虚拟现实技术在能源与动力工程专业实践教学中的探索研究

黄秀辉

摘 要：实践教学是培养能源与动力工程专业人才创新能力与专业能力的重要方式，在国家积极发展“互联网+教育”的新形势下，实践教学的指导思想和培养方式也需要升级。在全球教育创新的改革中，VR教学已成为一个不容忽视的发展趋势。VR技术应用到能源与动力工程专业实践教学中，可有效地解决实践课程面临的产研脱节、开展成本高、普及度低等问题。通过数据化手段，可精确追踪定位学生学习情况，指导教师优化授课方式，提升师生效率;通过科学统筹规划，可构建虚拟现实资源平台，服务更多师生。

关键词：虚拟现实技术;VR;能源与动力工程;专业实践教学

实践教学在能源与动力工程专业教学中非常重要，对培养有创新精神的新时代工科人才具有重大意义。传统的实践教学受制于设备、耗材、场地、危险性等，开设成本高，影响普及度。应用虚拟现实技术，能有效解决成本、安全等问题，提高实践教学的普及度和学习效果。

一、能源与动力工程专业实践教学面临的问题

实践教学是培养能源与动力工程专业人才创新能力与专业能力的重要方式，通过多年的建设，大多数能源与动力工程专业已经建立起校内实习、实验、课程设计、企业参观实践、校外实习等多层次立体化的实践教学体系，为学生走上社会，成为专业的科研、工程人才，打下了坚实的基础。新形势下，人才培养要避免闭门造车，顺应产研融合的大趋势，实践教学的指导思想和培养方式也需要升级。常规教学方式面临的问题，亟须解决。[1]

一是产研脱节。由于高校客观条件限制，学生很少有机会深入接触和了解真实企业生产中使用的工业级设备和面临的各种实际的工程问题，学生学习到的专业知识，如何在工业实践中实际应用，信息上存在鸿沟。企业在竞争压力下不断求新求变，而高校专业知识的教学却存在一定滞后性。这导致学生毕业后，往往还需要企业对其进行大量的实践培训，才具备基本的胜任职业岗位的能力。

二是开展成本高，普及度低。由于实践教学对场地、设备、耗材、师资都提出了更高的要求，若要普遍开展，强化教学效果，需要大量财力、物力、人力支持，加之培养能够开展实践课程的师资，需要不少的成本;同时由于部分实验存在一定危险性，学校出于管理的考量，客观上也会降低开设此类实践教学的动力。因此，尽管学院高度重视，持续投入，加强师资建设，但实践教学在学生的专业培养计划中，仍然不及20%的比重，远远不能满足日益增长的实践培养需求。

综上所述，要将实践教学做到深入深化，结合实际，真正培养出理论和实践能力全面扎实的新时期能动人才，需要进一步解放思想，跳出传统思维，同人工智能、大数据、虚拟现实新技术趋势结合，探索出有效可行、成本优化的发展方向。

二、虚拟现实技术简介

虚拟现实技术（Virtual Reality） 是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术， 它利用计算机生成一种交互式的三维动态视景，其实体行为的仿真系统能够使用户沉浸到该环境中。[2]

构建沉浸式虚拟环境（Immersive Virtual Environment，IVE），能够可视化三维数据，提供交互环境，增强沉浸于计算生成的虚拟世界的感觉;同时，还能够为学习者完成特定任务提供模拟真实安全环境的机会。

《国家教育事业发展“十三五”规划》要求，积极发展“互联网+教育”。[3]大数据、人工智能等技术的发展，正在重构传统课堂教学，改变学校形态、教学方式、学习方式等。未来，我国教育信息化发展的技术方向将以“体验”为依托，以“数据”为基础，以“连接”为要义，以“开放”为策略，以“智能”为目标，以教育信息化为手段，构建更加智能的教育体系，以智能赋能教育体制机制创新。

当今教育信息化已经步入加快推进的黄金期，也是关键期。在全球教育创新的改革中， 虚拟现实教学已成为一个不容忽视的发展趋势。在教育教学领域，虚拟现实技术的应用可以创设自然、直观的学习情境，呈现复杂的机械电子设备，模拟化学、物理过程，有效提高教育教学质量，这种方式可以很好地激发学生的求知欲和好奇心，有助于培养学生的想象力和深度思考的学习能力，并大幅降低对真实场地、设备耗材的依赖，无风险，可重复多次实操，同时可将实践学习过程全程数据化，便于进行教学效果评估和数据挖掘分析，从而使当下虚拟现实教學成为学校调整教学装备和改变教学方式的优先方案之一。[4]

三、基于虚拟现实技术的实践教学改革

当前高校的物质条件、场地时间因素和更高的实践培养要求之间存在矛盾。而现阶段虚拟现实技术已经在视觉表现、动作捕捉、交互能力、原理模拟上达到较高水平，并带来了新的解决问题的思路。

