項朝陽，段丹萍，賀 昉，汪小根，莊義修

（廣東食品藥品職業(yè)學院，廣東 廣州510520）

一、引言

我國職業(yè)院校對食品藥品類專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，主要與國家中（高）級的職業(yè)資格（如乳制品加工人員、農產品食品檢驗員、藥物制劑人員、中藥飲片加工人員等）以及食品藥品類行業(yè)企業(yè)對技能型人才的需求相銜接。實踐教學是培養(yǎng)學生職業(yè)技能和創(chuàng)新品質的關鍵，但由于受到建設經(jīng)費、場地、資源等各種條件的限制，構建完善的實踐實訓條件已經(jīng)成為眾多職業(yè)院校亟待解決的難題。虛擬現(xiàn)實技術以高度仿真的方式為用戶創(chuàng)建了一個可觀察、可交互操作的反映事物內部結構、運行規(guī)律、相互作用過程、狀態(tài)變化等的三維虛擬世界，從而實現(xiàn)對真實生活中看不見、進不去、摸不到和動不了的事物和現(xiàn)象的沉浸體驗。

虛擬現(xiàn)實技術應用于職業(yè)教育，能為操作、設計、解剖等方面的實踐教學帶來變革，這些教學內容和教學手段的變化又促進了教學理念的更新，其影響是深遠的。目前，國內針對食品藥品類加工工藝過程的交互型虛擬仿真實訓系統(tǒng)較少。中國藥科大學開發(fā)的GMP仿真實訓系統(tǒng)、藥物制劑工程學等教學軟件，采用圖片、錄像介紹了部分制藥設備的外觀、結構、原理以及車間質量管理規(guī)范，并以動畫演示個別設備的工作原理，但側重突出部分設備性能，缺少中藥前處理及中間體制備等內容，且沒有對全生產過程的仿真模擬[1]。廣東食品藥品職業(yè)學院于2006年開發(fā)了中藥制藥實訓仿真系統(tǒng)軟件，該軟件模擬了中藥制藥生產的流轉工藝，屬于通用制藥類生產架構，在操作逼真度、界面友好性和智能化控制等方面仍然存在缺陷和瓶頸。

針對國內缺少全生產周期過程的中藥制藥虛擬仿真實訓系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結合高職實踐教學的現(xiàn)狀及需求，自2011年以來，我們組建了一支由食品加工學、中藥學、教育技術學、計算機等專業(yè)領域專家組成的團隊，以“項目驅動-跨界協(xié)同”的方式，采用VR技術開發(fā)了“虛擬工廠”，通過整合相關VR實踐教學資源，構建了基于多元化信息技術的虛實結合實踐教學環(huán)境，創(chuàng)新了“以培養(yǎng)食品藥品類職業(yè)技能人才為目標，虛擬環(huán)境與真實環(huán)境相結合，以支持實訓教學、創(chuàng)新實踐教學、開展研究為主線”的VR技術應用模式，實現(xiàn)了“講授+真實實訓”的傳統(tǒng)實踐教學模式向“在線自主學習+虛擬實訓+面授教學+真實實訓”的混合實踐教學模式的轉變。

二、擬解決的教育教學問題

一直以來，高職實踐教學主要存在著三方面的問題：①高職實踐教學一般采取大班教學的方式進行，傳統(tǒng)實訓車間高昂的建設費用和運行成本使得實踐教學資源普遍不足，難以支撐大規(guī)模教學；②受各種因素制約，實踐教學難點多且不易解決，部分設備結構和生產工藝流程復雜、生產周期長，真實條件下難以直接、深入觀察，更難以系統(tǒng)、持續(xù)地開展實訓，雖然VR技術已作為職業(yè)院校實訓教學的重要支持手段，但能夠深度反映生產工藝流程的系統(tǒng)卻很少；③因受到場地、經(jīng)費投入等因素限制，食品藥品類專業(yè)實踐教學資源分散，不利于校內實訓車間、校外實訓基地、虛擬實訓教學資源等的共享使用，難以滿足學習者個性化學習的需要。針對這些問題，我們采取了以下措施：

1.開發(fā)“虛擬工廠”，構建虛實結合的實踐教學環(huán)境

針對傳統(tǒng)實訓成本高、實踐教學資源不足且分散等問題，運用3Dsmax、Unity3D和Quest3D虛擬現(xiàn)實技術，開發(fā)“虛擬工廠”，并基于云計算技術、網(wǎng)絡技術等多元化信息技術，整合相關數(shù)字化實踐教學軟、硬件資源，構建虛實結合的實踐教學環(huán)境。

2.利用VR技術，突破實踐教學難點

利用VR技術創(chuàng)建具有深度臨場感、沉浸感和交互性的虛擬世界。通過漫游、360度全景、逼真的視音頻特效、實時的交互和反饋等功能，實現(xiàn)了對工廠、車間的場景和布局、設備結構與原理、崗位操作與考核等的仿真模擬，便于激發(fā)學習者的學習興趣，開展直觀深入的觀察學習、體驗學習和自我評價，同時縮短了實訓周期，全面提升實踐教學。

3.基于混合學習理念，構建虛實結合的混合實踐教學模式

基于混合學習理念，混合多元化信息技術、多種教學方式和學習方式，重構教學次序，構建了虛實結合的混合實踐教學模式，實現(xiàn)了“講授+真實實訓”的傳統(tǒng)實踐教學模式向 “在線自主學習+虛擬實訓+面授教學+真實實訓”的混合實踐教學模式的轉變。

