虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職實踐教學中的應用

陳再發(fā)

（浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學院，浙江 舟山 316021）

一、引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualRealityTechnology，VR），是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物[1]。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的三維世界視頻傳回產(chǎn)生臨場感。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛地應用于教育、軍事、工業(yè)制造、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域，為行業(yè)發(fā)展提供切實可行的解決方案。特別是在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可以靈活生動地展現(xiàn)教學內(nèi)容，還可以通過場景模擬，為學生定制仿真實的實踐環(huán)境，這為高校實踐教學的開展提供了新的途徑[2]。

實踐教學一直是高校提高學生專業(yè)知識應用能力、培養(yǎng)學生分析創(chuàng)新能力的重要教學過程。我國教育部對專業(yè)學位學生的培養(yǎng)目標定位為培養(yǎng)掌握某一專業(yè)（或職業(yè)）領(lǐng)域堅實的基礎(chǔ)理論和寬廣的專業(yè)知識，具有較強的解決實際問題的能力，能夠承擔專業(yè)技術(shù)或管理工作，具有良好的職業(yè)素養(yǎng)的高層次應用型專門人才。而現(xiàn)階段，我國大學生在實踐的過程中經(jīng)常會遇到企業(yè)由于缺乏規(guī)范而又完善的實習措施，學生實習期間的無人管理和安全問題；高校對學生實踐管理不靈活，評價體系不規(guī)范等一系列問題，使得學生在實踐過程中的表現(xiàn)效果并不理想。如何提高學生實踐能力，培養(yǎng)出適應社會需要的高素質(zhì)人才是各高校對學生實踐教學改革的重中之重[3]。

本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實施過程，給出其應用于實踐教學的模式體系，以提高高職學生的專業(yè)技能和實踐能力的培養(yǎng)水平，提升實踐教學質(zhì)量。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于實踐教學的實施過程分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)基于計算機仿真、人機交互、傳感器等技術(shù)，生成仿真實的環(huán)境，為用戶提供一個沉浸式的、可交互的模擬系統(tǒng)，以特有的浸沉感、交互性和構(gòu)想性提高用戶的代入感和參與度。實踐教學的核心之一就是學生對生產(chǎn)實踐的參與。通過直接參與生產(chǎn)，可以讓學生從各個感觀通道收集信息，并結(jié)合所學專業(yè)知識激發(fā)邏輯性和創(chuàng)新性的思考，實現(xiàn)理論知識到實踐應用的轉(zhuǎn)化。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于實踐教學首先需要硬件體系與軟件環(huán)境的支持。目前各類虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備已經(jīng)得到快速的發(fā)展，包括建模設(shè)備；視覺顯示設(shè)備，如投影、頭盔等；聽覺、觸覺、味覺等感知設(shè)備；交互設(shè)備，如動作捕捉、眼動儀、力反饋等。這些硬件設(shè)備的完善發(fā)展為創(chuàng)建合適的實踐教學環(huán)境提供了基本的技術(shù)保障[4]。

在軟件方面，基于B/S和C/S的軟件體系可以很容易滿足和實現(xiàn)企業(yè)與高校之間的信息數(shù)據(jù)傳輸要求及相應功能。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將企業(yè)生產(chǎn)、管理數(shù)據(jù)收集并實時傳輸?shù)礁咝？梢詷O大地增強了虛擬現(xiàn)實應用的即時性。這些即時數(shù)據(jù)與模型化后的生產(chǎn)場景一起形成時變的虛擬現(xiàn)實場景，為學生提供了實時高效的真實交互，使得學生通過虛擬現(xiàn)實平臺參與企業(yè)實踐成為可能[5][6]。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于實踐教學模式

虛擬現(xiàn)實應用于實踐教學的實現(xiàn)依托于一定的軟硬件體系，根據(jù)抽象層次，可以分為企業(yè)層、平臺層和實踐層。通過三個層次的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)企業(yè)場景和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)在學校虛擬環(huán)境的重現(xiàn)，使得學生能夠在方便快捷地在虛擬場景中進行優(yōu)化設(shè)計，完成實踐教學任務。其總體模式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于實踐教學的模式

在企業(yè)層，各企業(yè)提供實際生產(chǎn)管理需求場景，教師完成必要的場景、數(shù)據(jù)界定和仿真環(huán)境建立。通過網(wǎng)絡環(huán)境，將數(shù)據(jù)傳輸至虛擬現(xiàn)實平臺層，在平臺層首先實現(xiàn)企業(yè)應用的抽象，將不同場景的數(shù)據(jù)規(guī)范整理，結(jié)合虛擬現(xiàn)實平臺中的模型進行應用展示。在實踐層中，學生可根據(jù)自己需要實踐的內(nèi)容選擇在虛擬場景中進行相應模塊的實踐操作，如進行布局設(shè)計仿真實踐時，學生可以對虛擬場景中的物體進行重新布局并進行優(yōu)化評估，實現(xiàn)結(jié)合企業(yè)實際情況的沉浸式實踐操作，以到達身臨其境的效果。

