交互式虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)在職業(yè)教育中的應(yīng)用實(shí)例

楊南粵

（廣東技術(shù)師范學(xué)院 廣東 廣州 510665）

職業(yè)教育要培養(yǎng)具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的應(yīng)用型、技能型、工藝型人才，以滿足技能型、應(yīng)用性職業(yè)崗位的需要。為提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，各職業(yè)院校在場(chǎng)地、設(shè)備、師資方面加大投入，務(wù)求使學(xué)生有更多實(shí)訓(xùn)的時(shí)間和機(jī)會(huì)。然而，實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源和經(jīng)費(fèi)緊張仍是各個(gè)院校亟待解決的問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件的發(fā)展，教育信息化建設(shè)的不斷深入，虛擬和仿真技術(shù)在職業(yè)院校得到了廣泛的應(yīng)用。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬操作訓(xùn)練平臺(tái)，為學(xué)生提供更多的實(shí)操機(jī)會(huì)，是有效解決棘手的教學(xué)資源、經(jīng)費(fèi)不足等問(wèn)題的途徑之一。

在教學(xué)過(guò)程中，有效的雙向互動(dòng)，將使學(xué)生更有效地積極地建構(gòu)自己內(nèi)在的知識(shí)表象和知識(shí)結(jié)構(gòu)。西方教學(xué)互動(dòng)理論認(rèn)為，互動(dòng)有三種主要形式：學(xué)習(xí)者與內(nèi)容的互動(dòng)；學(xué)習(xí)者與教學(xué)者的互動(dòng)；學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者的互動(dòng)。無(wú)論哪一種形式的互動(dòng)，只要有效地提高互動(dòng)水平，就可以有效地提高教學(xué)效果。因此，構(gòu)建交互式虛擬操作訓(xùn)練平臺(tái)，為受訓(xùn)者營(yíng)造一個(gè)較高水平的雙向互動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境，能極大地提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。特別是一些專業(yè)工種技能訓(xùn)練，如危險(xiǎn)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)、高精密設(shè)備或系統(tǒng)的拆裝訓(xùn)練、機(jī)械加工訓(xùn)練和電路性能測(cè)量等，受訓(xùn)者如能在交互式虛擬操作訓(xùn)練平臺(tái)上進(jìn)行雙向互動(dòng)學(xué)習(xí)，可以克服現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操訓(xùn)練成本昂貴、危險(xiǎn)性大、難以重復(fù)等不足，取得傳統(tǒng)教學(xué)方式無(wú)法取得的效果。

以下是利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、多媒體軟件等，開(kāi)發(fā)的一些交互式虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)，為職業(yè)院校學(xué)生開(kāi)展探究式學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和個(gè)性化學(xué)習(xí)構(gòu)建了新型的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。

基于學(xué)習(xí)者—內(nèi)容互動(dòng)的虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)

在這種互動(dòng)方式中，學(xué)習(xí)者通過(guò)與學(xué)習(xí)內(nèi)容的智力互動(dòng)過(guò)程，產(chǎn)生理解力、知識(shí)以及認(rèn)知結(jié)構(gòu)等的變化。具體而言，就是受訓(xùn)者通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等與計(jì)算機(jī)生成環(huán)境中的各種對(duì)象進(jìn)行交互作用，參與到仿真系統(tǒng)中，接受仿真系統(tǒng)提供的各種感觀信息，經(jīng)過(guò)判斷和決策對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行操縱和控制。

例如， 用Eon Studio、VC++等開(kāi)發(fā)的交互式虛擬車床變速箱仿真系統(tǒng)如圖1所示。受訓(xùn)者通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊界面上的 “情況 i”（i=1，2……），可以使滑移齒輪移動(dòng)，與不同的齒輪嚙合，獲得不同的傳動(dòng)比，使輸出端輸出不同的速度，達(dá)到變速和調(diào)速的功能。受訓(xùn)者還可以通過(guò)鍵盤交互，控制電動(dòng)機(jī)軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，使輸出端改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

圖1 交互式虛擬車床變速箱仿真系統(tǒng)示意圖

圖2是閥體的虛擬裝配系統(tǒng)。受訓(xùn)者可以用鼠標(biāo)操縱閥體，進(jìn)行360度全方位地觀看其外型結(jié)構(gòu)。還可以通過(guò)鼠標(biāo)由外到內(nèi)，逐層點(diǎn)擊閥體，使閥體一層地一層地展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系，如圖2（a）。如果直接點(diǎn)擊界面左上角的小視圖，閥體可以一次性展示內(nèi)部所有零部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖2（b）。同樣，通過(guò)鼠標(biāo)操作，可以實(shí)現(xiàn)被拆部件的回裝，是可逆的過(guò)程。

