基于“VR+”的新工科创新实践虚拟演练实验室构建

杨南粤, 李争名

(广东技术师范学院 广东工业实训中心, 广东 广州 510665)

当前世界上新一轮科技革命和产业变革正加速进行,需要一大批多样化、创新型卓越工程科技人才[1-2]。然而传统的工程技术人才培养方式未能适应目前发展趋势,迫切需要加快工程教育的改革创新。新工科建设要求推进信息技术和教育教学深度融合,充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式,为培养新工科人才搭建创新创业实践平台[2-3]。因此,探索虚拟仿真等信息技术在工程实践教学中的深度应用,创新工程教育方式与手段势在必行。

虚拟现实(VR)技术是计算机图形学、传感技术、人机接口技术、网络技术等多种技术融合的新兴技术,广义上包含AR(增强现实)和MR(混合现实)技术。VR技术在创新教学方式方法上具有强大优势[4-5]。在新工科建设大背景下,如何推进虚拟仿真等信息技术与工程教育深度融合,创新工程教育方式与手段,是培养复合创新型工程科技人才亟待解决的问题。目前高校虚拟仿真实验室建设中尚存在多学科交融性弱、与产业需求脱节和创新自由度不足等问题,而构建VR技术与多学科交叉融合的创新实践虚拟演练实验室是解决这些问题的有效途径[6-8]。

1 虚拟演练实验室建设实施

广东技术师范学院的“广东省教育厅高等学校虚拟演练重点实验室——电气工程虚拟演练实验室”是广东省内较早开展虚拟现实科研、教学、社会服务的实验室之一。2016—2017年,学校联合曼恒数字、增强信息科技、飞瑞敖电子科技、新道科技等企业对该实验室进行重构,以VR与多领域、多学科交叉融合创新为核心,构建基于“VR+”的新工科创新实践虚拟演练实验室。该实验室利用“VR数字媒体协同创新教学平台”和“智能制造VR实验平台”两大平台以及“VR+课程”“VR+教育”和“VR+创造”三大模块搭建虚拟仿真实训体系。三大模块内容为：

(1) VR+课程——专业基础型、专业与技能型、工程创新型实验实训课程；

(2) VR+教育——应用集成、内容创新实践教育；

(3) VR+创造——创新创意构思、虚拟仿真交互设计、虚实转化3D打印、虚拟运作实操实训。

通过将VR应用到不同领域、学科,建立起培养学生多学科融合创新能力的工程实践空间。两大平台、三大模块相互联系、相互促进,构成渐进式的实践教学环节,形成多领域、多层次、多模块、开放型的创新实践训练模式[9]。学生通过虚拟实践,对创新活动由最初的观摩、体验、学习,发展到模仿、应用、制作,最后提升到完全自主探索和主动实践,创新精神与创新能力得到逐步培养。

目前该重点实验室拥有先进的VR/AR/MR系统软硬件设备和优质的企业资源,通过虚实结合的方式,多渠道、多层次加强和推进创新实践教育,已形成运转有序、规范灵活的实践教学模式,取得了较好的效果。2017年底,该实验室被广东省科技厅批准为“广东省现代职业教育虚拟现实应用工程技术研究中心”,成为广东省产学研协同创新的重要载体。

2 两大平台构建

“VR数字媒体协同创新教学平台”包括VR协同设计软件平台、VR数字媒体资源管理系统、VR多通道协同处理工作站、VR多平台实训系统和大空间定位VR显示终端等设备,实现多用户在同一VR下进行体验与操控,实现协同工作与创新。

“智能制造VR实验平台”包括实时互动开发套装、交互数据实时采集器、VR交互开发显示一体工作站和AR/VR交互展示终端等设备,可进行交互式的虚拟设计,快速实现创新设计理念。