四、應用案例分析

以與我校合作的某船舶制造企業(yè)為例，該企業(yè)車間的主要生產(chǎn)模式為流水線作業(yè)，在完成船殼分段組裝之后，主要工作為船艙內(nèi)部設(shè)備安裝調(diào)試。由于其船體規(guī)模較大，艙室較多以及船艙內(nèi)設(shè)備擺放不規(guī)范等因素造成流水線生產(chǎn)不平衡、廠內(nèi)物流不通暢、在制品堆積嚴重等問題。根據(jù)實際生產(chǎn)管理情況，企業(yè)的重新設(shè)計布局和優(yōu)化物流工作作為實踐教學內(nèi)容，并要求在實踐教學過程不影響正常生產(chǎn)。在完成企業(yè)層的分析接洽后，需要對問題在平臺層進行抽象建模。利用3DMAX軟件及Unity3D軟件對船舶機艙內(nèi)部實體進行建模，建立虛擬現(xiàn)實場景，要求其與真實的場景實體保證高度的相似性；通過企業(yè)ERP系統(tǒng)獲取企業(yè)即時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的真實展現(xiàn)。在實踐層，學生結(jié)合虛擬仿真平臺對企業(yè)即時數(shù)據(jù)進行仿真分析，優(yōu)化產(chǎn)線布局，并將優(yōu)化后的方案與企業(yè)溝通實施，借助虛擬仿真平臺，實現(xiàn)參與企業(yè)生產(chǎn)實踐的教學效果。虛擬現(xiàn)實平臺主要部分如圖2所示。

圖2 船舶機艙虛擬現(xiàn)實平臺展示

VR技術(shù)與實踐教學相結(jié)合的教學模式，可以避免學生在企業(yè)中出現(xiàn)無人管理和安全問題；虛擬技術(shù)營造沉浸式環(huán)境，增強學習的互動體驗性，激發(fā)學生的熱情，提升他們對于學習的渴望，發(fā)掘他們的潛力；虛擬現(xiàn)實的交互方式提供了傳統(tǒng)方式無法比擬的信息維度，讓學生獲取更豐富的資訊，更全面地了解學習對象，思考現(xiàn)狀并發(fā)現(xiàn)問題，進而提升認知世界的能力；虛擬現(xiàn)實即具有極強的互動性，又安全可靠，降低了學生探索學習的門檻，降低了他們害怕失敗的心理成本，促使他們勇于思考、勇于嘗試，用安全有趣的方式，提高學生的探索能力。

五、開展虛擬實訓的注意事項

在具體的實踐中，VR技術(shù)還是受一定因素的制約，目前主要存在的問題和注意事項如下：

1.改善硬件設(shè)備。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過計算機的程序設(shè)置和傳輸，通過解決虛擬環(huán)境的復雜結(jié)構(gòu)和處理各種數(shù)據(jù)信息，從而達到逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬世界，然而目前計算機的處理速度還不能突破虛擬實踐中龐大數(shù)據(jù)量及時處理的實時性要求，對于數(shù)據(jù)存儲也存在一定缺陷，這些硬件設(shè)備的不完善，都會導致虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用起來存在效果不理想和操作不方便的情況，所以應該加大對新設(shè)備的研發(fā)力度，不斷開發(fā)新產(chǎn)品，做到虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以更加廣泛地為社會、教學而用。

2.加大軟件開發(fā)力度。由于各高校暫時還不具備自主研發(fā)的軟件團隊力量，所以在軟件的使用中會出現(xiàn)，通過軟件展示出來的效果不夠逼真、可操作性不夠強及交互性不夠的缺點，所以加緊完善軟件配備設(shè)施也是高職院校應該重視的問題，保證高水平的技術(shù)運用到高等職業(yè)教育中去。

3.做到虛實有效的結(jié)合。虛擬現(xiàn)實技術(shù)好具有很多優(yōu)點，但不能完全替代實踐訓練的作用，應該將兩者有效地結(jié)合起來：實訓操作無法完成的內(nèi)容結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行開展，比如開展有危險，存在傷害性的實訓時；如開展常規(guī)技能訓練，則合理地將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入到實訓中，保證兩者的和平共處。

六、結(jié)語

通過對虛擬現(xiàn)實應用于實踐教學過程的分析，探索了結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)平臺讓學生參與企業(yè)生產(chǎn)實際的實踐教學模式。通過案例應用表明其教學模式的可行性和實現(xiàn)效果。虛擬現(xiàn)實作為一種新的實踐教學模式，提供了更為安全和快捷高效的實踐體驗和學習效果，可以讓更多的學生參與實踐并取得較好的實習質(zhì)量。通過進一步搭建有效的監(jiān)測和評價體系，可以更有效地保障實踐教學效果的實現(xiàn)。

[1]張建武，孔紅菊.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐實訓教學中的應用[J].電化教育研究，2010，(4)：109-112.

[2]肖 嵬.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在校園網(wǎng)絡管理中的應用研究[D].重慶：重慶師范大學,2009.

[3]王金崗.對高職工學結(jié)合有效教學評價特色的探索 [J].職教論壇,2010，(30)：50-52.

[4]蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術(shù)在機械工程試驗中的應用[J].實驗技術(shù)與管理，2011,（8）：15-20.

[5]夏平均，姚英學.虛擬裝配的研究綜述與分析（Ⅱ）[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2008,（6）：31-33.

[6]尹湛華，朱海洋.虛擬仿真技術(shù)在高職實踐教學中的比較優(yōu)勢[J].南昌高專學報，2008,（8）：5-10.