VR技術在培訓中的應用研究

摘 要：傳統培訓多運用文字、語音、視頻等手段以及黑板、投影儀、電子白板等工具來輔助教學，教師通過反復多次教學來實現學員對知識點、操作點的記憶和掌握，效果不算很好。VR技術的引入，使得實時互動、主動學習、有效學習變成了可能。培訓手段的提高，對培訓的方法論有著新的要求。文章通過空調衛生檢測培訓為例，闡述了VR技術在培訓中應用需關注問題及解決的方法論。

關鍵詞：虛擬現實；空調衛生；培訓

序言

通過我們實際調研，現在的培訓主要采取講PPT、讀規范講義、播放視頻、面對面授課等方式來實行，還停留在傳統培訓的階段。傳統培訓的特點是：（1）教學手段比較老舊，以黑板、幻燈片、投影儀等為主，近年來部分發達地區開始引入電子白板；（2）表現方式比較缺乏，主要是文字、語音、動畫、視頻等方式；（3）缺少互動和主動性，一般都是老師對學員單向授課，由于文化、個性、意識和習慣等諸多原因，國內學員一般性都缺少全過程的主動性參與和互動；（4）培訓場所和培訓內容不匹配，培訓場所一般是教室或者會議室，布置是按照一般教室和會議室的規格，和具體培訓內容無關，學員難以進入培訓角色、狀態和內容。VR（虛擬現實）技術的引進，引入了仿真性場景，綜合了文字、語音、動畫、視頻及互動等多種方式，使得學員的主動參與和互動有了可能，讓培訓變得更真實、更有趣，更有效，同時也提出了一些新的問題。

1 VR技術及培訓平臺的介紹

VR（虛擬現實）技術是一種計算機仿真系統，通過感知終端，將用戶的視覺、聽覺、觸覺以及未來的多感官感知引入到仿真的環境中，從而對仿真環境有種存在感的體驗；通過交互終端，將用戶的頭部轉動、眼睛、手勢以及其他人體行為動作引入到仿真環境中，因此對仿真環境有種自主參與和互動感的體驗。

認知行為理論[1]認為，認知相比于情緒和行為，起到中介與協調的作用，三者之中，認知解讀行為，然后影響個體決定。影響認知本身的主要是自動化思考機制：長期積累形成的固定思考和行為模式。VR培訓正是通過模擬設置真實性事件場景，通過問題界定、目標制定、策略評估，來引導用戶相信培訓行為及引出的思考、認識是理性的，情緒是正常的。通過修正認知，來達到和固化培訓效果。

因此，VR培訓平臺整體設計如圖1。

其中，模式設計，聚焦于為實現培訓目標，如何選擇改變用戶的認知方式。場景設計，是模式設計完成后，構建仿真性的環境，以用戶在培訓目標仿真環境中的真實存在感為主要考慮。互動設計，是模式設計和場景設計都完成后，進行實現場景中培訓目標所要求的各種行為設計。軟硬件設計，是完成前面三種設計之后，進行硬件選擇、引擎選擇、軟件設計和優化，形成完整性的VR培訓平臺。

2 VR培訓面臨的問題及解決的方法論

VR培訓目前面臨的問題，既包括傳統培訓存在的問題，也包括VR技術本身面臨的局限。

（1）傳統培訓以解釋規則文字為主，輔助圖片、視頻，學員除了系統性過一遍、選擇性接受之外，整體性印象并不深。如果不是學員急需解決的問題，學員甚至都沒有切身的感受。VR培訓需要進行結構化的設計，以解決傳統培訓問題。另外，由于佩戴頭顯，用戶無法看到外部環境，因此VR培訓本身與傳統培訓有著本質上的不同。

（2）VR技術本身目前還存在一些不足，比如現在最先進的HTC vive和Oculus Rift都需要線纜連接到電腦，限制了用戶活動范圍；由于用戶活動受限，仿真環境中的移動和真實環境中的移動不能保持完全一致，在設計中需要替代方法；除非佩戴特殊笨重裝置，用戶的手部動作、全身性活動還不能完整模擬；輸入手段方面的成熟解決方案還比較缺乏，需要行業領域的專業性開發；攝像機鏡頭的移動，帶來不同焦點，移動過快或者變化不當，容易讓用戶不適，在交互設計上需要關注。

針對以上存在的問題，我們提出VR培訓解決思路及方法論。

首先，VR培訓既要以培訓目標和內容為根本，又要結合VR設備的特點，來進行頂層模式設計，從而給用戶帶來的真實有效互動感受，通過充分利用真實互動感受，來加深用戶培訓的印象。有研究[2]提出：根據體驗性學習過程特點，考慮學員的自主認知規律，將培訓過程劃分為任務界定和選擇、學習計劃設定、仿真操作體驗和學習結果評價四個環節。該模型可以引導學員有效地進行培訓學習。在實踐中，我們在頂層架構上面摸索出一套VR培訓方法，那就是“教-學-練-測”一體化的過程方法。詳細來說：教就是老師講練，學員看聽；學，就是老師練，學員跟練；練，就是任務提示，學員練；測就是，學員測試。“教-學-練-測”以認知行為理論為基礎，通過重復學員的學習和操作，一體化四階段的反復強化，使學員將培訓目標、要解決的問題直接與過程思考、操作實踐緊密掛鉤，從而形成“行為——認知——情緒——行為”的正向引導，達到良好培訓效果。

