●葛文彬 嚴(yán) 鑫

引言

在當(dāng)前教育教學(xué)實(shí)踐中，普遍存在教師教得辛苦、學(xué)生學(xué)得費(fèi)勁的現(xiàn)象，提高教學(xué)成效已經(jīng)成為教學(xué)的首要問題。虛擬現(xiàn)實(shí)等信息化新技術(shù)的快速發(fā)展為當(dāng)前全球教學(xué)資源共享提供了便利條件，同時(shí)也為教學(xué)形式的革新提供了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃2011—2020 年》提出深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展對人才培養(yǎng)的新要求[1]。以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成逼真的視覺，建構(gòu)一體化的數(shù)字虛擬臨場環(huán)境，形成的虛擬可視化交互教學(xué)平臺具有直觀、全方位、多角度、互動(dòng)性及開放性的特點(diǎn)優(yōu)勢，解除了學(xué)習(xí)地點(diǎn)、設(shè)施環(huán)境和時(shí)間限制，開放學(xué)習(xí)人數(shù)、學(xué)習(xí)地點(diǎn)和學(xué)習(xí)時(shí)間的要求。從經(jīng)濟(jì)成本角度解決專業(yè)教育中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)耗材成本高、設(shè)備損耗率高、學(xué)習(xí)成效低、空間及設(shè)施不足等教學(xué)成本問題，構(gòu)建數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將晦澀難懂的知識內(nèi)容以可視化方式傳達(dá)，以游戲化互動(dòng)模式引導(dǎo)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)成效，降低教學(xué)的時(shí)效成本。在經(jīng)濟(jì)學(xué)快變量方面可以短時(shí)有效提高學(xué)習(xí)成效，在經(jīng)濟(jì)學(xué)慢變量方面可以有效實(shí)現(xiàn)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、社會(huì)服務(wù)價(jià)值效應(yīng)。

一、原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺設(shè)計(jì)機(jī)理

現(xiàn)行的專業(yè)教育教學(xué)形式總體上處于文字輔助圖片的講解式教學(xué)，學(xué)生處于一種被動(dòng)的接受信息狀態(tài)，教學(xué)和學(xué)習(xí)時(shí)效成低下。研究表明：視聽和文字演示獲取知識的效率比被動(dòng)聽講和文字閱讀高，主動(dòng)學(xué)習(xí)獲取知識的效率比被動(dòng)學(xué)習(xí)知識的效率高。

設(shè)計(jì)一套基于原油集輸工藝流程設(shè)備原理，從實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境出發(fā)，圍繞專業(yè)崗位需求，以人的認(rèn)知規(guī)律為主，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容要求，將知識點(diǎn)展示、視音頻播放和互動(dòng)性操作融于一體的數(shù)字化臨場感虛擬環(huán)境，并引入游戲化模式，建構(gòu)一種能夠?qū)?fù)雜難理解的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行形象化、可視化傳達(dá)，并能帶給學(xué)習(xí)者直觀、趣味、刺激感受的教學(xué)平臺系統(tǒng)，解決原油集輸相關(guān)專業(yè)教育教學(xué)不直觀、難以理解、見殼不明理、教學(xué)生產(chǎn)脫節(jié)導(dǎo)致難學(xué)、厭學(xué)、學(xué)而不明等問題，達(dá)到學(xué)生能夠高效地掌握知識與技能，有效提高他們的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，進(jìn)而提高教學(xué)成效和學(xué)習(xí)時(shí)效。

二、原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺是基于我校石油化工全產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)物仿真工程實(shí)踐教育基地為基礎(chǔ)開發(fā)，利用UE4 虛幻引擎和數(shù)字建模技術(shù)將原油集輸工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字虛擬構(gòu)建出來，創(chuàng)設(shè)一種虛擬可視化的臨場環(huán)境，營造一種直觀的、可視化、沉浸環(huán)境類游戲式的教學(xué)平臺。