圖2（a） 閥體的虛擬裝配系統(tǒng)示意圖

圖2（b） 閥體的虛擬裝配系統(tǒng)示意圖

在這種交互式虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)中，受訓(xùn)者不是被動(dòng)地看、聽(tīng)和接受所提供的內(nèi)容，而是能夠以各種形式 （鼠標(biāo)或鍵盤）操作虛擬模型，參與到教學(xué)對(duì)象的發(fā)展變化過(guò)程中去。同時(shí)，計(jì)算機(jī)能根據(jù)受訓(xùn)者的操作信息調(diào)整虛擬環(huán)境改變呈現(xiàn)內(nèi)容，從而導(dǎo)致呈現(xiàn)環(huán)境與內(nèi)容的變化，及時(shí)實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者—內(nèi)容的互動(dòng)，使受訓(xùn)者獲得更深刻的體驗(yàn)，更好地理解、驗(yàn)證各種概念和各種難點(diǎn)，掌握新知識(shí)、新技能，建構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)，達(dá)到有效的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練效果。

基于學(xué)習(xí)者—教學(xué)者互動(dòng)的虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)

在互動(dòng)過(guò)程中，教學(xué)者向?qū)W習(xí)者呈現(xiàn)信息或展示技能等，然后教學(xué)者組織學(xué)習(xí)者應(yīng)用所獲得的知識(shí)或技能，接著教學(xué)者組織評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者是否取得成效，并決定是否要改善工作策略。最后，教學(xué)者為每位學(xué)習(xí)者提供咨詢、幫助和鼓勵(lì)。

利用交互式虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，教師能隨時(shí)采集各種媒體信息，采集學(xué)生的反饋及控制信息，即時(shí)處理加工和演示信息，從而使教師能夠及時(shí)改善工作策略，幫助學(xué)習(xí)者確定學(xué)習(xí)策略，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者主動(dòng)參與操作訓(xùn)練，獲取、加工信息，建構(gòu)知識(shí)，掌握技能。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，教師也可以學(xué)習(xí)者的身份進(jìn)入虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，與學(xué)生共同協(xié)調(diào)學(xué)習(xí)，形成和諧、互動(dòng)合作的教學(xué)關(guān)系，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與主動(dòng)性，使教與學(xué)在和諧的環(huán)境中更好地完成。

利用 Eon Studio、Flash、VC++等搭建的探究性虛擬情景學(xué)習(xí)平臺(tái)就是一種面向?qū)W習(xí)者—教學(xué)者的交互式虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)，支持受訓(xùn)者的自主探索學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。受訓(xùn)者首先要設(shè)定培訓(xùn)目標(biāo)，擬定基本訓(xùn)練思路，然后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的虛擬情景學(xué)習(xí)，與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行探究式的操作訓(xùn)練，逐步學(xué)習(xí)，不斷總結(jié)，形成自己的見(jiàn)解和完成要求的操作訓(xùn)練任務(wù)，提交到虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理模塊。系統(tǒng)自動(dòng)記錄受訓(xùn)者的操作過(guò)程和結(jié)果，作為進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的依據(jù)。指導(dǎo)教師調(diào)用、重現(xiàn)受訓(xùn)者的探究式學(xué)習(xí)過(guò)程，并對(duì)其結(jié)論和最終操作進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出疑問(wèn)或建議，通過(guò)系統(tǒng)反饋給受訓(xùn)者。受訓(xùn)者再根據(jù)這些意見(jiàn)進(jìn)一步改進(jìn)知識(shí)架構(gòu)，提高操作技能。例如，在圖3所示的電聲工程虛擬操作教學(xué)平臺(tái)下，受訓(xùn)者通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊揚(yáng)聲器圖標(biāo)，在彈出的控制面板上調(diào)整不同混響時(shí)間及混響音量大小，讓虛擬人物在室內(nèi)自動(dòng)轉(zhuǎn)圈或用鼠標(biāo)控制行走，感受混響效果；再通過(guò)調(diào)整室內(nèi)裝飾材料（改變吸聲系數(shù)）、混響時(shí)間等聲特性參量進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)評(píng)價(jià)。系統(tǒng)自動(dòng)記錄受訓(xùn)者的操作過(guò)程和結(jié)果，給出評(píng)價(jià)，受訓(xùn)者通過(guò)這些反饋意見(jiàn)調(diào)整自己的操作方法，掌握技能。

