沉浸虚拟现实技术在高职院校实训教学中的应用探索*

梅文涛，苑苓苓，郑勇峰，高 霞

(天津渤海职业技术学院机械工程系，天津 300402)

沉浸虚拟现实技术在高职院校实训教学中的应用探索*

梅文涛，苑苓苓，郑勇峰，高 霞

(天津渤海职业技术学院机械工程系，天津 300402)

针对当前高职院校实训教学受设备、场地、经费等因素制约的现状，分析了沉浸虚拟现实技术应用于高职院校实训教学的可行性，探索该技术对于提高高职院校实训效果的有效途径，以数控车实训为例提出了基于沉浸虚拟现实技术的高职院校实训教学应用，实现实训教学虚实结合一体化，实训教学环境和企业实训环境的无界化，突破了实训教学困境，大大提高了课堂教学效果，有着较高的实用推广价值。

高职教育；虚拟现实；实训教学；教学模型

当前科学技术迅猛发展，计算机技术、传感器技术、人工智能技术、场景生成技术、仿真技术等日新月异，各行业对技术人员的素质和能力要求越来越高，尤其对于专业技术人员的实践操作能力。高职教育，作为以现代信息技术为支撑，实现动手能力培养的的技术性院校，虽然越来越重视实训教学，但是受实训教学条件、设备、经费的制约等的限制，导致教学与生产岗位脱节，无法够满足现代企业对技术应用型专门人才的迫切需求。因此如何以当前先进科技为依托应用沉浸虚拟现实技术解决教学过程中的实践问题将成为高职院校工学教育环节的关键问题。本文基于沉浸虚拟现实技术提出了高职院校实训教学策略，实现了实践教学虚实结合一体化，实训教学环境和企业实训环境的无界化，突破了实训教学困境，大大提高了课堂教学效果，有着较高的实用推广价值。

一、沉浸虚拟现实技术应用高职实训教学的可行性

(一)虚拟现实技术

虚拟现实技术是以计算机技术为核心框架，通过可视化交互系统处理各种数据，构建出一个虚拟的空间供学习者进行体验各种情境的一种技术。虚拟现实的用户借助必要的设备如键盘、鼠标等输入设备，或者带上头盔、数据手套等传感设备，以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，使用户仿佛置身于一个逼真的、具有视、听、触觉的感观世界从而产生如同真实环境的感受和体验。在虚拟的环境中学生可以进行愉悦的自主学习，如同游戏般的视觉效果使得学生一边接收了专业知识，一边练就了实训技能。

沉浸虚拟现实技术是虚拟现实技术的一种主要形式，它通过提供学习者一个全新的虚拟空间，利用当前先进的设备如数据手套、位置传感器等使学习者参与到虚拟空间中，在虚拟的空间中处理各种问题以及使用机器设备等，使学习者产生一种身临其境的感觉。所谓的沉浸主要是指学习者在虚拟空间中以主角的感念存在的程度。

(二)沉浸虚拟现实技术对高职院校实训教学的可行性

当前高职院校实训教学方面大多采用设备教学、以教促学、填鸭式的传统教学方式。以数控车床机械结构的教学为例，教师一般首先通过PPT演示机床结构的示意图，然后通过机床设备进行实物教学，但由于机床结构复杂，价格昂贵，学生无法通过对真实机床的拆解认知其内部的工作状态，严重影响实训教学的教学效果。沉浸虚拟现实技术不仅仅解决了以上的问题还为学生营造出了一种快乐教学、 自主学习的良好学习环境，将传统的填鸭式教学方式转变为学生在虚拟空间中主动的与环境接触从而获取新知识和新技能的一种新型学习方式。将沉浸虚拟现实技术用于高职院校实训教学既可以增强学生在实训教学中乐趣又改变了以往传统的教学方式，实现了理论教学和实训教学的统一，突破了当前高职院校实训教学的困境。

二、沉浸虚拟现实技术提升高职院校实训教学的有效途径

目前，沉浸虚拟现实技术已取得了广泛应用，如在军事、交通、医药、航空、建筑等众多领域，应用于高职院校的实训教学中还处于初期阶段，不论在技术还是在制度上都不完善。因此，可以通过以下途径提升高职实训教学的有效性：

