王靈利 齊樂(lè)華 羅 俊[通訊作者] 呂 冰 蔣建軍

VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)課程探究*——以西北工業(yè)大學(xué)的“VR虛擬裝配綜合實(shí)訓(xùn)課程”為例

王靈利1齊樂(lè)華2羅 俊2[通訊作者]呂 冰1蔣建軍1

（1．西北工業(yè)大學(xué) 工程實(shí)踐訓(xùn)練中心，陜西西安 710072；2．西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西西安 710072）

在“新工科”背景下，國(guó)防特色工程教育對(duì)高校在校學(xué)生的工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)提出了更高要求?；诖?，文章圍繞VR技術(shù)的三大特性，提出了VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)思路。隨后，文章以西北工業(yè)大學(xué)“VR虛擬裝配綜合實(shí)訓(xùn)課程”為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)流程，并通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查進(jìn)行了教學(xué)效果分析，發(fā)現(xiàn)VR技術(shù)能夠規(guī)避教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)、提升教學(xué)質(zhì)量，在現(xiàn)有工程實(shí)訓(xùn)課程中具有較高的推廣價(jià)值。最后，文章提出VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐教學(xué)的建議。在實(shí)訓(xùn)課程中靈活運(yùn)用VR技術(shù)，可提升學(xué)生參與實(shí)訓(xùn)的興趣、提高教學(xué)效果和質(zhì)量，減少實(shí)訓(xùn)誤操作危險(xiǎn)，并可為工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法的改進(jìn)和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供參考。

VR技術(shù)；工程教育；實(shí)訓(xùn)課程；教學(xué)改革

引言

新工科交叉、融合、創(chuàng)新、協(xié)同、共享的育人理念[1]，對(duì)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)提出了更高要求?；诖?，國(guó)防、軍工等特色高校工程實(shí)訓(xùn)教育應(yīng)將本校的學(xué)科特色、專業(yè)優(yōu)勢(shì)與實(shí)訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行融合，延展教學(xué)模式的創(chuàng)新性與多樣性，遵從國(guó)家發(fā)展需要，培養(yǎng)具有家國(guó)情懷、工匠精神和引領(lǐng)未來(lái)的領(lǐng)軍人才。

目前，西北工業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系已進(jìn)行多次改革，增加了視頻、計(jì)算機(jī)虛擬仿真等教學(xué)形式，且課程考核解除了實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品中對(duì)部分形狀和尺寸的限制，以給學(xué)生一定的設(shè)計(jì)空間，但仍然存在一些問(wèn)題：①工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)大多以“師傅帶徒弟”的方式開(kāi)展，教學(xué)內(nèi)容雷同度高、模仿性強(qiáng)，與大學(xué)生獨(dú)立性、批判性的思維和認(rèn)知發(fā)展要求相矛盾，不利于其個(gè)性化發(fā)展和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維的培養(yǎng)；②受實(shí)訓(xùn)安全影響，教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新和多元化改革的實(shí)施難度大，導(dǎo)致部分有利于拓展學(xué)生視野、完善學(xué)生知識(shí)架構(gòu)的內(nèi)容難以開(kāi)展；③教學(xué)內(nèi)容與科技發(fā)展脫鉤，目前教學(xué)中多采用虛擬仿真動(dòng)畫(huà)、模型、視頻等方式介紹新科技的發(fā)展和新設(shè)備的工作原理等內(nèi)容，學(xué)生難以直觀地了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作機(jī)制，導(dǎo)致對(duì)知識(shí)的掌握存在盲點(diǎn)和偏差。針對(duì)上述問(wèn)題，西北工業(yè)大學(xué)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)文獻(xiàn)、調(diào)研等方式，分析和研究系列化VR課程的建設(shè)情況，并將其引入到工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中。

