劉巖，康麗，侯強華，代國忠

虛擬現實技術在實踐教學課程中的應用

劉巖，康麗，侯強華，代國忠

（桂林航天工業(yè)學院 能源與建筑環(huán)境學院，廣西 桂林 541004）

實踐教學內容和方法的設計是應用型地方高校提高人才質量、支撐內涵發(fā)展的重要環(huán)節(jié)．將具有綜合性的信息技術特點的虛擬現實技術引入應用型人才培養(yǎng)的實踐教學過程，是有效解決教學資源匱乏，提高教學過程安全性，促進實踐過程交互性與真實性，有效避免教學內容碎片化，教學乏味等問題的重要實踐，既能提高人才的職業(yè)勝任力，也進一步促進了學生向復合應用型人才的轉變．

虛擬現實；實踐教學；職業(yè)勝任力；應用型人才

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術的淵源可追溯到上世紀50年代，最初的應用主要是進行航空航天訓練，后期逐漸涌現出許多VR集成系統，學術界一般將其定義為是“三維計算機圖形學-多功能傳感器交互接口-高清顯示技術”的融合[1]．

“以教育信息化推動教育現代化”是21世紀以來中國教育改革發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[2]．應用型人才培養(yǎng)是地方高校與研究性大學和高職院校差異化發(fā)展背景下的準確定位與重要選擇．研究性大學注重學術性，此類高校有較深的專業(yè)內涵與學術積淀；高職院校在專業(yè)設置上動態(tài)追蹤社會的變化和時代需求，而地方應用型高校的專業(yè)設置受專業(yè)設置目錄的限定，必須從教學手段和教學課程體系上進行改革．

現代教學技術，特別是虛擬現實技術通過打造沉浸式教學環(huán)境、跨越時空并打破場地條件限制，廣泛應用在實踐教學環(huán)節(jié)，它以深度參與和互動等形式讓學生成為學習主體，激發(fā)并提升學習熱情，便于突破教學的重點難點；同時，實踐手段有效支撐工程教育認證的能力導向要求，助力校企雙方擺脫“就業(yè)難”與“用人荒”的人才供需窘境．以能源與建筑環(huán)境學院為例，從學校服務定位和區(qū)域發(fā)展需求的角度，開設了能源與動力工程專業(yè)、建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)、工程管理專業(yè)（工學）和安全工程專業(yè)，將VR技術手段結合建筑信息模型（BIM）、OpenGL 和3DMAX等技術，在實踐教學體系中建立火電廠燃燒、土木建筑結構、暖通空調與給排水、施工現場建筑安全管理和虛擬火災場景等模型與場景，極大地促進了實踐實訓課程對學生能力的形成．本文從問題導向出發(fā)對實踐課程進行改革．

1 實踐教學課程存在的問題

信息化社會推動行業(yè)和企業(yè)的變革使得職業(yè)與崗位對能力的需求更具時代特征．應用型本科專業(yè)在工程認證教育背景下開設了大量以支撐學生的能力目標達成的實踐課程，平均學時占比應達到30%以上．然而通過對能源類、土木類和安全類人才需求和職業(yè)勝任力的角度看，基于綠色建筑節(jié)能、垃圾焚燒電廠運維、建筑安全管控與智能施工等新職業(yè)缺口與土木類課程導向不吻合，特別是實踐類課程能力支撐不足[3]．

實踐類課程群的課程建設存在的突出問題：

（1）課內實驗內容和手段陳舊，演示性實驗多，學生參與度和積極性差；

（2）崗位（職業(yè)能力）導向模糊，實驗室重復建設且信息化手段落后；

（3）課程設計實踐與成果考核單一，與解決工程問題的需求脫節(jié)；

（4）整周的集中實訓和校外實踐流于形式，企業(yè)管理與安全條件限制下全程無互動．

以能力形成為導向，借助VR技術，在專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和教學設計的改革：

（1）以職業(yè)需求促進知識更新，“創(chuàng)新性+設計性”實踐融合替代演示性實驗；

（2）整合資源集中打造信息化實訓中心，案例與模型共享促進專業(yè)融通；

（3）以學科的學生競賽和企業(yè)案例為課程設計方案，“獨立操作+團隊協作”促進能力形成；

（4）整合“校內實訓+校外實踐”資源，在互動和沉浸式環(huán)境中實現訓練．

2　實踐教學課程的VR技術應用與改革

實踐教學的信息化技術是以職業(yè)能力、崗位勝任力為教學目標，虛擬現實技術最本質的三個特點，即沉浸感、交互性、思維構想性為信息技術與專業(yè)知識融合提供最適合的實踐平臺[4]．在“課內實踐-課程設計與綜合實訓-畢業(yè)實踐與設計”的整個實踐環(huán)節(jié)中貫穿VR技術并開展跨專業(yè)的資源共享與融合，對工程教育認證的能力支撐起到重要的作用．

