基于任務驅(qū)動的高職專業(yè)課程VR課件設計與開發(fā)

向懷坤 周麗麗 陳銳浩 蔡鐵峰

（深圳職業(yè)技術(shù)學院 廣東省深圳市 518055）

隨著VR 技術(shù)的快速發(fā)展及其向教育領(lǐng)域的不斷滲透，VR 課件的設計與開發(fā)成為當前VR 教學工作面臨的緊迫任務之一。陳銳浩等人提出“應用導向，四方協(xié)同”VR 教育資源開發(fā)實施模式，從宏觀上給出了一種VR 教學資源開發(fā)指導原則和工作思路。俞尤嘉等人針對命案現(xiàn)場勘驗，從工作過程的角度探討了虛擬仿真教學項目的設計與開發(fā)方法。曹鳳儀等人結(jié)合高分子材料與工程專業(yè)的特點，提出專業(yè)課程設計的虛擬仿真教學構(gòu)想?？傮w而言，目前針對VR 教學模式的探討較多，但對于VR 課件開發(fā)模式的研究較少，有關(guān)VR 教學資源設計與開發(fā)的文獻中，大多偏重于宏觀層面的分析論述，缺乏微觀層面的行動方案和操作方法及實用成果。本文以高職交通控制技術(shù)課程為例，探討了任務驅(qū)動下的高職專業(yè)課程VR 課件設計與開發(fā)模式，希望對同類課程VR 課件的設計開發(fā)起到拋磚引玉的作用。

1 任務驅(qū)動高職VR課件設計

高職交通控制技術(shù)課程是高職智能交通技術(shù)專業(yè)的一門必修課程，也是一門理論與實踐緊密結(jié)合的專業(yè)核心課程。該課程涉及較多的設備與工程等內(nèi)容，很難在實訓室及施工現(xiàn)場開展相應的教學活動，借助VR 技術(shù)設計開發(fā)相應的教學課件成為該課程的最佳選擇之一。

1.1 設計目標

為滿足高職交通運輸類專業(yè)對交通控制技術(shù)及設備的認知、操作和工程實施等核心知識和技能的教學要求，利用先進的VR 教學技術(shù)手段，搭建一個城市道路平面交叉口場景，將交通信號燈控制所涉及的設備操作和工程實施過程進行情景再現(xiàn)，依托教學、操作和考核三大任務驅(qū)動引擎，構(gòu)建開放、安全、可重復使用的虛擬場景，突破該部分教學內(nèi)容受傳統(tǒng)的時、空限制，無法有效開展項目教學的瓶頸問題，從而有效地提升專業(yè)課程的教學水平。

1.2 任務分解

高職交通控制技術(shù)專業(yè)課程的核心任務主要包括教學任務、實訓任務和考核任務，各項任務又由相應的子任務與具體實施內(nèi)容構(gòu)成，按照層次結(jié)構(gòu)分解如圖1所示。

圖1：高職交通控制技術(shù)專業(yè)課程實施任務結(jié)構(gòu)圖

（1）教學任務：該任務要求提供完整的城市道路交叉口交通信號燈控制三維虛擬仿真場景的展示，以及其中所涉及的信號燈、信號機、信號機機柜、燈桿、信號燈安裝、信號機機柜安裝、信號機安裝、管線敷設等設備及工程實施環(huán)節(jié)的認知、知識點與關(guān)鍵技術(shù)原理的學習過程。

（2）實訓任務：該任務提供面向信號燈、信號機、信號機機柜、燈桿、信號燈安裝、信號機機柜安裝、信號機安裝、管線敷設等設備及工程實施環(huán)節(jié)的三維虛擬仿真實訓項目，每個項目采用先進的沉浸式、進階式、智能式人機交互操作模式，每個項目通過設置操作指引、故障、診斷、排故、安全環(huán)節(jié)，激發(fā)學生的學習積極性和創(chuàng)造性。

（3）考核任務：針對城市道路交叉口交通信號控制信號燈、信號機、信號機機柜、燈桿、信號燈安裝、信號機機柜安裝、信號機安裝、管線敷設等設備操作及工程實施活動，設計開發(fā)專門的實訓考核項目，包括單項考核和綜合考核兩大類，提供考核標準、指引、解析等內(nèi)容。

