VR技术在培训中的应用研究

摘 要：传统培训多运用文字、语音、视频等手段以及黑板、投影仪、电子白板等工具来辅助教学，教师通过反复多次教学来实现学员对知识点、操作点的记忆和掌握，效果不算很好。VR技术的引入，使得实时互动、主动学习、有效学习变成了可能。培训手段的提高，对培训的方法论有着新的要求。文章通过空调卫生检测培训为例，阐述了VR技术在培训中应用需关注问题及解决的方法论。

关键词：虚拟现实；空调卫生；培训

序言

通过我们实际调研，现在的培训主要采取讲PPT、读规范讲义、播放视频、面对面授课等方式来实行，还停留在传统培训的阶段。传统培训的特点是：（1）教学手段比较老旧，以黑板、幻灯片、投影仪等为主，近年来部分发达地区开始引入电子白板；（2）表现方式比较缺乏，主要是文字、语音、动画、视频等方式；（3）缺少互动和主动性，一般都是老师对学员单向授课，由于文化、个性、意识和习惯等诸多原因，国内学员一般性都缺少全过程的主动性参与和互动；（4）培训场所和培训内容不匹配，培训场所一般是教室或者会议室，布置是按照一般教室和会议室的规格，和具体培训内容无关，学员难以进入培训角色、状态和内容。VR（虚拟现实）技术的引进，引入了仿真性场景，综合了文字、语音、动画、视频及互动等多种方式，使得学员的主动参与和互动有了可能，让培训变得更真实、更有趣，更有效，同时也提出了一些新的问题。

1 VR技术及培训平台的介绍

VR（虚拟现实）技术是一种计算机仿真系统，通过感知终端，将用户的视觉、听觉、触觉以及未来的多感官感知引入到仿真的环境中，从而对仿真环境有种存在感的体验；通过交互终端，将用户的头部转动、眼睛、手势以及其他人体行为动作引入到仿真环境中，因此对仿真环境有种自主参与和互动感的体验。

认知行为理论[1]认为，认知相比于情绪和行为，起到中介与协调的作用，三者之中，认知解读行为，然后影响个体决定。影响认知本身的主要是自动化思考机制：长期积累形成的固定思考和行为模式。VR培训正是通过模拟设置真实性事件场景，通过问题界定、目标制定、策略评估，来引导用户相信培训行为及引出的思考、认识是理性的，情绪是正常的。通过修正认知，来达到和固化培训效果。

因此，VR培训平台整体设计如图1。

其中，模式设计，聚焦于为实现培训目标，如何选择改变用户的认知方式。场景设计，是模式设计完成后，构建仿真性的环境，以用户在培训目标仿真环境中的真实存在感为主要考虑。互动设计，是模式设计和场景设计都完成后，进行实现场景中培训目标所要求的各种行为设计。软硬件设计，是完成前面三种设计之后，进行硬件选择、引擎选择、软件设计和优化，形成完整性的VR培训平台。

2 VR培训面临的问题及解决的方法论

VR培训目前面临的问题，既包括传统培训存在的问题，也包括VR技术本身面临的局限。

（1）传统培训以解释规则文字为主，辅助图片、视频，学员除了系统性过一遍、选择性接受之外，整体性印象并不深。如果不是学员急需解决的问题，学员甚至都没有切身的感受。VR培训需要进行结构化的设计，以解决传统培训问题。另外，由于佩戴頭显，用户无法看到外部环境，因此VR培训本身与传统培训有着本质上的不同。

（2）VR技术本身目前还存在一些不足，比如现在最先进的HTC vive和Oculus Rift都需要线缆连接到电脑，限制了用户活动范围；由于用户活动受限，仿真环境中的移动和真实环境中的移动不能保持完全一致，在设计中需要替代方法；除非佩戴特殊笨重装置，用户的手部动作、全身性活动还不能完整模拟；输入手段方面的成熟解决方案还比较缺乏，需要行业领域的专业性开发；摄像机镜头的移动，带来不同焦点，移动过快或者变化不当，容易让用户不适，在交互设计上需要关注。

针对以上存在的问题，我们提出VR培训解决思路及方法论。

首先，VR培训既要以培训目标和内容为根本，又要结合VR设备的特点，来进行顶层模式设计，从而给用户带来的真实有效互动感受，通过充分利用真实互动感受，来加深用户培训的印象。有研究[2]提出：根据体验性学习过程特点，考虑学员的自主认知规律，将培训过程划分为任务界定和选择、学习计划设定、仿真操作体验和学习结果评价四个环节。该模型可以引导学员有效地进行培训学习。在实践中，我们在顶层架构上面摸索出一套VR培训方法，那就是“教-学-练-测”一体化的过程方法。详细来说：教就是老师讲练，学员看听；学，就是老师练，学员跟练；练，就是任务提示，学员练；测就是，学员测试。“教-学-练-测”以认知行为理论为基础，通过重复学员的学习和操作，一体化四阶段的反复强化，使学员将培训目标、要解决的问题直接与过程思考、操作实践紧密挂钩，从而形成“行为——认知——情绪——行为”的正向引导，达到良好培训效果。

