基于三維虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)研究

倪葉青

[中圖分類號]TP391.9 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]2095-3089（2017）12-0036-02

一、三維虛擬實訓(xùn)應(yīng)用現(xiàn)狀

國家教育信息化十三五規(guī)劃和浙江省高等教育“十三五”發(fā)展規(guī)范都提出深化信息技術(shù)與教育教學(xué)、教育管理融合發(fā)展.其中浙江省高等教育“十三五”發(fā)展規(guī)范提出全面推進(jìn)智慧教育，建設(shè)浙江省高校虛擬仿真實驗實訓(xùn)平臺，提供遠(yuǎn)程實驗實訓(xùn)指導(dǎo)和教學(xué)服務(wù)。高等職業(yè)技術(shù)教育的培養(yǎng)目標(biāo)是為生產(chǎn)、服務(wù)和管理第一線培養(yǎng)高層次實用人才。實訓(xùn)教育教學(xué)是將業(yè)務(wù)實訓(xùn)貫穿于教學(xué)始終的一種教學(xué)方法，實訓(xùn)基地是與這種教學(xué)配套的實踐教學(xué)場所。實訓(xùn)教育是體現(xiàn)高職教育的特色和自身優(yōu)勢重要優(yōu)勢，然而各高職院校在實訓(xùn)建設(shè)項目中都遇到了如實訓(xùn)教學(xué)和實際工作需要的脫節(jié)、實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備資源的緊缺和實訓(xùn)資源的不開放、實訓(xùn)環(huán)節(jié)具有危險性等情況；同時實訓(xùn)設(shè)備的高投入也讓學(xué)校背負(fù)沉重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。在另一方面，學(xué)生在實訓(xùn)教學(xué)中容易出現(xiàn)興趣缺乏等情況，或者由于條件限制，同學(xué)難于得到充分的實訓(xùn)機(jī)會情況也不乏少見。

現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的過程是人與環(huán)境相互作用的過程，知識必須基于真實的學(xué)習(xí)情景呈現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是繼多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后又一門嶄新的技術(shù)，在為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建仿真的學(xué)習(xí)情景方面有著不可替代的積極作用。基于三維虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)采用游戲化教學(xué)，可以提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，滿足學(xué)生的技術(shù)實踐需求，從而突破傳統(tǒng)教學(xué)的局限}生，培養(yǎng)更多的技術(shù)性人才，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力，解決實訓(xùn)教育質(zhì)量及效率低的問題，促進(jìn)傳統(tǒng)實訓(xùn)模式的轉(zhuǎn)變與創(chuàng)新，推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與傳統(tǒng)教育教學(xué)的深度融合。

二、統(tǒng)一入口教學(xué)模式虛擬實訓(xùn)教學(xué)模式

EVC虛擬校園統(tǒng)一入口教學(xué)模式突出用戶創(chuàng)造內(nèi)容（UGC），全體師生員工以統(tǒng)一客戶端的公共虛擬現(xiàn)實空間。在虛擬現(xiàn)實空間中，用戶可更具預(yù)先設(shè)置，實現(xiàn)對汽車中控儀表臺各功能部件認(rèn)知；并能通過虛擬操作，實現(xiàn)相應(yīng)功能部件的對應(yīng)功能。同時在虛擬世界中已建立物流碼頭實訓(xùn)基地，該實訓(xùn)基地以寧波港為背景，在平臺上搭建虛擬寧波港實訓(xùn)基地。包括：大型船舶、岸吊、堆場、商務(wù)樓和調(diào)度室、閘口以及相關(guān)的配套設(shè)施。展示以集裝箱為貨物的運(yùn)輸過程，實現(xiàn)裝船和卸船流程。提供龍門吊、岸吊、汽車虛擬實訓(xùn)產(chǎn)品，供師生用戶仿真模擬操作。師生用戶通過港口物流虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行實訓(xùn)操作，既解決了大型設(shè)備和場地實訓(xùn)的資源稀缺性和人員安全管理難題，也提高了學(xué)生用戶的使用興趣，真正做到了“玩中學(xué)”，提高了對港口物流操作的直觀感受。也為學(xué)生用戶今后進(jìn)一步的實地實訓(xùn)打下良好基礎(chǔ)，提供平滑過渡。

