余建勇 劉燕明

[摘 要]近年來，虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)方面應(yīng)用逐步廣泛，國家在職業(yè)教育領(lǐng)域虛擬仿真資源建設(shè)方面不斷提出更高要求。本文首先對(duì)VR硬件和技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行分析，闡述其應(yīng)用于教學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。其次，從課題研究、課程建設(shè)、實(shí)踐體系建設(shè)和師資培養(yǎng)方面給出虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)與規(guī)劃方面的建議。最后，提出了基地建設(shè)應(yīng)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，突出基地建設(shè)可持續(xù);強(qiáng)化資源開發(fā)，遵循學(xué)習(xí)者認(rèn)知規(guī)律;提升智能化水平，凸顯學(xué)習(xí)者中心地位的三大對(duì)策。

[關(guān)鍵詞]VR技術(shù);VR硬件;基地建設(shè)對(duì)策

[中圖分類號(hào)]F50-4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

2018年2月，教育部辦公廳根據(jù)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》的總體部署，印發(fā)了《2018年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》文件，推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用，加快推進(jìn)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)。在最新頒布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中再次強(qiáng)調(diào)，升級(jí)職業(yè)教育專業(yè)教學(xué)資源庫建設(shè)，豐富職業(yè)教育學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國家信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容，軌道交通作為國家產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，需要大量的技術(shù)技能人才。就目前而言，因軌道交通行業(yè)對(duì)生產(chǎn)安全性的要求較高，學(xué)生無法大面積深入一線生產(chǎn)實(shí)習(xí)，鍛煉職業(yè)技能。建立高水平的軌道交通綜合虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地能有效破解職校生“實(shí)習(xí)難”的問題，在專業(yè)人才培養(yǎng)中也能發(fā)揮積極作用。

1 VR硬件和技術(shù)平臺(tái)的特性

1.1 硬件設(shè)備方面

目前市場(chǎng)上應(yīng)用于職業(yè)教育的VR硬件大體上分為兩大類，一種是桌面式交互平臺(tái)，所需配套設(shè)備相對(duì)較少，操作簡(jiǎn)單;另一種是VR頭盔式交互設(shè)備，此類設(shè)備能帶給學(xué)習(xí)者較強(qiáng)的沉浸感，操作相對(duì)復(fù)雜。

桌面式交互平臺(tái)，桌面式VR體驗(yàn)通過手持紅外筆，結(jié)合桌面式全息操作系統(tǒng)可以捕捉到用戶的手部在空間中的位置信息，用戶通過該操控筆在空氣中對(duì)眼前的全息圖像進(jìn)行交互，從多角度地觀看模型細(xì)節(jié)及透視。此種技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)中應(yīng)用相對(duì)廣泛，它不需要其它外接設(shè)備，僅僅在一臺(tái)PC上，使用手持紅外筆和專用眼鏡即可實(shí)現(xiàn)仿真操作，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)屏幕上呈現(xiàn)立體、逼真的漫游環(huán)境、場(chǎng)景或目標(biāo)物畫面，操作者進(jìn)行相應(yīng)操作與控制可進(jìn)入實(shí)施漫游，根據(jù)教學(xué)需求，在制作教學(xué)資源時(shí)可設(shè)置互動(dòng)環(huán)節(jié)（如拆裝機(jī)械設(shè)備），加強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

