VR技术应用于工程实训课程探究*——以西北工业大学的“VR虚拟装配综合实训课程”为例

王灵利 齐乐华 罗 俊[通讯作者] 吕 冰 蒋建军

VR技术应用于工程实训课程探究*——以西北工业大学的“VR虚拟装配综合实训课程”为例

王灵利1齐乐华2罗 俊2[通讯作者]吕 冰1蒋建军1

（1．西北工业大学 工程实践训练中心，陕西西安 710072；2．西北工业大学 机电学院，陕西西安 710072）

在“新工科”背景下，国防特色工程教育对高校在校学生的工程实训教学提出了更高要求。基于此，文章围绕VR技术的三大特性，提出了VR技术应用于工程实训课程的建设思路。随后，文章以西北工业大学“VR虚拟装配综合实训课程”为例进行教学设计，设计了实训课程的教学流程，并通过问卷调查进行了教学效果分析，发现VR技术能够规避教学风险、提升教学质量，在现有工程实训课程中具有较高的推广价值。最后，文章提出VR技术应用于工程实践教学的建议。在实训课程中灵活运用VR技术，可提升学生参与实训的兴趣、提高教学效果和质量，减少实训误操作危险，并可为工程实训教学方法的改进和创新人才的培养提供参考。

VR技术；工程教育；实训课程；教学改革

引言

新工科交叉、融合、创新、协同、共享的育人理念[1]，对工程实训教学提出了更高要求。基于此，国防、军工等特色高校工程实训教育应将本校的学科特色、专业优势与实训内容进行融合，延展教学模式的创新性与多样性，遵从国家发展需要，培养具有家国情怀、工匠精神和引领未来的领军人才。

目前，西北工业大学工程实训教学体系已进行多次改革，增加了视频、计算机虚拟仿真等教学形式，且课程考核解除了实训产品中对部分形状和尺寸的限制，以给学生一定的设计空间，但仍然存在一些问题：①工程实训教学大多以“师傅带徒弟”的方式开展，教学内容雷同度高、模仿性强，与大学生独立性、批判性的思维和认知发展要求相矛盾，不利于其个性化发展和创新创业思维的培养；②受实训安全影响，教学内容创新和多元化改革的实施难度大，导致部分有利于拓展学生视野、完善学生知识架构的内容难以开展；③教学内容与科技发展脱钩，目前教学中多采用虚拟仿真动画、模型、视频等方式介绍新科技的发展和新设备的工作原理等内容，学生难以直观地了解其内部结构和运作机制，导致对知识的掌握存在盲点和偏差。针对上述问题，西北工业大学的教学团队通过文献、调研等方式，分析和研究系列化VR课程的建设情况，并将其引入到工程实训教学中。

VR技术是以计算机技术为核心，通过结合视觉识别、动作捕捉等技术，生成与目标环境在视觉、听觉、触感等方面高度近似的沉浸式可交互虚拟场景的新型技术[2]，具有沉浸性、交互性、想象性等特性[3]。VR技术能在教学环境和操作方式上更加真实地还原实训教学，并利用其特性，将实训教学中需要教师大量示范的教学内容和真实的学生实训操作过程进行高逼真模拟；同时，用设置语音、文字、动画等提醒方式替代教师的讲述和指导，用在操作中添加试错点和呈现误操作后果的方式强化学生记忆，并用计算机统计、分析学生实训过程中的数据作为教师进行学生成绩评价的依据，因此VR技术的应用有望改变“师傅带徒弟”的传统实训教学方式。此外，VR技术提供了开展教学和实训的虚拟环境，能够在保障学生安全的前提下，实施创新性、多元化教学的探究与尝试；在虚拟环境中，教师使用的教具为虚拟模型，易将新技术、新设备的工程应用融入到实训教学中供学生学习和训练。VR技术对现有教学内容、教学方式、教学组织的颠覆性突破[4]，有望在未来深刻地变革传统工程实训教学模式。