圖3 交互式電聲工程虛擬操作教學(xué)平臺(tái)示意圖

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境能呈現(xiàn)多維度信息，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的多感官參與，使學(xué)生能獲得最大的控制和操作整個(gè)環(huán)境的自由度，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣；而虛擬化、故事化的學(xué)習(xí)內(nèi)容導(dǎo)入和虛擬操作環(huán)境，又可以充分發(fā)揮學(xué)生的想象力，使學(xué)生能進(jìn)行創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者能更好地了解學(xué)習(xí)的成效，促進(jìn)自我連續(xù)學(xué)習(xí)。

如圖4所示的激光內(nèi)雕機(jī)虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)，受訓(xùn)者在虛擬環(huán)境里學(xué)習(xí)如何操作激光內(nèi)雕機(jī)，在玻璃方塊里雕刻出各種立體圖案、花紋。受訓(xùn)者通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤與虛擬內(nèi)雕機(jī)進(jìn)行互動(dòng)操作。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)受訓(xùn)者的操作步驟給出不同的虛擬操作結(jié)果和評(píng)價(jià)，指導(dǎo)受訓(xùn)者改進(jìn)自己的操作，完成探究性自主訓(xùn)練。

圖4 交互式激光內(nèi)雕機(jī)虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖

由上可見(jiàn)，交互式虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)提供情景化、虛擬化、交互性的操作訓(xùn)練環(huán)境，師生之間變得易于溝通和交流，教師能及時(shí)根據(jù)反饋信息改變教學(xué)策略，學(xué)生又能最大限度地進(jìn)行自主性、探究性、創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)，從而使學(xué)習(xí)者—教學(xué)者的互動(dòng)合作關(guān)系上升到一種新的境界。

基于學(xué)習(xí)者—學(xué)習(xí)者互動(dòng)的虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)

學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者之間通過(guò)協(xié)作與對(duì)話共同進(jìn)行學(xué)習(xí)資料的搜集與分析、假設(shè)的提出與驗(yàn)證、學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)等，可使每個(gè)學(xué)習(xí)者的思維成果為整個(gè)學(xué)習(xí)群體共享。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化所創(chuàng)建的學(xué)習(xí)環(huán)境，可使多個(gè)學(xué)習(xí)者共處于一個(gè)虛擬環(huán)境中進(jìn)行探討交流、相互合作與交流。學(xué)習(xí)者可在虛擬環(huán)境中共同操作完成某項(xiàng)試驗(yàn)，共同以各種形式參與到事件的發(fā)展變化過(guò)程中并扮演不同角色，從而直觀地觀察和了解到學(xué)習(xí)者在掌握知識(shí)和技能過(guò)程中的各種學(xué)習(xí)方法、思維方式和熟練程度，指出學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題和缺陷，達(dá)到掌握知識(shí)和技能、共同提高的目標(biāo)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)已能夠由互聯(lián)網(wǎng)建立一個(gè)可供多用戶同時(shí)異地參與的分布式虛擬環(huán)境，使處于不同地理位置的用戶進(jìn)入同一個(gè)虛擬世界，“在一起”進(jìn)行交流、學(xué)習(xí)、研討、訓(xùn)練，協(xié)同完成同一件比較復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)或進(jìn)行同一艱難任務(wù)的訓(xùn)練。

通過(guò)Eon Studio的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，可把交互式虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)上傳到網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，并建立一個(gè)學(xué)習(xí)網(wǎng)站，使位于不同地點(diǎn)的受訓(xùn)者可以進(jìn)入同一虛擬環(huán)境進(jìn)行操作訓(xùn)練，不受地域、時(shí)間的限制，并且學(xué)習(xí)者之間可以通過(guò)網(wǎng)站上的BBS進(jìn)行交流、探討，互相幫助解決虛擬訓(xùn)練中遇到的問(wèn)題，共同進(jìn)步。借助如圖5所示的變速機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)網(wǎng)，異地學(xué)習(xí)者可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)入虛擬汽車變速環(huán)境進(jìn)行交互式操作，了解和學(xué)習(xí)變速機(jī)構(gòu)的原理和功能，對(duì)于疑難問(wèn)題，可以通過(guò)網(wǎng)站論壇進(jìn)行切磋交流。

圖5 交互式虛擬操作訓(xùn)練網(wǎng)站示意圖

網(wǎng)絡(luò)化虛擬操作訓(xùn)練環(huán)境創(chuàng)設(shè)了一個(gè)交互性、合作性學(xué)習(xí)的教育氛圍，使學(xué)習(xí)者能共同協(xié)作學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在合作化的學(xué)習(xí)中創(chuàng)造性地解決所面臨的困難和問(wèn)題。

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