(一)理论与实践相对应的教学改革

首先，教学模式改革。改革“以教促学”的传统实训教学模式，积极推进基于“虚实结合”的高职实训教学模式，通过沉浸虚拟现实技术创设基于工作环境的、模仿真实工作者活动的虚拟学习情境，提高学生学习的有效性；同时努力探索利用该技术进行高职实训教学的有效形式，例如“虚拟生产实训”“项目虚拟教学”“任务虚拟教学”等各种形式的虚拟实训教学形式，努力培养学生在虚拟实训中养成职业意识和职业素养，形成较强的职业能力。

其次，课程体系改革。高职院校的宗旨在于培养学生应用知识能力和技能实际操作的能力。以教师教授、理论授课为主的传统教学模式，其课程体系已极大的落后于高职院校的培养宗旨。高职实训课程体系采用沉浸虚拟现实技术为平台进行改革，学生在虚拟实训过程中教、做、学三者相结合，有力提高学生自主学习的能力，从而增强了实训的有效性。

第三，教学条件的提升。改变传统的灌输式教学模式，将课堂教学转移到虚拟空间，教师充分利用虚拟世界中的一切资源进行引导，学生自主进行兴趣练习，身临其境体验实训的整个过程，充分的发挥了学生的主观能动性，极大的提升了学习效率。

(二)需组建高素质、专业化的教师队伍

作为教学活动实施者和主导者的教师，其综合素质、专业程度直接决定着高职实训教学有效性的开展程度。沉浸虚拟现实技术应用于高职院校实训教学既需要掌握现代教学方法又需要将虚拟技术与专业知识相结合的专业骨干教师。因此，对于教师素质有更高的要求。

1.基本技能要求 教师不仅需要具备较强的判断能力还需要具备敏锐的洞察力和前瞻的预测能力，对学生可以创造性地进行问题引导，使学生在实训过程中自主解决遇到的问题。因此教师不仅要熟练掌握虚拟平台的操作方法还要能够自主开发、更新和完善虚拟平台。

2.专业技能要求 作为技能为主体的高职院校，教师专业技能的高低将起到关键的作用。因此高职院教师需要经常深入企业一线进行实践锻炼，亲身感受技术和岗位的最新变化，积极向企业一线专家学习，不断反思，使自己成为名符其实的”双师型”教师。同时高职院校也需要不断的吸收企业技术人员参与教学，这样可以将企业的工作特征无形的融入到教学情境之中，搭建虚拟实训和现实之间的桥梁。

(三)合理开发虚拟实训平台

以沉浸虚拟技术的平台开发应符合高职院校专业人才培养要求和企业岗位环境，可以逼真的反映课程实训内容。虚拟实训平台的开发需要企业和高职院校共同完成以便实现实训教学与企业岗位对接，同时模块结构分布应该充分反映企业岗位需求。主体上应包含自主学习模块、虚拟训练模块和综合评价模块。使学生熟悉岗位职责、掌握相关专业知识和技能，可适当置增强了趣味性开发如游戏式的闯关实训，实训结束后可有效的对学生操作过程进行点评和提示和纠正。

三、以数控车为例的沉浸虚拟现实技术实训教学应用

现代工业体系中数控技术是机械制造业的核心技术，对于其技术的掌握水平将最直接的影响产品质量。当前高端数控人才稀缺，高职数控实训教学中着重考虑的问题就在于如何将当前企业中最新、最实用的数控技能教授给学生。但是昂贵的机床造价限制了高职院校的购买能力，而教学和实训又不能缺少数控设备。这一突出的问题因为沉浸虚拟技术的出现而得以解决。应用沉浸虚拟现实技术构建虚拟数控加工情境，学生利用该情境进行练习从而有效掌握数控加工技术，极大的改善了数控教学环境，提升了教学效果和质量。对此，提出以下几个方面将沉浸虚拟现实技术应用在数控技术教学上。