一 国内外高校的VR教学实训课程建设现状

国外对VR技术十分重视，纷纷将其引入教育领域。例如，沙特国王大学的Salah等[5]在开展工业4.0认知工程教学时，开发了基于VR技术的平口钳自动化装配线实训课程，内容涵盖模型设计、装配路径规划、设备操作培训等；同时，通过对比传统课堂上学生在实训操作过程中的表现，认为VR技术在训练学生的实践应用能力、促进学生对理论知识的理解等方面有明显优势，并验证了VR技术完全可以胜任以工业4.0为主的工程教育。德国斯图加特大学的Pletz等[6]使用VR技术训练学习者的设备组装技能，并将获取的技能迁移至实际的工程应用中；通过对比，他们发现采用该教学方式的学生在操作用时上明显少于传统课堂培训出来的学生，并结合问卷调研分析得出结论：VR技术在培训的有用性、易用性和学员的学习兴趣培养方面评价较高。而在美国，早在2010年就出现了由政府主导提供的VR技术应用于教育领域的评估标准[7]；2020年，美国高校教育信息化协会预测AR、VR、MR等新兴技术会成为远程学习未来的发展趋势[8]；乔治亚大学在新型冠状病毒流行的背景下，面向机械臂的实训课程开发了一款基于AR、VR技术的远程教学系统，只需学生远程下载安装即可开始学习，并通过学生对真实机械臂的操作应用效果证明了其教学的可行性[9]；北卡罗来纳州立大学的Johnson等[10]利用VR技术将人工智能、机器学习的授课内容与教师指导过程虚拟化，为学生的线上学习提供了面对面实训的机会，且增强了线上教学的沉浸感、交互性、想象性和智能化。综上可知，VR技术已在工程教学和技能培训方面得到大量应用，其教学效果也得到了验证。美国提出的VR技术应用于教育领域的评估标准，以及沙特阿拉伯、德国、美国等国进行的远程实训教学研究，均可为我国工程实训教学和课程建设提供有益借鉴。

在国内，“十四五”规划纲要已将VR列入“建设数字中国”数字经济的重点产业；在教育中，VR技术的应用数量由2016年底的59个增加至2017年底的172个，年增长率为292%[11]。VR技术的工程实训教学主要分为两大类：①设备与技术认知。例如，西安交通大学在建设的国家级虚拟仿真实验教学项目“火电厂热力系统VR认知及瞬态过程能耗特性仿真实验”中，将火电厂的生产流程、运行原理、先进技术等制作成VR场景，使学生在教室中就可完成认知实习，且不受时间和空间的限制，增强了实习成效[12]；哈尔滨工业大学工程创新实践中心H²-VR全息实训室拥有与宇航空间机构设计、智能数控机床虚拟操作、汽车虚拟设计与装配等相关的VR资源，通过沉浸式教学，让学生了解复杂设备中机械零件、运行原理、传送路线等方面的知识。②虚拟实践培训。例如，山东中医药大学建设的国家级虚拟仿真实验一流课程“基于VR技术的GMP药厂中药制剂虚拟仿真实训课程系列模块之中药颗粒剂的制备”将中药制剂实训课程开发成VR资源，学生通过对制药工序、设备操作流程、安全行为规范的反复学习和训练，不仅提高了动手实践能力，而且获得了贴近真实药厂的岗位培训机会；华南理工大学工程训练中心基于VR技术的喷漆、电焊等教程，设置了操作、教学、考核等教学模块，通过虚拟场景为学生提供设备安全操作规程、错误操作修正等方面的培训，增强了学生的安全意识和实践能力。在现阶段国内高校的VR虚拟工训教学中，课程建设呈现出建设方向侧重于学生视觉体验和演示、建设资源倾向于量小而精致的虚拟场景、建设内容注重实训过程的规范性培训等特点，但在学生自主性、探究性虚拟实训和协同创新创业教育的教学改进等方面还鲜有研究。

当前，国外将VR技术应用于工程实训教学的研究已初显成效，而国内的相关研究相对谨慎。基于此，本研究提出一种以VR技术开展工程实训教学模式的多元化改革思路，旨在通过开发与实际教学一致的虚拟实训环节、建设多种差异化的教学场景、设置试错点和提示项代替教师指导、要求学生编写商业计划书等方式，优化教学方法，加强教学内容与学校特色、科技发展的融合，并营造创新创业的实训教学氛围，使学生的个性化发展、情感价值塑造、创新创业意识构建与工程实训教学有机融合，从而提升人才的培养质量。

二 VR技术应用于工程实训课程的建设思路

本研究根据工程教育的人才培养理念，从工程实训角度梳理了VR技术特性在教学各环节的优势和应用方法，将课程内容和培养目标分散于三大特性之中，提出了VR技术应用于工程实训课程的建设思路，如图1所示。