1.系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)邏輯架構(gòu)。研究表明：教學(xué)成效與學(xué)習(xí)者的被吸引程度和即時(shí)行為驗(yàn)證息息相關(guān)，本課題從教學(xué)層、行為層、心理層三方面展開研究，根據(jù)原油集輸工藝實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)構(gòu)建沉浸式臨場數(shù)字化虛擬環(huán)境，依據(jù)流程工藝引導(dǎo)貫穿相關(guān)設(shè)備教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置感應(yīng)區(qū)域和高亮提示圖標(biāo)，增設(shè)交互操作學(xué)習(xí)按鍵，展示教學(xué)內(nèi)容（文字解析、動(dòng)態(tài)原理展示、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備互動(dòng)拆解等）；同時(shí)引入任務(wù)績效反饋考核機(jī)制，形成以學(xué)習(xí)為主的互動(dòng)式“輕游戲”模式。本教學(xué)平臺系統(tǒng)主要是針對本科、高職院校及石化企業(yè)相關(guān)入職人員的專業(yè)學(xué)習(xí)者，利用情景化虛擬環(huán)境吸引學(xué)習(xí)者沉浸其中，將復(fù)雜的、隱蔽的、難以理解的信息直觀化呈現(xiàn)出來，降低學(xué)習(xí)障礙。同時(shí)，利用文字語音介紹幫助快速學(xué)習(xí)理論，動(dòng)態(tài)原理展示幫助理解原油集輸流程中發(fā)生的物理及化學(xué)反應(yīng)情況，互動(dòng)設(shè)備拆解模塊幫助理解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及作用機(jī)制。虛擬交互可視化教學(xué)平臺是一種將游戲化模式引入教學(xué)的新形式，構(gòu)建數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，互動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，能提供實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)成果反饋，提供反復(fù)實(shí)踐學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

2.創(chuàng)設(shè)情境虛擬交互可視化教學(xué)形式。本課題以我校原油集輸工業(yè)生產(chǎn)實(shí)物仿真基地為原型，利用三維數(shù)字軟件構(gòu)建數(shù)字化虛擬生產(chǎn)情景，依據(jù)設(shè)備圖紙構(gòu)建設(shè)備模型，精細(xì)到設(shè)備內(nèi)容結(jié)構(gòu)零件；利用MAYA 動(dòng)畫制作軟件和Realflow 流體特效軟件模擬原油集輸工藝生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備（如電脫水器、水套加熱爐、沉降罐、精餾塔等）結(jié)構(gòu)及工作原理；利用UE4 虛擬引擎技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備（如截止閥、離心泵等）互動(dòng)性拆解學(xué)習(xí)形式；最終，通過UE4 虛擬引擎進(jìn)行系統(tǒng)整合，將知識內(nèi)容以游戲化形式貫穿，創(chuàng)設(shè)一個(gè)沉浸式、臨場感的、直觀可視化互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺。本平臺通過視覺、聽覺、行為互動(dòng)等多重感官的結(jié)合，直觀反映原油集輸工藝流程及設(shè)備每個(gè)環(huán)節(jié)不同的作用效果，有效的幫助學(xué)習(xí)者在場景中全方位的了解、學(xué)習(xí)設(shè)備構(gòu)造與工藝原理，突破了不可視設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和難以理解的文字、圖紙說明的瓶頸，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)成效。

三、原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺系統(tǒng)模塊

傳統(tǒng)實(shí)物仿真教學(xué)形式是將原油集輸作業(yè)流程相關(guān)設(shè)備實(shí)體化，實(shí)體的模型設(shè)備僅僅只能解決表象的設(shè)備外形問題，無法具體展示原油集輸相關(guān)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理以及作業(yè)過程中的原理反應(yīng)工藝情況。原油集輸虛擬交互可視化交互教學(xué)平臺主要包括：沉浸式臨場環(huán)境數(shù)字化模擬，設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝原理可視化、交互性設(shè)備拆解展示、文字語音知識解析。

1.沉浸式臨場環(huán)境數(shù)字化模擬。原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺系統(tǒng)真實(shí)還原原油集輸生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，營造沉浸式臨場體驗(yàn)，學(xué)生可以通過鼠標(biāo)、鍵盤進(jìn)行交互操作，漫游原油集輸生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，直觀了解原油集輸生產(chǎn)作業(yè)全部設(shè)備，全方位了解設(shè)備相關(guān)知識信息。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮到教學(xué)內(nèi)容要求，增設(shè)知識內(nèi)容提示圖標(biāo)聯(lián)接形成教學(xué)知識體系，設(shè)置感應(yīng)區(qū)域顯示學(xué)習(xí)內(nèi)容（見圖1）。研究表明：人在沉浸狀態(tài)下記憶最為深刻，感知最為直接，信息流和體驗(yàn)流更容易上升為用戶的心理流層面，在此情境下，學(xué)員對知識的獲得感更深，學(xué)習(xí)效率更高。

圖1 原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺臨場環(huán)境

2.設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝原理可視化。原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺設(shè)計(jì)時(shí)全面分析當(dāng)下該課程教學(xué)困境。如教學(xué)中多以文字和二維線稿圖紙講授，不能有效形成立體視覺感知模型，難以理解；參觀學(xué)習(xí)只能看到設(shè)備實(shí)體化外殼，理論學(xué)習(xí)與實(shí)際脫節(jié)，難以建立聯(lián)系；學(xué)員需要長時(shí)間崗位工作過程，才直觀看到設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，依然無法視覺化感知工藝反應(yīng)原理；嚴(yán)重阻礙原油集輸工藝創(chuàng)新優(yōu)化、設(shè)備故障維修與維護(hù)，影響工作績效，降低人才效益。平臺系統(tǒng)集成設(shè)備結(jié)構(gòu)可視化模塊和工藝原理可視化模塊。