其次，為達到對具體知識點學習效果的強化，我們總結出以任務為導向的知識點學習方法，以及包括場景溫度、多媒體交互等手段。具體來說，參考娛樂游戲等關卡設計的方法，我們在具體知識點的學習上以任務為導向，通過任務系統設計、獎懲系統設計、排名系統設計，提升學員的參與感和主動性；通過設計人性化場景，引導學員自然進入場景，完成任務，在仿真環境中以愉悅心態來完成整體學習考核過程；通過引入語音、圖像等新技術，讓學員能以自然的交互方式來進行人機對話。

最后，充分利用現有軟硬件，通過展示新技術優勢，回避新技術不足，來構建學員完整性的真實體驗。具體來說，通過內容策劃、引入移動物體視角等方式，避免在仿真環境中的攀爬、跑動、跳躍等行為，減少在仿真環境中的行走；通過輸入、攝像機等優化，來簡化用戶交互，提高用戶交互的有效及習慣性，充分利用現有成熟的視覺、聽覺等方式，減少觸覺方式，避免其他不成熟的交互方式。

3 舉例：空調衛生檢測培訓

3.1 培訓背景

隨著城市改造和建設的發展，集中空調通風系統在公共建筑中得到廣泛使用。由于公共建筑內人員密集，建筑相對密閉，室內空氣品質在很大程度上依賴于集中空調通風系統，一旦集中空調通風系統本身受到污染后污染物得不到及時清除，就會成為污染源，加劇室內空氣品質的惡化。與室內空氣不良存在密切關聯的“亞健康”、“不良建筑綜合癥”不時困擾著長時間在公共建筑內活動、工作的人群。

為此國家出臺相關規定，要求進行集中空調通風系統衛生檢測。因為空調衛生檢測分布在全區域各種樓宇實體，因此集中培訓成為必要。目前培訓主要是講PPT和播放視頻的方式，效果不佳，引入VR培訓，重在提高培訓效果和效率。

3.2 培訓目標

培訓主要是參照國家和地方的相關法規（如表1），以及空調衛生檢測操作的專業規定（如圖2）。這里不詳細展開。

風管積塵采集及微生物擦拭如圖2。

3.3 培訓模式

按照“教-學-練-測”方法整理如下表2。

通過“教-學-練-測”的反復強化，實現對內容上許可、監督等知識點的理解、掌握和靈活應用。

3.4 場景及互動模式

以學為例，整理場景模塊，以任務為導向，細化知識點及交互操作。如表3。

模仿真實場景進行還原，設計擬人化場景示意圖如圖3：

互動方面，引入語音識別，引導學員根據內容任務通過自然語言進行人機交互；引入圖像識別身份，學員根據自身情況多次登陸學習測試；設計獎懲、排名，方便學員橫向比較找差距，縱向比照看成長。

3.5軟硬件選擇

由于空調衛生檢測的空間要求不大，細節精確度操作要求較高，我們選用性能表現優異的HTC vive及配套電腦硬件系統，采用UE4為引擎構建精細化場景，搭建空調衛生檢測實訓系統。充分利用硬件的優勢，強化視覺與聽覺，有效利用手柄，動作操作上以一個交互操作對應一次手柄使用。另配置語音識別裝置，通過語音引導和互動來實現主要培訓內容。場景切換采用關卡設計模式，避免移動上的不適。

3.6 實踐效果

本系統對傳統培訓模式是一種升級，獲得有關單位的認可，落實到全區域50多個隊伍的培訓中。通過本系統的實訓，培訓時間縮短到傳統培訓的20%以內， 學員滿意度達到95%。

4 結束語

本文闡述了VR技術在培訓中面臨的新問題及解決思路，以空調衛生檢測培訓為例，闡述了具體問題和解決過程。本文提出的“教-學-練-測”一體化方案、任務導向的知識點培訓方法、場景溫度設計、多媒體互動，也適用于各種類型的VR培訓。

參考文獻

[1]蔡曙山，江銘虎.人類的心智與認知：當代認知科學重大理論與應用研究[M].人民出版社，2016，1.

[2]喬卉.面向電力培訓的虛擬仿真理論及應用[D].武漢大學，2012.

作者簡介：高杲（1980-），男，博士，高級工程師，畢業于上海交通大學，主要研究方向：虛擬現實、增強現實、人工智能。