基于VR技术的高职院校数字化教学资源开发与应用

［摘 要］ VR技术应用于职业教育教学中，可以解决实训教学中内部结构看不到、故障现场进不去、设备成本高、操作危险大等特殊问题，不受时空的限制，在教学资源开发中具有广阔的应用前景。通过对当前“VR+职业教育”的背景分析，阐述了基于VR技术的教学资源开发思路与步骤，指出了VR教学资源具有的理论价值、实用价值和推广价值。通过VR教学资源的实际应用，对比分析与传统教学资源之间的优劣。

［关 键 词］ 虚拟现实；数字化；教学资源；开发；应用

［中图分类号］ G717 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）25-0097-04

虚拟现实基于可计算信息的沉浸性交互环境，采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。职业教育的教学过程中普遍存在“三高、三难”问题，即高投入、高难度、高风险，难实施、难观摩、难再现。为了解决此类问题，将VR技术创新应用在教学中，取得了良好的效果。

4f6ae56e84773c339fbb59d8aaef7b7e8905725bb5fc242bfb0e0244d262dcb4 一、开发背景与应用意义

（一）开发背景

2020年10月，首个国家职业教育虚拟仿真示范实训基地在江西正式开启，助力推动了虚拟仿真技术应用在职业教育中的前进脚步。《虚拟现实产业发展白皮书5.0》中指出，“教育文化也是虚拟现实技术的一个重要应用领域，通过财政资金促进虚拟现实技术产业化，支持面向工业、文化教育等重点行业的虚拟现实技术应用。”《中华人民共和国职业教育法》指出，支持运用信息技术和其他现代化教学方式，开发职业教育网络课程等学习资源，创新教学方式，推动职业教育信息化建设与融合应用。杜占元同志在教育信息化试点工作座谈会上指出，网络空间可以利用碎片时间，促进教与学、教与教、学与学的全面互补。

因此，在教学资源开发和建设过程中应有效融入育人元素，引导学生养成“真善美”的个人情操，提高综合素养。同时，结合企业用工需求，融合职工素质、岗位责任、企业文化等现场元素，营造实际生产过程的氛围。以铁道信号自动控制专业核心课程为依托，以课程育人为出发点，紧密关注并充分考虑学生的碎片时间，与企业现场技术人员密切合作，借助资深网络课程开发与建设平台，完成育人型“碎片化”优质教学资源的建设，有效落实立德树人根本任务。

（二）应用意义

1.践行“三全育人”理念，落实课程育人职责

坚持以立德树人为根本任务，牢记“为党育人、为国育才”的初心使命，践行“三全育人”的教育理念，发挥专业核心课程的内在优势，落实课程育人职责。大力推进“发展素质教育”，培养堪当民族复兴大任的时代新人。开发并建设适用于学校学生学习及企业职工培训的优质教学资源，可以实现优在“育人型”的教育理念上。

2.加强碎片时间管理，促进专业技能提升

积极响应“全民终身学习”的伟大号召，共同建设学习型社会，提高对碎片时间的管理能力和利用效率，注重理论知识的精准学习和专业技能的有效提升，开发“微”资源，打造“微”课堂，可以实现优在“碎片化”的呈现方式上。

3.融合教育信息技术，实现优质资源建设

充分利用网络化、信息化、数字化技术快速发展带来的科技红利，结合职业教育教学现状，基于最新的智能化技术实现精细化资源配置，采用“线上+线下”混合式教学模式，开发并建设数字化资源，可以实现优在“网络化”的学习形式上。

二、价值与创新

（一）价值

VR教学资源可以提高学生的学习积极性，不受时间和空间限制开展学习，在虚拟的实训场景中直接获取相关技能，有利于学习效率的提升。也可以用于其他院校的教学以及现场职工的培训，具有一定的推广应用价值。

1.理论价值

VR教学资源可以促进课程教学的数字化转型，适应当前教育信息化发展的新形势。结合网络技术、计算机技术在教学领域的深度融合应用，实现网络化教学资源的建设，在课程层面率先完成数字化转型，为建设以数字化为支撑的高质量教育生态贡献专业核心课的力量。借助互联网实时记录、大数据分析生成学生个性化成长记录，真正实现因材施教。