EVC虛擬校園服務(wù)器統(tǒng)一入口教學(xué)模式采用C/S架構(gòu)，包含客戶端和服務(wù)器端。服務(wù)器端部署采用分布式架構(gòu)，包含兩組六大類服務(wù)器，其中用戶服務(wù)器、網(wǎng)格服務(wù)器、物品服務(wù)器、庫存服務(wù)器和消息服務(wù)器為公共應(yīng)用服務(wù)組，而島服務(wù)器根據(jù)具體場景配置需要，可靈活配置數(shù)量，所有用戶及服務(wù)器配置、狀態(tài)及其他屬性都存入數(shù)據(jù)庫持久保存。這種高度模塊化的架構(gòu)，使系統(tǒng)在具有高度靈活性、可擴(kuò)展性的同時，兼具性能可靠性強(qiáng)和服務(wù)負(fù)載均衡容易等特點。

三、分專業(yè)虛擬實訓(xùn)教學(xué)模式

EVC虛擬校園分專業(yè)虛擬教學(xué)模式目注重分析教師和學(xué)生實際需求，以“學(xué)”、“教”有機(jī)結(jié)合為基礎(chǔ)，在學(xué)生自主學(xué)習(xí)的平臺中，突出三維虛擬實訓(xùn)教學(xué)特有的沉浸感、真實性、交互性和構(gòu)想性。

同時，在該模式設(shè)計中引入大數(shù)據(jù)思維，注重實訓(xùn)實驗數(shù)據(jù)的收集與分析，教師可以將學(xué)生的實訓(xùn)數(shù)據(jù)作為教學(xué)分析和教學(xué)模式改進(jìn)的有力依據(jù)，改變以往只以教學(xué)模塊和知識點作為實訓(xùn)、教學(xué)考核點的模式，通過實訓(xùn)數(shù)據(jù)真實分析教學(xué)難點和重點，在“學(xué)”、“教”基礎(chǔ)之上更做到“析”，以更好的為教學(xué)服務(wù)，為師生服務(wù)。如汽車電控發(fā)動機(jī)故障診斷虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)突出我校在汽車電控發(fā)動機(jī)維修方面的優(yōu)勢經(jīng)驗和積累，主要為了解決學(xué)生應(yīng)試和動手能力的脫節(jié)問題，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)及檢測臺的三維仿真、并將OBD診斷數(shù)據(jù)庫、發(fā)動機(jī)元件庫、檢測工具庫、故障檢測數(shù)據(jù)庫、故障原因庫、修理知識庫等囊括于實訓(xùn)系統(tǒng)中，與學(xué)校汽車檢修臺架緊密結(jié)合，涵蓋實習(xí)了汽修專業(yè)教學(xué)中中間的13類故障，以及100多種故障原因。圖3汽車電控發(fā)動機(jī)檢修虛擬實訓(xùn)與酒店前臺與客房虛擬

實訓(xùn)

酒店前臺與客房虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)則虛擬構(gòu)建一個“虛擬的酒店”。該虛擬酒店包括真實酒店的基本要素，通過該系統(tǒng)可以進(jìn)行前臺服務(wù)、酒店前臺布局設(shè)計、客房服務(wù)、房型、房態(tài)、房價、入住、退房等流程的模擬實訓(xùn)，學(xué)生即可通過實訓(xùn)系統(tǒng)實習(xí)自主學(xué)習(xí)，也可進(jìn)行相應(yīng)自動化考核，教師則可以對實訓(xùn)結(jié)果進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)管理與分析。

四、兩種模式的虛擬實訓(xùn)教學(xué)對比研究

浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院在基于三維虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)模式探究中，采用了統(tǒng)一入口教學(xué)模式與分專業(yè)虛擬實訓(xùn)教學(xué)模式兩種模式并存的方式。

