虛擬現(xiàn)實技術(shù)在能源與動力工程專業(yè)實踐教學中的探索研究

黃秀輝

摘 要：實踐教學是培養(yǎng)能源與動力工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力與專業(yè)能力的重要方式，在國家積極發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的新形勢下，實踐教學的指導思想和培養(yǎng)方式也需要升級。在全球教育創(chuàng)新的改革中，VR教學已成為一個不容忽視的發(fā)展趨勢。VR技術(shù)應用到能源與動力工程專業(yè)實踐教學中，可有效地解決實踐課程面臨的產(chǎn)研脫節(jié)、開展成本高、普及度低等問題。通過數(shù)據(jù)化手段，可精確追蹤定位學生學習情況，指導教師優(yōu)化授課方式，提升師生效率;通過科學統(tǒng)籌規(guī)劃，可構(gòu)建虛擬現(xiàn)實資源平臺，服務(wù)更多師生。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);VR;能源與動力工程;專業(yè)實踐教學

實踐教學在能源與動力工程專業(yè)教學中非常重要，對培養(yǎng)有創(chuàng)新精神的新時代工科人才具有重大意義。傳統(tǒng)的實踐教學受制于設(shè)備、耗材、場地、危險性等，開設(shè)成本高，影響普及度。應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能有效解決成本、安全等問題，提高實踐教學的普及度和學習效果。

一、能源與動力工程專業(yè)實踐教學面臨的問題

實踐教學是培養(yǎng)能源與動力工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力與專業(yè)能力的重要方式，通過多年的建設(shè)，大多數(shù)能源與動力工程專業(yè)已經(jīng)建立起校內(nèi)實習、實驗、課程設(shè)計、企業(yè)參觀實踐、校外實習等多層次立體化的實踐教學體系，為學生走上社會，成為專業(yè)的科研、工程人才，打下了堅實的基礎(chǔ)。新形勢下，人才培養(yǎng)要避免閉門造車，順應產(chǎn)研融合的大趨勢，實踐教學的指導思想和培養(yǎng)方式也需要升級。常規(guī)教學方式面臨的問題，亟須解決。[1]

一是產(chǎn)研脫節(jié)。由于高校客觀條件限制，學生很少有機會深入接觸和了解真實企業(yè)生產(chǎn)中使用的工業(yè)級設(shè)備和面臨的各種實際的工程問題，學生學習到的專業(yè)知識，如何在工業(yè)實踐中實際應用，信息上存在鴻溝。企業(yè)在競爭壓力下不斷求新求變，而高校專業(yè)知識的教學卻存在一定滯后性。這導致學生畢業(yè)后，往往還需要企業(yè)對其進行大量的實踐培訓，才具備基本的勝任職業(yè)崗位的能力。

二是開展成本高，普及度低。由于實踐教學對場地、設(shè)備、耗材、師資都提出了更高的要求，若要普遍開展，強化教學效果，需要大量財力、物力、人力支持，加之培養(yǎng)能夠開展實踐課程的師資，需要不少的成本;同時由于部分實驗存在一定危險性，學校出于管理的考量，客觀上也會降低開設(shè)此類實踐教學的動力。因此，盡管學院高度重視，持續(xù)投入，加強師資建設(shè)，但實踐教學在學生的專業(yè)培養(yǎng)計劃中，仍然不及20%的比重，遠遠不能滿足日益增長的實踐培養(yǎng)需求。

綜上所述，要將實踐教學做到深入深化，結(jié)合實際，真正培養(yǎng)出理論和實踐能力全面扎實的新時期能動人才，需要進一步解放思想，跳出傳統(tǒng)思維，同人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實新技術(shù)趨勢結(jié)合，探索出有效可行、成本優(yōu)化的發(fā)展方向。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality） 是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術(shù)， 它利用計算機生成一種交互式的三維動態(tài)視景，其實體行為的仿真系統(tǒng)能夠使用戶沉浸到該環(huán)境中。[2]

構(gòu)建沉浸式虛擬環(huán)境（Immersive Virtual Environment，IVE），能夠可視化三維數(shù)據(jù)，提供交互環(huán)境，增強沉浸于計算生成的虛擬世界的感覺;同時，還能夠為學習者完成特定任務(wù)提供模擬真實安全環(huán)境的機會。