2.实用价值

VR教学资源可以应用在专业核心课程的实际教学中，对学生学习具有一定的指导意义。完成传统课堂中文字描述内容的信息化设计，以虚拟场景的方式呈现出来，有助于学生在短时间内获取理论知识和操作技能，实现知识学习精准化、复习巩固高效化。

可以有效解决以下三个方面职业教育实训教学瓶颈，实用价值高：教室讲台展示、实训教学演示成本昂贵，或示范过程中存在一定安全隐患的教学内容，学生理解不充分，传统实践教学效率低；实训设备不足，做不到人手一机独立操作实训，多人分组进行时，一人操作多人观看，每人真正实操时间少，达不到预期理想的实践教学成果；实训造成大量工件耗材、器件损耗、能源消耗以及各种生产操作安全隐患，实训成本巨大。

（二）创新

1.变革和创新教与学方式

师生在学习过程中的主从地位发生了变化，从传统教学中以教师为中心的“教师讲授，学生被动听”，变成了以学生为主导的“教师引导，学生主动学”。基于虚拟现实技术的、以学生为中心的教学可以全面促进学生综合职业能力的提升。

2.培养学生信息化环境下的自主学习能力

VR带给教育的不仅仅是专注度和体验感，更重要的是打破了空间和时间对学习者的禁锢，通过虚拟环境中的交互指引，引导学习者自主发掘知识点、自主学习，可以让知识从间接经验变为直接经验。

3.提高教师的信息技术应用能力

塑造信息化教学思维。从教学内容、方法、互动、评价全方位重新构建，现在仅需要5～10分钟即可完成讲解，更有利于教师拓展更深层次、更全面的教学内容。

提升信息化教学能力。有了相应设备，更需要会使用设备的教师，这就促使教师信息化教学能力的提升，自主学习、掌握信息化技术的应用、仿真资源的应用等教学技能。

重构信息化课程设计。在信息化技术的应用下，新的课程设计应符合学生的认知规律，选择最适用的教学资源。

注重信息化课堂实施。教师的大量工作都在课前和课后，而课堂更多的是学生自主学习，教师提示性的指导、答疑和评价过程。教师课堂教学能力需更进一步提升，与实用资源相对应。

4.促进教育信息化发展

虚拟现实技术在教学中的应用，可以促使教学手段科技化、教育传播信息化、教学方式现代化，在教育过程中较全面地运用计算机技术、多媒体技术和网络通信为基础的现代信息技术，可以促进教育改革向着教育信息化方向发展。

三、开发步骤

（一）脚本编写

在基于VR技术的教学资源开发过程中，首先需要编写专业脚本，脚本是后续建模和编程的指导依据，特别是对程序的实现方式有重大的影响，直接影响后期程序的实现方式和难易程度。脚本编写需综合考虑以下四个方面。

1.目标明确，思路清晰

根据专业知识体系，选取教学资源开发的内容，构建脚本逻辑框架，形成完善的知识模块，并且为后期改进和增建做好相应的衔接匹配。

2.摒弃传统，重在交互

VR技术可以使整个教学呈现出三维动态旋转的展示方式，搭配语音和文字的讲解说明，同时增强了学习过程中的交互性，让整个学习过程更加真实、有趣。具有强烈的交互感，将被动的眼看耳听转变为主动的探索获取，是一种沉浸式的自我体验。

3.仔细严谨，专业性强

脚本需保证专业知识的正确性，以严谨的态度认真对待，并经过层层核查多次修改调整而最终确定。先由专业教师团队编写初稿，交至校内骨干教师进行初审，主要对专业理解的正确性和用词的准确性等内容进行检查，提出修改建议，形成第二稿。再将第二稿交至现场专家进行检验复审，主要结合现场的实际应用状况对专业知识的实时性进行检查，提出修改建议。整改之后方可形成终稿，用于实际教学资源的开发。

