虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職教實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

李 雪

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院, 武漢 430074)

0 引 言

隨著包括新一代移動(dòng)通信、三網(wǎng)融合、超高速光纖寬帶、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興通信技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)傳統(tǒng)通信類(lèi)實(shí)驗(yàn)及綜合職業(yè)能力培養(yǎng)中存在一些真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備條件開(kāi)設(shè)或難以完成的教學(xué)功能需求[1]，為全面提高學(xué)生的職業(yè)能力，在專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)中的“一高(高成本)”、“四難(難下去、難動(dòng)作、難看見(jiàn)、難再現(xiàn))”領(lǐng)域[2]構(gòu)建與真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景完全一致的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，給學(xué)生提供綠色、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到通信類(lèi)崗位職業(yè)能力要求的教學(xué)效果[3]。這不僅有效解決了傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)的不足，同時(shí)也是解決通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展工程實(shí)訓(xùn)的又一途徑[4]。

“通信技術(shù)專(zhuān)業(yè)在線(xiàn)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲批湖北省教育廳2014年職業(yè)教育信息化試點(diǎn)項(xiàng)目。依據(jù)“高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2015—2018年)”[5]，針對(duì)通信行業(yè)職業(yè)能力培養(yǎng)需求，立足通信類(lèi)職業(yè)崗位，為解決傳統(tǒng)通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程理論教學(xué)與學(xué)生職業(yè)化培養(yǎng)之間的矛盾，拓展通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度、提高實(shí)踐教學(xué)實(shí)效，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的密切結(jié)合[6]，同時(shí)盡可能降低實(shí)驗(yàn)成本[7]項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近2年的時(shí)間建成了具有高度真實(shí)感的在線(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。為加快推進(jìn)湖北省職業(yè)教育信息化工作，積極探索教育信息化發(fā)展模式和推進(jìn)機(jī)制的背景下[8]，以在線(xiàn)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)框架建設(shè)為核心，創(chuàng)新嚴(yán)肅游戲教學(xué)模式，完善三方合作開(kāi)發(fā)模式，推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容二次開(kāi)發(fā)工具的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，健全師生參與機(jī)制[9]，建立后期運(yùn)營(yíng)機(jī)制，構(gòu)建通信技術(shù)在線(xiàn)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)(網(wǎng)站)，形成以“1站5室”為載體，教師和學(xué)生互動(dòng)共建、協(xié)作創(chuàng)新、教學(xué)相長(zhǎng)的信息化教育教學(xué)新格局[10]，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與職業(yè)教育的深度融合，全面提升職業(yè)教育的教學(xué)質(zhì)量[11]。

1 通信技術(shù)專(zhuān)業(yè)在線(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)介紹

通信技術(shù)專(zhuān)業(yè)在線(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是我院和企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的“1站5室”平臺(tái)， 其中“1站”指的是在線(xiàn)學(xué)習(xí)的信息化管理系統(tǒng)。此平臺(tái)包括5個(gè)虛擬實(shí)訓(xùn)室(即所謂“5室”)，分別是移動(dòng)基站運(yùn)行與維護(hù)、通信工程勘測(cè)設(shè)計(jì)與概預(yù)算、數(shù)據(jù)通信、通信網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等5個(gè)虛擬實(shí)訓(xùn)室。

在線(xiàn)學(xué)習(xí)信息化管理系統(tǒng)是一款基于Web的虛擬可視化教育系統(tǒng)網(wǎng)站[12]。管理系統(tǒng)中用戶(hù)分為4大角色，分別是：系統(tǒng)管理員、教師、學(xué)生和社會(huì)人員。管理人員身份對(duì)應(yīng)的功能有課程管理、關(guān)卡管理、分類(lèi)管理、用戶(hù)管理和院校管理；教師身份對(duì)應(yīng)的功能有課程建設(shè)、學(xué)生管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和主觀(guān)題管理；學(xué)生身份對(duì)應(yīng)的功能有我的課程、學(xué)習(xí)進(jìn)度和我的作品；社會(huì)人員進(jìn)入之后，可以預(yù)覽各個(gè)課程，但需要付費(fèi)后才能進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，付費(fèi)后與學(xué)生身份的功能相同。教師能夠通過(guò)學(xué)生信息管理界面對(duì)學(xué)生信息進(jìn)行管理并撰寫(xiě)評(píng)語(yǔ)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能可以通過(guò)折線(xiàn)圖的方式簡(jiǎn)便明了的查看某個(gè)班級(jí)學(xué)生各科各模塊的成績(jī)。題庫(kù)可供教師自主進(jìn)行題目的管理，并提供批量導(dǎo)入功能。

移動(dòng)通信基站運(yùn)行與維護(hù)虛擬實(shí)訓(xùn)室(其登錄界面見(jiàn)圖1)主要針對(duì)移動(dòng)基站建設(shè)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行開(kāi)發(fā)，此實(shí)訓(xùn)室設(shè)置了4個(gè)關(guān)卡(見(jiàn)圖2)，① 基站整體設(shè)備認(rèn)知；② 基站設(shè)備認(rèn)知；③ 基站數(shù)據(jù)配置；④ 基站故障排查[13]。