图1 VR技术应用于工程实训课程的建设思路

①沉浸性：是指使用者完全沉浸在虚拟教学环境中，按照自然状态下的视角、听觉等对事物进行观察和学习。利用此特点，工程实训课程的教学目标是帮助学生扩大专业视野、树立工程意识，使学生在教室内就能完成对领域背景、现状和发展趋势的认知；教学设计上可打造涵盖飞机制造、航空发动机装配、智能制造等高成本且不可逆并与学校特色、行业先进技术相融合的教学环境；教学资源上可将实体工程现场建造成3D模型，形成逼真的教学场景；教学组织上要使学生完全沉浸在虚拟空间中，不但目光所及皆为立体环境，而且能在该环境中自主漫游；考核方式以技术答辩的方式进行，重点考查学生使用VR技术学习之后的效果。沉浸性应用到课程建设上，不仅可以满足学生获取专业领域知识的需求，使实训教学得以延伸，还能让学生在无教师指导的情况下完成课程中实训技能的学习，为差异化实训教学创造了条件。

②交互性：是指操作者利用肢体动作像在真实环境中一样操控虚拟场景中的物体，完成某项特定的任务。利用此特点，工程实训课程的教学目标主要是锻炼学生的动手实践能力，使其能将获取的经验迁移、应用于解决实际工程问题；教学设计上可设置虚拟场景中设备、工具等教具的功效触发点或学生进行自主漫游、虚拟实训的操作节点，为学生提供动手实训的机会；教学资源上可设置合理实训方案，注重实训操作的真实性，增加实训机会；教学组织上要重视实训操作培训，使学生能熟练操作VR手柄模拟的手指或工具，完成与现实教学基本一致的虚拟实训任务，并通过教具颜色的变化和语音提示替代教师的指导；考核方式以模拟实体操作为主，学生的每一步操作（包括误操作、提示次数）均会形成数据并被系统自动记录。交互性应用到课程建设上，可有效保障学生获得更多的实训机会，从而提升其操作技能。

③想象性：是指开发者利用客观事物的发展规律在虚拟环境中预设多种场景，刺激使用者的主观能动性，为其提供更加真实、有效的学习环境。利用此特点，工程实训课程的教学目标是通过在VR虚拟环境中植入具有思政性、探索性和创新性的内容，培养学生的设计应用能力、创新意识和家国情怀；教学设计上可模拟教学场景中设备误操作后的故障、误入禁区的后果强化学生的规范意识，也可适当融入“三航”、机电等专业知识提升学生的专业素养和价值观；教学资源上可植入产品设计方法、创新创业训练、家国历史等内容，配合原有的实训内容创新教学方法；教学组织上可发挥虚拟实训可逆、安全的优势，使学生在虚拟实训的过程中大胆尝试，并在多重教学资源的支撑下实现自主学习；考核方式采取书面报告的形式，记录并分析学生的创新思路、实施过程、产品市场价值等，使学生建立起工程创新设计与商业思维之间的联系。想象性应用到课程建设上，能促进学校特色、课程思政、“双创”教育、实训预期结果与工程实训教学的融合，实现实训教学的多元化。

课程建设思路充分挖掘了VR技术特性与工程实训教学之间的联系，并通过虚拟场景转变了原有教学中师生的角色，为学生提供了在工程世界中探索和尝试的机会，使其不仅具有专业的工程素养和丰富的知识储备，还具有多视角、能实践、敢创新的综合应用能力。

三 VR技术应用于工程实训课程的案例

按照VR技术应用于工程实训课程的建设思路，西北工业大学利用VR技术对金工实习—装配课程进行改革；同时，结合美国缅因州国家培训实验室提出的学习金字塔研究理论[13]，将课程中的学生主动学习环节占比提高至85%，形成了独具特色的“VR虚拟装配综合实训课程”（下文简称“实训课程”），以助力培养学生的实践应用、表达沟通和创新创业等能力。

1 教学设计

为了培养学生的创新意识和设计思维，锻炼学生判断和解决工程实际问题的能力，并加深学生对工程原理的认知，实训课程的教学内容融合了机械原理、刚体力学等专业知识，将槽轮机构、内燃机机构等30余种经典运动机构的运行原理、装配工艺方法、考核方案等制作成VR虚拟场景。学生需要自行选择机构，经过VR虚拟拆装、答辩等培训后，在实验台上完成机构的实体装配，并通过不断调试，实现机构的运转。后期，课程借助VR场景将某型号航空发动机、太空机械臂等高科技航空航天产品呈现给学生，要求学生就其设计结构、应用原理、优劣势等开展讨论和分析，并在此基础上尝试设计一种新产品的原理方案，编写商业计划书。