設(shè)備結(jié)構(gòu)可視化：平臺中設(shè)置“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”和“透明顯示”按鈕，通過點(diǎn)擊按鈕操作可以直觀的、全方位查看原油集輸教學(xué)要求的相關(guān)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和零部件構(gòu)造（見圖2）。

圖2 精餾塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示

工藝原理可視化：平臺集合了設(shè)備工藝原理動(dòng)畫演示模塊，通過點(diǎn)擊【原理展示】按鈕操作可以直觀展示設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、闡釋工藝原理與物化反應(yīng)情況。同時(shí)，在故障處理模塊加入事故案例動(dòng)畫（見圖3），可以讓學(xué)生更直觀、更切實(shí)的感受到錯(cuò)誤操作的后果，提升學(xué)生安全意識和事故處理的能力。

圖3 破乳劑加藥箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)、作用原理及物化反應(yīng)

3.交互性設(shè)備拆解展示。操作實(shí)踐是最為有效的學(xué)習(xí)方式，本平臺重點(diǎn)設(shè)置設(shè)備交互性拆解模塊，學(xué)員通過交互性互動(dòng)控制設(shè)備拆裝過程理解設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理，增強(qiáng)記憶與理解，彌補(bǔ)課程教學(xué)最大短板，解決知識理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，提高教學(xué)成效。在虛擬教學(xué)平臺中增設(shè)截止閥和離心泵設(shè)備交互性拆解操作訓(xùn)練，依據(jù)設(shè)備檢維修標(biāo)準(zhǔn)化流程，利用系統(tǒng)設(shè)置約束設(shè)備拆解過程，避免隨意性操作，違背操作規(guī)定，促進(jìn)形成烙印式標(biāo)準(zhǔn)化操作記憶，學(xué)生通過鍵盤、鼠標(biāo)控制變換視角和零部件拆解組裝過程，更好地幫助學(xué)生快速理解設(shè)備構(gòu)造與原理及檢維修操作規(guī)程（見圖4）。互動(dòng)性操作可以幫助學(xué)生形成行為記憶，增強(qiáng)感知性記憶，提高教學(xué)成效。

圖4 離心泵設(shè)備互動(dòng)性

4.文字語音知識解析。平臺系統(tǒng)集合知識內(nèi)容的文字介紹和語音講解，以此構(gòu)建與課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行同步聯(lián)接，在感官學(xué)習(xí)過程中文字知識內(nèi)容系統(tǒng)貫穿、約束、輔助，以保證學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性，避免混亂，幫助學(xué)員建構(gòu)學(xué)習(xí)內(nèi)容知識體系，實(shí)現(xiàn)感官視覺主導(dǎo)、語音聽覺刺激、文字知識貫穿主脈的多維感知一體化教學(xué)形式，建立知識理論與實(shí)踐應(yīng)用的密切聯(lián)系，達(dá)到提高教學(xué)成效的目的。

四、虛擬交互可視化教學(xué)形式成效性分析

當(dāng)今信息化時(shí)代，知識獲取效率等同于經(jīng)濟(jì)效益。在專業(yè)教育方面有效的教學(xué)形式能夠直接影響學(xué)員學(xué)習(xí)效率，進(jìn)而決定教育經(jīng)濟(jì)成本投入與時(shí)間產(chǎn)出比。影響學(xué)員學(xué)習(xí)效率的因素分為主觀因素和客觀條件。主觀因素是指學(xué)員自身思想意識、認(rèn)知高度和自我約束力，屬不可控因素；客觀條件包括教學(xué)環(huán)境、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)踐檢驗(yàn)等，完全可以通過有效教學(xué)形式來改變。將原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺引入專業(yè)教育課程教學(xué)中，針對客觀條件進(jìn)行教學(xué)成效測試，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，顯著提高教學(xué)成效。

1.視覺直觀更易于提高學(xué)員認(rèn)知能力。人類是一種高度依賴視覺的動(dòng)物，研究表明人類獲取的信息中83%是通過視覺獲取的。原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺通過三維數(shù)字動(dòng)畫技術(shù)將晦澀的文字信息、二維線框圖紙轉(zhuǎn)化為直觀立體虛擬實(shí)物和動(dòng)態(tài)畫面，以視覺直觀的形式呈現(xiàn)在學(xué)員面前，跨過學(xué)員知識學(xué)習(xí)過程中認(rèn)識思維到形象思維的過程，避免人腦意識自行構(gòu)建形象思維過程的信息誤差，增強(qiáng)了知識傳播的準(zhǔn)確性，最大程度地提高了信息接收的效率和正確率。如平臺中【原理展示】模塊，通過動(dòng)態(tài)畫面呈現(xiàn)原油在相應(yīng)設(shè)備中流動(dòng)和物化反應(yīng)情況，使學(xué)員能夠直觀地學(xué)習(xí)到原油集輸工藝生產(chǎn)全過程的設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理反應(yīng)及設(shè)備流程順序等，更加易于理解，加深記憶，提高專業(yè)學(xué)習(xí)成效。