VR技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，通過(guò)結(jié)合視覺(jué)識(shí)別、動(dòng)作捕捉等技術(shù)，生成與目標(biāo)環(huán)境在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸感等方面高度近似的沉浸式可交互虛擬場(chǎng)景的新型技術(shù)[2]，具有沉浸性、交互性、想象性等特性[3]。VR技術(shù)能在教學(xué)環(huán)境和操作方式上更加真實(shí)地還原實(shí)訓(xùn)教學(xué)，并利用其特性，將實(shí)訓(xùn)教學(xué)中需要教師大量示范的教學(xué)內(nèi)容和真實(shí)的學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程進(jìn)行高逼真模擬；同時(shí)，用設(shè)置語(yǔ)音、文字、動(dòng)畫(huà)等提醒方式替代教師的講述和指導(dǎo)，用在操作中添加試錯(cuò)點(diǎn)和呈現(xiàn)誤操作后果的方式強(qiáng)化學(xué)生記憶，并用計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)、分析學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)作為教師進(jìn)行學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)的依據(jù)，因此VR技術(shù)的應(yīng)用有望改變“師傅帶徒弟”的傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式。此外，VR技術(shù)提供了開(kāi)展教學(xué)和實(shí)訓(xùn)的虛擬環(huán)境，能夠在保障學(xué)生安全的前提下，實(shí)施創(chuàng)新性、多元化教學(xué)的探究與嘗試；在虛擬環(huán)境中，教師使用的教具為虛擬模型，易將新技術(shù)、新設(shè)備的工程應(yīng)用融入到實(shí)訓(xùn)教學(xué)中供學(xué)生學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。VR技術(shù)對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)組織的顛覆性突破[4]，有望在未來(lái)深刻地變革傳統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。

一 國(guó)內(nèi)外高校的VR教學(xué)實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)VR技術(shù)十分重視，紛紛將其引入教育領(lǐng)域。例如，沙特國(guó)王大學(xué)的Salah等[5]在開(kāi)展工業(yè)4.0認(rèn)知工程教學(xué)時(shí)，開(kāi)發(fā)了基于VR技術(shù)的平口鉗自動(dòng)化裝配線實(shí)訓(xùn)課程，內(nèi)容涵蓋模型設(shè)計(jì)、裝配路徑規(guī)劃、設(shè)備操作培訓(xùn)等；同時(shí)，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)課堂上學(xué)生在實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程中的表現(xiàn)，認(rèn)為VR技術(shù)在訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力、促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，并驗(yàn)證了VR技術(shù)完全可以勝任以工業(yè)4.0為主的工程教育。德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Pletz等[6]使用VR技術(shù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的設(shè)備組裝技能，并將獲取的技能遷移至實(shí)際的工程應(yīng)用中；通過(guò)對(duì)比，他們發(fā)現(xiàn)采用該教學(xué)方式的學(xué)生在操作用時(shí)上明顯少于傳統(tǒng)課堂培訓(xùn)出來(lái)的學(xué)生，并結(jié)合問(wèn)卷調(diào)研分析得出結(jié)論：VR技術(shù)在培訓(xùn)的有用性、易用性和學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)方面評(píng)價(jià)較高。而在美國(guó)，早在2010年就出現(xiàn)了由政府主導(dǎo)提供的VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)[7]；2020年，美國(guó)高校教育信息化協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)AR、VR、MR等新興技術(shù)會(huì)成為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[8]；喬治亞大學(xué)在新型冠狀病毒流行的背景下，面向機(jī)械臂的實(shí)訓(xùn)課程開(kāi)發(fā)了一款基于AR、VR技術(shù)的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，只需學(xué)生遠(yuǎn)程下載安裝即可開(kāi)始學(xué)習(xí)，并通過(guò)學(xué)生對(duì)真實(shí)機(jī)械臂的操作應(yīng)用效果證明了其教學(xué)的可行性[9]；北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Johnson等[10]利用VR技術(shù)將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的授課內(nèi)容與教師指導(dǎo)過(guò)程虛擬化，為學(xué)生的線上學(xué)習(xí)提供了面對(duì)面實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì)，且增強(qiáng)了線上教學(xué)的沉浸感、交互性、想象性和智能化。綜上可知，VR技術(shù)已在工程教學(xué)和技能培訓(xùn)方面得到大量應(yīng)用，其教學(xué)效果也得到了驗(yàn)證。美國(guó)提出的VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，以及沙特阿拉伯、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)進(jìn)行的遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究，均可為我國(guó)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)和課程建設(shè)提供有益借鑒。

