虚拟现实技术在“理实一体化”教学中的应用研究

张丽媛，石连栓

（天津职业技术师范大学 信息技术工程学院，天津 300222）

虚拟现实技术在“理实一体化”教学中的应用研究

张丽媛，石连栓

（天津职业技术师范大学 信息技术工程学院，天津 300222）

分析虚拟现实技术在“理实一体化”课程中的优势，阐述遵循“认知－理论－实践”循环反复的教学过程，利用虚拟现实技术构建“理（Theory）、实(Training)、技（Technology）一体化”的教学模式。

虚拟现实技术；理实一体化；丰田U340E自动变速器；虚拟教学系统

0 引 言

我国多数职业院校仍采取以教师为主导的传统教学模式，呈现重理论轻实践的教学现象。那么，如何瞄准市场需求，通过新技术去培养新型的高技能人才是政府部门和职业院校密切关注的课题。虚拟现实技术在国内迅速发展，已经引起各行各业的广泛关注，将其应用于教育教学领域的研究已逐渐成为热点。因此，如何依托信息化这一有效手段，使其与职业教育深入结合，开发出适合职业教育发展的优质资源，推动教育和教学改革，进而培养出高端技能型人才，是我们急待解决的一个问题[12]。

目前，虚拟现实技术已从实证层面将其沉浸性、交互性等引入到不同的教学实践活动中，提出职业性与情境性相结合、先进性与典型性相结合、知识性与趣味性相结合的三大基本原则，激发学习者的学习兴趣，促进独立学习和协作学习，提升其职业技能[3]。例如，北京航空航天大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面的虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学在临场感的研究，除此之外，西安交通大学、上海交通大学、北方工业大学、西北工业大学、华东船舶学院、安徽大学等均有诸多科技研究的应用[4]。这些研究已凸现出虚拟现实技术具有一定的教育应用价值和功能。

1 虚拟现实技术在“理实一体化”中的优势

虚拟现实技术作为现代科技前沿的综合体现，利用计算机生成一种多源信息整合的模拟仿真环境，加强学习者的自主性、交互性以及多感知性，这正是“理实一体化”教学系统所要求的特性，如何利用虚拟现实技术让学习者的学习效果最大化是研究重点。

首先，源自于格式塔学派的认知主义学习论充分肯定学习者的主体性，重视内在的动机与学习活动本身带来的内在强化作用[5]。无论现实中存在着何种类型的学习活动，必须适合主体即学习者的需求。多数职业院校教学资源有限，无法保证每个个体实操训练，使其形成完整的知识结构体系。一定程度上，学习者的求知欲、信息处理能力以及与客体直接或间接交流的能力均得不到满足。因此，如何发掘学习者进行学习活动的内部动力，让学习者从枯燥无味的传统课堂跨入生动有趣的实践操作是职业院校普遍存在的问题，虚拟仿真教学能解决这一难题。

其次，虚拟现实技术在职业教育中的应用具有职业性、实践性、情境性、过程性、开放性等特点[6]。以汽修专业为例，汽车主要由传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统组成，自动变速器、发动机等是汽车传动系统的重要组成部分，结构复杂，工作原理难以理解，教学内容展现为知识的实践性、可视性、交互性和协作性。虚拟现实技术可以将抽象问题具体化、微观问题宏观化、复杂问题简单化，实现“理实一体化”教学的最优化。

最后，教学媒体是一系列抽象概念、范畴、原理构成的逻辑体系结构性知识的载体，它既要让学习者吸收、利用、消化和改造理论与实践性知识，又要突破传统教学的束缚，拓展其创新性思维和抽象性思维，运用适当的教学媒体对“理实一体化”教学具有十分重要的意义[7]。

传统课堂的教学中，教学资源仅限于图片、音频、视频等，再由学习者进行被动性记忆，极大降低主体参与性，多数学习者停留于理论层面。虚拟现实技术实现仿真教学后，学习者对学习目标感知性强，借助于作为中介工具的虚拟教学系统与作为客体对象的学习内容进行有效的交互，进而促进学习者共同体的创建以及他们的社会性发展。通过教学系统中3D模型虚拟仿真场景，让学习者沉浸其中，更好地拓展实践性知识，增强实践技能。与传统教学媒体相比，具有的优势见表1。

表1 教学媒体对比表[8]