2.感官刺激更易于誘發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性。原油集輸虛擬交互可視化教學(xué)平臺設(shè)計(jì)模擬真實(shí)生產(chǎn)作業(yè)情景，使學(xué)員沉浸其中感受到各種刺激（如場景、閃動(dòng)提示、高亮輪廓顯示等），激發(fā)學(xué)員的好奇心和興趣，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的探究心理，促使其自主探究，誘發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。采用三維可視動(dòng)畫技術(shù)展現(xiàn)了設(shè)備、化工單元過程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，形象直觀，使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大大提高[2]。如學(xué)員漫游至截止閥感應(yīng)區(qū)，會(huì)跳出提示按鈕（截止閥、文字解析和設(shè)備拆解），學(xué)生出于好奇心理會(huì)主動(dòng)點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，進(jìn)而進(jìn)入截止閥相關(guān)模塊，了解設(shè)備原理及拆解安裝過程，熟悉設(shè)備相關(guān)知識，視覺直觀記憶遠(yuǎn)比文字形式深刻，學(xué)習(xí)成效更為顯著。

3.觸發(fā)學(xué)員情緒的長效喚醒度。人的大腦運(yùn)行本能是通過最少的運(yùn)算獲取最多的知識，一旦遇到復(fù)雜、難以理解的知識，就會(huì)產(chǎn)生惰性，轉(zhuǎn)而感到疲憊、焦慮，長期處于學(xué)不懂的狀態(tài)時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生厭倦、沮喪等負(fù)面情緒。傳統(tǒng)授課中大腦起初處在積極低喚醒度狀態(tài)，隨著課程時(shí)間的加長和課程難度的加深逐漸走向消極低喚醒度狀態(tài)[3]，所以一味地講解和灌輸知識并不能解決學(xué)習(xí)效率低的問題。而學(xué)員處于虛擬交互教學(xué)模式環(huán)境中，情緒通常是興奮的，大腦處于積極高喚醒度狀態(tài)，注意力集中，對于知識內(nèi)容記憶深刻；同時(shí)，知識內(nèi)容以視覺直觀的方式呈現(xiàn)，易于理解，加之視覺、聽覺感官刺激，調(diào)節(jié)情緒維持時(shí)長，大腦將長期處于喚醒度高的狀態(tài)[4]，對于教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)的效率處于較高效率階段。

大量相關(guān)研究數(shù)據(jù)和本教學(xué)平臺實(shí)驗(yàn)測試表明：虛擬交互可視化教學(xué)形式能夠高效率提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績，提升學(xué)生能力水平，使學(xué)生更快速的適應(yīng)崗位需求，并且具有以較少的經(jīng)費(fèi)和條件實(shí)現(xiàn)許多工程無法進(jìn)行的實(shí)訓(xùn)操作與技能訓(xùn)練的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)不同專業(yè)崗位場景的再現(xiàn)[5]，其將成為未來專業(yè)教育教學(xué)創(chuàng)新與改革的趨向。

四、結(jié)語

人類已經(jīng)進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著社會(huì)的進(jìn)步和知識更新速度的加快，我國教育現(xiàn)行的課程教學(xué)形式必須進(jìn)行變革，提高專業(yè)教育教學(xué)成效成為當(dāng)下知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代教育教學(xué)的核心目標(biāo)，至此探尋高效的教學(xué)形式成為達(dá)成核心目標(biāo)的有效途徑，進(jìn)而彰顯教學(xué)形式的經(jīng)濟(jì)價(jià)值效應(yīng)。

本文借原油集輸工藝流程設(shè)備虛擬交互可視化教學(xué)平臺，闡釋了一種游戲化、直觀化、臨場感的教學(xué)形式，并論證其在專業(yè)教育教學(xué)中的優(yōu)勢，突出的教學(xué)成效和學(xué)習(xí)效率，佐證其在專業(yè)教育人才能力培養(yǎng)、服務(wù)社會(huì)價(jià)值時(shí)效等宏觀層面具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。這種利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，借用游戲形式承載教學(xué)內(nèi)容，融合網(wǎng)絡(luò)渠道，突破時(shí)間和地域的限制，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行的多元化、游戲化、娛樂性的類似網(wǎng)游的教學(xué)形式儼然將成為未來教育教學(xué)形式的走向。