在國(guó)內(nèi)，“十四五”規(guī)劃綱要已將VR列入“建設(shè)數(shù)字中國(guó)”數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)；在教育中，VR技術(shù)的應(yīng)用數(shù)量由2016年底的59個(gè)增加至2017年底的172個(gè)，年增長(zhǎng)率為292%[11]。VR技術(shù)的工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)主要分為兩大類(lèi)：①設(shè)備與技術(shù)認(rèn)知。例如，西安交通大學(xué)在建設(shè)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“火電廠熱力系統(tǒng)VR認(rèn)知及瞬態(tài)過(guò)程能耗特性仿真實(shí)驗(yàn)”中，將火電廠的生產(chǎn)流程、運(yùn)行原理、先進(jìn)技術(shù)等制作成VR場(chǎng)景，使學(xué)生在教室中就可完成認(rèn)知實(shí)習(xí)，且不受時(shí)間和空間的限制，增強(qiáng)了實(shí)習(xí)成效[12]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程創(chuàng)新實(shí)踐中心H2-VR全息實(shí)訓(xùn)室擁有與宇航空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能數(shù)控機(jī)床虛擬操作、汽車(chē)虛擬設(shè)計(jì)與裝配等相關(guān)的VR資源，通過(guò)沉浸式教學(xué)，讓學(xué)生了解復(fù)雜設(shè)備中機(jī)械零件、運(yùn)行原理、傳送路線等方面的知識(shí)。②虛擬實(shí)踐培訓(xùn)。例如，山東中醫(yī)藥大學(xué)建設(shè)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流課程“基于VR技術(shù)的GMP藥廠中藥制劑虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程系列模塊之中藥顆粒劑的制備”將中藥制劑實(shí)訓(xùn)課程開(kāi)發(fā)成VR資源，學(xué)生通過(guò)對(duì)制藥工序、設(shè)備操作流程、安全行為規(guī)范的反復(fù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，不僅提高了動(dòng)手實(shí)踐能力，而且獲得了貼近真實(shí)藥廠的崗位培訓(xùn)機(jī)會(huì)；華南理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心基于VR技術(shù)的噴漆、電焊等教程，設(shè)置了操作、教學(xué)、考核等教學(xué)模塊，通過(guò)虛擬場(chǎng)景為學(xué)生提供設(shè)備安全操作規(guī)程、錯(cuò)誤操作修正等方面的培訓(xùn)，增強(qiáng)了學(xué)生的安全意識(shí)和實(shí)踐能力。在現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)高校的VR虛擬工訓(xùn)教學(xué)中，課程建設(shè)呈現(xiàn)出建設(shè)方向側(cè)重于學(xué)生視覺(jué)體驗(yàn)和演示、建設(shè)資源傾向于量小而精致的虛擬場(chǎng)景、建設(shè)內(nèi)容注重實(shí)訓(xùn)過(guò)程的規(guī)范性培訓(xùn)等特點(diǎn)，但在學(xué)生自主性、探究性虛擬實(shí)訓(xùn)和協(xié)同創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的教學(xué)改進(jìn)等方面還鮮有研究。

當(dāng)前，國(guó)外將VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的研究已初顯成效，而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究相對(duì)謹(jǐn)慎?；诖耍狙芯刻岢鲆环N以VR技術(shù)開(kāi)展工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的多元化改革思路，旨在通過(guò)開(kāi)發(fā)與實(shí)際教學(xué)一致的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)、建設(shè)多種差異化的教學(xué)場(chǎng)景、設(shè)置試錯(cuò)點(diǎn)和提示項(xiàng)代替教師指導(dǎo)、要求學(xué)生編寫(xiě)商業(yè)計(jì)劃書(shū)等方式，優(yōu)化教學(xué)方法，加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)校特色、科技發(fā)展的融合，并營(yíng)造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)氛圍，使學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展、情感價(jià)值塑造、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)構(gòu)建與工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)有機(jī)融合，從而提升人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

