虛擬現實技術在高職機電類專業課程教學中的應用研究

【摘要】根據虛擬現實技術在高職機電類專業課程中的應用現狀，分析該技術在教學應用過程中存在的問題，并提出相應對策與建議。

【關鍵詞】虛擬現實技術 機電類專業課程 教學

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2012）09C-0183-02

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR），又稱假象現實技術，是利用計算機技術和信息技術等現代技術合成的人工世界。它能夠刺激人的聽覺、觸覺、視覺等感覺器官，使人沉浸在這種現代技術所生成的虛擬環境中，產生與現實世界相類似的感官效果。利用虛擬現實技術，可以在很多領域替代或部分替代現實世界。如今，繼科學實驗、理論分析之后，虛擬現實技術已經成為人類探索客觀世界規律的第三大手段。

在高職機電類專業課程中引入虛擬現實技術，能給復雜的技能訓練、抽象的理論教學帶來革命性的變化。同時也將給機電類高職教育的教學內容、教學手段以及教學理念等產生重要的影響。

一、虛擬現實技術在高職機電類專業課程中的應用現狀

（一）應用類型。虛擬現實技術可以分為桌面級虛擬現實、投入型虛擬現實、分布型虛擬現實、逼近現實型虛擬現實四種類型。投入型虛擬現實和桌面級虛擬現實的沉浸度比較低，但因其價格低廉，常被高職教育所采用。其中，桌面級的虛擬現實系統的硬件投入最少，甚至在個人電腦和比較低級的計算機工作站中就可以進行仿真。利用它，學生可以通過操作鼠標跟虛擬世界交互，盡管沉浸度比較低，但其性價比是高職院校所能接受的。與桌面級虛擬現實相比，投入型的虛擬現實系統能更為逼真地模擬現實世界，通過它用戶“以假亂真”的體驗更加明顯。它可以利用頭盔顯示器等設備，把學生的聽覺、視覺和其他感官體驗封閉起來，提供一個新的、虛幻的感覺空間。利用數據采集手套、位置傳感器、便攜式輸入系統等使學生產生一種身臨其境的虛幻效果。常見的系統有：基于頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬現實系統、遠程存在系統。目前，由于投入成本等方面的限制，我國高職教育多采用較為低端的投影式虛擬現實系統。

（二）應用方式。虛擬現實技術在高職機電類專業課程教學中的應用主要有三維演示、虛擬實驗、虛擬實訓、仿真教學、虛擬維修等。三維演示利用簡易型虛擬現實技術表現機電設備、設備零部件的結構和動態，便于學生深入地了解設備和每個零部件的內部結構，有助于學生理解設備的動作方式及工作原理。虛擬實驗是指把虛擬現實技術應用于建設虛擬實驗室、開發虛擬實驗軟件。通過這樣的平臺，學生可以身臨其境地對機電設備零部件進行虛擬拆裝、對儀器儀表進行操作等。虛擬實訓集中體現了虛擬現實技術的沉浸性和交互性的優點，讓學生成為虛擬環境的積極參與者。通過虛擬實訓，學生可以進行機電設備的安裝與調試、故障檢測與診斷、機床電控回路的仿真連接等職業技能訓練，在取得接近于真實實訓效果的同時，達到了降本運作的目的。仿真教學則是利用虛擬現實技術構建學習情境，在情境中學生可以扮演職場角色，對未來職場的工作內容進行深入的體驗，很大的縮短了學生獲取職業崗位相關知識的時間。近年來，虛擬維修是虛擬技術的一個重要研究方向，其目的主要是利用虛擬現實技術在計算機上真實地展現設備的維修過程，增強設備維修的決策能力。現階段，虛擬維修在高職機電類課程的教學中，應用得比較廣泛的是機電設備電控系統故障查找、機電設備液壓系統故障查找等比較初級的虛擬維修項目。

（三）應用特點。虛擬現實技術在高職機電類課程教學中的應用具有職業性、實踐性、情境性、過程性、開放性等特點。職業性是指虛擬現實技術可以比較真實地模擬高職機電類專業學生相關的職業崗位的工作環境，利用它可以使學生的各項職業技能的培訓更為高效；實踐性是指虛擬現實技術能逼真地模擬現實世界的各種實踐操作，以最低的成本獲得最好的實踐效果；情境性是指利用虛擬現實技術創設教學情境，通過教學課件、課程網站等CAI手段，實現把抽象的內容具體化，復雜的問題簡單化，不可見的結構或動作可視化的教學效果；過程性是指利用虛擬現實技術實現基于企業真實工作過程的項目教學，使教學的過程和內容更加符合企業的崗位需求，學生通過這個環節可以了解企業真實的工作過程，走上工作崗位后能較快地適應職業崗位要求；開放性則是利用虛擬現實技術構建學習情境并提供豐富的學習資源以滿足學生不同層次的需求，學生可以打破時間和空間的限制，獲得最大的個性化發展。