VR頭盔，使用者佩戴虛擬體驗(yàn)設(shè)備，可以讓其實(shí)現(xiàn)真正的沉浸式體驗(yàn)，感受在虛擬的場(chǎng)景中通過腳步移動(dòng)和手部交互設(shè)備操作，獲得身臨其境的“游戲”體驗(yàn)。能夠給使用者提供一個(gè)高度逼真的全息環(huán)境，具備360度全景畫面，學(xué)員可身臨其境地進(jìn)入到真實(shí)的虛擬世界感受沉浸式學(xué)習(xí)，享受逼真的視覺沖擊，并且沉浸式VR具備較高的交互精度，能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行直觀交互，可對(duì)虛擬環(huán)境中的設(shè)施、設(shè)備、儀器、儀表實(shí)行全面操控，提供一個(gè)良好的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。頭戴VR頭盔的操控者在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，他人可通過設(shè)置在一旁的顯示裝置直觀地看到操控者的操作內(nèi)容。頭盔式VR設(shè)備雖然能給學(xué)習(xí)者帶來比較好的體驗(yàn)，但也存在一些弊端。經(jīng)過筆者的走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)于部分學(xué)者而言，因沉浸感太強(qiáng)容易出現(xiàn)頭暈等身體不適感;對(duì)于初次接觸該類設(shè)備的體驗(yàn)者而言，掌握設(shè)備的操作方式也是一種挑戰(zhàn)，操作者在操作設(shè)備時(shí)是獨(dú)自一人身處虛擬環(huán)境中，指導(dǎo)者不能給出比較恰當(dāng)?shù)牟僮鹘ㄗh，往往會(huì)造成操作者初次體驗(yàn)感不佳，需要花費(fèi)大量時(shí)間來熟悉設(shè)備操作方式，尤其是教學(xué)活動(dòng)中大規(guī)模應(yīng)用此類教學(xué)設(shè)備時(shí)，時(shí)間成本更高。

1.2 技術(shù)平臺(tái)方面

Unity Technologies（以下簡(jiǎn)稱Unity）作為VR內(nèi)容開發(fā)平臺(tái)，主要用于開發(fā)課程資源，是內(nèi)容制作的底層技術(shù)，如三星Gear VR、Oculus Rift和HTC Vive均采用Unity開發(fā)。對(duì)于職業(yè)教育而言，在建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地初期，可以從一家公司購買教學(xué)資源，以此來滿足教學(xué)需求。但我們要考慮到專業(yè)是在逐步發(fā)展的，VR類教學(xué)資源隨著專業(yè)發(fā)展也必須更新，若學(xué)校自身無相應(yīng)的VR教學(xué)資源開發(fā)能力，后期會(huì)持續(xù)購買大量教學(xué)資源。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前仍處于初級(jí)發(fā)展階段，尚無統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)公司開發(fā)的教學(xué)資源都是在自家平臺(tái)上制作的，這就造成兩家公司的資源不能在彼此設(shè)備上通用（此種現(xiàn)象類似于手機(jī)的Android系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)，為Android系統(tǒng)開發(fā)的程序不能在iOS系統(tǒng)上運(yùn)行，為iOS系統(tǒng)開發(fā)的程序不能在Android系統(tǒng)上運(yùn)行），在后期資源增加過程中學(xué)校就會(huì)受限于首家合作公司。

2 基地建設(shè)與規(guī)劃建議

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)中的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)教學(xué)方式的局限，在很大程度上加強(qiáng)了職業(yè)院校學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。軌道交通綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地由多種VR設(shè)備及配套的教學(xué)、實(shí)訓(xùn)軟件構(gòu)成，搭載多學(xué)科課程資源，實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)、教學(xué)與開發(fā)、共享的一體化。在建設(shè)過程中可以圍繞課題研究、教學(xué)課程建設(shè)、實(shí)踐體系建設(shè)和師資培養(yǎng)四個(gè)方面展開。

（1）課題研究：可進(jìn)行基于校企合作模式的VR創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目建設(shè)、人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與VR技術(shù)的深度融合等方面進(jìn)一步研究。

（2）課程建設(shè)：聯(lián)合探索基于VR技術(shù)，設(shè)計(jì)與開發(fā)適用于本校專業(yè)的課程資源，同時(shí)開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力;輸出課程講義、課件、教學(xué)視頻、教學(xué)大綱等教學(xué)資源。

