張麗媛，石連栓

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 信息技術(shù)工程學(xué)院，天津 300222）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“理實(shí)一體化”教學(xué)中的應(yīng)用研究

張麗媛，石連栓

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 信息技術(shù)工程學(xué)院，天津 300222）

分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“理實(shí)一體化”課程中的優(yōu)勢(shì)，闡述遵循“認(rèn)知－理論－實(shí)踐”循環(huán)反復(fù)的教學(xué)過(guò)程，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建“理（Theory）、實(shí)(Training)、技（Technology）一體化”的教學(xué)模式。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；理實(shí)一體化；豐田U340E自動(dòng)變速器；虛擬教學(xué)系統(tǒng)

0 引 言

我國(guó)多數(shù)職業(yè)院校仍采取以教師為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，呈現(xiàn)重理論輕實(shí)踐的教學(xué)現(xiàn)象。那么，如何瞄準(zhǔn)市場(chǎng)需求，通過(guò)新技術(shù)去培養(yǎng)新型的高技能人才是政府部門(mén)和職業(yè)院校密切關(guān)注的課題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，已經(jīng)引起各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，將其應(yīng)用于教育教學(xué)領(lǐng)域的研究已逐漸成為熱點(diǎn)。因此，如何依托信息化這一有效手段，使其與職業(yè)教育深入結(jié)合，開(kāi)發(fā)出適合職業(yè)教育發(fā)展的優(yōu)質(zhì)資源，推動(dòng)教育和教學(xué)改革，進(jìn)而培養(yǎng)出高端技能型人才，是我們急待解決的一個(gè)問(wèn)題[12]。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已從實(shí)證層面將其沉浸性、交互性等引入到不同的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，提出職業(yè)性與情境性相結(jié)合、先進(jìn)性與典型性相結(jié)合、知識(shí)性與趣味性相結(jié)合的三大基本原則，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)獨(dú)立學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，提升其職業(yè)技能[3]。例如，北京航空航天大學(xué)在分布式飛行模擬方面的應(yīng)用；浙江大學(xué)在建筑方面的虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用；哈爾濱工業(yè)大學(xué)在人機(jī)交互方面的應(yīng)用；清華大學(xué)在臨場(chǎng)感的研究，除此之外，西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華東船舶學(xué)院、安徽大學(xué)等均有諸多科技研究的應(yīng)用[4]。這些研究已凸現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有一定的教育應(yīng)用價(jià)值和功能。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“理實(shí)一體化”中的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為現(xiàn)代科技前沿的綜合體現(xiàn)，利用計(jì)算機(jī)生成一種多源信息整合的模擬仿真環(huán)境，加強(qiáng)學(xué)習(xí)者的自主性、交互性以及多感知性，這正是“理實(shí)一體化”教學(xué)系統(tǒng)所要求的特性，如何利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果最大化是研究重點(diǎn)。

首先，源自于格式塔學(xué)派的認(rèn)知主義學(xué)習(xí)論充分肯定學(xué)習(xí)者的主體性，重視內(nèi)在的動(dòng)機(jī)與學(xué)習(xí)活動(dòng)本身帶來(lái)的內(nèi)在強(qiáng)化作用[5]。無(wú)論現(xiàn)實(shí)中存在著何種類(lèi)型的學(xué)習(xí)活動(dòng)，必須適合主體即學(xué)習(xí)者的需求。多數(shù)職業(yè)院校教學(xué)資源有限，無(wú)法保證每個(gè)個(gè)體實(shí)操訓(xùn)練，使其形成完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。一定程度上，學(xué)習(xí)者的求知欲、信息處理能力以及與客體直接或間接交流的能力均得不到滿(mǎn)足。因此，如何發(fā)掘?qū)W習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)的內(nèi)部動(dòng)力，讓學(xué)習(xí)者從枯燥無(wú)味的傳統(tǒng)課堂跨入生動(dòng)有趣的實(shí)踐操作是職業(yè)院校普遍存在的問(wèn)題，虛擬仿真教學(xué)能解決這一難題。

其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用具有職業(yè)性、實(shí)踐性、情境性、過(guò)程性、開(kāi)放性等特點(diǎn)[6]。以汽修專(zhuān)業(yè)為例，汽車(chē)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)組成，自動(dòng)變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)等是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作原理難以理解，教學(xué)內(nèi)容展現(xiàn)為知識(shí)的實(shí)踐性、可視性、交互性和協(xié)作性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將抽象問(wèn)題具體化、微觀(guān)問(wèn)題宏觀(guān)化、復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，實(shí)現(xiàn)“理實(shí)一體化”教學(xué)的最優(yōu)化。