2.1　土木類專業(yè)的教學設計與VR技術應用

本文土木類專業(yè)特指建筑環(huán)境與能源應用工程和工程管理（工學）兩個專業(yè)，將VR和三維BIM建模結合，可實現對“成果演示和驗證、計算機輔助設計與教學和可視化計算”三方面開展實踐教學應用，以案例形式將教學過程和內容延伸到整個實踐環(huán)節(jié)，強化應用型課程體系的針對性、應用性、導向性．

2.1.1 在暖通空調綜合實踐課程的應用建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)學生涉及土木結構設計與施工的學時較少，普遍缺乏對建筑結構的認知和空間想象力；同時，建筑環(huán)境（人工環(huán)境）工程的實踐難以緊密結合課程在施工現場實踐環(huán)境中同步、動態(tài)開展．與建筑設計、施工類的專業(yè)結合，根據以上專業(yè)提供的BIM建筑模型，可基于實際項目的氣候條件模擬制冷、采暖和通風的氣流實驗，進行參數調整與反饋，有效支撐暖通空調和工業(yè)通風與除塵課內實踐[5]．用VR技術和沉浸式體驗感受氣流調節(jié)和變化情況，利用管道碰撞檢查功能對設計的管路進行優(yōu)化，對建筑物模型和氣流走向、制冷效率和構件強度等參數進行實時的修改，提高設計方案的合理性，深入理解建筑、暖通和電氣等專業(yè)的上下游工藝銜接，利用專用模塊進行日照與節(jié)能分析，滿足綠色生態(tài)的設計要求．

2.1.2 在建筑施工技術類實踐課程的應用施工技術結合施工現場管理是土木類專業(yè)最具實踐性、時代特征的課程，也是保障工程建設質量的核心．在建工程的施工現場質量、進度和安全要求高，學生短期的參觀實習很難從不同專業(yè)和管理者的視角把控整體的現場施工[6]134．建筑施工技術與項目管理類課程需要VR虛擬現實技術與現場參觀實習緊密結合，利用BIM的現場管理模塊對計劃參觀的項目施工工地建模，導入VR平臺并引導學生通過操作手柄進行人與環(huán)境的信息交互．教師主要從項目現場人、材、機布置與優(yōu)化、整體把控施工現場“三控三管”的管理核心，結合知識點讓學生觀測、分析、處置、操作以便于理解和掌握知識點．通過小組討論、交流和教師問答等環(huán)節(jié)，理解質量、安全和進度的控制核心，構建項目經理的管理知識和能力．最后結合有針對性的現場實地測試與對比分析，使不同專業(yè)學生從多角度對項目實現全局管理和深度認知，促進學生通過技術手段將專業(yè)知識體系融通并構建綜合職業(yè)勝任力．

2.1.3在房地產類項目管理策劃類課程的應用房地產開發(fā)前要通過科學方法和技術為投資指明方向，該類實踐課程的設計要將規(guī)劃與管理的意圖以成果體現．針對房地產項目管理與策劃的流程，即整體定位調查——規(guī)劃設計——項目投資分析[6]135．通過VR+BIM的技術融合和支撐，構建綜合實訓項目，能有效解決對現有教學內容枯燥、教學內容碎片化的教學問題；通過參與全國大學生房地產策劃大賽，整理實際競賽案例，在實訓中擺脫單一體驗式VR教學的局限性；通過BIM信息化基礎等課程學習讓學生主動創(chuàng)建和選擇各種構建族庫，組合不同的建筑樣板、規(guī)劃用地等模塊，嘗試對自己形成的項目規(guī)劃進行投資分析，分析問題原因并規(guī)范后形成BIM模型．課程考核一般按項目指標進行分組打分，再通過VR體現并評估可行性，實現了知識在不同情景下遷移并有效支撐能力的形成．

2.2　能源與安全類的教學設計與VR技術應用

能源與動力工程專業(yè)涉及的行業(yè)較龐雜，以電廠熱能動力方向為例，對垃圾焚燒電廠、常規(guī)火電廠等實習場所參觀空間受限，企業(yè)自動化程度高，學生動手實操的可能性基本為零．而安全工程專業(yè)依托行業(yè)、企業(yè)，面向的安全隱患一般存在于重大危險源場合，實踐的安全管理壓力大，同樣受地域環(huán)境的限制，讓VR技術平臺與現場參觀性實踐融合的教學成為重要的實訓形式[7]．

2.2.1 在能源與動力工程專業(yè)實踐課程的應用對于課內實驗，原有的能源與動力工程基礎實驗室，如熱工基礎實驗、鍋爐實驗等，一般為高溫、高等風險性較大的實驗項目[8]21，因教學設備陳舊，安全風險較大停開．通過建立網上虛擬仿真實驗系統，開發(fā)對應的虛擬仿真實驗項目，實現無教師講解的開放性實驗模式．對于綜合實訓項目，工程訓練中心搭建了500 kW垃圾焚燒電廠模型、生物質熱解聯產聯供高值化利用模型、航空渦噴和渦扇發(fā)動機等模型，實現了不同專業(yè)領域的能源動力系統與核心設備資源共享，互動式體驗使學生對參數、機構、零部件之間的內在關系實現了從局部到整體的把握，讓沉悶的知識充滿活力并推進了教師的雙師化．

2.2.2 在安全工程專業(yè)實踐課程的應用在安全管理綜合實踐環(huán)節(jié)中通過BIM技術與VR結合，可以開展演示和互動項目．

（1）不同危險性的氣液固燃燒物火災模擬實驗，分析火情特點和救援時機.

