黃秀輝

摘 要：實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)能源與動(dòng)力工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力與專業(yè)能力的重要方式，在國(guó)家積極發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的新形勢(shì)下，實(shí)踐教學(xué)的指導(dǎo)思想和培養(yǎng)方式也需要升級(jí)。在全球教育創(chuàng)新的改革中，VR教學(xué)已成為一個(gè)不容忽視的發(fā)展趨勢(shì)。VR技術(shù)應(yīng)用到能源與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中，可有效地解決實(shí)踐課程面臨的產(chǎn)研脫節(jié)、開(kāi)展成本高、普及度低等問(wèn)題。通過(guò)數(shù)據(jù)化手段，可精確追蹤定位學(xué)生學(xué)習(xí)情況，指導(dǎo)教師優(yōu)化授課方式，提升師生效率;通過(guò)科學(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃，可構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)資源平臺(tái)，服務(wù)更多師生。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);VR;能源與動(dòng)力工程;專業(yè)實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)在能源與動(dòng)力工程專業(yè)教學(xué)中非常重要，對(duì)培養(yǎng)有創(chuàng)新精神的新時(shí)代工科人才具有重大意義。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)受制于設(shè)備、耗材、場(chǎng)地、危險(xiǎn)性等，開(kāi)設(shè)成本高，影響普及度。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能有效解決成本、安全等問(wèn)題，提高實(shí)踐教學(xué)的普及度和學(xué)習(xí)效果。

一、能源與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)面臨的問(wèn)題

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)能源與動(dòng)力工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力與專業(yè)能力的重要方式，通過(guò)多年的建設(shè)，大多數(shù)能源與動(dòng)力工程專業(yè)已經(jīng)建立起校內(nèi)實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、企業(yè)參觀實(shí)踐、校外實(shí)習(xí)等多層次立體化的實(shí)踐教學(xué)體系，為學(xué)生走上社會(huì)，成為專業(yè)的科研、工程人才，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。新形勢(shì)下，人才培養(yǎng)要避免閉門造車，順應(yīng)產(chǎn)研融合的大趨勢(shì)，實(shí)踐教學(xué)的指導(dǎo)思想和培養(yǎng)方式也需要升級(jí)。常規(guī)教學(xué)方式面臨的問(wèn)題，亟須解決。[1]

一是產(chǎn)研脫節(jié)。由于高?？陀^條件限制，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)深入接觸和了解真實(shí)企業(yè)生產(chǎn)中使用的工業(yè)級(jí)設(shè)備和面臨的各種實(shí)際的工程問(wèn)題，學(xué)生學(xué)習(xí)到的專業(yè)知識(shí)，如何在工業(yè)實(shí)踐中實(shí)際應(yīng)用，信息上存在鴻溝。企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)壓力下不斷求新求變，而高校專業(yè)知識(shí)的教學(xué)卻存在一定滯后性。這導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后，往往還需要企業(yè)對(duì)其進(jìn)行大量的實(shí)踐培訓(xùn)，才具備基本的勝任職業(yè)崗位的能力。

二是開(kāi)展成本高，普及度低。由于實(shí)踐教學(xué)對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備、耗材、師資都提出了更高的要求，若要普遍開(kāi)展，強(qiáng)化教學(xué)效果，需要大量財(cái)力、物力、人力支持，加之培養(yǎng)能夠開(kāi)展實(shí)踐課程的師資，需要不少的成本;同時(shí)由于部分實(shí)驗(yàn)存在一定危險(xiǎn)性，學(xué)校出于管理的考量，客觀上也會(huì)降低開(kāi)設(shè)此類實(shí)踐教學(xué)的動(dòng)力。因此，盡管學(xué)院高度重視，持續(xù)投入，加強(qiáng)師資建設(shè)，但實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，仍然不及20%的比重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增長(zhǎng)的實(shí)踐培養(yǎng)需求。

綜上所述，要將實(shí)踐教學(xué)做到深入深化，結(jié)合實(shí)際，真正培養(yǎng)出理論和實(shí)踐能力全面扎實(shí)的新時(shí)期能動(dòng)人才，需要進(jìn)一步解放思想，跳出傳統(tǒng)思維，同人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)趨勢(shì)結(jié)合，探索出有效可行、成本優(yōu)化的發(fā)展方向。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality） 是一種能夠創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)， 它利用計(jì)算機(jī)生成一種交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，其實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中。[2]

構(gòu)建沉浸式虛擬環(huán)境（Immersive Virtual Environment，IVE），能夠可視化三維數(shù)據(jù)，提供交互環(huán)境，增強(qiáng)沉浸于計(jì)算生成的虛擬世界的感覺(jué);同時(shí)，還能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者完成特定任務(wù)提供模擬真實(shí)安全環(huán)境的機(jī)會(huì)。

