程師經(jīng)過(guò)充分討論，共同編制，確保規(guī)則在虛擬現(xiàn)實(shí)中的可實(shí)現(xiàn)性。(3)考評(píng)規(guī)則應(yīng)具備知識(shí)關(guān)聯(lián)性。規(guī)則是從考核內(nèi)容中的各觀測(cè)點(diǎn)提煉出來(lái)的，大多數(shù)情況下各觀測(cè)點(diǎn)知識(shí)是具備關(guān)聯(lián)性，因此，考評(píng)規(guī)則應(yīng)具備知識(shí)的前后關(guān)聯(lián)性。(4)考評(píng)規(guī)則應(yīng)與三維環(huán)境下的虛擬操作進(jìn)行一一映射，使得規(guī)則可作用于虛擬操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬操作的評(píng)價(jià)。

2.4 考評(píng)結(jié)論

考評(píng)結(jié)論是由考評(píng)系統(tǒng)根據(jù)考評(píng)規(guī)則庫(kù)對(duì)測(cè)試者的操作過(guò)程按照終結(jié)性評(píng)估計(jì)算方法得出的最終結(jié)果。該部分的核心是終結(jié)性評(píng)價(jià)計(jì)算方法，它直接決定評(píng)價(jià)結(jié)論?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的技能教學(xué)考評(píng)計(jì)算方法依據(jù)實(shí)際課程或技能等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為考核內(nèi)容的各觀測(cè)點(diǎn)分配權(quán)重系數(shù)，為各觀測(cè)點(diǎn)的誤操作分配扣分系數(shù)，并結(jié)合操作所用時(shí)間等因素構(gòu)建考評(píng)全過(guò)程數(shù)據(jù)計(jì)算模型。它是一個(gè)多因素決策計(jì)算模型，依據(jù)這個(gè)數(shù)學(xué)模型即可對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行終結(jié)性評(píng)價(jià)。

3 開(kāi)發(fā)流程

本文以模具拆裝實(shí)訓(xùn)考評(píng)為案例，闡述三維可視化模具結(jié)構(gòu)的虛擬拆裝與運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)以美國(guó)EON Reality公司開(kāi)發(fā)的一套模塊化多用途的三維交互式仿真軟件開(kāi)發(fā)工具EON Studio作為虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)能夠讓用戶自定義行為及交互方式，也能夠進(jìn)行仿真測(cè)試及實(shí)時(shí)更改測(cè)試的參數(shù)。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程分為以下六步。

第一步：由負(fù)責(zé)模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的教師給出拆裝考評(píng)內(nèi)容，并提煉出考評(píng)觀測(cè)點(diǎn)。

第二步：對(duì)實(shí)物模具進(jìn)行尺寸測(cè)量，使用Solidworks對(duì)模具各零件進(jìn)行三維造型并裝配。

第三步：使用3Ds max軟件對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化、渲染及美化，再將經(jīng)過(guò)渲染美化的三維模型文件通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON中。

第四步：在EON中對(duì)模具的虛擬拆裝與虛擬行為進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，搭建與考評(píng)規(guī)則庫(kù)之間的數(shù)據(jù)接口。

第五步：構(gòu)建考試規(guī)則庫(kù)，運(yùn)用Visual C++編程環(huán)境建立考評(píng)規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)與EON三維虛擬行為之間的映射。另外，建立用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，編寫(xiě)用戶注冊(cè)、登錄程序。

第六步：編寫(xiě)終結(jié)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，最終將EON虛擬仿真、規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)、評(píng)價(jià)模型進(jìn)行整合，完成軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 模具拆裝考評(píng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)的不斷運(yùn)用，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)考評(píng)方式具有廣闊的發(fā)展前景，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的又一個(gè)重要應(yīng)用。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)技能教學(xué)的考評(píng)，可使學(xué)員在虛擬環(huán)境中完成技能操作考試。該方式可以保證實(shí)訓(xùn)教學(xué)考試不受時(shí)間、空間的限制，減少對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)工量器具的投入，使教學(xué)評(píng)價(jià)效果更理想，有效地提高了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)評(píng)價(jià)的質(zhì)量。

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The Applied Research of Virtual Reality in the Evaluation System of Practical Teaching

Luo Lufeng, Sun Shuang, Li Guoqin, Yang Hui
College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin, 300222, China

Because the traditional practical training courses was restricted by some factors such as the equipment cost and maintenance etc, which makes the course assessment and evaluation in large expenditure and the effect is not good. Combined with virtual reality technology and teaching evaluation of skills training, a evaluation method of practical training curriculum based on virtual reality was put forward. Expounded the evaluation system design from four aspects, the evaluation content and evaluation methods, 3D virtual environment for examination, rule base of examination and evaluation conclusion. Finally, took "mould dismounting training" as an example, introduced the development process of evaluation system of mold structure dismantling. This paper provided a new pattern for examination and assessment of skill practice teaching.

virtual reality; practical training; teaching evaluation.

2016-06-02

羅陸鋒，碩士，講師。孫爽，本科，教授。李國(guó)琴，碩士，副教授。楊慧，碩士，教授。

天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：C03-0802)。