三、創(chuàng)新應用的探索

1.基于多元技術構建虛實結合仿真教學環(huán)境

利用云計算技術、網(wǎng)絡技術等手段整合各類虛擬仿真教學資源，如有條件也可根據(jù)學校特色自主開發(fā)虛擬工廠，全校師生均可利用校內實訓機房、辦公電腦、VR設備、校外PC、移動終端等，隨時隨地對整合的虛擬仿真實訓教學資源進行訪問，使得多媒體教室、計算機實訓室、校內校外實訓基地等教學場所與云計算虛擬仿真實訓中心實現(xiàn)了零距離對接，構建良好的虛實結合的實踐教學環(huán)境，整體的技術架構如圖1所示。

2.創(chuàng)新了VR技術在高職實踐教學中的應用模式

VR技術應用于教育教學的最終目的是為人才培養(yǎng)服務。在實踐教學過程中，形成了VR技術在食品藥品類職業(yè)人才培養(yǎng)實踐教學中的應用模式，如圖2所示。

（1）將VR技術作為技術手段，支持實訓教學

圖1 云計算虛擬實訓中心的技術架構

圖2 VR在食品藥品類職業(yè)人才培養(yǎng)中的創(chuàng)新應用模式

基于混合學習理念，混合多元化信息技術、多種教學方式和學習方式，將“虛擬工廠”等虛擬仿真教學軟件在實訓教學中作為教師教學演示工具和學習者認知工具，支持教學演示、自主探究學習和自我評價，實現(xiàn)了“講授+真實實訓”的傳統(tǒng)實踐教學模式向“在線自主學習+虛擬實訓+面授教學+真實實訓”的混合實踐教學模式的轉變，如圖3所示。

圖3 基于VR實訓的食品藥品類混合實踐教學模式

（2）將VR技術作為教學內容，創(chuàng)新實踐教學

以3D建模技術和VR交互技術為教學內容，開設了《3Dsmax建?！泛汀禪nity 3D開發(fā)基礎》課程，并通過開展虛擬仿真實踐項目培養(yǎng)學生的開發(fā)能力、自主學習能力和創(chuàng)新能力。組織學生團隊參加“挑戰(zhàn)杯”等各類課外學術科技作品創(chuàng)作比賽，提升創(chuàng)新實踐能力。

（3）將VR技術作為切入點，探索教育規(guī)律

以技術接受模型和沉浸理論為基礎，構建了基于VR實訓系統(tǒng)的學習行為意向影響因素模型，通過實證研究發(fā)現(xiàn)：沉浸體驗、感知易用性和感知有用性顯著正向影響學習行為意向；沉浸體驗、感知易用性和感知有用性受到VR特性和計算機自我效能的正向影響；感知有用性受到組織管理的正向影響[2]，為VR實訓系統(tǒng)的設計、開發(fā)與應用提供了策略性建議。

四、應用效果

1.顯著提升了學生職業(yè)技能水平和教師信息化教學能力

本成果在廣東食品藥品職業(yè)學院應用于22門課程，支持了4個省重點（品牌）專業(yè)和3個國家級及省級高職教育實訓基地建設，可同時參與虛擬實訓的學生數(shù)為真實實訓的12倍，基于VR的實訓周學時為過去的50%。通過開展基于VR實訓的混合教學，教學質量明顯提升，學生在“挑戰(zhàn)杯”等技能大賽中多次獲獎，多位教師在國家、省級信息化教學大賽中取得佳績。

2.創(chuàng)新了VR技術在食品藥品類實踐教學中的應用模式

突破傳統(tǒng)的實踐教學，依托多元化信息技術的虛實結合實踐教學環(huán)境，基于教育學、心理學等理論，創(chuàng)新了“以培養(yǎng)食品藥品類職業(yè)技能人才為目標，虛擬環(huán)境與真實環(huán)境相結合，以支持實訓教學、創(chuàng)新實踐教學、開展研究為主要線索”的VR技術在食品藥品類職業(yè)人才培養(yǎng)實踐教學中的應用模式。為相關職業(yè)院校和行業(yè)企業(yè)開展仿真實訓資源建設和應用提供了實施路徑參考，豐富了職業(yè)教育研究成果。

3.構建了基于VR實訓的食品藥品類混合實踐教學模式

以職業(yè)技能人才培養(yǎng)為目標導向，基于混合學習理念，混合多元化信息技術、多種教學方式和學習方式，構建了基于VR實訓的食品藥品類混合實踐教學模式，支持職業(yè)院校、行業(yè)企業(yè)食品藥品類多個專業(yè)開展實踐教學與培訓，顯著提升了學生的職業(yè)技能水平。此外，以學生學習為中心，采用文獻研究、問卷調查、結構方程模型等方法，開展了實證研究，探索了基于VR實訓系統(tǒng)的學習行為意向的影響因素，豐富了VR環(huán)境下有關學生學習行為的研究成果。

4.總結了食品藥品類虛擬工廠的開發(fā)方法

根據(jù)食品藥品類工廠的特征、設備加工工藝過程和操作規(guī)律，從仿真技術實現(xiàn)的角度出發(fā)，結合Unity3D和Quest3D開發(fā)平臺的技術特性，將仿真內容歸納為虛擬場景、動態(tài)物體、觸發(fā)與控制、數(shù)據(jù)與屬性關聯(lián)、生產流程流向控制五大部分，并總結其表現(xiàn)特征和開發(fā)方法，見表1。

表1 基于Quest3D的虛擬工廠開發(fā)方法