虚拟现实技术在实践教学课程中的应用

刘岩，康丽，侯强华，代国忠

虚拟现实技术在实践教学课程中的应用

刘岩，康丽，侯强华，代国忠

（桂林航天工业学院 能源与建筑环境学院，广西 桂林 541004）

实践教学内容和方法的设计是应用型地方高校提高人才质量、支撑内涵发展的重要环节．将具有综合性的信息技术特点的虚拟现实技术引入应用型人才培养的实践教学过程，是有效解决教学资源匮乏，提高教学过程安全性，促进实践过程交互性与真实性，有效避免教学内容碎片化，教学乏味等问题的重要实践，既能提高人才的职业胜任力，也进一步促进了学生向复合应用型人才的转变．

虚拟现实；实践教学；职业胜任力；应用型人才

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的渊源可追溯到上世纪50年代，最初的应用主要是进行航空航天训练，后期逐渐涌现出许多VR集成系统，学术界一般将其定义为是“三维计算机图形学-多功能传感器交互接口-高清显示技术”的融合[1]．

“以教育信息化推动教育现代化”是21世纪以来中国教育改革发展的战略选择[2]．应用型人才培养是地方高校与研究性大学和高职院校差异化发展背景下的准确定位与重要选择．研究性大学注重学术性，此类高校有较深的专业内涵与学术积淀；高职院校在专业设置上动态追踪社会的变化和时代需求，而地方应用型高校的专业设置受专业设置目录的限定，必须从教学手段和教学课程体系上进行改革．

现代教学技术，特别是虚拟现实技术通过打造沉浸式教学环境、跨越时空并打破场地条件限制，广泛应用在实践教学环节，它以深度参与和互动等形式让学生成为学习主体，激发并提升学习热情，便于突破教学的重点难点；同时，实践手段有效支撑工程教育认证的能力导向要求，助力校企双方摆脱“就业难”与“用人荒”的人才供需窘境．以能源与建筑环境学院为例，从学校服务定位和区域发展需求的角度，开设了能源与动力工程专业、建筑环境与能源应用工程专业、工程管理专业（工学）和安全工程专业，将VR技术手段结合建筑信息模型（BIM）、OpenGL 和3DMAX等技术，在实践教学体系中建立火电厂燃烧、土木建筑结构、暖通空调与给排水、施工现场建筑安全管理和虚拟火灾场景等模型与场景，极大地促进了实践实训课程对学生能力的形成．本文从问题导向出发对实践课程进行改革．

1 实践教学课程存在的问题

信息化社会推动行业和企业的变革使得职业与岗位对能力的需求更具时代特征．应用型本科专业在工程认证教育背景下开设了大量以支撑学生的能力目标达成的实践课程，平均学时占比应达到30%以上．然而通过对能源类、土木类和安全类人才需求和职业胜任力的角度看，基于绿色建筑节能、垃圾焚烧电厂运维、建筑安全管控与智能施工等新职业缺口与土木类课程导向不吻合，特别是实践类课程能力支撑不足[3]．

实践类课程群的课程建设存在的突出问题：

（1）课内实验内容和手段陈旧，演示性实验多，学生参与度和积极性差；

（2）岗位（职业能力）导向模糊，实验室重复建设且信息化手段落后；

（3）课程设计实践与成果考核单一，与解决工程问题的需求脱节；

（4）整周的集中实训和校外实践流于形式，企业管理与安全条件限制下全程无互动．

以能力形成为导向，借助VR技术，在专业的人才培养方案和教学设计的改革：

（1）以职业需求促进知识更新，“创新性+设计性”实践融合替代演示性实验；

（2）整合资源集中打造信息化实训中心，案例与模型共享促进专业融通；

（3）以学科的学生竞赛和企业案例为课程设计方案，“独立操作+团队协作”促进能力形成；

（4）整合“校内实训+校外实践”资源，在互动和沉浸式环境中实现训练．

2　实践教学课程的VR技术应用与改革

实践教学的信息化技术是以职业能力、岗位胜任力为教学目标，虚拟现实技术最本质的三个特点，即沉浸感、交互性、思维构想性为信息技术与专业知识融合提供最适合的实践平台[4]．在“课内实践-课程设计与综合实训-毕业实践与设计”的整个实践环节中贯穿VR技术并开展跨专业的资源共享与融合，对工程教育认证的能力支撑起到重要的作用．

