虛擬現實技術在技能實訓教學考評中的應用研究

羅陸鋒 孫 爽 李國琴 楊 慧

天津職業技術師范大學機械工程學院 天津 300222

虛擬現實技術在技能實訓教學考評中的應用研究

羅陸鋒 孫 爽 李國琴 楊 慧

天津職業技術師范大學機械工程學院 天津 300222

由于傳統的技能實訓類課程教學受設備成本、維護保養等條件的制約，使得課程考核與評價環節投入大而效果不佳。本研究將虛擬現實技術與技能實訓教學的考評相結合，將三維虛擬環境下的人機交互技術運用于技能實訓課程的操作考評，提出了基于虛擬現實的實訓類課程考評系統設計方法。從考核內容及評價方法、三維虛擬考評情境、考評規則庫以及評價結論等四方面闡述了考評系統的設計。以模具拆卸實訓為例，介紹了三維可視化模具結構拆裝考評系統的開發流程，為技能實訓教學考評提供一種新的模式。

虛擬現實；技能實訓；教學考評

近年來，隨著虛擬現實技術的不斷發展，該技術已開始大量運用于教學當中[1-7]。在工程類的許多課程當中，三維虛擬仿真的教學案例尤為多見。這些案例能直觀對課程教學內容進行全方位演示，從視覺傳達、人機交互等方面彌補了傳統教學視頻的不足。但它們大多數是針對課程中的某個單一知識點而設計，而將虛擬現實技術運用全課程教學考評的案例較少。因此，結合技能實訓教學的特點，本文提出一種基于虛擬現實技術的技能實訓教學考評方法，旨在為技能實訓教學提供一種新的考核和評價模式。

1 虛擬教學考評系統的優勢

虛擬現實也稱為虛擬實境或靈境，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統[8]。基于虛擬現實的技能實訓教學考評方法是指借助三維虛擬仿真技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代實操考評的虛實結合操作環境，測試人員像在真實環境中一樣操作設備，取得效果等價于甚至優于在真實環境中所取得效果。該類考評系統包括虛擬設備、虛擬操作工具、交互設備等。考評過程是對實際操作技能的虛擬再現。虛擬操作過程與結果可以被處理、存儲，操作過程可以不斷重復進行。系統注重虛擬操作過程性、情境性、交互性和考核結果客觀性。系統具備的優勢包括[9]：一是打破了傳統考評方法對場地和時間的限制；二是減少考評器械的損耗，無須擔心損壞實

驗器械；三是在一些高危性的技能考評中運用虛擬現實技術可以避免因操作失誤而帶來的人身事故。

2 虛擬技能實訓教學考評系統設計

在設計基于虛擬現實技術的技能實訓教學考評系統時，先由命題專家根據相關實訓課程或技能工種確定考核內容，并提出考核評價方法，設定考評等級。然后根據各考評知識點構建合適的考評情境，該部分包括構建具有逼真感的三維可視化模型，設計良好的人機交互界面環境和構建操作過程信息的實時顯示與存儲方法。根據考核內容和評價方法設置考核知識點，分配各知識點的權重，并設計操作過程中的得分、扣分規則，設置考試時限。通過虛擬現實開發平臺結合高級編程語言將三維虛擬考評環境與考試規則進行融合開發，構建考評規則庫及三維虛擬模型交互之間的映射關系。最后根據虛擬操作的規范性、正確性、所用時間及誤操作次數等交互信息綜合得出考評等級。系統設計流程如圖1所示。

圖1 系統設計流程

2.1 考核內容及評價方法

考核內容是指針對某一門實訓課程或某個職業崗位特定的技能而設置的知識與技能觀測點。這些觀測點由出題專家根據考核和評價目標設定，內容需體現全面性、典型性、層次性。在工程實訓類課程中，通常考核學生使用某種特定設備的能力和使用與該設備相關的其他基礎知識。擬定考核內容是進行考評系統開發的第一步，在選定考評內容的觀測點后再進行后續軟件開發。

考核評價方法主要有量化評價和質性評價。質性評價是對量化評價的反思與總結提煉，受當前人工智能水平的限制，在軟件設計中難以實現質性評價。因此，在對技能課程的考評中，通常以量化評價為主。所以在考核學生對某種設備的基本操作技能時一般選擇量化考核。通過對各考核觀測點設置三維虛擬可交互的操作題目，并對各題目賦予權重。將各觀測點的操作進行記錄并存入數據庫中，最后根據考評規則結合數據庫中的操作記錄進行綜合量化評價，最終得出考評結論。