（3）實(shí)踐體系建設(shè)：以軌道交通綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地為載體，通過VR體驗(yàn)廳、創(chuàng)客工坊、雙創(chuàng)實(shí)驗(yàn)室等空間建設(shè)，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教學(xué)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模擬對(duì)抗等活動(dòng)，在為教學(xué)服務(wù)的同時(shí)，為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識(shí)和能力的提升提供開放平臺(tái)。

（4）師資培養(yǎng)：圍繞“VR課堂教學(xué)如何實(shí)施、教學(xué)體系如何規(guī)劃、教學(xué)資源開發(fā)”等主題，開展VR/3D教學(xué)資源制作與實(shí)際教學(xué)應(yīng)用骨干師資培養(yǎng)。

結(jié)合基地建設(shè)目標(biāo)，可在實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)中將基地分為三大區(qū)域，分別為展示體驗(yàn)區(qū)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)區(qū)、項(xiàng)目開發(fā)區(qū)。

展示體驗(yàn)區(qū)擔(dān)負(fù)著對(duì)外宣傳和接待的功能，面向校內(nèi)外展示最新的VR技術(shù)，通過VR技術(shù)宣傳學(xué)校辦學(xué)特色與教學(xué)成果。通過對(duì)VR設(shè)備的體驗(yàn)，學(xué)生可接觸體驗(yàn)到最新的VR技術(shù)，了解VR技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用，感受VR所帶來的魅力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)作思維;可以滿足VR展示、講解和培訓(xùn)，提升學(xué)校與專業(yè)品牌形象。

實(shí)訓(xùn)教學(xué)區(qū)旨在根據(jù)專業(yè)特色和需求，把VR技術(shù)引進(jìn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)中，是專業(yè)實(shí)訓(xùn)+創(chuàng)新教育的植入，采用多樣化VR技術(shù)以及VR智慧課堂，開展各學(xué)科的輔助教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，有效地將書本上平面的知識(shí)轉(zhuǎn)化為立體、沉浸、互動(dòng)的展示內(nèi)容，學(xué)生們?cè)谏砼R其境的場(chǎng)景中學(xué)習(xí)，理解更透徹，記憶更深刻，既極大地節(jié)省了成本，又可規(guī)避某些真實(shí)實(shí)訓(xùn)或操作帶來的各種危險(xiǎn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了整體專業(yè)學(xué)習(xí)效果，有效提升職業(yè)院校教學(xué)實(shí)訓(xùn)效果，讓實(shí)訓(xùn)室真正成為職業(yè)教育第一課堂。

項(xiàng)目開發(fā)區(qū)承擔(dān)著虛擬仿真課程資源的開發(fā)任務(wù)，可采用學(xué)校和公司長(zhǎng)期共同合作的模式，持續(xù)為學(xué)校各專業(yè)開發(fā)優(yōu)質(zhì)VR教學(xué)資源，全面開創(chuàng)技術(shù)革新工作，促進(jìn)科研成果孵化。引入企業(yè)資源，承接企業(yè)橫向課題，將VR技術(shù)全面應(yīng)用于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。同時(shí)，利用校企合作開發(fā)的產(chǎn)品，作為學(xué)?；騻€(gè)人參加各類技能大賽的腳本資源。

3 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)的對(duì)策

3.1 加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，突出基地建設(shè)可持續(xù)

首先，學(xué)校做好專業(yè)教學(xué)資源建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)是推動(dòng)虛擬仿真資源建設(shè)的前提，在建設(shè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基地的時(shí)候，應(yīng)充分考慮各個(gè)專業(yè)所需資源的差異性，強(qiáng)化專業(yè)群的突出地位，強(qiáng)調(diào)教學(xué)資源的共享性?；貎?nèi)的技術(shù)平臺(tái)和硬件資源要盡可能共享共用，在一定程度上減少資金重復(fù)投入，避免資金浪費(fèi)。