《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求，積極發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+教育”。[3]大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，正在重構(gòu)傳統(tǒng)課堂教學(xué)，改變學(xué)校形態(tài)、教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式等。未來(lái)，我國(guó)教育信息化發(fā)展的技術(shù)方向?qū)⒁浴绑w驗(yàn)”為依托，以“數(shù)據(jù)”為基礎(chǔ)，以“連接”為要義，以“開(kāi)放”為策略，以“智能”為目標(biāo)，以教育信息化為手段，構(gòu)建更加智能的教育體系，以智能賦能教育體制機(jī)制創(chuàng)新。

當(dāng)今教育信息化已經(jīng)步入加快推進(jìn)的黃金期，也是關(guān)鍵期。在全球教育創(chuàng)新的改革中， 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)已成為一個(gè)不容忽視的發(fā)展趨勢(shì)。在教育教學(xué)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用可以創(chuàng)設(shè)自然、直觀的學(xué)習(xí)情境，呈現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械電子設(shè)備，模擬化學(xué)、物理過(guò)程，有效提高教育教學(xué)質(zhì)量，這種方式可以很好地激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心，有助于培養(yǎng)學(xué)生的想象力和深度思考的學(xué)習(xí)能力，并大幅降低對(duì)真實(shí)場(chǎng)地、設(shè)備耗材的依賴，無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，可重復(fù)多次實(shí)操，同時(shí)可將實(shí)踐學(xué)習(xí)過(guò)程全程數(shù)據(jù)化，便于進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)估和數(shù)據(jù)挖掘分析，從而使當(dāng)下虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)成為學(xué)校調(diào)整教學(xué)裝備和改變教學(xué)方式的優(yōu)先方案之一。[4]

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)改革

當(dāng)前高校的物質(zhì)條件、場(chǎng)地時(shí)間因素和更高的實(shí)踐培養(yǎng)要求之間存在矛盾。而現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在視覺(jué)表現(xiàn)、動(dòng)作捕捉、交互能力、原理模擬上達(dá)到較高水平，并帶來(lái)了新的解決問(wèn)題的思路。

（一）通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建高真實(shí)度實(shí)踐環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以低成本、高復(fù)用地構(gòu)建實(shí)踐環(huán)境，如模擬貴重、大型設(shè)備的場(chǎng)景，或模擬真實(shí)工廠、企業(yè)生產(chǎn)流程工藝。由于能源與動(dòng)力工程專業(yè)有大量設(shè)備、儀器的3D模型數(shù)據(jù)積累，因此構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的成本在此基礎(chǔ)上可以大大降低。同時(shí)，從重復(fù)利用、標(biāo)準(zhǔn)化可配置的思路出發(fā)，計(jì)劃同步建設(shè)可復(fù)用的能動(dòng)設(shè)備VR素材庫(kù)、場(chǎng)景庫(kù)等開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)，對(duì)一線教師進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)后，即可基于工具高效、所見(jiàn)即所得地構(gòu)建自定義虛擬場(chǎng)景，用于覆蓋更多教學(xué)場(chǎng)景，積累一批高質(zhì)量的虛擬實(shí)踐課程資源。

現(xiàn)階段VR硬件設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、占地小、易于部署的特點(diǎn)，建議從頂層規(guī)劃統(tǒng)籌虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)軟硬件平臺(tái)，采用統(tǒng)一規(guī)格、可高度復(fù)用的主流VR硬件設(shè)備;多學(xué)科的虛擬實(shí)踐教學(xué)可以在同一平臺(tái)上開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)資源的共享，高效利用。

構(gòu)建虛擬場(chǎng)景時(shí)，需綜合考慮VR的特性和能動(dòng)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，基于不同的教學(xué)目標(biāo)，可科學(xué)設(shè)計(jì)虛擬實(shí)踐課程內(nèi)容。如果某些實(shí)踐目標(biāo)以學(xué)生觀看體驗(yàn)為主，則內(nèi)容設(shè)計(jì)可偏重全景類實(shí)際拍攝數(shù)據(jù)，在預(yù)置程序引導(dǎo)下按照既定路徑自動(dòng)導(dǎo)覽，視覺(jué)效果更為真實(shí)，減少不必要的移動(dòng)、操作，降低課程開(kāi)發(fā)成本。對(duì)于需要學(xué)生實(shí)操訓(xùn)練的課程，如實(shí)驗(yàn)課，構(gòu)建虛擬場(chǎng)景時(shí)，可多采用3D建模，并且對(duì)操作對(duì)象設(shè)備進(jìn)行高精度建模，充分發(fā)揮VR設(shè)備 6DOF的交互能力，盡可能真實(shí)還原操作的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)感受。