2.1　土木类专业的教学设计与VR技术应用

本文土木类专业特指建筑环境与能源应用工程和工程管理（工学）两个专业，将VR和三维BIM建模结合，可实现对“成果演示和验证、计算机辅助设计与教学和可视化计算”三方面开展实践教学应用，以案例形式将教学过程和内容延伸到整个实践环节，强化应用型课程体系的针对性、应用性、导向性．

2.1.1 在暖通空调综合实践课程的应用建筑环境与能源应用工程专业学生涉及土木结构设计与施工的学时较少，普遍缺乏对建筑结构的认知和空间想象力；同时，建筑环境（人工环境）工程的实践难以紧密结合课程在施工现场实践环境中同步、动态开展．与建筑设计、施工类的专业结合，根据以上专业提供的BIM建筑模型，可基于实际项目的气候条件模拟制冷、采暖和通风的气流实验，进行参数调整与反馈，有效支撑暖通空调和工业通风与除尘课内实践[5]．用VR技术和沉浸式体验感受气流调节和变化情况，利用管道碰撞检查功能对设计的管路进行优化，对建筑物模型和气流走向、制冷效率和构件强度等参数进行实时的修改，提高设计方案的合理性，深入理解建筑、暖通和电气等专业的上下游工艺衔接，利用专用模块进行日照与节能分析，满足绿色生态的设计要求．

2.1.2 在建筑施工技术类实践课程的应用施工技术结合施工现场管理是土木类专业最具实践性、时代特征的课程，也是保障工程建设质量的核心．在建工程的施工现场质量、进度和安全要求高，学生短期的参观实习很难从不同专业和管理者的视角把控整体的现场施工[6]134．建筑施工技术与项目管理类课程需要VR虚拟现实技术与现场参观实习紧密结合，利用BIM的现场管理模块对计划参观的项目施工工地建模，导入VR平台并引导学生通过操作手柄进行人与环境的信息交互．教师主要从项目现场人、材、机布置与优化、整体把控施工现场“三控三管”的管理核心，结合知识点让学生观测、分析、处置、操作以便于理解和掌握知识点．通过小组讨论、交流和教师问答等环节，理解质量、安全和进度的控制核心，构建项目经理的管理知识和能力．最后结合有针对性的现场实地测试与对比分析，使不同专业学生从多角度对项目实现全局管理和深度认知，促进学生通过技术手段将专业知识体系融通并构建综合职业胜任力．

2.1.3在房地产类项目管理策划类课程的应用房地产开发前要通过科学方法和技术为投资指明方向，该类实践课程的设计要将规划与管理的意图以成果体现．针对房地产项目管理与策划的流程，即整体定位调查——规划设计——项目投资分析[6]135．通过VR+BIM的技术融合和支撑，构建综合实训项目，能有效解决对现有教学内容枯燥、教学内容碎片化的教学问题；通过参与全国大学生房地产策划大赛，整理实际竞赛案例，在实训中摆脱单一体验式VR教学的局限性；通过BIM信息化基础等课程学习让学生主动创建和选择各种构建族库，组合不同的建筑样板、规划用地等模块，尝试对自己形成的项目规划进行投资分析，分析问题原因并规范后形成BIM模型．课程考核一般按项目指标进行分组打分，再通过VR体现并评估可行性，实现了知识在不同情景下迁移并有效支撑能力的形成．

2.2　能源与安全类的教学设计与VR技术应用

能源与动力工程专业涉及的行业较庞杂，以电厂热能动力方向为例，对垃圾焚烧电厂、常规火电厂等实习场所参观空间受限，企业自动化程度高，学生动手实操的可能性基本为零．而安全工程专业依托行业、企业，面向的安全隐患一般存在于重大危险源场合，实践的安全管理压力大，同样受地域环境的限制，让VR技术平台与现场参观性实践融合的教学成为重要的实训形式[7]．

2.2.1 在能源与动力工程专业实践课程的应用对于课内实验，原有的能源与动力工程基础实验室，如热工基础实验、锅炉实验等，一般为高温、高等风险性较大的实验项目[8]21，因教学设备陈旧，安全风险较大停开．通过建立网上虚拟仿真实验系统，开发对应的虚拟仿真实验项目，实现无教师讲解的开放性实验模式．对于综合实训项目，工程训练中心搭建了500 kW垃圾焚烧电厂模型、生物质热解联产联供高值化利用模型、航空涡喷和涡扇发动机等模型，实现了不同专业领域的能源动力系统与核心设备资源共享，互动式体验使学生对参数、机构、零部件之间的内在关系实现了从局部到整体的把握，让沉闷的知识充满活力并推进了教师的双师化．

2.2.2 在安全工程专业实践课程的应用在安全管理综合实践环节中通过BIM技术与VR结合，可以开展演示和互动项目．

（1）不同危险性的气液固燃烧物火灾模拟实验，分析火情特点和救援时机.