1.3 VR課件設計

（1）基本功能：在三維交互的虛擬仿真場景下，涉及城市道路交叉口模型、交通信號控制設備及工程實施過程再現(xiàn)等內(nèi)容，實現(xiàn)PC 端人機交互操作和VR 體驗，包括漫游、綻放、組裝、測試、訂正、評價、VR 等。

（2）學習功能：針對所展示的場景、設備及工程，提供相應的標準、規(guī)范、知識點、技能、安全、案例等學習內(nèi)容。

（3）評價功能：提供針對設備、工程等項目操作過程、操作結(jié)果等環(huán)節(jié)的主客觀評價，包括教師評價、學生自評互評、系統(tǒng)自動評價模式，用于指導教學活動。

（4）考核功能：針對所涉及的道路交通控制工程技術(shù)虛擬仿真內(nèi)容，提供專門用于知識點、技能點的主客觀考核項目，并提供評分標準和完備的計分、分析功能，用于指導教學活動。

（5）交互接口：①信號燈結(jié)構(gòu)參數(shù)、信號燈珠數(shù)量、信號燈亮度、信號燈桿結(jié)構(gòu)參數(shù)、信號機機柜結(jié)構(gòu)參數(shù)、燈桿基礎土方量、混凝土配比參數(shù)、設備顏色等都可以人機交互式修改，且修改結(jié)果可保存與實時可見；②信號機控制的周期、綠信比、相位等參數(shù)可以修改并保存，且紅黃綠燈實時顯示修改的結(jié)果。

2 任務驅(qū)動高職VR課件開發(fā)

2.1 平臺需求

（1）人機交互設備：PC 機、VR 頭盔。

（2）輸出設備：PC 機、投影環(huán)幕（投影機、金屬環(huán)幕、邊緣融合器、音響）。

2.2 開發(fā)指標

（1）運行環(huán)境：滿足目前高校主流PC 機以及VR 設備的性能要求。

（2）界面設計：符合目前國內(nèi)三維虛擬仿真教育多媒體產(chǎn)品主流界面設計風格。

（3）運行效率：滿足教師端與學生端登錄管理、操作管理，畫面的幀數(shù)不得低于90，啟動后軟件運行無卡頓現(xiàn)象。

2.3 實現(xiàn)方式

提供兩種模式進行學習和實訓：其一是基于PC 端仿真模式，即打開虛擬仿真軟件進行學習、操作和參考考核；其二是基于VR 端仿真模式，即通過戴上VR 頭盔進行學習、操作與考核。

無論是選擇PC 端，還是VR 端模式學習，軟件的開發(fā)內(nèi)容是一樣的。下面描述軟件實現(xiàn)的主要內(nèi)容及開發(fā)基本思路如下：

（1）登錄進入道路交通控制工程技術(shù)虛擬仿真平臺。

（2）軟件界面上顯示 “學習模式”、“實訓模式”、“考核模式”三個選項。同時，軟件界面上有背景輕音樂，以及城市道路交通控制動態(tài)變幻場景。

（3）通過點選，進入相應的功能界面。

2.4 開發(fā)成果

基于任務驅(qū)動的高職交通控制技術(shù)專業(yè)課程VR 課件開發(fā)成果由三大模塊構(gòu)成，分別為教學模式模塊、實訓模式模塊和考核模式模塊，如圖2所示。在教學模式模塊中，包括城市路口認知、交通控制設備認知與操作、工程施工與驗收三大子任務，如圖3所示。

圖2：任務驅(qū)動VR 總界面

圖3：教學任務VR 操作界面

在實訓模式任務模塊中，設計開發(fā)了“交通信號燈燈珠安裝與拆解”、“信號燈燈盤固定與拆解”、“電源線與信號線連接與拆解”、“信號機在機柜內(nèi)的安裝與拆解”、“信號機面板操作”、“信號機電源防雷器安裝與拆解”、“信號燈倒L 桿支臂與立桿接頭法蘭盤固定與拆解”七個實訓任務。課件開發(fā)后的運行界面如圖4、圖5所示。

圖4：VR 認知與操作界面

圖5：信號機面板VR 操作界面

在考核模式任務模塊中，設計開發(fā)了“交通控制路口模型認知考核”、“交通信號燈知識點考核”、“交通信號機知識點考核”、“交通信號燈桿知識點考核”四部分考核任務，涵蓋了前面教學與實訓任務中的主要知識點與技能點，內(nèi)容設計與前面的任務安排密切呼應，達到鞏固與深化理解相關(guān)知識和技能的教學目的。開發(fā)成果運行結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6：VR 考核操作界面