二 VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)思路

本研究根據(jù)工程教育的人才培養(yǎng)理念，從工程實(shí)訓(xùn)角度梳理了VR技術(shù)特性在教學(xué)各環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用方法，將課程內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)分散于三大特性之中，提出了VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)思路，如圖1所示。

圖1 VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)思路

①沉浸性：是指使用者完全沉浸在虛擬教學(xué)環(huán)境中，按照自然狀態(tài)下的視角、聽(tīng)覺(jué)等對(duì)事物進(jìn)行觀察和學(xué)習(xí)。利用此特點(diǎn)，工程實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)目標(biāo)是幫助學(xué)生擴(kuò)大專業(yè)視野、樹(shù)立工程意識(shí)，使學(xué)生在教室內(nèi)就能完成對(duì)領(lǐng)域背景、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的認(rèn)知；教學(xué)設(shè)計(jì)上可打造涵蓋飛機(jī)制造、航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、智能制造等高成本且不可逆并與學(xué)校特色、行業(yè)先進(jìn)技術(shù)相融合的教學(xué)環(huán)境；教學(xué)資源上可將實(shí)體工程現(xiàn)場(chǎng)建造成3D模型，形成逼真的教學(xué)場(chǎng)景；教學(xué)組織上要使學(xué)生完全沉浸在虛擬空間中，不但目光所及皆為立體環(huán)境，而且能在該環(huán)境中自主漫游；考核方式以技術(shù)答辯的方式進(jìn)行，重點(diǎn)考查學(xué)生使用VR技術(shù)學(xué)習(xí)之后的效果。沉浸性應(yīng)用到課程建設(shè)上，不僅可以滿足學(xué)生獲取專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的需求，使實(shí)訓(xùn)教學(xué)得以延伸，還能讓學(xué)生在無(wú)教師指導(dǎo)的情況下完成課程中實(shí)訓(xùn)技能的學(xué)習(xí)，為差異化實(shí)訓(xùn)教學(xué)創(chuàng)造了條件。

②交互性：是指操作者利用肢體動(dòng)作像在真實(shí)環(huán)境中一樣操控虛擬場(chǎng)景中的物體，完成某項(xiàng)特定的任務(wù)。利用此特點(diǎn)，工程實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)目標(biāo)主要是鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，使其能將獲取的經(jīng)驗(yàn)遷移、應(yīng)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題；教學(xué)設(shè)計(jì)上可設(shè)置虛擬場(chǎng)景中設(shè)備、工具等教具的功效觸發(fā)點(diǎn)或?qū)W生進(jìn)行自主漫游、虛擬實(shí)訓(xùn)的操作節(jié)點(diǎn)，為學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)訓(xùn)的機(jī)會(huì)；教學(xué)資源上可設(shè)置合理實(shí)訓(xùn)方案，注重實(shí)訓(xùn)操作的真實(shí)性，增加實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)；教學(xué)組織上要重視實(shí)訓(xùn)操作培訓(xùn)，使學(xué)生能熟練操作VR手柄模擬的手指或工具，完成與現(xiàn)實(shí)教學(xué)基本一致的虛擬實(shí)訓(xùn)任務(wù)，并通過(guò)教具顏色的變化和語(yǔ)音提示替代教師的指導(dǎo)；考核方式以模擬實(shí)體操作為主，學(xué)生的每一步操作（包括誤操作、提示次數(shù)）均會(huì)形成數(shù)據(jù)并被系統(tǒng)自動(dòng)記錄。交互性應(yīng)用到課程建設(shè)上，可有效保障學(xué)生獲得更多的實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)，從而提升其操作技能。