其次，鑒于目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在選擇合作企業(yè)時(shí)，要盡可能選擇行業(yè)認(rèn)可度高的企業(yè)，重點(diǎn)考察其資源開發(fā)應(yīng)用能力。在后續(xù)合作過程中，學(xué)校應(yīng)組建師資隊(duì)伍，跟隨企業(yè)學(xué)習(xí)如何開發(fā)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)基地的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)學(xué)校也應(yīng)建立相應(yīng)體制機(jī)制，鼓勵(lì)教師開發(fā)課程資源。

3.2 強(qiáng)化資源開發(fā)，遵循學(xué)習(xí)者認(rèn)知規(guī)律

虛擬仿真教育資源是在還原和虛擬三維場(chǎng)景的基礎(chǔ)上開發(fā)的，要遵循學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律，認(rèn)知科學(xué)主張，要了解人的認(rèn)知過程、記憶知覺、思維等認(rèn)知形象是怎樣相互交織在一起的，再把人的認(rèn)知過程整體、綜合地加以分析。虛擬仿真設(shè)計(jì)的認(rèn)知因素更多地表現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)過程中的認(rèn)知方面，即人們對(duì)所感知的信息進(jìn)行認(rèn)識(shí)、理解、鑒別、判斷、分析、推理等的心理與思維過程。因此，虛擬仿真資源所蘊(yùn)含的知識(shí)體系一定是經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，而不是雜亂無章地呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。

第一，資源開發(fā)時(shí)要遵循記憶認(rèn)知規(guī)律。學(xué)習(xí)者在場(chǎng)景內(nèi)學(xué)習(xí)是一個(gè)認(rèn)知、消化、吸收的過程，這就要求資源開發(fā)時(shí)要把課程所蘊(yùn)含的知識(shí)點(diǎn)有組織、系統(tǒng)地放置于于虛擬場(chǎng)景中，必要時(shí)可以在系統(tǒng)中嵌套學(xué)習(xí)提示，增加學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)力。第二，資源開發(fā)時(shí)要遵循學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律。此類教學(xué)資源大都應(yīng)用于學(xué)生的實(shí)訓(xùn)過程中，幫助學(xué)生了解真實(shí)生產(chǎn)過程，有效解釋所學(xué)知識(shí)“是什么”“怎么干”等問題。在訓(xùn)練過程中對(duì)所學(xué)知識(shí)消化吸收，進(jìn)而達(dá)到融會(huì)貫通，具備學(xué)習(xí)遷移能力，到工作崗位中能解決實(shí)際問題。

3.3 提升智能水平，凸顯學(xué)習(xí)者中心地位

虛擬仿真系統(tǒng)要實(shí)行賬號(hào)進(jìn)入制度，同時(shí)提升虛擬仿真系統(tǒng)的智能性，保證系統(tǒng)具有對(duì)學(xué)生的操作過程全程記錄、智能評(píng)測(cè)和及時(shí)反饋等功能，依此來勾畫學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)畫像，為每位學(xué)生提供針對(duì)性的指導(dǎo)方案。例如，同一賬號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)賬戶所有者的行為有記憶功能，如果此學(xué)習(xí)者經(jīng)常在一個(gè)地方出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)應(yīng)給予提示，并給出正確操作指引，學(xué)習(xí)者多次練習(xí)之后，系統(tǒng)可針對(duì)此學(xué)習(xí)者生成一個(gè)錯(cuò)誤集，提醒學(xué)習(xí)者加強(qiáng)訓(xùn)練。不但為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)高度逼真的技能學(xué)習(xí)環(huán)境，還要讓學(xué)生在高度智能化的虛擬情境中進(jìn)行真正個(gè)性化的學(xué)習(xí)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王司，楊冬云，葉樹江，劉柏森.基于認(rèn)知規(guī)律的實(shí)踐任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐[J].科技與管理，2011（01）.

[2] 曾琎.基于虛擬仿真系統(tǒng)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[3] 彭梓涵，職業(yè)教育虛擬仿真資源建設(shè)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及對(duì)策[J].成人教育，2019（01）.