（2）建筑安全管理中，对“三宝（安全帽、安全网、安全带）四口”的认知，设置高坠体验环节加深认识，并完善防护措施[8-10]．

（3）模拟爆炸事故，设置临界参数和破坏性体验；同时，购买火灾救援模拟训练VR软件，可实现火灾实时动态模拟，深入理解火灾、烟气蔓延的初始化条件，熟悉灭火系统的动作机制与相应顺序，在实时交互中进行救援练习，可预测并优化调整救援计划．

3　结语

将VR虚拟现实技术应用在能源安全、土木类专业，有力地形成了学科专业间的凝聚力，实现了专业的融合发展，促进学生能力的形成，有效支撑了应用型人才的职业胜任力特征．

针对信息化背景下对新兴应用型人才的基本需求，实践类课程设计改革以问题为导向，通过虚拟教学技术融合于课内实践、认知教学和实训教学，不仅提高了创新性、设计性实践课程的占比，促进了开放新实验室的利用率，更进一步通过更新课程体系和教学手段，有效缓解了专业知识与职业能力不衔接、新兴产业支持不足的课程体系现状，促进了学科内涵式建设与专业特色发展．

[1] 姜禹同．虚拟仿真技术在建筑安全管理培训应用与效果评估[D]．上海：华东师范大学，2022．

[2] 费景洲，路勇，高峰，等．能源动力类专业开放自主式实验教学模式探索[J]．实验室研究与探索，2019，38（1）：133-136，152．

[3] 叶晓明，陈刚，成晓北，等．“新工科”背景下能源动力专业实践教学基地改革与实践[J]．高等工程教育研究，2023（增刊1）：53-56．

[4] 胡蔓，赵云龙，栾晓娜，等．新工科背景下工程训练实践教学模式探索[J]．实验技术与管理，2022，39（3）：256-259．

[5] 张广媚．基于虚拟现实技术的建筑学专业实践教学体系改革研究[J]．城市建筑，2022，19（17）：107-110．

[6] 刘旭红，武飞．基于BIM的虚拟现实技术（VR）在建筑工程中的创新应用[J]．中外建筑，2018（4）：134-136．

[7] 俞娟．虚拟现实技术在建筑领域安全生产教育中的应用与思考[J]．建筑施工，2023，45（5）：998-1000．

[8] 章竹乔．虚拟现实技术在灭火救援模拟训练中的应用分析[J]．中国设备工程，2023（5）：21-23．

[9] 张文祖．VR技术在化工安全与清洁生产培训中的应用[J]．中国石油和化工标准与质量，2021，41（10）：122-123．

[10] 王娜，沈力，邓舒平．VR虚拟现实在电力安全生产教育培训中的应用[J]．通信电源技术，2017，34（5）：166-167，169．

Application of virtual reality technology in practical teaching course

LIU Yan，KANG Li，HOU Qianghua，DAI Guozhong

（School of Energy and Architectural Environment，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541004，China）

The design of practical teaching content and methods is an important part in improving the quality of talents and supporting the intensive development in local universities．Introducing virtual reality technology with comprehensive information technology characteristics into the practical teaching process of cultivating applied talents，it is an important practice to effectively solve the problems of scarce teaching resources，improving the safety of teaching processes，promoting the interactivity and authenticity of practical processes，effectively avoiding the fragmentation of teaching content，and teaching boredom．This reform not only effectively improves the professional competence of talents，but also further promotes the transformation of students towards composite applied talents．

virtual reality（VR）；practical teaching；career competency；practical personnel

1007-9831（2023）12-0099-04

TP393.0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.12.017

2023-08-27

2023年广西高等教育本科教学改革工程重点项目（2023JGZ168）；教育部产学研协同育人项目（201902258004）

刘岩（1977-），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，从事能源与建筑工程教学管理与技术研究．E-mail：1300983279@qq.com

康丽（1981-），女，黑龙江齐齐哈尔人，助理研究员，从事能源与建筑工程实践教学管理研究．E-mail：19110962@qq.com