《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求，積極發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+教育”。[3]大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，正在重構(gòu)傳統(tǒng)課堂教學，改變學校形態(tài)、教學方式、學習方式等。未來，我國教育信息化發(fā)展的技術(shù)方向?qū)⒁浴绑w驗”為依托，以“數(shù)據(jù)”為基礎(chǔ)，以“連接”為要義，以“開放”為策略，以“智能”為目標，以教育信息化為手段，構(gòu)建更加智能的教育體系，以智能賦能教育體制機制創(chuàng)新。

當今教育信息化已經(jīng)步入加快推進的黃金期，也是關(guān)鍵期。在全球教育創(chuàng)新的改革中， 虛擬現(xiàn)實教學已成為一個不容忽視的發(fā)展趨勢。在教育教學領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用可以創(chuàng)設(shè)自然、直觀的學習情境，呈現(xiàn)復雜的機械電子設(shè)備，模擬化學、物理過程，有效提高教育教學質(zhì)量，這種方式可以很好地激發(fā)學生的求知欲和好奇心，有助于培養(yǎng)學生的想象力和深度思考的學習能力，并大幅降低對真實場地、設(shè)備耗材的依賴，無風險，可重復多次實操，同時可將實踐學習過程全程數(shù)據(jù)化，便于進行教學效果評估和數(shù)據(jù)挖掘分析，從而使當下虛擬現(xiàn)實教學成為學校調(diào)整教學裝備和改變教學方式的優(yōu)先方案之一。[4]

三、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實踐教學改革

當前高校的物質(zhì)條件、場地時間因素和更高的實踐培養(yǎng)要求之間存在矛盾。而現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在視覺表現(xiàn)、動作捕捉、交互能力、原理模擬上達到較高水平，并帶來了新的解決問題的思路。

（一）通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建高真實度實踐環(huán)境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以低成本、高復用地構(gòu)建實踐環(huán)境，如模擬貴重、大型設(shè)備的場景，或模擬真實工廠、企業(yè)生產(chǎn)流程工藝。由于能源與動力工程專業(yè)有大量設(shè)備、儀器的3D模型數(shù)據(jù)積累，因此構(gòu)建虛擬場景的成本在此基礎(chǔ)上可以大大降低。同時，從重復利用、標準化可配置的思路出發(fā)，計劃同步建設(shè)可復用的能動設(shè)備VR素材庫、場景庫等開發(fā)工具平臺，對一線教師進行適當培訓后，即可基于工具高效、所見即所得地構(gòu)建自定義虛擬場景，用于覆蓋更多教學場景，積累一批高質(zhì)量的虛擬實踐課程資源。

現(xiàn)階段VR硬件設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了標準化、占地小、易于部署的特點，建議從頂層規(guī)劃統(tǒng)籌虛擬現(xiàn)實實踐教學軟硬件平臺，采用統(tǒng)一規(guī)格、可高度復用的主流VR硬件設(shè)備;多學科的虛擬實踐教學可以在同一平臺上開展，實現(xiàn)資源的共享，高效利用。

構(gòu)建虛擬場景時，需綜合考慮VR的特性和能動專業(yè)教學的特點，基于不同的教學目標，可科學設(shè)計虛擬實踐課程內(nèi)容。如果某些實踐目標以學生觀看體驗為主，則內(nèi)容設(shè)計可偏重全景類實際拍攝數(shù)據(jù)，在預置程序引導下按照既定路徑自動導覽，視覺效果更為真實，減少不必要的移動、操作，降低課程開發(fā)成本。對于需要學生實操訓練的課程，如實驗課，構(gòu)建虛擬場景時，可多采用3D建模，并且對操作對象設(shè)備進行高精度建模，充分發(fā)揮VR設(shè)備 6DOF的交互能力，盡可能真實還原操作的視覺、聽覺感受。

通過建立物理、化學等領(lǐng)域的數(shù)值邏輯模擬引擎，可以讓虛擬場景中的設(shè)備、儀器、耗材等產(chǎn)生符合真實世界客觀規(guī)律的動作、反饋，并可以開放式修改參數(shù)、配置，使虛擬場景具有更高、更精確的仿真性能，加深學生對實踐操作的認知。