最后，教學(xué)媒體是一系列抽象概念、范疇、原理構(gòu)成的邏輯體系結(jié)構(gòu)性知識(shí)的載體，它既要讓學(xué)習(xí)者吸收、利用、消化和改造理論與實(shí)踐性知識(shí)，又要突破傳統(tǒng)教學(xué)的束縛，拓展其創(chuàng)新性思維和抽象性思維，運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)媒體對(duì)“理實(shí)一體化”教學(xué)具有十分重要的意義[7]。

傳統(tǒng)課堂的教學(xué)中，教學(xué)資源僅限于圖片、音頻、視頻等，再由學(xué)習(xí)者進(jìn)行被動(dòng)性記憶，極大降低主體參與性，多數(shù)學(xué)習(xí)者停留于理論層面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)后，學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)感知性強(qiáng)，借助于作為中介工具的虛擬教學(xué)系統(tǒng)與作為客體對(duì)象的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行有效的交互，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)習(xí)者共同體的創(chuàng)建以及他們的社會(huì)性發(fā)展。通過(guò)教學(xué)系統(tǒng)中3D模型虛擬仿真場(chǎng)景，讓學(xué)習(xí)者沉浸其中，更好地拓展實(shí)踐性知識(shí)，增強(qiáng)實(shí)踐技能。與傳統(tǒng)教學(xué)媒體相比，具有的優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表1。

表1 教學(xué)媒體對(duì)比表[8]

2 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建“理、實(shí)、技一體化”教學(xué)模式

“理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化”簡(jiǎn)稱(chēng)“理實(shí)一體化”，是理論知識(shí)講解和實(shí)踐技能訓(xùn)練并重的教學(xué)模式[9]。汽修專(zhuān)業(yè)是以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力為目標(biāo)，結(jié)合典型的工作任務(wù)，將課堂理論與實(shí)踐操作有機(jī)結(jié)合，使學(xué)習(xí)者游走于教學(xué)空間和實(shí)踐空間，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐、從實(shí)踐到創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變。由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴、時(shí)間和空間的局限性、安全隱患等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足教學(xué)需求。鑒于此，為更好促進(jìn)教學(xué)資源由點(diǎn)到線(xiàn)，由線(xiàn)到面，由面到空間的立體化，逐步培養(yǎng)出生產(chǎn)一線(xiàn)高素質(zhì)技能型人才，現(xiàn)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入教學(xué)環(huán)境中，讓學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)虛擬仿真學(xué)習(xí)[10]，如圖1所示。學(xué)生通過(guò)傳統(tǒng)課堂、網(wǎng)絡(luò)課堂、實(shí)驗(yàn)室等對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真實(shí)訓(xùn)操作，提高學(xué)生操作技能，為校內(nèi)實(shí)訓(xùn)、企業(yè)培訓(xùn)、頂崗實(shí)習(xí)、校外實(shí)訓(xùn)奠定良好基礎(chǔ)，完成學(xué)校、企業(yè)的工作任務(wù)，成為具有方法能力、專(zhuān)業(yè)能力和社會(huì)能力的職業(yè)技能型人才，最終使職業(yè)院校實(shí)現(xiàn)理論（Theory）、實(shí)踐（Traning）、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR Technology）融合于一體的教學(xué)模式，簡(jiǎn)稱(chēng)3T教學(xué)模式。

3 3T教學(xué)模式的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)——以豐田U340E汽車(chē)變速器為例

3.1 教學(xué)前提

職業(yè)院校中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了汽車(chē)構(gòu)造、汽車(chē)電器、汽車(chē)檢測(cè)與維修、發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)等課程，并且取得中級(jí)、高級(jí)技工資格證。為保證教學(xué)質(zhì)量，2名及以上的雙師型教師進(jìn)行理實(shí)一體化授課，教室由實(shí)訓(xùn)室和多媒體教室組成，并配備零部件分解掛圖、教學(xué)模型、設(shè)備陳列櫥柜、PC虛擬操作系統(tǒng)、設(shè)備拆裝平臺(tái)等[11]。