4.统筹全局，实时修订

在编写程序的过程中，与程序编写人员一起讨论协商，对既定的动画及各种部件的展示方式进行实时调整，以达到最佳的学习效果。

（二）三维建模

采用3ds Max三维建模软件，将具体建模设备的各组成部件制作成三维模型，在虚拟场景中可以进行随意拆分和组装。建好的三维模型，实际上成为一套可以在网络上自由移动的现场设备，不受时间的约束和地点的限制，随时都可以进行自主学习。将原本多人围着一台设备进行对照学习的课堂，转变成人人都持有一台设备，可以近距离自主随意拆分、随意旋转观察学习。将三维建模技术应用在具体设备结构的教学过程中，扩展了课堂教学方法，可以增强学生的学习兴趣，能够大幅度提高教学质量。

三维模型的精度主要是按照模型面数定的，是根据模型完成布线之后被分成了多少小块而界定的。面数越多，模型精度也越高，细节展示越清晰，同时运行过程对系统配置的要求更高。对于大型VR系统（如大型游戏）而言，模型的面数越多，会影响系统运行的流畅性。对于单一的VR教学资源而言，因模型数量不多，交互方式简单，动态效应要求不高，一般的电脑配置均可以满足高模模型的展示运行。因此，在实际建模过程中应根据视觉真实程度对模型面数进行调整。

（三）程序编写

Unity 3D是一个综合型游戏开发工具，是可以完成全面整合的专业游戏引擎。将游戏引擎应用在教学中，在思想认识上打破了传统的教学观念，同时借鉴开发游戏的设计思路，让整个教学过程犹如游戏一样，学习的过程相当于在玩游戏，既有乐趣又有收获。

（四）场景搭建

完成了建模和程序编写，便可采用两种应用方式：一种是在PC端进行观看，另一种是采用头盔显示器等穿戴设备。在PC端进行观看和学习，是一种可以普遍应用的传播方法，只需要在计算机上安装教学资源，就可以通过鼠标和键盘的配合操作完成控制指令的下达，实现人机交互。适用于计算机机房教学，可供学生自主预习，可用于课堂教学资源，可作为课后资料进行复习和巩固；采用头盔显示器可实现整个学习过程的沉浸式体验，跨越了时间和空间的限制，虚拟场景与现实环境完全一致，通过手柄的控制和操作，发出相应的控制指令，实现可交互的沉浸学习。

（五）联调联试

通过多位专业教师、现场专家、学生的体验测试，提出体验感受，形成改进意见，进行再次开发与优化。多次试验无误后，应用于实际校内教学和企业培训。

四、应用分析

（一）教学应用

VR教学资源开发重在应用，通过实际教学，在教学设计、学习效果、应用创新等方面进行了跟踪调研，调研结果如下。

1.教学设计

在VR教学资源应用过程中，重点在于课前设计环节，需提前将学生的学习过程设定完整，课堂上的时间主要是交给学生自己自主完成探索学习。教师在学习过程中完成角色的转变，由领学者转变为导学者，由主力转变为辅助，由主场转变为客场。与之对应的，是学生自主学习的主体性体现。教学设计从传统教学的以教师为中心变成以学生为主导，采取自主探究式学习，以提高学生自主分析问题、解决问题的能力，同时培育学生的职业精神。

2.学习效果

该项VR教学资源可以在实训室内实现“生产现场实地教学”，能身临其境地展开自主学习。虚拟场景中互动环节多，方便直观认识各种专业设施设备。学习更加透彻、更加清晰，加深了对实际设备结构的认识和工作原理的理解，整体学习效果良好。

3.应用创新

将VR技术应用在教学中，实现教学与科技同步，开阔了眼界，感触到了科技的魅力。搭建三维虚拟场景，在有限的室内空间可以体验生产一线的实际环境，模拟真实现场场景，在虚拟场景中实现对现实的操作。设备部件非常逼真，比传统教学更加生动，增强了趣味性，有效提高了学习兴趣。方便学习，改善了实训演练场因学习人数较多而工位数不足的情况，可以极大限度提高安全性，保障学生的人身安全。同时，不受天气等外界因素的影响，可全天候反复学习。