西周中后期，政局動蕩不安，社會矛盾激化，統治者的治國理念也發生了變化。周穆王命令大臣呂侯作《呂刑》，規定了墨（刺字）、劓（割鼻）、剕（斷足）、宮（去勢）、大辟（處死）五種刑罰以及三千款處罰條文。如果犯罪事實不清、證據不足，允許嫌犯繳納罰金贖免。呂侯還提出了“世輕世重”的理論，即刑罰輕重要根據社會情況的變化加以調整。“刑新國用輕典，刑平國用中典，刑亂國用重典”。[3]在政權建立之初、國家安定下來和社會秩序混亂等三個不同時期要采用輕重不同的刑罰，統治者可以靈活地、有意識地加以調整。“世輕世重”是對“明德慎罰”思想的重要補充。

2.2 構建考評情境

根據考核內容構建與之對應的逼真三維虛擬考試情境是開發考評系統的重要環節。考評情景主要由真實感三維虛擬環境、人機交互與虛擬行為等部分組成。

2.2.1 構建三維可視化環境

根據目前的三維建模軟件種類較多，基于參數化驅動建模的軟件主要有：SolidWorks，UG，CATIA，Pro/e，該類軟件可構建尺寸精確的三維模型，但在紋理貼圖和渲染等方面不如3Dmax軟件，因此，需要根據對象選擇合適的三維建模軟件。例如，在機械領域的三維模型一般采用SolidWorks等軟件構建，而對于一些場景類的三維模型一般采用3Dmax軟件。建模是一個非常復雜的過程，涉及許多結構十分復雜的模型，因此，在建模需要綜合衡量模型的精確度、顯示速度、操縱效率、廣泛性等。用建模軟件所建立的三維模型一般需要經過模型優化、渲染與美化，達到逼真效果后再通過數據轉化將其導入虛擬現實平臺中進行人機交互設計[10]。目前的虛擬現實平臺主要有：VRML，Java3D，Cult3D，Quest3D，Virtools，EonStudio等[11]。

2.2.2 人機交互與虛擬行為

人機交互是指人與計算機之間相互理解和交流的對話過程，在基于虛擬現實的技能考評系統中，人機交互主要體現在測試者與虛擬設備之間交互。通常一個完整的交互過程包含如下流程：首先測試者通過輸入設備(數據手套、鼠標、鍵盤等外部設備)對虛擬設備施加一種特定的操作，虛擬設備在接到操作命令以后執行相對應的虛擬行為，輸出設備將虛擬行為的可視化信息、音效等傳送給測試者，同時操作信息被存入數據庫，為操作評價數據支持。考評系統中虛擬行為是指真實設備完成特定功能的一些系列行為過程的虛擬仿真。在虛擬環境中的行為實質為一系列三維實時動畫，其運動路徑和運動方式由真實設備的實際運動移植而來，是對真實設備運動行為的一種三維虛擬再現。

2.3 編制考評規則

技能教學考評是對測試者操作過程行為的正確性和規范性以及對基本知識的掌握程度等進行全方位評估。因此，在進行評價之前，需要對各考核觀測點的操作進行規則化描述。先提煉出各觀測點的屬性特征[12]，再將這些特征用數學規則方法進行描述，并建立與三維可視化虛擬交互操作之間關聯映射。

在編制考評規則時，可借助數據庫技術將定義的考評規則存儲在數據庫中，組建考評規則庫。將各觀

測點的操作方法、得分扣分規則及其他約束規則等用數學語言描述后用數據表形式存入規則庫。編制這些規則時，應具備如下特征。

(1)考評規則應具有正確性和可用性。每條考評規則都應是對客觀事實的一種數學化描述，同時應避免規則設置的冗余性。(2)考評規則應是由命題專家與軟件工程師經過充分討論，共同編制，確保規則在虛擬現實中的可實現性。(3)考評規則應具備知識關聯性。規則是從考核內容中的各觀測點提煉出來的，大多數情況下各觀測點知識是具備關聯性，因此，考評規則應具備知識的前后關聯性。(4)考評規則應與三維環境下的虛擬操作進行一一映射，使得規則可作用于虛擬操作，從而實現對虛擬操作的評價。

2.4 考評結論

考評結論是由考評系統根據考評規則庫對測試者的操作過程按照終結性評估計算方法得出的最終結果。該部分的核心是終結性評價計算方法，它直接決定評價結論。基于虛擬現實的技能教學考評計算方法依據實際課程或技能等級的評價標準，為考核內容的各觀測點分配權重系數，為各觀測點的誤操作分配扣分系數，并結合操作所用時間等因素構建考評全過程數據計算模型。它是一個多因素決策計算模型，依據這個數學模型即可對操作過程進行終結性評價。

