虛擬現(xiàn)實技術在高職教育中的應用與探究

周 瑋

(紹興職業(yè)技術學院,浙江 紹興 312000)

1 虛擬現(xiàn)實技術的概述

虛擬現(xiàn)實技術又稱臨境技術或人工環(huán)境，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界，向使用者提供視覺、聽覺、觸覺等多種感官刺激，使用者通過頭盔式顯示器、手勢(數(shù)據(jù)手套)、體勢(數(shù)據(jù)衣服)和自然語言等方式與這一環(huán)境(以及其中的虛擬物體、人物)進行實時交互，帶來一種身臨其境的感受。[1]它是仿真技術的一個重要方向，也是計算機圖形學人機接口技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術等多種技術的集合，更是一個富有挑戰(zhàn)性的交叉技術前沿學科和研究領域。

1965年，在Sutherland《終極的顯示》論文中首次提到包括交互圖形顯示、力反饋設計及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想。1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD(頭盔顯示器)系統(tǒng)?；趶?0年代以來所取得的一系列成就，美國的賈朗·拉尼爾(Jaron Lanier)正式提出“虛擬現(xiàn)實”這一概念。80年代，美國宇航局(NASA)及美國國防部組織了一系列關于虛擬現(xiàn)實技術的研究，并取得了矚目的成就。進入90年代，迅速發(fā)展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖象的實時動畫制作成為了可能。[2]

我國虛擬現(xiàn)實技術的研究起步于20 世紀90 年代初。而隨著計算機圖形學、計算機系統(tǒng)工程等的高速發(fā)展。其具有的3I特性即沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和構想性(Imagination)[3]使它被越來越多的教育學者認定可作為一種新的認知工具新的教學手段應用在教育領域中。

按照虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)方式的不同，可以將其分為3種類型：桌面式虛擬現(xiàn)實技術、沉浸式虛擬現(xiàn)實技術和共享式虛擬現(xiàn)實技術。[4]本文采用的虛擬現(xiàn)實技術就是沉浸式虛擬現(xiàn)實技術，即利用頭戴式顯示器，將學生的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，沉浸在工業(yè)機器人技術專業(yè)的教學內(nèi)容中，形成身臨其境之感。

2 虛擬現(xiàn)實技術在高職院校工業(yè)機器人技術專業(yè)教學中的應用與研究

2.1 工業(yè)機器人技術專業(yè)教學現(xiàn)狀

高職教育以適應社會需要為目標、以培養(yǎng)技術應用能力為宗旨。教學手段多采用“理實一體化教學”，即理論知識講解與實踐操作相統(tǒng)一的教學方法。以工業(yè)機器人技術專業(yè)為例，根據(jù)本專業(yè)制定的最新人才培養(yǎng)方案，學生的就業(yè)崗位主要圍繞工業(yè)機器人組裝調(diào)試、維修及開發(fā)方向。從而得到如圖1所示的職業(yè)技能培訓體系圖。并由此可知，學生對機器人操控的認知水平的提高和操作技藝的增長都必須建立在機器人設備的操作上。

圖1 工業(yè)機器人技術專業(yè)的職業(yè)技能訓練體系圖

面對這樣的教學需求，傳統(tǒng)的理論教學方式和實踐教學方式卻都有不盡如人意之處。目前，專業(yè)需求的理論知識授課多在傳統(tǒng)課堂中完成，雖然可借助板書、ppt或者視頻錄像等多種手段使理論表達更加直觀一些，但是收到的效果也僅僅能讓學生對設備拆裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)加深一定的印象卻無法達到掌握的程度更不可能達到精通這樣的高層次水平。同樣，建立工業(yè)機器人實訓室為學生的實踐操作提供專業(yè)的教學場地也無法完全達到教學的期望。例如，部分價格昂貴的設備并不能被搬進大學的實訓室，而前往企業(yè)進行校外實訓又帶來了學生安全、日常管理、企業(yè)對接等諸多問題。當然，即使有足夠的資金可以購買充足的設備，還要考慮采購的數(shù)量和場地的空間是否匹配。在這種傳統(tǒng)理論教學表現(xiàn)力不足，實踐教學條件不夠完善的情況下，學生對于工業(yè)機器人的拆裝、調(diào)試和編程等內(nèi)容的學習效果必然會大打折扣，導致學生的專業(yè)能力不足，直接影響了學生的就業(yè)競爭力。