③想象性：是指開(kāi)發(fā)者利用客觀事物的發(fā)展規(guī)律在虛擬環(huán)境中預(yù)設(shè)多種場(chǎng)景，刺激使用者的主觀能動(dòng)性，為其提供更加真實(shí)、有效的學(xué)習(xí)環(huán)境。利用此特點(diǎn)，工程實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)在VR虛擬環(huán)境中植入具有思政性、探索性和創(chuàng)新性的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)應(yīng)用能力、創(chuàng)新意識(shí)和家國(guó)情懷；教學(xué)設(shè)計(jì)上可模擬教學(xué)場(chǎng)景中設(shè)備誤操作后的故障、誤入禁區(qū)的后果強(qiáng)化學(xué)生的規(guī)范意識(shí)，也可適當(dāng)融入“三航”、機(jī)電等專業(yè)知識(shí)提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和價(jià)值觀；教學(xué)資源上可植入產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、家國(guó)歷史等內(nèi)容，配合原有的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容創(chuàng)新教學(xué)方法；教學(xué)組織上可發(fā)揮虛擬實(shí)訓(xùn)可逆、安全的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生在虛擬實(shí)訓(xùn)的過(guò)程中大膽嘗試，并在多重教學(xué)資源的支撐下實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)；考核方式采取書(shū)面報(bào)告的形式，記錄并分析學(xué)生的創(chuàng)新思路、實(shí)施過(guò)程、產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)值等，使學(xué)生建立起工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)與商業(yè)思維之間的聯(lián)系。想象性應(yīng)用到課程建設(shè)上，能促進(jìn)學(xué)校特色、課程思政、“雙創(chuàng)”教育、實(shí)訓(xùn)預(yù)期結(jié)果與工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的融合，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的多元化。

課程建設(shè)思路充分挖掘了VR技術(shù)特性與工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)之間的聯(lián)系，并通過(guò)虛擬場(chǎng)景轉(zhuǎn)變了原有教學(xué)中師生的角色，為學(xué)生提供了在工程世界中探索和嘗試的機(jī)會(huì)，使其不僅具有專業(yè)的工程素養(yǎng)和豐富的知識(shí)儲(chǔ)備，還具有多視角、能實(shí)踐、敢創(chuàng)新的綜合應(yīng)用能力。

三 VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)課程的案例

按照VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)思路，西北工業(yè)大學(xué)利用VR技術(shù)對(duì)金工實(shí)習(xí)—裝配課程進(jìn)行改革；同時(shí)，結(jié)合美國(guó)緬因州國(guó)家培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室提出的學(xué)習(xí)金字塔研究理論[13]，將課程中的學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)占比提高至85%，形成了獨(dú)具特色的“VR虛擬裝配綜合實(shí)訓(xùn)課程”（下文簡(jiǎn)稱“實(shí)訓(xùn)課程”），以助力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用、表達(dá)溝通和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等能力。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和設(shè)計(jì)思維，鍛煉學(xué)生判斷和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，并加深學(xué)生對(duì)工程原理的認(rèn)知，實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)內(nèi)容融合了機(jī)械原理、剛體力學(xué)等專業(yè)知識(shí)，將槽輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)等30余種經(jīng)典運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理、裝配工藝方法、考核方案等制作成VR虛擬場(chǎng)景。學(xué)生需要自行選擇機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)VR虛擬拆裝、答辯等培訓(xùn)后，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成機(jī)構(gòu)的實(shí)體裝配，并通過(guò)不斷調(diào)試，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。后期，課程借助VR場(chǎng)景將某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、太空機(jī)械臂等高科技航空航天產(chǎn)品呈現(xiàn)給學(xué)生，要求學(xué)生就其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用原理、優(yōu)劣勢(shì)等開(kāi)展討論和分析，并在此基礎(chǔ)上嘗試設(shè)計(jì)一種新產(chǎn)品的原理方案，編寫(xiě)商業(yè)計(jì)劃書(shū)。

2 教學(xué)流程

根據(jù)大學(xué)生認(rèn)知高階思維所表現(xiàn)的主動(dòng)性、批判性、探究性特點(diǎn)[14]，綜合考慮大學(xué)生學(xué)習(xí)方法和途徑的多樣性，實(shí)訓(xùn)課程將需要教師講解的多數(shù)內(nèi)容設(shè)置在VR虛擬場(chǎng)景中，主要由學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師只需輔助指導(dǎo)和進(jìn)行考核，具體的教學(xué)流程分為理論與思政教學(xué)、VR虛擬實(shí)訓(xùn)與考核、實(shí)體裝配訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練四個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 “VR虛擬裝配綜合實(shí)訓(xùn)課程”的教學(xué)流程