4.初次学习者

初次学习者需首先学习VR设备的使用方法，在进入学习场景之后开发了VR设备操作演示教程。结合VR手柄各按键功能介绍的演示教程，在互动体验过程中学习各按键的功能，采用先演示再练习后应用“三步走”的方式，提高VR手柄初次操作的适应性。

（二）SWOT分析

VR技术在教育领域的应用，给传统教学带来了较大冲击，在提升教育教学质量的同时，当前传统教育仍然存在不可被VR替代的方面。VR技术在应用过程中既具有自身优势，又存在一定的劣势，既有良好发展前景，又伴随着各种潜在的挑战因素。现结合课题研究做出以下实际分析。

1.优势

铁路现场真实场景构建，通过3ds Max建模技术和Unity 3D技术将真实现场“搬移”至校园中，可以足不出户体验铁路实景，为情境教学提供有力保障。专业设备的结构清晰展示，现场设备的组成部件可以任意抓取、旋转观察，解决了“现场设备不可拆”的问题，体现出明显的应用优势。虚拟场景无安全隐患，搬动观察设备部件时，虚拟场景中无重量加持，可轻松抓取、随意旋转，掉落无砸伤手脚的危险。游戏性强，具有一定的吸引力，通过采用多种交互方式，设计特定的场景反馈，增强学习过程中的游戏性，提高学习自主性，提升学习兴趣，进而有助于学习效率的提高。

2.劣势

虚拟场景无真实手感，实际设备的材质不同，触摸过程中有真实的不同触感。而虚拟场景中暂无触觉感应，无真实手感，经过虚拟场景学习之后，还需在真实设备上再次练习，以获取真实的操作触感，才能真正掌握对应的操作技能。

虚拟场景中穿戴头盔之后存在一定的眩晕感，根据人们个体差异，眩晕感强烈程度各自不一，眩晕感是由人体眼球的物理结构决定的，只能通过增加陀螺仪设备、降低头部转动速度等方式，减轻眩晕感。

仍在少数场景中、少数人群中应用，大众化程度不高，在实际教学应用过程中，大多数学生都是初次接触VR头盔设备，熟悉程度不够，操作上手较慢，普适性有待进一步提升。

3.机会

《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》提出推进“虚拟仿真实验教学2.0”，支持建设一批虚拟仿真实验实训重点项目，加快培养紧缺人才。《“技能四川行动”实施方案》明确指出，鼓励推广应用虚拟仿真、人工智能等新技术，推动创新培训模式。从相应文件可以看出，虚拟现实技术在教育教学领域的应用正在不断探索和成长中，涉及教学培训各个方面，是VR技术发展的政策利好，具有良好的发展前景。

4.威胁

虽经过不断探索，但我国VR行业仍处于起步阶段。供应链及配套产品还不够成熟，硬件设备、软件工具、内容生产等各层面的技术标准还未统一制定，大范围推广过程中存在一定的制约性。

需有效挖掘知识与VR技术的切合点。VR技术主要用于解决职业教育中“三高、三难”问题，并不适用于所有内容的学习。对于记忆性知识、研究性内容花费大量人力、物力、财力之后，开发的VR教学资源的应用实效性却大打折扣。

虽可跨越大时空，但无法摆脱小局限。尽管可以将真实场景采用虚拟的方式呈现和体验，但必须在定位器锁定范围内活动，走出识别范围则操作无效。同时，穿戴头盔设备与主机之间为有线连接，移动距离受到限制。

五、结束语

在不久的将来，职业院校的实训室将干净、整洁，每个工位只需配置VR设备，通过打开不同文件，便可改变教学内容，从而改变实训室的专业属性，有效提高设备利用率。同时，线上教学资源可以通过PC端自主学习，不受时间、地点的限制和约束。随着VR技术的发展和应用，同步发展的还有AR（增强现实）技术、MR（混合现实）技术等，这些新技术在职业教育教学资源开发中的应用前景将越来越广阔。

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编辑 马燕萍