（一）通过虚拟现实技术构建高真实度实践环境

虚拟现实技术，可以低成本、高复用地构建实践环境，如模拟贵重、大型设备的场景，或模拟真实工厂、企业生产流程工艺。由于能源与动力工程专业有大量设备、仪器的3D模型数据积累，因此构建虚拟场景的成本在此基础上可以大大降低。同时，从重复利用、标准化可配置的思路出发，计划同步建设可复用的能动设备VR素材库、场景库等开发工具平台，对一线教师进行适当培训后，即可基于工具高效、所见即所得地构建自定义虚拟场景，用于覆盖更多教学场景，积累一批高质量的虚拟实践课程资源。

现阶段VR硬件设备已经实现了标准化、占地小、易于部署的特点，建议从顶层规划统筹虚拟现实实践教学软硬件平台，采用统一规格、可高度复用的主流VR硬件设备;多学科的虚拟实践教学可以在同一平台上开展，实现资源的共享，高效利用。

构建虚拟场景时，需综合考虑VR的特性和能动专业教学的特点，基于不同的教学目标，可科学设计虚拟实践课程内容。如果某些实践目标以学生观看体验为主，则内容设计可偏重全景类实际拍摄数据，在预置程序引导下按照既定路径自动导览，视觉效果更为真实，减少不必要的移动、操作，降低课程开发成本。对于需要学生实操训练的课程，如实验课，构建虚拟场景时，可多采用3D建模，并且对操作对象设备进行高精度建模，充分发挥VR设备 6DOF的交互能力，尽可能真实还原操作的视觉、听觉感受。

通过建立物理、化学等领域的数值逻辑模拟引擎，可以让虚拟场景中的设备、仪器、耗材等产生符合真实世界客观规律的动作、反馈，并可以开放式修改参数、配置，使虚拟场景具有更高、更精确的仿真性能，加深学生对实践操作的认知。

（二）学习行为数据化，精准评估教学效果，持续反馈

虚拟现实技术构建的虚拟教学场景，天然具有程序化、数据化的特点。原本需要大量准备工作、需要耗材的实验，在虚拟化后，可以快速重复执行，极大提高了教学效率，节约大量经济和时间成本。

VR设备具备大量全方位的传感器，可以将学生的虚拟实践学习过程全面数据化。如通过VR手柄和空间追踪技术，可以定位、收集学生的操作数据;通过眼控仪可以追踪学生的视线移动和停留，收集学生注意力的转移过程。对数据进行自动化收集分析后，可以通过教学平台判断学生的操作是否正确，从而定位错误操作，指导学生修正;并且可以高效开展实践考试考核。

虚拟实践过程中，学习行为全面的数据化，可以在实践学习过程中、结束后，即时生成个人、班级报表，并进行对照统计。学生和学生，学生与班级，班级和班级间，都可以建立数据化的对比关系，指导师生查漏补缺，优化教学设计和教学方式;通过数据持续追踪和挖掘，定位高频发生的操作错误，更可以进一步精准指导教师优化重难点的教学。

（三）形成虚拟现实资源平台，复用共享，产生更大教学价值

虚拟现实技术应用到实践课程，一个重要问题是如何不断降低VR课程内容的生产制作成本，包括时间成本与经费成本。构建虚拟现实课程的主要素材为全景图片、全景视频、3D模型、3D场景等，如果全部依靠全新拍摄、制作，将是不小的成本。因此，要想将虚拟现实技术应用普及到实践课程中，就应降低课程制作成本，减少重复建设，做到素材资源的高效复用。

教师广泛参与、普遍开展虚拟现实实践教学，可以逐步积累大量能动专业虚拟现实教学资源和模型等素材。平臺化的统一的规划与管理，可以形成格式统一、标准清晰、重复利用的虚拟现实资源共享平台。在此平台上，已有的成品课程资源，可被更多教师直接复用到教学中;积累的模型素材等则可供教师快速制作自定义的新课件。同时该平台可以实现跨专业跨校的合作共享，促进交流，服务更多师生，创造更大的教学价值。

因此，建议同步建设课程共享平台、素材共享平台、基于素材的课程快速开发工具等资源共享平台及工具。对教师来说，进一步降低课程制作门槛，无须学习专业的全景、3D内容制作技术;通过所见即所得的方式，在工具中简单地拖拉组合素材，即可生成可用可共享的虚拟现实实践课程资源，高效低成本地开展实践教学。

四、结语

虚拟现实技术应用到能源与动力工程专业实践教学中，可有效地解决实践课程面临的产研脱节、开展成本高、普及度低等问题。

数据化手段，可精确追踪定位学生学习情况，指导教师优化授课方式，提升师生效率。科学统筹规划，可构建虚拟现实资源平台，服务更多师生，创造更大价值。

参考文献：

[1]周开发，曾玉珍. 新工科的核心能力与教学模式探索[J]. 重庆高教研究，2017，5（3）：22-35.

[2]虚拟现实产业发展白皮书[R].中国电子技术标准化研究院，2016.

[3]国务院.国家教育事业发展“十三五”规划[N].人民日报，2017-01-20.

[4]高东锋，王 森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略[J].中国高教研究，2016（10）：56-59.