(一)沉浸虚拟技术的教学演示

在以往的教学方法中，学生获取各类型数控设备以及辅助仪器感性认识的方式主要是教材中的平面图和教师的PPT讲解以及观察实际教学设备的外形等。平面认知严重限制了学生的想象力，设备教学又严重增加了高职院校的教学投入。沉浸虚拟技术为我们打开了另外一扇门。利用虚拟技术将实物虚化，如利用CATIA技术建立数控设备的三维模型，并存放到虚拟数控实训教室里，学生通过虚拟平台可以随时随地地认识这些设备，并可以近距离观察甚至拆分这些设备以便了解其内部的结构，增强了数控教学的趣味，教学效果明显。

(二)沉浸虚拟现实技术的模拟实训和仿真教学

在传统的实训教学中，由于各方面的限制因素，诸如设备昂贵、材料价格限制、破坏性等等，许多实训是根本不可能普及甚至仅仅停留在理论的讲解，学生无法深入的了解。而在沉浸虚拟技术建立的虚拟数控加工情境中，学生可以身临其境的进行加工操作，如对毛坯进行定义，对工件进行装夹以及对刀操作等内容，完全模拟了零件加工的整个过程，并检验了学生对数控指令的掌握程度，解决了学生需要反复操作练习而设备不足等的问题。甚至于可以在虚拟环境中指导学生进行限制性额破坏实验。另一方面学生在虚拟数控情境中可以对机床各部分进行拆装和组装练习，熟料掌握机床结构，不受限于外界因素，也不会因为各种失误造成安全事故。

(三)沉浸虚拟现实技术的培训考核

利用沉浸虚拟现实技术的网络功能以及局域网环境中的双向互动功能，不但可以实现高职数控实训教学的远程培训，还可以实现远程作业、考试、评价等一体化功能，并自动保存试卷和评价，供学习者进行自主查询，实现无纸化办公。

(四)沉浸虚拟现实技术的拓展

数控机床的带来的不仅仅是生产效率的提高，同时机床故障维修也必不可少。由于数控设备价格高昂，将生产设备应用于教学拆装是不现实的。利用沉浸虚拟现实技术建立数控机床拆装平台从而达到培训和教学的目的，以厦门创壹虚拟数控机床培训系统为例，该系统采用虚拟技术进行逼真的3D 动画演示并且自动显示相关原理，同时可实时实行视点变换等功能。能够实现场景互动的实时性和360度的全方位展示，效果直观场景真实。学生除动手对机床进行虚拟仿真操作外，还可以对机床进行机械结构和电气线路方面的拆装练习，进一步积累实践经验。

四、结论

随着当前科学技术的不断发展，沉浸虚拟现实技术在高职实训教学中的应用将日益广泛地。对于当前高职院校实训教学的现状，应用沉浸虚拟现实技术进行虚拟实训教学将存在极大的发展空间，在数控机床方面的先行探索也为虚拟实训教学积累了有效经验，将大大突破当前高职实训教学的困境，提高了教学效果。目前，沉浸虚拟现实技术还存在许多问题，如虚拟环境与真实生产的差异、效果有待加强、成本有待进一步降低等。作为一种新型的实训教学方式和媒体，随着计算机技术的不断发展，这种新的实训方式必将广泛应用于高职实训教育教学中并发挥其重要作用。

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Research on Application of Immersive Virtual Reality Technology in Practical Teaching in Higher Vocational Schools

MEI Wen-tao, YUAN Ling-ling, ZHENG Yong-feng, GAO Xia

(MechanicalEngineeringDepartmentofTianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin, 300402)

In view of the current status that the practical teaching in higher vocational schools is restricted by devices, sites, and expenditure, this paper analyzes the feasibility of applying immersive virtual reality technology to practical teaching in higher vocational schools and explores effective ways to improve the results of practical teaching through this technology. Taking practical training of CNC lathe for example, this paper puts forward practical teaching based on immersive virtual reality technology in higher vocational schools to realize the combination of virtuality and reality in practical teaching, achieve boundless teaching environment and enterprise practice, break through difficulties of practical teaching and then greatly improve the effect of classroom teaching. It has higher practical promotional value.

higher vocational education; virtual reality; practical teaching; teaching model

2015-06-29

*2014年度天津市高等职业教育技术研究会课题，课题编号：XIV412

梅文涛(1985-)，男，山东人，讲师，主要讲授数控加工课程。

TP399

A

1673-582X(2015)08-0078-04