通過(guò)建立物理、化學(xué)等領(lǐng)域的數(shù)值邏輯模擬引擎，可以讓虛擬場(chǎng)景中的設(shè)備、儀器、耗材等產(chǎn)生符合真實(shí)世界客觀規(guī)律的動(dòng)作、反饋，并可以開(kāi)放式修改參數(shù)、配置，使虛擬場(chǎng)景具有更高、更精確的仿真性能，加深學(xué)生對(duì)實(shí)踐操作的認(rèn)知。

（二）學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)化，精準(zhǔn)評(píng)估教學(xué)效果，持續(xù)反饋

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬教學(xué)場(chǎng)景，天然具有程序化、數(shù)據(jù)化的特點(diǎn)。原本需要大量準(zhǔn)備工作、需要耗材的實(shí)驗(yàn)，在虛擬化后，可以快速重復(fù)執(zhí)行，極大提高了教學(xué)效率，節(jié)約大量經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本。

VR設(shè)備具備大量全方位的傳感器，可以將學(xué)生的虛擬實(shí)踐學(xué)習(xí)過(guò)程全面數(shù)據(jù)化。如通過(guò)VR手柄和空間追蹤技術(shù)，可以定位、收集學(xué)生的操作數(shù)據(jù);通過(guò)眼控儀可以追蹤學(xué)生的視線移動(dòng)和停留，收集學(xué)生注意力的轉(zhuǎn)移過(guò)程。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化收集分析后，可以通過(guò)教學(xué)平臺(tái)判斷學(xué)生的操作是否正確，從而定位錯(cuò)誤操作，指導(dǎo)學(xué)生修正;并且可以高效開(kāi)展實(shí)踐考試考核。

虛擬實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)習(xí)行為全面的數(shù)據(jù)化，可以在實(shí)踐學(xué)習(xí)過(guò)程中、結(jié)束后，即時(shí)生成個(gè)人、班級(jí)報(bào)表，并進(jìn)行對(duì)照統(tǒng)計(jì)。學(xué)生和學(xué)生，學(xué)生與班級(jí)，班級(jí)和班級(jí)間，都可以建立數(shù)據(jù)化的對(duì)比關(guān)系，指導(dǎo)師生查漏補(bǔ)缺，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)方式;通過(guò)數(shù)據(jù)持續(xù)追蹤和挖掘，定位高頻發(fā)生的操作錯(cuò)誤，更可以進(jìn)一步精準(zhǔn)指導(dǎo)教師優(yōu)化重難點(diǎn)的教學(xué)。

（三）形成虛擬現(xiàn)實(shí)資源平臺(tái)，復(fù)用共享，產(chǎn)生更大教學(xué)價(jià)值

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐課程，一個(gè)重要問(wèn)題是如何不斷降低VR課程內(nèi)容的生產(chǎn)制作成本，包括時(shí)間成本與經(jīng)費(fèi)成本。構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)課程的主要素材為全景圖片、全景視頻、3D模型、3D場(chǎng)景等，如果全部依靠全新拍攝、制作，將是不小的成本。因此，要想將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用普及到實(shí)踐課程中，就應(yīng)降低課程制作成本，減少重復(fù)建設(shè)，做到素材資源的高效復(fù)用。

教師廣泛參與、普遍開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)，可以逐步積累大量能動(dòng)專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源和模型等素材。平臺(tái)化的統(tǒng)一的規(guī)劃與管理，可以形成格式統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)清晰、重復(fù)利用的虛擬現(xiàn)實(shí)資源共享平臺(tái)。在此平臺(tái)上，已有的成品課程資源，可被更多教師直接復(fù)用到教學(xué)中;積累的模型素材等則可供教師快速制作自定義的新課件。同時(shí)該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)跨校的合作共享，促進(jìn)交流，服務(wù)更多師生，創(chuàng)造更大的教學(xué)價(jià)值。

因此，建議同步建設(shè)課程共享平臺(tái)、素材共享平臺(tái)、基于素材的課程快速開(kāi)發(fā)工具等資源共享平臺(tái)及工具。對(duì)教師來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步降低課程制作門檻，無(wú)須學(xué)習(xí)專業(yè)的全景、3D內(nèi)容制作技術(shù);通過(guò)所見(jiàn)即所得的方式，在工具中簡(jiǎn)單地拖拉組合素材，即可生成可用可共享的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐課程資源，高效低成本地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)。

四、結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到能源與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中，可有效地解決實(shí)踐課程面臨的產(chǎn)研脫節(jié)、開(kāi)展成本高、普及度低等問(wèn)題。

數(shù)據(jù)化手段，可精確追蹤定位學(xué)生學(xué)習(xí)情況，指導(dǎo)教師優(yōu)化授課方式，提升師生效率?？茖W(xué)統(tǒng)籌規(guī)劃，可構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)資源平臺(tái)，服務(wù)更多師生，創(chuàng)造更大價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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