①融入家國(guó)情懷的理論與思政教學(xué)。本環(huán)節(jié)以教師講授為主，重在讓學(xué)生掌握裝配原理、技術(shù)，同時(shí)穿插航空航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、制造工藝、裝配技術(shù)等知識(shí)，為學(xué)生的后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)提供支持。課程還適時(shí)融入了國(guó)家對(duì)航空航天的產(chǎn)業(yè)布局和獻(xiàn)身國(guó)防事業(yè)的思政元素，并借助VR場(chǎng)景，將C919大飛機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、裝配過(guò)程等呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生獲得逼真的工程現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)國(guó)家工業(yè)發(fā)展的自豪感和民族意識(shí)，培養(yǎng)家國(guó)情懷。

②自主交互的VR虛擬實(shí)訓(xùn)與考核。VR虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)如圖3所示，系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音和顏色變化（如綠色為正確操作、紅色為錯(cuò)誤操作）的提醒方式，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展虛擬實(shí)訓(xùn)，如同隱形的指導(dǎo)教師；學(xué)生則佩戴頭盔，手持VR手柄模擬的扳手、螺絲刀等工具，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的每一個(gè)部位進(jìn)行拆卸和裝配操作——這種近乎真實(shí)的培訓(xùn)方式實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的目標(biāo)，也為實(shí)訓(xùn)課程的去雷同化創(chuàng)造了條件。學(xué)生經(jīng)過(guò)VR虛擬實(shí)訓(xùn)培訓(xùn)后進(jìn)入VR實(shí)訓(xùn)裝配考核環(huán)節(jié)，本環(huán)節(jié)有錯(cuò)誤提醒、糾錯(cuò)和操作記錄功能，有助于鍛煉學(xué)生的工程意識(shí)，是實(shí)訓(xùn)課程實(shí)現(xiàn)學(xué)生探究性思維訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖3 VR虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)

③以探索性訓(xùn)練為主的實(shí)體裝配訓(xùn)練。為保證VR實(shí)訓(xùn)的教學(xué)質(zhì)量，實(shí)體裝配訓(xùn)練前期要進(jìn)行學(xué)生技術(shù)答辯考核，時(shí)間為3分鐘，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)原理、裝配流程、技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的掌握情況，既鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、鍛煉其溝通與表達(dá)能力，又為教師后續(xù)教學(xué)提供參考。學(xué)生通過(guò)答辯考核后，方可進(jìn)行實(shí)體裝配訓(xùn)練。本環(huán)節(jié)將考查重點(diǎn)放在裝配環(huán)節(jié)的公差配合、裝配工藝順序、受力分析等方面，這就要求學(xué)生裝配的所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須能按照原有的軌跡運(yùn)動(dòng)，因此學(xué)生需對(duì)每個(gè)裝配環(huán)節(jié)的零部件配合間隙、裝配方案、剛性及受力點(diǎn)做出準(zhǔn)確判斷并及時(shí)調(diào)整，其挑戰(zhàn)性極強(qiáng)，對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的提升和設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)有重要意義。

④以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練為目標(biāo)的提升環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)是通過(guò)學(xué)生對(duì)VR場(chǎng)景中航空發(fā)動(dòng)機(jī)、太空機(jī)械臂等航空航天產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析與討論后，結(jié)合學(xué)生所學(xué)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)原理知識(shí)，完成有益于社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)。產(chǎn)品方案以報(bào)告的形式呈現(xiàn)，要求學(xué)生論述航空航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理、適用行業(yè)、競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)前景等，使學(xué)生深入了解現(xiàn)代技術(shù)在我國(guó)航空工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識(shí)，訓(xùn)練其創(chuàng)業(yè)策劃能力，培養(yǎng)其回饋社會(huì)、創(chuàng)造價(jià)值的情懷，并為領(lǐng)軍人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