（二）學習行為數(shù)據(jù)化，精準評估教學效果，持續(xù)反饋

虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬教學場景，天然具有程序化、數(shù)據(jù)化的特點。原本需要大量準備工作、需要耗材的實驗，在虛擬化后，可以快速重復執(zhí)行，極大提高了教學效率，節(jié)約大量經(jīng)濟和時間成本。

VR設(shè)備具備大量全方位的傳感器，可以將學生的虛擬實踐學習過程全面數(shù)據(jù)化。如通過VR手柄和空間追蹤技術(shù)，可以定位、收集學生的操作數(shù)據(jù);通過眼控儀可以追蹤學生的視線移動和停留，收集學生注意力的轉(zhuǎn)移過程。對數(shù)據(jù)進行自動化收集分析后，可以通過教學平臺判斷學生的操作是否正確，從而定位錯誤操作，指導學生修正;并且可以高效開展實踐考試考核。

虛擬實踐過程中，學習行為全面的數(shù)據(jù)化，可以在實踐學習過程中、結(jié)束后，即時生成個人、班級報表，并進行對照統(tǒng)計。學生和學生，學生與班級，班級和班級間，都可以建立數(shù)據(jù)化的對比關(guān)系，指導師生查漏補缺，優(yōu)化教學設(shè)計和教學方式;通過數(shù)據(jù)持續(xù)追蹤和挖掘，定位高頻發(fā)生的操作錯誤，更可以進一步精準指導教師優(yōu)化重難點的教學。

（三）形成虛擬現(xiàn)實資源平臺，復用共享，產(chǎn)生更大教學價值

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到實踐課程，一個重要問題是如何不斷降低VR課程內(nèi)容的生產(chǎn)制作成本，包括時間成本與經(jīng)費成本。構(gòu)建虛擬現(xiàn)實課程的主要素材為全景圖片、全景視頻、3D模型、3D場景等，如果全部依靠全新拍攝、制作，將是不小的成本。因此，要想將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用普及到實踐課程中，就應降低課程制作成本，減少重復建設(shè)，做到素材資源的高效復用。

教師廣泛參與、普遍開展虛擬現(xiàn)實實踐教學，可以逐步積累大量能動專業(yè)虛擬現(xiàn)實教學資源和模型等素材。平臺化的統(tǒng)一的規(guī)劃與管理，可以形成格式統(tǒng)一、標準清晰、重復利用的虛擬現(xiàn)實資源共享平臺。在此平臺上，已有的成品課程資源，可被更多教師直接復用到教學中;積累的模型素材等則可供教師快速制作自定義的新課件。同時該平臺可以實現(xiàn)跨專業(yè)跨校的合作共享，促進交流，服務(wù)更多師生，創(chuàng)造更大的教學價值。

因此，建議同步建設(shè)課程共享平臺、素材共享平臺、基于素材的課程快速開發(fā)工具等資源共享平臺及工具。對教師來說，進一步降低課程制作門檻，無須學習專業(yè)的全景、3D內(nèi)容制作技術(shù);通過所見即所得的方式，在工具中簡單地拖拉組合素材，即可生成可用可共享的虛擬現(xiàn)實實踐課程資源，高效低成本地開展實踐教學。

四、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到能源與動力工程專業(yè)實踐教學中，可有效地解決實踐課程面臨的產(chǎn)研脫節(jié)、開展成本高、普及度低等問題。

數(shù)據(jù)化手段，可精確追蹤定位學生學習情況，指導教師優(yōu)化授課方式，提升師生效率?？茖W統(tǒng)籌規(guī)劃，可構(gòu)建虛擬現(xiàn)實資源平臺，服務(wù)更多師生，創(chuàng)造更大價值。

參考文獻：

[1]周開發(fā)，曾玉珍. 新工科的核心能力與教學模式探索[J]. 重慶高教研究，2017，5（3）：22-35.

[2]虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書[R].中國電子技術(shù)標準化研究院，2016.

[3]國務(wù)院.國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃[N].人民日報，2017-01-20.

[4]高東鋒，王 森.虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展對高校實驗教學改革的影響與應對策略[J].中國高教研究，2016（10）：56-59.