（2）建筑安全管理中，對“三寶（安全帽、安全網、安全帶）四口”的認知，設置高墜體驗環(huán)節(jié)加深認識，并完善防護措施[8-10]．

（3）模擬爆炸事故，設置臨界參數和破壞性體驗；同時，購買火災救援模擬訓練VR軟件，可實現火災實時動態(tài)模擬，深入理解火災、煙氣蔓延的初始化條件，熟悉滅火系統的動作機制與相應順序，在實時交互中進行救援練習，可預測并優(yōu)化調整救援計劃．

3　結語

將VR虛擬現實技術應用在能源安全、土木類專業(yè)，有力地形成了學科專業(yè)間的凝聚力，實現了專業(yè)的融合發(fā)展，促進學生能力的形成，有效支撐了應用型人才的職業(yè)勝任力特征．

針對信息化背景下對新興應用型人才的基本需求，實踐類課程設計改革以問題為導向，通過虛擬教學技術融合于課內實踐、認知教學和實訓教學，不僅提高了創(chuàng)新性、設計性實踐課程的占比，促進了開放新實驗室的利用率，更進一步通過更新課程體系和教學手段，有效緩解了專業(yè)知識與職業(yè)能力不銜接、新興產業(yè)支持不足的課程體系現狀，促進了學科內涵式建設與專業(yè)特色發(fā)展．

[1] 姜禹同．虛擬仿真技術在建筑安全管理培訓應用與效果評估[D]．上海：華東師范大學，2022．

[2] 費景洲，路勇，高峰，等．能源動力類專業(yè)開放自主式實驗教學模式探索[J]．實驗室研究與探索，2019，38（1）：133-136，152．

[3] 葉曉明，陳剛，成曉北，等．“新工科”背景下能源動力專業(yè)實踐教學基地改革與實踐[J]．高等工程教育研究，2023（增刊1）：53-56．

[4] 胡蔓，趙云龍，欒曉娜，等．新工科背景下工程訓練實踐教學模式探索[J]．實驗技術與管理，2022，39（3）：256-259．

[5] 張廣媚．基于虛擬現實技術的建筑學專業(yè)實踐教學體系改革研究[J]．城市建筑，2022，19（17）：107-110．

[6] 劉旭紅，武飛．基于BIM的虛擬現實技術（VR）在建筑工程中的創(chuàng)新應用[J]．中外建筑，2018（4）：134-136．

[7] 俞娟．虛擬現實技術在建筑領域安全生產教育中的應用與思考[J]．建筑施工，2023，45（5）：998-1000．

[8] 章竹喬．虛擬現實技術在滅火救援模擬訓練中的應用分析[J]．中國設備工程，2023（5）：21-23．

[9] 張文祖．VR技術在化工安全與清潔生產培訓中的應用[J]．中國石油和化工標準與質量，2021，41（10）：122-123．

[10] 王娜，沈力，鄧舒平．VR虛擬現實在電力安全生產教育培訓中的應用[J]．通信電源技術，2017，34（5）：166-167，169．

Application of virtual reality technology in practical teaching course

LIU Yan，KANG Li，HOU Qianghua，DAI Guozhong

（School of Energy and Architectural Environment，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541004，China）

The design of practical teaching content and methods is an important part in improving the quality of talents and supporting the intensive development in local universities．Introducing virtual reality technology with comprehensive information technology characteristics into the practical teaching process of cultivating applied talents，it is an important practice to effectively solve the problems of scarce teaching resources，improving the safety of teaching processes，promoting the interactivity and authenticity of practical processes，effectively avoiding the fragmentation of teaching content，and teaching boredom．This reform not only effectively improves the professional competence of talents，but also further promotes the transformation of students towards composite applied talents．

virtual reality（VR）；practical teaching；career competency；practical personnel

1007-9831（2023）12-0099-04

TP393.0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.12.017

2023-08-27

2023年廣西高等教育本科教學改革工程重點項目（2023JGZ168）；教育部產學研協同育人項目（201902258004）

劉巖（1977-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事能源與建筑工程教學管理與技術研究．E-mail：1300983279@qq.com

康麗（1981-），女，黑龍江齊齊哈爾人，助理研究員，從事能源與建筑工程實踐教學管理研究．E-mail：19110962@qq.com