（四）應用優勢。首先，引入虛擬現實技術開展高職機電類專業課程教學，可以改善教學環境。機電類專業課程具有理論性、實踐性強等特點，虛擬現實技術使學生可以在虛擬的環境下，感受到職場的氛圍。操練職業技能，在不大幅增加實訓設備的情況下，獲得最好的學習效果。其次，虛擬現實技術可以提高實訓效率。學生在開展實訓操作之前，先進行虛擬實訓，對操作要領和實訓環節初步了解，可以較大地提高實訓的效率和效果，并且還能降低對實訓設備的損耗。最后，虛擬現實技術還可以提升學生的職業技能。虛擬現實技術可以真實地再現各種場景，使得學生對機電專業課程的學習難度大為降低。虛擬實驗、實訓的成本較之傳統的實驗和實訓的成本低廉，使得實驗實訓項目的開出率得以最大限度地保證。學生可以在虛擬環境中“做中學，學中做”，能使專業能力、方法能力等方面的職業素養得以全面地提升。

二、虛擬現實技術在高職機電類專業課程教學的應用過程中出現的問題

（一）虛擬現實技術存在局限性。虛擬現實技術本身的局限性決定了它只能作為現實教學手段的輔助工具。任何先進的虛擬現實技術，都無法構建出與現實世界完全吻合的虛擬世界。它給參與者帶來的感官刺激無法取代現實世界所產生的真實自然的刺激。例如：在機床維修課程的教學中，常采用虛擬實訓的方式讓學生進行虛擬拆裝。學生通過拖動鼠標等操作，把虛擬環境下的機床拆卸成為一個個的零部件，借以了解機床的內部結構，但是在這個過程中，學生無法獲取諸如“拆卸一個零部件，需要多大的力道？應該使用何種工具？”，“如何保證在拆卸的過程中不會損壞所拆卸的零部件？”，“某個零部件的重量是多少？用什么材料制成的？”等方面的信息和經驗。

（二）過度主張學生的自主學習，教師引導作用難以發揮。在高職機電類專業課程中引入虛擬現實技術開展教學的過程中，學生可以在教師的引導下利用豐富的教學資源，結合自身情況，選擇適當的學習方式進行學習。這種不同于傳統教學方式的教學模式可以最大限度地發揮學生的主觀能動性，非常有利于培養創新型高技能人才。但在這種教學模式下，學生的自主學習能力被過度強調，教師的引導作用無形中被弱化。在現實的教學過程中，由于學生的自由度過大，教師很難對學生實施有效地監控，對于自我學習能力不足、自制能力差的學生，容易出現教學效果欠佳的情況。

（三）過度依賴虛擬現實技術，弱化團隊的交流合作。采用虛擬現實技術進行高職機電類專業課程的教學，因其便利性與低成本的特點，多采用“一人一機”的教學方式。這種方式雖然能夠使每個學生個體得到最大限度的動手機會，卻削弱了團隊間的直接交流，不利于團隊精神的培養，不利于團隊間的交流與合作，不利于學生社會能力的培養。

（四）教師引導不善，容易使學生養成不良的職業行為習慣。虛擬現實技術與現實的差異，決定了學生在虛擬環境中容易產生偏離現實環境中的行為。例如：電工課程的虛擬實訓過程中，因為沒有現實操作的危險性，容易滋養學生恣意妄為的行為習慣，這種習慣帶到現實操作中，其后果無疑是非常嚴重的。這種情況在高職機電類其他專業課程的虛擬實訓中普遍存在。

三、提高虛擬現實技術在高職機電類專業課程教學中應用效果的對策

（一）提高專業教師的素質，大力推進高職機電類專業課程改革。高職院校應當對現時的機電類專業課程的教學體系和教學模式進行改革，進行基于工學結合的高職機電類專業課程建設。專業教師要能夠使用虛擬現實技術創建基于企業真實工作過程的、真實模擬從業人員生產活動的虛擬環境。這需要專業教師能夠熟練地掌握虛擬平臺的開發和使用方法，引導學生解決虛擬實訓過程中所碰到的問題，使學生能更好地融入到真實的工作情境當中。

（二）引進開發更具開放性、真實性環境的虛擬平臺。高職機電類專業高度實踐性的特點，決定了這類專業的專業課程不能脫離企業真實的工作過程。虛擬現實技術作為基于工作過程的高職項目教學體系的有益補充，越貼近真實的工作環境，越能為教學提供有力的支持。這就要求高職院校在引進和開發機電類專業課程虛擬教學平臺時，進行充分地調研，了解高職機電專業學生從業的崗位要求，合理地選擇教學內容和教學方式。在這個過程中，教師應該充分考慮高職學生的學習特點、學習方式和學習習慣，以便選擇適當交互方式和呈現手段。

（三）虛擬現實技術與實踐教學相結合。虛擬現實技術能夠有效地降低高職機電類專業課程的教學難度，激發學生的學習興趣，提升教學效果，但它不能完全代替現實世界的實踐操作。這對于注重學生動手能力培養的高職教育而言，是一個不足。因此，應當理順虛擬實訓和實操實訓之間的關系。首先，虛擬現實技術與實操實訓應該是一個互補的關系，實操實訓不方便實現的教學。如存在一定職業危害的實訓內容，為把職業危害降到最低，可以先利用虛擬現實訓練的方式加以實現；成本巨大的實操實訓，也可以采用虛擬實訓的方式先行替代。其次，融入關系。將高職機電類專業課程的實訓教學方案，基本上都融入了虛擬現實的訓練方案。最后，順序關系。采用虛擬現實技術開展高職機電類專業課程教學時，要讓虛擬現實訓練在前，實際操作在后。利用虛擬實訓初步獲取必要的理論知識和操作經驗，然后通過實際操作培養面向生產實際的職業技能。