其次，为达到对具体知识点学习效果的强化，我们总结出以任务为导向的知识点学习方法，以及包括场景温度、多媒体交互等手段。具体来说，参考娱乐游戏等关卡设计的方法，我们在具体知识点的学习上以任务为导向，通过任务系统设计、奖惩系统设计、排名系统设计，提升学员的参与感和主动性；通过设计人性化场景，引导学员自然进入场景，完成任务，在仿真环境中以愉悦心态来完成整体学习考核过程；通过引入语音、图像等新技术，让学员能以自然的交互方式来进行人机对话。

最后，充分利用现有软硬件，通过展示新技术优势，回避新技术不足，来构建学员完整性的真实体验。具体来说，通过内容策划、引入移动物体视角等方式，避免在仿真环境中的攀爬、跑动、跳跃等行为，减少在仿真环境中的行走；通过输入、摄像机等优化，来简化用户交互，提高用户交互的有效及习惯性，充分利用现有成熟的视觉、听觉等方式，减少触觉方式，避免其他不成熟的交互方式。

3 举例：空调卫生检测培训

3.1 培训背景

随着城市改造和建设的发展，集中空调通风系统在公共建筑中得到广泛使用。由于公共建筑内人员密集，建筑相对密闭，室内空气品质在很大程度上依赖于集中空调通风系统，一旦集中空调通风系统本身受到污染后污染物得不到及时清除，就会成为污染源，加剧室内空气品质的恶化。与室内空气不良存在密切关联的“亚健康”、“不良建筑综合症”不时困扰着长时间在公共建筑内活动、工作的人群。

为此国家出台相关规定，要求进行集中空调通风系统卫生检测。因为空调卫生检测分布在全区域各种楼宇实体，因此集中培训成为必要。目前培训主要是讲PPT和播放视频的方式，效果不佳，引入VR培训，重在提高培训效果和效率。

3.2 培训目标

培训主要是参照国家和地方的相关法規（如表1），以及空调卫生检测操作的专业规定（如图2）。这里不详细展开。

风管积尘采集及微生物擦拭如图2。

3.3 培训模式

按照“教-学-练-测”方法整理如下表2。

通过“教-学-练-测”的反复强化，实现对内容上许可、监督等知识点的理解、掌握和灵活应用。

3.4 场景及互动模式

以学为例，整理场景模块，以任务为导向，细化知识点及交互操作。如表3。

模仿真实场景进行还原，设计拟人化场景示意图如图3：

互动方面，引入语音识别，引导学员根据内容任务通过自然语言进行人机交互；引入图像识别身份，学员根据自身情况多次登陆学习测试；设计奖惩、排名，方便学员横向比较找差距，纵向比照看成长。

3.5软硬件选择

由于空调卫生检测的空间要求不大，细节精确度操作要求较高，我们选用性能表现优异的HTC vive及配套电脑硬件系统，采用UE4为引擎构建精细化场景，搭建空调卫生检测实训系统。充分利用硬件的优势，强化视觉与听觉，有效利用手柄，动作操作上以一个交互操作对应一次手柄使用。另配置语音识别装置，通过语音引导和互动来实现主要培训内容。场景切换采用关卡设计模式，避免移动上的不适。

3.6 实践效果

本系统对传统培训模式是一种升级，获得有关单位的认可，落实到全区域50多个队伍的培训中。通过本系统的实训，培训时间缩短到传统培训的20%以内， 学员满意度达到95%。

4 结束语

本文阐述了VR技术在培训中面临的新问题及解决思路，以空调卫生检测培训为例，阐述了具体问题和解决过程。本文提出的“教-学-练-测”一体化方案、任务导向的知识点培训方法、场景温度设计、多媒体互动，也适用于各种类型的VR培训。

参考文献

[1]蔡曙山，江铭虎.人类的心智与认知：当代认知科学重大理论与应用研究[M].人民出版社，2016，1.

[2]乔卉.面向电力培训的虚拟仿真理论及应用[D].武汉大学，2012.

作者简介：高杲（1980-），男，博士，高级工程师，毕业于上海交通大学，主要研究方向：虚拟现实、增强现实、人工智能。