两大平台分期建成后,通过整合虚拟环境软/硬件,实现两平台数据互通、资源共享、协同运作,形成一体化的VR/AR/MR系统。该系统的设备拓扑如图1所示。

图1 一体化VR/AR/MR系统设备拓扑图

3 基于VR+的三大模块构建

3.1 VR+课程模块

VR+课程模块是VR技术与不同学科专业交叉融合,面向理、工、人文社科、经管等学科的实验/实训/实习,构建不同类型和不同层次的虚拟实践课程,包括专业基础、专业与技能和工程创新等3个类型的课程。VR+课程的构建原则是产教融合创新与跨学科交叉融合。

3.1.1 产教融合创新,面向企业需求

实践教学应该而且必须是源于企业真实岗位需求[10]。因此,在兼顾专业理论知识的基础上,学校与企业紧密合作,联合开发各学科专业的虚拟孪生实践课程,将行业、企业的先进技术和优质工程资源(例如工程技术、产品标准、项目方案、质检案例等)融入虚拟实践教学中,使实践教学与职业岗位需求、产业发展水平相匹配[11-12],助力学生创新精神、创业意识和创造能力的培养。

与企业合作开发共建的VR+课程含有3种类型的VR实验：

(1) 专业基础型(验证型、测试型、纠错型等实验),旨在培养学生的创新思维和学习能力。方法：通过虚拟仪器实验平台,让企业最新的技术和仪器设备应用于课堂,使原有的实验项目由一变多,使实验内容由旧变新,保持实验教学的先进性、可变性和多样性。

(2) 专业与技能型(专业实操、实训、实习等),旨在培养学生的实践能力和工程能力。方法：建立实景仿真训练环境,使实践任务对应企业岗位要求,实践过程匹配企业运作流程,实践内容对接实际工程应用[5]。学生通过角色扮演、场景体验理解专业知识,掌握专业技能。

(3) 工程创新型(设计型、综合型、提高型实验),旨在培养学生的科研能力与创新能力。方法：将企业的工程实际问题分解、嵌套在不同的实验中,将独立的实验以项目形式串接,开展多人协同创新实验。

通过产教融合创新,企业利用学校的学术与智力资源提高自身的研发及核心竞争力[13-14]。例如虚拟演练实验室的智能物流作业环境,有自动化立体仓库、自动导向叉车、搬运机器人、数据采集设备等自动化设备和各种信息系统(如库存管理、运输路径优化、车辆调配、配货方案等),学生通过职业角色了解物流信息的基本流程,掌握各物流管理岗位上需要的技能和各物流设备的原理与基本操作[15],结合自身经验对物流某些环节的操作与管理提出创新见解,企业以此改进产品或生产流程,获得竞争优势。

3.1.2 跨学科交叉融合,拓展创新空间

多学科交叉融合是创新的重要源泉[8],构建VR与各学科交融的实践课程可增强实验的开放性,提高创新自由度。VR+课程拓展创新实践空间的方法如下：

(1) 利用VR技术构建工厂、企业的实景仿真,还原复杂工程问题,将来自不同学科、领域的方法、技术、信息和数据等有机融入实践,让学生运用多学科思维、方法和手段自主探索,创造性解决实际问题。

(2) 将多技术关联的科研、教研问题分解、嵌套在VR+课程中,特别是融入工程创新型VR实验中,引导学生将多学科知识、理论、技术等进行实质性交叉融合并创新运用[8]。例如驱动控制VR实验中的控制系统与机器人创意设计实验,学生要将学过的传感器及信号、接口设计、PLC控制、单片机等多门知识、技能结合起来并灵活运用,才能完成机器人的创意设计。

(3) 开发适用于多学科的VR+课程,使学生多接触综合性实践场景,促进不同学科的学生交流协作,提高VR课程资源的利用率和课程开发的计划性。例如智能制造车间VR实训、新能源车VR实训、智能物流VR实训、综合布线工程VR实训、通信设备VR综合实训、机械手操作VR实训等课程,均可面向电子与信息、计算机科学、机械与电子工程、自动化控制、汽车与交通工程等专业的学生开设。