圖1 移動(dòng)基站運(yùn)行與維護(hù)虛擬實(shí)訓(xùn)室的登錄界面

圖2 移動(dòng)基站運(yùn)行與維護(hù)虛擬實(shí)訓(xùn)室的關(guān)卡選擇界面

學(xué)習(xí)移動(dòng)基站運(yùn)行與維護(hù)虛擬實(shí)訓(xùn)室后，學(xué)生能掌握移動(dòng)基站的建站要求，室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備的安裝規(guī)程，能掌握各主流設(shè)備廠(chǎng)商的RRU，BBU和天線(xiàn)等產(chǎn)品的特點(diǎn)及組網(wǎng)配置規(guī)則，會(huì)組建并配置室外典型站點(diǎn)和室內(nèi)分布站點(diǎn)，能熟練使用各設(shè)備廠(chǎng)商的基站運(yùn)維軟件，能熟練開(kāi)通站點(diǎn)并對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行日常維護(hù)和故障分析與排除。

(1) 關(guān)卡1基站整體認(rèn)知。關(guān)卡1基站整體認(rèn)知(其登錄界面見(jiàn)圖3)是對(duì)移動(dòng)基站機(jī)房環(huán)境(承重、防水、防火等施工要求)、基站室內(nèi)設(shè)備、室外設(shè)備和設(shè)備連線(xiàn)等進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。此關(guān)卡設(shè)有3種模式，分別是學(xué)習(xí)模式、訓(xùn)練模式和挑戰(zhàn)模式。學(xué)習(xí)模式(見(jiàn)圖4)是通過(guò)3維動(dòng)畫(huà)、文本打印和智能語(yǔ)音3位1體的方式，介紹移動(dòng)基站的機(jī)房環(huán)境、室內(nèi)設(shè)備、室外設(shè)備和設(shè)備連線(xiàn)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。

圖3 關(guān)卡1基站整體認(rèn)知登錄界面

訓(xùn)練模式(見(jiàn)圖5)是在線(xiàn)學(xué)習(xí)信息化管理系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行隨機(jī)出題，用戶(hù)在虛擬的3維場(chǎng)景中選擇答案后提交給系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷提交的結(jié)果是否正確。

挑戰(zhàn)模式(見(jiàn)圖6)分為理論考核和實(shí)訓(xùn)考核兩個(gè)部分，其中理論考核(見(jiàn)圖7)是系統(tǒng)采用在線(xiàn)答題的方式，從題庫(kù)中隨機(jī)抽取題目供學(xué)生作答，實(shí)訓(xùn)考核(見(jiàn)圖8)是學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的隨機(jī)提問(wèn)進(jìn)行答題，最終系統(tǒng)根據(jù)理論考核和實(shí)訓(xùn)考核的答題情況給出最終得分。

圖6 關(guān)卡1基站整體認(rèn)知挑戰(zhàn)模式登錄界面

(2) 關(guān)卡2基站設(shè)備認(rèn)知。關(guān)卡2基站設(shè)備認(rèn)知(見(jiàn)圖9)主要介紹目前主流通信設(shè)備廠(chǎng)商的產(chǎn)品及其應(yīng)用，包括現(xiàn)網(wǎng)常用的BBU和RRU設(shè)備GPS天線(xiàn)，室內(nèi)定向天線(xiàn)等，室內(nèi)全向天線(xiàn)、室外定向天線(xiàn)、室外全向天線(xiàn)等設(shè)備，室內(nèi)站點(diǎn)的典型配置應(yīng)用和室外站點(diǎn)的典型配置應(yīng)用。關(guān)卡2也設(shè)有3種模式，分別是學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和挑戰(zhàn)模式。學(xué)習(xí)模式(見(jiàn)圖10)是通過(guò)3維動(dòng)畫(huà)、文本打印和智能語(yǔ)音3位一體的方式，介紹目前主流通信設(shè)備廠(chǎng)商產(chǎn)品的相關(guān)知識(shí)及應(yīng)用。

圖9 關(guān)卡2 基站設(shè)備認(rèn)知界面

訓(xùn)練模式(見(jiàn)圖11)是用戶(hù)根據(jù)系統(tǒng)隨機(jī)給出的應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)系統(tǒng)提示的流程和設(shè)備地圖，自行完成設(shè)備選型和設(shè)備連線(xiàn)。

圖11 關(guān)卡2基站設(shè)備認(rèn)知訓(xùn)練模式界面

挑戰(zhàn)模式(見(jiàn)圖12)是系統(tǒng)隨機(jī)出題，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)單的提示完成設(shè)備選型和設(shè)備連線(xiàn)操作，最后系統(tǒng)根據(jù)完成情況給出評(píng)分。