3 教學(xué)效果

①問(wèn)卷調(diào)查分析。實(shí)訓(xùn)課程開(kāi)設(shè)初期，本研究面向西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院的120名本科學(xué)生展開(kāi)了問(wèn)卷調(diào)查。問(wèn)卷對(duì)課程編排和教學(xué)內(nèi)容豐富性、難易情況、VR技術(shù)在課程中的作用、學(xué)生對(duì)VR技術(shù)的興趣點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查，并采用SPSS 24.0進(jìn)行問(wèn)卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：有96名學(xué)生對(duì)課程編排和教學(xué)內(nèi)容的豐富性表示支持，15名認(rèn)為課程難度較大，9名選擇其他；有75名學(xué)生對(duì)VR場(chǎng)景開(kāi)發(fā)表現(xiàn)出極大的興趣；但是，也有7名不喜歡VR實(shí)訓(xùn)且在VR場(chǎng)景中出現(xiàn)了身體不適的情況。分析學(xué)生身體出現(xiàn)不適的原因，可能在于人體的視覺(jué)感知與肢體行為出現(xiàn)落差，即大腦接收的視覺(jué)信號(hào)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而接收的肢體信號(hào)為靜止?fàn)顟B(tài)，故使身體產(chǎn)生了自我保護(hù)。為解決此問(wèn)題，一方面可以改造VR頭盔，使學(xué)生的視覺(jué)處于半透明狀態(tài)，能夠觀察肢體運(yùn)動(dòng)；另一方面需要學(xué)生按照操作要求進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)降低軟件畫(huà)面移動(dòng)的速度，以減少視覺(jué)感知與肢體行為的落差。

②總評(píng)成績(jī)和創(chuàng)新成果分析。西北工業(yè)大學(xué)自2020年6月開(kāi)設(shè)實(shí)訓(xùn)課程至今，其實(shí)訓(xùn)操作錯(cuò)誤率比未使用VR技術(shù)的裝配實(shí)訓(xùn)學(xué)生降低近60%，實(shí)訓(xùn)儀器損壞保修次數(shù)也減少至原來(lái)的1/3，且學(xué)生成績(jī)進(jìn)步明顯。實(shí)訓(xùn)課程連續(xù)三個(gè)學(xué)期學(xué)生的總評(píng)成績(jī)餅狀分布如圖4所示，可以看出：在2020～2021學(xué)年春季學(xué)期，有169人達(dá)到優(yōu)秀（90～100分），其優(yōu)秀率（占比56.2%）相較于2019～2020學(xué)年春季學(xué)期的28.4%、2018～2019學(xué)年春季學(xué)期的31.5%有顯著提升；同時(shí)，有129人達(dá)到良好，已沒(méi)有2019～2020學(xué)年春季學(xué)期、2018～2019學(xué)年春季學(xué)期的中等（70～79分）、其他情況。

圖4 實(shí)訓(xùn)課程連續(xù)三個(gè)學(xué)期學(xué)生的總評(píng)成績(jī)餅狀分布圖

值得一提的是，在第十九屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽（RoboMaster）中，參與西北工業(yè)大學(xué)實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)生在戰(zhàn)車(chē)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、裝配干涉分析能力提升等方面表現(xiàn)優(yōu)異，最終取得的競(jìng)賽成績(jī)綜合排名全國(guó)第9，相比上一賽季的第32名進(jìn)步顯著。

四 VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐教學(xué)的建議

案例分析結(jié)果表明，VR技術(shù)能夠規(guī)避教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)、提升教學(xué)質(zhì)量，在現(xiàn)有工程實(shí)訓(xùn)課程中具有較高的推廣價(jià)值。但是，受限于VR引擎使用難度大、內(nèi)容專業(yè)性強(qiáng)等問(wèn)題，VR技術(shù)并未在實(shí)訓(xùn)課程中大量應(yīng)用?；诖耍狙芯酷槍?duì)VR技術(shù)在工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用提出以下建議：