(4) VR+课程体系采用开放性的模块化结构,便于根据需要对课程进行灵活的增/删/减和重组,或根据不同教学环节(实践训练、情景实习、技能比赛、毕业设计、创新创业教育等)的需要,通过不同课程的组合,增强多学科多专业的交叉融合,加强跨学科、跨领域实践内容的交叉渗透,生成新的功能,平滑升级到更高层次的应用。

3.2 VR+教育模块

VR+教育模块以教育作为VR应用对象,将VR技术与其他学科专业交叉融合,进行教育方面的创新应用与创新制作,包括VR在教育中的应用集成与VR在教育中的创新应用。

应用集成是指构建一个可支持教育的VR服务支撑平台,包含面向教育的建模框架库、仿真知识库、可视化模板库(简称三库)。建模框架库用于提高建模过程效率；仿真知识库使VR系统及其对象能够真实映射现实系统内容；可视化模板库从展示表达的角度提高可视化效率,包括仿真运行过程动态展现和仿真结果可视化表达。三库建设充分发挥我校VR平台优质资源的聚集优势,使现有的大量教育案例、工程项目案例、实验仿真模型和专业积累数据在VR平台中获得重用,产生更多的聚合效应[16]。

内容创新是鼓励、推动全校师生利用VR服务支撑平台的优质资源,开展VR在教育方面的创新应用与制作,将VR基本技术结合不同学科、专业制作和开发教学案例和课件,通过复合、多维的资源充实VR平台中的三库,拓展VR的应用。师生经过VR+课程的实践体验以及观摩学习VR平台上大量“别出心裁”的VR应用案例、教育课件,容易激发创新灵感、乐于模仿,将身边的学习资源或教学需求与VR技术进行融合创新。例如数学课,用虚拟场景+人机交互创设情景学习,让原本抽象的理论、深奥的数学公式变得可触可碰,创新传统教育的内容呈现方式。

3.3 VR+创造模块

VR+创造模块是鼓励学生挖掘创新思维潜力、主动进行求新求异的探索,利用VR技术进行创新制造,将灵感、发明、创意转化为产品[7]。该模块包括创新创意构思、虚拟仿真交互设计、虚实转化3D打印和虚拟运作4个阶段,其中虚拟仿真交互设计阶段包含“建模—VVA—仿真—优化—展示”等过程。按照CDIO工程教育训练模式,以虚实结合的方式构建“构思—设计—实施—运作”的创新实践环境,使学生经历由最初的创新创意灵感到虚拟仿真交互设计,再到创新作品(实物)呈现,最后到虚拟商业运作的过程(见图3),体验产品生命周期各个环节的创新创造。

图2 VR+创造流程图

4 虚拟演练实验室建设成效

基于“VR+”的新工科创新实践虚拟演练实验室在培养学生的创新精神和创新实践能力上发挥了积极的作用。我校学生在全国、本省各类学科竞赛、创新大赛中屡获佳绩,仅在2017年就获得特等奖和一等奖共计60余项。其中学生作品“基于物联网的输液及体征监控系统”获得了第十一届“毕昇杯”全国电子创新设计竞赛全国总决赛一等奖；“基于智能终端的康复服务平台”获“华为杯”第十二届中国研究生电子设计竞赛华南赛区一等奖；“下肢辅助康复仪”获第十四届“挑战杯”省级特等奖。这些创新作品的设计灵感主要来自VR资源库的VR+医疗相关案例。学生作品“3分钟读懂创客教育”获“iTeach”全国大学生2017(首届)数字化教育应用创新大赛一等奖,该作品是VR+教育和VR+创造的创新应用成果。

2018年1月,我校获评“广东省大学生创新创业教育示范学校”。

5 结语

VR技术为学校与企业建立起联系与合作的桥梁,为不同的领域、学科建立起融合与创新的纽带,为创新理论与创新实践建立起沟通与互动的通道。因此,构建基于“VR+”的新工科创新实践虚拟演练实验室,对创新工程教育方式与手段具有积极的作用,是实施“VR+”战略、推进VR技术与各行各业融合发展的有益探索。