3.2 培養(yǎng)目標(biāo)

基本目標(biāo)是掌握自動(dòng)變速器的基本知識(shí)，理解自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)原理，獲得獨(dú)立拆裝油泵、離合器、制動(dòng)器、單項(xiàng)離合器、行星齒輪、閥體總成等部件的能力，并能夠正確使用儀器、設(shè)備進(jìn)行常見(jiàn)故障的診斷分析能力。

圖1 3T教學(xué)模式構(gòu)建圖

能力目標(biāo)是一個(gè)循序漸進(jìn)、逐層推進(jìn)的過(guò)程，如圖2所示。

3.3 教學(xué)方法

圖2 能力遞進(jìn)圖[12]

本課程注重實(shí)踐操作，遵循“理、實(shí)、技一體化”教學(xué)模式，運(yùn)用多種教學(xué)方法，培養(yǎng)高端技能型人才為最終教學(xué)目標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 教學(xué)方法表

3.4 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

職業(yè)院校的教學(xué)過(guò)程是教學(xué)質(zhì)量最大的影響因素之一，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為理論、實(shí)踐的中介工具為學(xué)習(xí)者開(kāi)辟了新的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。依據(jù)企業(yè)和學(xué)校的教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果，明確將其教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工作緊密結(jié)合，見(jiàn)表3；并對(duì)其梳理、選取、整合，確定16個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，其中前12個(gè)為高職學(xué)生必修項(xiàng)目，后4個(gè)為提高技能的選修項(xiàng)目，見(jiàn)表4。

3.5 學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)

教學(xué)過(guò)程中教師作為引導(dǎo)者，采用多種教學(xué)策略，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格，原有知識(shí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)場(chǎng)景，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)情境重現(xiàn)，最終讓學(xué)生自主探究，獲得操作技能，教師進(jìn)行評(píng)價(jià)指導(dǎo)，如圖3所示。依據(jù)學(xué)生職業(yè)能力形成規(guī)律,按照實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的編排方式對(duì)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行序化,設(shè)計(jì)出豐田U340E自動(dòng)變速器檢修的學(xué)習(xí)情境,并進(jìn)行學(xué)習(xí)情境詳細(xì)設(shè)計(jì)，表5為實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目1的教學(xué)情境表。

4 3T虛擬教學(xué)的實(shí)現(xiàn)——以豐田U340E自動(dòng)變速器為例

從教學(xué)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，遵循情境化學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)圖，將教學(xué)內(nèi)容按實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目劃分，并對(duì)學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)媒體進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，得出“理實(shí)一體化”教學(xué)模式的教學(xué)方案，從而將系統(tǒng)劃分為5大模塊，即知識(shí)鏈接、課外拓展、虛擬實(shí)訓(xùn)、技能考核、操作說(shuō)明，如圖4所示，為下一步開(kāi)發(fā)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)做好準(zhǔn)備[13]。

本系統(tǒng)圍繞虛擬實(shí)訓(xùn)為中心，通過(guò)知識(shí)鏈接、課外拓展模塊為學(xué)生夯實(shí)理論知識(shí)，讓其能夠借助理論知識(shí)和必要的工具初步判定故障位置，然后進(jìn)入拆裝實(shí)訓(xùn)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)變速器的拆裝，為維修做好準(zhǔn)備工作。

表3 企業(yè)工作內(nèi)容對(duì)應(yīng)學(xué)校教學(xué)內(nèi)容表

表4 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目表[14]

圖3 情境化學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)圖

表5 教學(xué)情境表

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖[15]

5 結(jié) 語(yǔ)

基于“理實(shí)一體化”教學(xué)理念，結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建“理、實(shí)、技”3T教學(xué)模式開(kāi)發(fā)的教學(xué)系統(tǒng)，消融了理論和實(shí)踐的邊界，為學(xué)習(xí)者提供仿真沉浸式服務(wù)，激發(fā)多維度學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，內(nèi)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，使得課堂教學(xué)直觀(guān)形象、安全便捷，彌補(bǔ)教學(xué)條件不足，提高教學(xué)質(zhì)量。

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（編輯：郭田珍）

1672-5913(2017)02-0025-05

G642

張麗媛，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榻逃浖こ?，zhangly0828@163.com；

石連栓（通信作者），男，教授，研究方向?yàn)榻逃浖こ?，shilianshuan@sina.com。