針對以上現(xiàn)狀，虛擬現(xiàn)實技術的引入輔助實踐教育教學，建立“虛擬現(xiàn)實實訓室”，既可以彌補理論教學過于抽象化的不足之處，又可以多個專業(yè)共用該套設備僅致力于不同課程開發(fā)不同軟件平臺即可，大大節(jié)省了場地配置和設備購置的投入成本，卻能讓學生無限暢游在一個無限寬廣的“虛擬的世界”體驗“沉浸式”的教學樂趣。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術在工業(yè)機器人技術專業(yè)教學中的應用

將虛擬現(xiàn)實技術應用到工業(yè)機器人技術專業(yè)中主要是針對工業(yè)機器人組裝、調(diào)試和維修的技能仿真訓練，為學校或企業(yè)培養(yǎng)工業(yè)機器人及自動化設備的維護、維修及安裝調(diào)試人才提供虛擬的教學平臺。

以工業(yè)機器人組裝與調(diào)試實訓為例，針對教學主要內(nèi)容結合現(xiàn)實實訓設備搭建出一個虛擬的學習平臺，即通過計算機對工業(yè)機器人系統(tǒng)進行一比一實際建模設計，逼真顯示實驗平臺。采用項目化教學方式，任務驅動式教學方法。將工業(yè)機器人組裝、調(diào)試的技能仿真訓練分成項目一、項目二、項目三等，而每個項目下面又有很多個細分的小任務，由深到淺，由簡及難。該工業(yè)機器人學習平臺主要包含兩個功能模塊：教學模塊和考核模塊。教學模塊側重于知識點的學習和訓練，學生佩戴VR眼鏡，雙手使用專用感應手套，跟隨教學指令無需鍵盤、鼠標操控即可在空間虛擬環(huán)境中依靠雙手掌握裝調(diào)仿真操作和知識點學習，該模塊中還包含了教學提示，錯誤提示，操作提示等；考核模塊則側重階段性學習測試，可實現(xiàn)裝調(diào)仿真操作和考核知識點統(tǒng)計功能，可記錄階段學習測試的相關信息：正確率、操作時間、錯誤詳細信息等。

圖2 利用虛擬現(xiàn)實技術實踐教學技術路線

2.3 虛擬現(xiàn)實技術在實踐教學中的優(yōu)勢

利用虛擬現(xiàn)實技術建立的虛擬實訓室，極大地豐富了“理實一體化”教學內(nèi)容，將實驗、實訓等無限的技能訓練搬到了空間有限的課堂中進行，將一些復雜的、抽象的、不宜直接觀察的設備內(nèi)部狀況，拆裝調(diào)試過程全方位、多角度地向學生一一展示。以虛擬現(xiàn)實技術在工業(yè)機器人技術專業(yè)教學中的應用可知，在虛擬的環(huán)境中操控虛擬的設備，大大降低了實踐操作帶來的危險性，有效減輕了教師在實訓課中的監(jiān)管壓力，省去了可觀的耗材成本卻可以令學生進行反復操作直至掌握操作技能為止。虛擬現(xiàn)實技術在實踐操作中的應用更是突破了傳統(tǒng)實訓室使用時的時間空間局限性，緊跟時代的潮流，使每一位學習者都可以根據(jù)自己的學習特點，在自己方便的時間通過計算機自由地選擇適合的學習訓練內(nèi)容，按照適合自己的方式和速度進行學習。

3 結語

在虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建的環(huán)境中，只要帶上VR眼鏡，便可360°全方位無死角地感受展示效果，帶上手套便可隨心所欲進行實踐操作，大大拉近了學生與冰涼巨大的設備，學生與晦澀難懂的知識點的距離。這樣的教學方式可以在工業(yè)機器人技術專業(yè)教學中帶來令人欣喜的教學成果，更可以照搬到其它課程教學中發(fā)揮巨大的作用。隨著深入研究不斷挖掘，虛擬現(xiàn)實技術應用還可以將課堂虛擬化，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流討論，開展啟發(fā)式教學，深入發(fā)揮了教師的引導作用與學生自主學習能力。相信不久的將來，虛擬現(xiàn)實技術必將對高職教育教學帶來顛覆性的改變。

[1]高媛, 劉德建, 黃真真, 黃榮懷. 虛擬現(xiàn)實技術促進學習的核心要素及其挑戰(zhàn)[J]. 電化教育研究, 2016，(10):77-87，103.

[2]曾建超,俞志和.虛擬現(xiàn)實的技術及其應用[M].北京:清華大學出版社,1996.

[3]梁琨，黃小麗.虛擬現(xiàn)實技術在教育中的應用探討[J].軟件導刊·教育技術，2008，(3).

[4]付長亮.虛擬現(xiàn)實技術簡介[J].信息與電腦：理論版，2009，(11)：60-61.