①降低VR引擎使用難度，打破教師開(kāi)發(fā)壁壘。降低VR引擎的使用難度，旨在實(shí)現(xiàn)Unity3D、UE4等專業(yè)VR引擎軟件計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程的模塊化、圖形化，支持具備三維建模能力的教師自行開(kāi)發(fā)和建設(shè)VR虛擬教學(xué)資源，從而打破教學(xué)實(shí)際需要與軟件開(kāi)發(fā)之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)資源的低成本化和普及化。

②實(shí)施資源共享，均衡教育資源。充分利用國(guó)家示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)資源和基礎(chǔ)條件，建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)共享平臺(tái)，打造跨區(qū)域共享的優(yōu)質(zhì)VR虛擬教學(xué)資源，使參與資源共享的高校只需提供VR設(shè)備即可實(shí)施教學(xué)，以有效化解教育資源不均衡的難題，優(yōu)化資源配置。

③與學(xué)校專業(yè)學(xué)院聯(lián)合，培養(yǎng)行業(yè)所需人才。加強(qiáng)與學(xué)校專業(yè)學(xué)院的聯(lián)合，一方面利用學(xué)院的專業(yè)背景和科研成果，提升工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和高階性；另一方面按照學(xué)院專業(yè)課程對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的要求，培養(yǎng)行業(yè)所需人才，提高育人質(zhì)量。

五 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)傳統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)在教學(xué)模式、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)、學(xué)科交叉融合等方面難以適應(yīng)新工科建設(shè)要求的問(wèn)題，進(jìn)行了VR技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)訓(xùn)課程的探索，發(fā)現(xiàn)VR場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的學(xué)生滿意度較高，工程實(shí)訓(xùn)課程有助于提升學(xué)生成績(jī)?？梢哉f(shuō)，VR技術(shù)在工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中能夠代替教師完成對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的指導(dǎo)，在工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)多元化改革方面優(yōu)勢(shì)明顯。但受制于投入資金有限、應(yīng)用規(guī)模較小，復(fù)雜的工程應(yīng)用場(chǎng)景及其控制系統(tǒng)尚未建立，內(nèi)容的多樣性和環(huán)節(jié)的個(gè)性化不足，故工程實(shí)訓(xùn)課程還需要進(jìn)一步完善，其課程教學(xué)的定量評(píng)分也有待進(jìn)一步細(xì)化。此外，如何利用VR技術(shù)更好地支撐工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)培養(yǎng)人才，也是后續(xù)研究的重要方向。

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Research on the VR Technology Applied in Engineering Practice Training Courses——Taking Northwestern Polytechnical University’s “VR Virtual Assembly Composite Practice Training Course” for Example

WANG Ling-li1QI Le-hua2LUO Jun2[Corresponding Author]LV Bing1JIANG Jian-jun1

Under the background of “new engineering”, the engineering education with the national defense characteristics, has put forward higher requirements for the engineering practice training teaching of college students. Based on this, focusing on three characteristics of VR (virtual reality) technology, this paper put forward the construction ideas of VR technology applied in engineering practice training courses. Then, by taking the Northwestern Polytechnical University “VR Virtual Assembly Composite Practice Training Course” for example, this paper designed the teaching process of the practice training course, and analyzed the teaching effect through questionnaires. It was found that VR technology could avoid teaching risks and improve teaching quality, and had a high promotion value in the existing engineering practice training courses. Finally, some suggestions on the VR technology applied in engineering practice teaching were put forward. Further, the flexible use of VR technology in practice training courses could enhance students’ interests in participating in practice training, improve the teaching effect and quality, reduce the mistakes and dangers in practical training, and provide guide for the training of innovative talents in engineering practice training.

VR technology; engineering education; practice training course; teaching reform

G40-057

A

1009—8097（2022）07—0085—08

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.07.010

基金項(xiàng)目：本文為教育部2019年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人教改項(xiàng)目“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的數(shù)字化裝配實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：201902227031）、2022年度西北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于VR技術(shù)的多元化工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：22GZ13101）的階段性研究成果。

王靈利，技師，本科，研究方向?yàn)楣こ虒?shí)訓(xùn)教育與虛擬技術(shù)應(yīng)用，郵箱為1447873804@qq.com。

2021年12月26日

編輯：小米