2 教学流程

根据大学生认知高阶思维所表现的主动性、批判性、探究性特点[14]，综合考虑大学生学习方法和途径的多样性，实训课程将需要教师讲解的多数内容设置在VR虚拟场景中，主要由学生自主学习，教师只需辅助指导和进行考核，具体的教学流程分为理论与思政教学、VR虚拟实训与考核、实体装配训练、创新创业训练四个环节，如图2所示。

图2 “VR虚拟装配综合实训课程”的教学流程

①融入家国情怀的理论与思政教学。本环节以教师讲授为主，重在让学生掌握装配原理、技术，同时穿插航空航天产品的设计标准、制造工艺、装配技术等知识，为学生的后续专业学习提供支持。课程还适时融入了国家对航空航天的产业布局和献身国防事业的思政元素，并借助VR场景，将C919大飞机航空发动机的运行原理、设计结构、装配过程等呈现给学生，使学生获得逼真的工程现场体验，增强学生对国家工业发展的自豪感和民族意识，培养家国情怀。

②自主交互的VR虚拟实训与考核。VR虚拟实训环节如图3所示，系统通过语音和颜色变化（如绿色为正确操作、红色为错误操作）的提醒方式，指导学生开展虚拟实训，如同隐形的指导教师；学生则佩戴头盔，手持VR手柄模拟的扳手、螺丝刀等工具，对运动机构的每一个部位进行拆卸和装配操作——这种近乎真实的培训方式实现了培养学生动手能力的目标，也为实训课程的去雷同化创造了条件。学生经过VR虚拟实训培训后进入VR实训装配考核环节，本环节有错误提醒、纠错和操作记录功能，有助于锻炼学生的工程意识，是实训课程实现学生探究性思维训练和创新能力培养的关键环节。

图3 VR虚拟实训环节

③以探索性训练为主的实体装配训练。为保证VR实训的教学质量，实体装配训练前期要进行学生技术答辩考核，时间为3分钟，重点考查学生对机构原理、装配流程、技术关键点的掌握情况，既巩固学生的学习效果、锻炼其沟通与表达能力，又为教师后续教学提供参考。学生通过答辩考核后，方可进行实体装配训练。本环节将考查重点放在装配环节的公差配合、装配工艺顺序、受力分析等方面，这就要求学生装配的所有运动机构必须能按照原有的轨迹运动，因此学生需对每个装配环节的零部件配合间隙、装配方案、刚性及受力点做出准确判断并及时调整，其挑战性极强，对学生工程实践能力、创新能力的提升和设计思维的培养有重要意义。

④以创新创业训练为目标的提升环节。本环节是通过学生对VR场景中航空发动机、太空机械臂等航空航天产品的结构和原理进行分析与讨论后，结合学生所学的运动机构相关原理知识，完成有益于社会发展的产品方案设计。产品方案以报告的形式呈现，要求学生论述航空航天产品的设计原理、适用行业、竞争优势、市场前景等，使学生深入了解现代技术在我国航空工业领域的应用，激发学生的创新思维和创业意识，训练其创业策划能力，培养其回馈社会、创造价值的情怀，并为领军人才培养奠定基础。

3 教学效果

①问卷调查分析。实训课程开设初期，本研究面向西北工业大学航空学院的120名本科学生展开了问卷调查。问卷对课程编排和教学内容丰富性、难易情况、VR技术在课程中的作用、学生对VR技术的兴趣点进行了调查，并采用SPSS 24.0进行问卷数据统计，结果显示：有96名学生对课程编排和教学内容的丰富性表示支持，15名认为课程难度较大，9名选择其他；有75名学生对VR场景开发表现出极大的兴趣；但是，也有7名不喜欢VR实训且在VR场景中出现了身体不适的情况。分析学生身体出现不适的原因，可能在于人体的视觉感知与肢体行为出现落差，即大脑接收的视觉信号为运动状态，而接收的肢体信号为静止状态，故使身体产生了自我保护。为解决此问题，一方面可以改造VR头盔，使学生的视觉处于半透明状态，能够观察肢体运动；另一方面需要学生按照操作要求进行肢体运动，同时降低软件画面移动的速度，以减少视觉感知与肢体行为的落差。

②总评成绩和创新成果分析。西北工业大学自2020年6月开设实训课程至今，其实训操作错误率比未使用VR技术的装配实训学生降低近60%，实训仪器损坏保修次数也减少至原来的1/3，且学生成绩进步明显。实训课程连续三个学期学生的总评成绩饼状分布如图4所示，可以看出：在2020～2021学年春季学期，有169人达到优秀（90～100分），其优秀率（占比56.2%）相较于2019～2020学年春季学期的28.4%、2018～2019学年春季学期的31.5%有显著提升；同时，有129人达到良好，已没有2019～2020学年春季学期、2018～2019学年春季学期的中等（70～79分）、其他情况。