圖12 關(guān)卡2基站設(shè)備認(rèn)知挑戰(zhàn)模式界面

(3) 關(guān)卡3基站數(shù)據(jù)配置。關(guān)卡3基站數(shù)據(jù)配置(見(jiàn)圖13)主要包括全局?jǐn)?shù)據(jù)配置、傳輸數(shù)據(jù)配置、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)配置的方法及命令集，對(duì)基站數(shù)據(jù)配置成功后進(jìn)行業(yè)務(wù)驗(yàn)證。此關(guān)卡也設(shè)有3種模式，分別是學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和挑戰(zhàn)模式。學(xué)習(xí)模式是以視頻展示的方式介紹基站數(shù)據(jù)配置的流程。訓(xùn)練模式下(見(jiàn)圖14)學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)配置流程圖，一步一步進(jìn)行數(shù)據(jù)配置。挑戰(zhàn)模式下(見(jiàn)圖15)，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)隨機(jī)出題進(jìn)行自行配置，系統(tǒng)對(duì)學(xué)生配置情況進(jìn)行打分。

圖13 關(guān)卡3 基站數(shù)據(jù)配置登錄界面

(4) 關(guān)卡4基站故障排查。關(guān)卡4基站故障排查(其登錄界面見(jiàn)圖16)包括TD-LTE傳輸、TD-LTE天饋和TD-LTE網(wǎng)管維護(hù)鏈路等故障分析與排查以及常見(jiàn)故障定位及處理。

圖16 關(guān)卡4 基站故障排查登陸界面

此關(guān)卡也設(shè)有學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和挑戰(zhàn)等模式。學(xué)習(xí)模式下(見(jiàn)圖17)通過(guò)3維動(dòng)畫(huà)+文本打印+智能語(yǔ)音3位一體的方式，展示故障排查的步驟和方法。訓(xùn)練模式下(見(jiàn)圖18)通過(guò)故障排查流程的提示，一步一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行故障排查。考核模式下(見(jiàn)圖19)，系統(tǒng)將隨機(jī)抽取故障中的一種情況，讓用戶(hù)自主進(jìn)行故障排查，系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)操作給出評(píng)分。

圖18 關(guān)卡4 基站故障排查訓(xùn)練模式界面

圖19 關(guān)卡4 基站故障排查挑戰(zhàn)模式界面

2 平臺(tái)應(yīng)用效果

移動(dòng)通信基站運(yùn)行與維護(hù)虛擬實(shí)訓(xùn)室已在本校通信技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中進(jìn)行實(shí)踐，共有215人次參與了課程的線(xiàn)上自主學(xué)習(xí)，其中190人闖關(guān)成功并獲得作業(yè)成績(jī)。統(tǒng)計(jì)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和效果是教學(xué)的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，建立在云服務(wù)器端的學(xué)習(xí)信息系統(tǒng)，能詳細(xì)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程以及學(xué)習(xí)成績(jī)(見(jiàn)圖20)，通過(guò)各種形式的圖表展現(xiàn)出來(lái)，作為教師分析評(píng)估學(xué)生成績(jī)的依據(jù)。

圖20 通信14301班移動(dòng)基站運(yùn)行與維護(hù)虛擬實(shí)訓(xùn)

在線(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生實(shí)踐時(shí)間7×24 h不間斷，實(shí)驗(yàn)效率大幅度提升。團(tuán)隊(duì)成員在校外開(kāi)展教學(xué)改革類(lèi)交流活動(dòng)共計(jì)11次，其中受邀做主題報(bào)告2次，與企業(yè)開(kāi)展平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用及使用推廣類(lèi)交流活動(dòng)共計(jì)10次。

3 結(jié) 語(yǔ)

在線(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的創(chuàng)新點(diǎn)之一是師生參與機(jī)制，但師生參與的前提是建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的簡(jiǎn)單實(shí)用的系統(tǒng)框架。解決方案是基于3維全景高度仿真的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[15]，針對(duì)在線(xiàn)虛擬教學(xué)的特點(diǎn)，在充分征求師生意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一套符合師生使用習(xí)慣，滿(mǎn)足教學(xué)要求的簡(jiǎn)單實(shí)用的在線(xiàn)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)框架。各虛擬實(shí)訓(xùn)室主要以3維虛擬仿真的形式，完成設(shè)備的建模、實(shí)驗(yàn)原理展示、實(shí)驗(yàn)交互操作、實(shí)驗(yàn)考核。3維仿真具體的手段包括：圖片、聲音、文字、3維動(dòng)畫(huà)、平面動(dòng)畫(huà)等元素。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，將游戲元素引入系統(tǒng)框架，寓教于樂(lè)，通過(guò)積分排行榜、闖關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)等激勵(lì)方式讓學(xué)生在過(guò)關(guān)游戲過(guò)程中掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在提升專(zhuān)業(yè)技能水平的同時(shí)激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)中有專(zhuān)業(yè)的游戲策劃人員，篩選適合于教學(xué)系統(tǒng)的游戲元素，同師生一起探討如何引入到系統(tǒng)框架中，最終形成可方便調(diào)用的游戲元素模塊。