圖7：交通控制設備VR 考核界面

3 VR課件測試與分析

為考察課件設計開發(fā)質(zhì)量，選取了部分學生和教師對VR 課件進行了集中測試。測試方式分為PC 端使用與VR教室使用兩種。經(jīng)過近3 周的測試后，以本校全部參與測試的學生及對此感興趣的學生進行了問卷調(diào)查。調(diào)查方法采用線下紙質(zhì)問卷和問卷星線上調(diào)查兩種，調(diào)查內(nèi)容圍繞VR 教學價值，涉及對VR 設備和VR 教學的認知、與傳統(tǒng)教學模式對比、學生的觀點、VR 教學現(xiàn)存在的問題、提升VR 教學的方法以及對VR 教學未來的展望等幾個方面，如圖8所示。經(jīng)過收集整理，得到有效問卷199 份，下面對主要調(diào)查結(jié)果進行分析。

圖8：VR 課件測試問卷內(nèi)容拓撲圖

3.1 對VR設備的認知

VR 設備是實施VR 教學的基礎條件。在關(guān)于對課程VR教學設備的認知程度方面，統(tǒng)計結(jié)果表明（如表1所示），19.6%的學生不了解，56.3%的學生稍微了解，20.6%的學生一般了解，只有3.5%的學生非常了解。這表明75.9%的同學對VR 課件教學認知度較低，在開展課程VR 教學活動時，需要關(guān)注VR 設備操作方面的使用訓練。

表1：對課程VR 教學設備的認知情況

3.2 傳統(tǒng)教學與VR教學對比

表2從四個方面對傳統(tǒng)教學與VR 課件教學進行了對比。結(jié)果表明，80.4%的受調(diào)查者認為，傳統(tǒng)教學模式的優(yōu)點主要是偏向于簡單直觀、易于消化和學習新知識，48.2%被調(diào)查者認為傳統(tǒng)的教學模式容易激發(fā)自己的創(chuàng)意靈感和不斷探索的精神。在傳統(tǒng)教學模式缺點的調(diào)查中，92%被調(diào)查者覺得傳統(tǒng)教學模式板塊難以激發(fā)他們的創(chuàng)意以及覺得傳統(tǒng)的教學模式會偏向單調(diào)死板。

在對VR 教學模式的優(yōu)缺點進行調(diào)查時，表2統(tǒng)計結(jié)果表明，54.3%同學認為VR 教學模式的優(yōu)勢在于人機交互使互動性增強，68.8%同學認為沉浸式場景能讓課堂更加豐富生動，66.8%同學認為親臨現(xiàn)場感能夠?qū)崿F(xiàn)在虛擬情況下給學生提供“實操”機會以及能夠100%還原三維立體形象，提供更直觀的教學內(nèi)容，僅有11.6%學生選擇了VR 教學模式還有其他方面的優(yōu)勢和認為自己沒有辦法進行比較。另外，60.3%學生反映VR 技術(shù)不穩(wěn)定，57.8%學生反映VR 硬件設備容易發(fā)生異常，66.3%學生反映VR 設備少、對VR 設備操作不熟。

表2：傳統(tǒng)教學與VR 教學對比分析

4 結(jié)語

高職專業(yè)課程實施VR 教學可以彌補傳統(tǒng)課堂教學的諸多不足，特別是一些難以在課堂中體驗的場景和操作類教學活動。目前國內(nèi)針對VR 教學模式的探討較多，但是對VR課件的設計與開發(fā)模式探討較少。本文提出基于任務驅(qū)動的高職專業(yè)課程VR 課件設計與開發(fā)模式，以高職交通控制技術(shù)課程為例進行了設計與開發(fā)，為了了解開發(fā)成果的應用效果，采用線上、線下相結(jié)合的方法進行了調(diào)查分析，結(jié)果表明大部分學生很樂意接受VR 教學，并且認為VR 教學模式具備較好的發(fā)展?jié)摿?。盡管VR 發(fā)展優(yōu)勢明顯，但是目前VR 課件設計開發(fā)仍面臨較大困難，特別是設備及素材制作需要大筆投入，VR 專業(yè)人才不足等等，這些因素制約著VR 教學的大范圍推廣應用，有必要從整個VR 教育教學產(chǎn)業(yè)鏈進行統(tǒng)籌規(guī)劃和研究解決。