图4 实训课程连续三个学期学生的总评成绩饼状分布图

值得一提的是，在第十九届全国大学生机器人大赛（RoboMaster）中，参与西北工业大学实训课程的学生在战车结构方案设计、装配干涉分析能力提升等方面表现优异，最终取得的竞赛成绩综合排名全国第9，相比上一赛季的第32名进步显著。

四 VR技术应用于工程实践教学的建议

案例分析结果表明，VR技术能够规避教学风险、提升教学质量，在现有工程实训课程中具有较高的推广价值。但是，受限于VR引擎使用难度大、内容专业性强等问题，VR技术并未在实训课程中大量应用。基于此，本研究针对VR技术在工程实践教学中的应用提出以下建议：

①降低VR引擎使用难度，打破教师开发壁垒。降低VR引擎的使用难度，旨在实现Unity3D、UE4等专业VR引擎软件计算机语言编程的模块化、图形化，支持具备三维建模能力的教师自行开发和建设VR虚拟教学资源，从而打破教学实际需要与软件开发之间的壁垒，实现虚拟教学资源的低成本化和普及化。

②实施资源共享，均衡教育资源。充分利用国家示范性虚拟仿真实验教学项目的优势资源和基础条件，建设互联网共享平台，打造跨区域共享的优质VR虚拟教学资源，使参与资源共享的高校只需提供VR设备即可实施教学，以有效化解教育资源不均衡的难题，优化资源配置。

③与学校专业学院联合，培养行业所需人才。加强与学校专业学院的联合，一方面利用学院的专业背景和科研成果，提升工程实训教学内容的先进性和高阶性；另一方面按照学院专业课程对学生实践能力的要求，培养行业所需人才，提高育人质量。

五 结语

本研究针对传统工程实训教学在教学模式、创新创业人才培养、学科交叉融合等方面难以适应新工科建设要求的问题，进行了VR技术应用于工程实训课程的探索，发现VR场景开发的学生满意度较高，工程实训课程有助于提升学生成绩。可以说，VR技术在工程实训教学过程中能够代替教师完成对实训项目的指导，在工程实训教学多元化改革方面优势明显。但受制于投入资金有限、应用规模较小，复杂的工程应用场景及其控制系统尚未建立，内容的多样性和环节的个性化不足，故工程实训课程还需要进一步完善，其课程教学的定量评分也有待进一步细化。此外，如何利用VR技术更好地支撑工程实训教学培养人才，也是后续研究的重要方向。

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编辑：小米

Research on the VR Technology Applied in Engineering Practice Training Courses——Taking Northwestern Polytechnical University’s “VR Virtual Assembly Composite Practice Training Course” for Example

WANG Ling-li1QI Le-hua2LUO Jun2[Corresponding Author]LV Bing1JIANG Jian-jun1

Under the background of “new engineering”, the engineering education with the national defense characteristics, has put forward higher requirements for the engineering practice training teaching of college students. Based on this, focusing on three characteristics of VR (virtual reality) technology, this paper put forward the construction ideas of VR technology applied in engineering practice training courses. Then, by taking the Northwestern Polytechnical University “VR Virtual Assembly Composite Practice Training Course” for example, this paper designed the teaching process of the practice training course, and analyzed the teaching effect through questionnaires. It was found that VR technology could avoid teaching risks and improve teaching quality, and had a high promotion value in the existing engineering practice training courses. Finally, some suggestions on the VR technology applied in engineering practice teaching were put forward. Further, the flexible use of VR technology in practice training courses could enhance students’ interests in participating in practice training, improve the teaching effect and quality, reduce the mistakes and dangers in practical training, and provide guide for the training of innovative talents in engineering practice training.

VR technology; engineering education; practice training course; teaching reform

G40-057

A

1009—8097（2022）07—0085—08

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.07.010

基金项目：本文为教育部2019年第二批产学合作协同育人教改项目“基于虚拟现实技术（VR）的数字化装配实验室建设”（项目编号：201902227031）、2022年度西北工业大学教育教学改革研究项目“基于VR技术的多元化工程实训教学模式创新与实践”（项目编号：22GZ13101）的阶段性研究成果。

王灵利，技师，本科，研究方向为工程实训教育与虚拟技术应用，邮箱为1447873804@qq.com。

2021年12月26日

编辑：小米