2 利用虚拟现实技术构建“理、实、技一体化”教学模式

“理论教学与实践教学一体化”简称“理实一体化”，是理论知识讲解和实践技能训练并重的教学模式[9]。汽修专业是以培养学生实践动手能力为目标，结合典型的工作任务，将课堂理论与实践操作有机结合，使学习者游走于教学空间和实践空间，实现从理论到实践、从实践到创新的转变。由于实训设备昂贵、时间和空间的局限性、安全隐患等问题，难以满足教学需求。鉴于此，为更好促进教学资源由点到线，由线到面，由面到空间的立体化，逐步培养出生产一线高素质技能型人才，现将虚拟现实技术融入教学环境中，让学习者实现虚拟仿真学习[10]，如图1所示。学生通过传统课堂、网络课堂、实验室等对理论知识进行学习，利用虚拟现实技术仿真实训操作，提高学生操作技能，为校内实训、企业培训、顶岗实习、校外实训奠定良好基础，完成学校、企业的工作任务，成为具有方法能力、专业能力和社会能力的职业技能型人才，最终使职业院校实现理论（Theory）、实践（Traning）、虚拟现实技术（VR Technology）融合于一体的教学模式，简称3T教学模式。

3 3T教学模式的教学活动设计——以丰田U340E汽车变速器为例

3.1 教学前提

职业院校中，学生已经学习了汽车构造、汽车电器、汽车检测与维修、发动机电控技术等课程，并且取得中级、高级技工资格证。为保证教学质量，2名及以上的双师型教师进行理实一体化授课，教室由实训室和多媒体教室组成，并配备零部件分解挂图、教学模型、设备陈列橱柜、PC虚拟操作系统、设备拆装平台等[11]。

3.2 培养目标

基本目标是掌握自动变速器的基本知识，理解自动变速器的结构和传动原理，获得独立拆装油泵、离合器、制动器、单项离合器、行星齿轮、阀体总成等部件的能力，并能够正确使用仪器、设备进行常见故障的诊断分析能力。

图1 3T教学模式构建图

能力目标是一个循序渐进、逐层推进的过程，如图2所示。

3.3 教学方法

图2 能力递进图[12]

本课程注重实践操作，遵循“理、实、技一体化”教学模式，运用多种教学方法，培养高端技能型人才为最终教学目标，见表2。

表2 教学方法表

3.4 教学内容设计

职业院校的教学过程是教学质量最大的影响因素之一，虚拟现实技术作为理论、实践的中介工具为学习者开辟了新的学习领域。依据企业和学校的教学现状调研结果，明确将其教学内容与实际工作紧密结合，见表3；并对其梳理、选取、整合，确定16个实训项目，其中前12个为高职学生必修项目，后4个为提高技能的选修项目，见表4。

3.5 学习情境设计

教学过程中教师作为引导者，采用多种教学策略，分析学生的学习风格，原有知识结构，设计教学内容、教学目标、教学场景，通过虚拟现实技术实现情境重现，最终让学生自主探究，获得操作技能，教师进行评价指导，如图3所示。依据学生职业能力形成规律,按照实训项目的编排方式对学习领域的教学内容进行序化,设计出丰田U340E自动变速器检修的学习情境,并进行学习情境详细设计，表5为实训项目1的教学情境表。

4 3T虚拟教学的实现——以丰田U340E自动变速器为例

从教学设计角度出发，遵循情境化学习结构图，将教学内容按实训项目划分，并对学习者、学习内容、学习目标、教学媒体进行简单的分析，得出“理实一体化”教学模式的教学方案，从而将系统划分为5大模块，即知识链接、课外拓展、虚拟实训、技能考核、操作说明，如图4所示，为下一步开发虚拟学习系统做好准备[13]。

本系统围绕虚拟实训为中心，通过知识链接、课外拓展模块为学生夯实理论知识，让其能够借助理论知识和必要的工具初步判定故障位置，然后进入拆装实训，强化学生对变速器的拆装，为维修做好准备工作。

表3 企业工作内容对应学校教学内容表

表4 实训项目表[14]

图3 情境化学习结构图

表5 教学情境表

图4 系统功能模块图[15]

5 结 语

基于“理实一体化”教学理念，结构虚拟现实技术，构建“理、实、技”3T教学模式开发的教学系统，消融了理论和实践的边界，为学习者提供仿真沉浸式服务，激发多维度学习动机，内化知识结构，使得课堂教学直观形象、安全便捷，弥补教学条件不足，提高教学质量。

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（编辑：郭田珍）

1672-5913(2017)02-0025-05

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张丽媛，女，硕士研究生，研究方向为教育软件工程，zhangly0828@163.com；

石连栓（通信作者），男，教授，研究方向为教育软件工程，shilianshuan@sina.com。