3 開發流程

本文以模具拆裝實訓考評為案例，闡述三維可視化模具結構的虛擬拆裝與運動仿真系統。系統以美國EON Reality公司開發的一套模塊化多用途的三維交互式仿真軟件開發工具EON Studio作為虛擬現實開發平臺，該平臺能夠讓用戶自定義行為及交互方式，也能夠進行仿真測試及實時更改測試的參數。系統的開發流程分為以下六步。

第一步：由負責模具實訓教學的教師給出拆裝考評內容，并提煉出考評觀測點。

第二步：對實物模具進行尺寸測量，使用Solidworks對模具各零件進行三維造型并裝配。

第三步：使用3Ds max軟件對三維模型進行優化、渲染及美化，再將經過渲染美化的三維模型文件通過數據轉化導入到虛擬現實軟件EON中。

第四步：在EON中對模具的虛擬拆裝與虛擬行為進行程序開發，搭建與考評規則庫之間的數據接口。

第五步：構建考試規則庫，運用Visual C++編程環境建立考評規則數據庫與EON三維虛擬行為之間的映射。另外，建立用戶數據庫，編寫用戶注冊、登錄程序。

第六步：編寫終結性評價數學模型，最終將EON虛擬仿真、規則數據庫、評價模型進行整合，完成軟件系統的開發。開發流程如圖2所示。

圖2 模具拆裝考評系統開發流程

4 結束語

隨著虛擬現實的不斷運用，基于虛擬現實的技能實訓教學考評方式具有廣闊的發展前景，是虛擬現實技術在教育領域中的又一個重要應用。通過虛擬現實實現對技能教學的考評，可使學員在虛擬環境中完成技能操作考試。該方式可以保證實訓教學考試不受時間、空間的限制，減少對實訓設備、實訓工量器具的投入，使教學評價效果更理想，有效地提高了傳統實訓教學評價的質量。

[1] 惲如偉.中學物理虛擬現實教學軟件的設計與思考[J].中國電化教育,2003(4):54-56.

[2] 王飛,楊湘龍,馮允成.虛擬現實仿真技術及在飛機裝配中的應用[J].北京航空航天大學學報,2001,27(2):213-216.

[3] 劉煉,孫慧佳.虛擬現實技術在舞蹈教學中的應用現狀及設計要求[J].中國電化教育,2014,329:85-88.

[4] 蘇學勇,湯彥君.虛擬技術在現代醫學教育中的應用[J].中國醫藥導報,2008(33):89-90.

[5] 羅陸鋒,孫爽,李國琴.基于Open Inventor的虛擬數控培訓系統開發[J].計算機工程與設計,2009,30(19):4556-4559.

[6] 王兆其,夏時洪,邱顯杰.數字化三維蹦床運動模擬與仿真系統[J].計算機學報,2007,3(3):498-504.

[7] 林向義.虛擬現實技術在電力培訓中的應用[J].計算機仿真.2005,22(4):241-243.

[8] 趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學F輯:信息科學,2009, 39(1):2-46.

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

[10] 羅陸鋒,鄒湘軍,劉天湖.大數據量虛擬景觀的三維模型優化與漫游[J].系統仿真學報,2009,21(6):1654-1657.

[11] 劉俐利,凌毓濤,王艷鳳.虛擬學習環境中構建三維動畫資源與交互設計研究[J].中國電化教育,2014(2):123-128.

[12] 孫江山.基于學科領域知識的虛擬現實實驗系統的設計與實現[J].電化教育研究,2012(8):70-74.

The Applied Research of Virtual Reality in the Evaluation System of Practical Teaching

Luo Lufeng, Sun Shuang, Li Guoqin, Yang Hui
College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin, 300222, China

Because the traditional practical training courses was restricted by some factors such as the equipment cost and maintenance etc, which makes the course assessment and evaluation in large expenditure and the effect is not good. Combined with virtual reality technology and teaching evaluation of skills training, a evaluation method of practical training curriculum based on virtual reality was put forward. Expounded the evaluation system design from four aspects, the evaluation content and evaluation methods, 3D virtual environment for examination, rule base of examination and evaluation conclusion. Finally, took "mould dismounting training" as an example, introduced the development process of evaluation system of mold structure dismantling. This paper provided a new pattern for examination and assessment of skill practice teaching.

virtual reality; practical training; teaching evaluation.

2016-06-02

羅陸鋒，碩士，講師。孫爽，本科，教授。李國琴，碩士，副教授。楊慧，碩士，教授。

天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究計劃重點項目(編號：C03-0802)。