統(tǒng)一入口教學(xué)模式采用OpenSim及類Second Life模式，該平臺下的開放互動特性決定了其非常適用于有特定流程的教學(xué)實訓(xùn)活動，SecondLife其第二人生的特點即是讓用戶在三維游戲世界中體驗現(xiàn)實世界中暫時不能實現(xiàn)的自我，其核心理念“用戶創(chuàng)造內(nèi)容”非常符合發(fā)揮學(xué)生用戶的主動性和創(chuàng)造性，對于設(shè)計類、程序類課程有著非常大的優(yōu)勢。但由于openSim（second Life）的游戲模式較復(fù)雜，也讓師生用戶反饋其學(xué)習(xí)曲線陡峭，往往讓用戶在學(xué)習(xí)系統(tǒng)操作上花費(fèi)了太多時間，反而失去了對本該重視的實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)的聚焦，也曾有用戶反饋類似SecondLife模式是考驗用戶技術(shù)；再者隨著這幾年Second Life（OoenSim）在商業(yè)上的落寞，其開發(fā)者在技術(shù)上的停滯不前，用戶界面的粗糙對該模式用戶的使用體驗都是較大的調(diào)整。

分專業(yè)虛擬實訓(xùn)教學(xué)模式聚焦于具體專業(yè)或課程，其部署、實施、操作都會針對具體客戶具體設(shè)計，故該模式的上學(xué)習(xí)曲線平緩，實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容精密圍繞課程設(shè)計；學(xué)生在實訓(xùn)教學(xué)中的操作和步驟都是收到預(yù)先設(shè)計和控制的，較易體現(xiàn)教學(xué)者的實訓(xùn)教學(xué)思路。該模式能最大程度地滿足專業(yè)教學(xué)的需要，為專業(yè)教學(xué)提供最優(yōu)的輔助教學(xué)手段，是該實訓(xùn)系統(tǒng)模式建設(shè)的最基本目的。在實訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行、使用和費(fèi)用上有著自己的優(yōu)勢，但是對于發(fā)揮學(xué)生用戶創(chuàng)造性與主動性方面，則相較與統(tǒng)一入口教學(xué)模式稍差，且其游戲趣味性也會隨之減弱。

五、不同專業(yè)虛擬實訓(xùn)教學(xué)思考

1.流程類實訓(xùn)學(xué)習(xí)探索與思考

有特定流程的教學(xué)實訓(xùn)活動其類似RPG（角色扮演）游戲的闖關(guān)模式特性決定了其非常適用于游戲化教學(xué)。在充分針對這類實訓(xùn)教學(xué)調(diào)研分析，判斷實訓(xùn)教學(xué)中的難點和關(guān)卡，提取出相關(guān)用戶痛點，則非常有利基于三維虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)模式實踐。如果針對流程類關(guān)卡中的實訓(xùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、加工、分析，以大數(shù)據(jù)的思維去看待實訓(xùn)教學(xué)，則更有利于教師分析學(xué)生實訓(xùn)情況和對實訓(xùn)情況進(jìn)行教研分析。當(dāng)然，如果流程類實訓(xùn)教學(xué)模式需要實現(xiàn)多人互動，則是該類實訓(xùn)的難點，需要考慮和協(xié)調(diào)的難點更多。當(dāng)然，流程類實訓(xùn)最重要的還是對教學(xué)模式和教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計的研究分析。

2.計算機(jī)創(chuàng)新類實訓(xùn)學(xué)習(xí)探索與思考

針對計算機(jī)創(chuàng)新類實訓(xùn)學(xué)習(xí)，則可將計算機(jī)專業(yè)三維建模，動畫設(shè)計，程序設(shè)計等課程有機(jī)結(jié)合，設(shè)置可以將控制技術(shù)相關(guān)知識融合其中，如浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院虛擬校園實訓(xùn)平臺（EVC）本身具有的強(qiáng)大的開發(fā)工具可以供計算機(jī)類學(xué)生一個非常優(yōu)秀的建模及動畫設(shè)計實訓(xùn)平臺，通過平臺可以實時展現(xiàn)學(xué)生實訓(xùn)設(shè)計作品并進(jìn)行評價。而其腳本語言一林登腳本語言（LSL）的語法和PHP類似，方便師生掌握，可供學(xué)生進(jìn)行程序設(shè)計課程實訓(xùn)，并能和建模成果結(jié)合提供良好的展現(xiàn)平臺。

3.沉浸類實訓(xùn)學(xué)習(xí)探索與思考

對于語言類和導(dǎo)游類的實訓(xùn)教學(xué)，虛擬實景有著非常大的優(yōu)勢，自由，安全，廉價都有著其他實訓(xùn)難于達(dá)到的優(yōu)勢；同時，如能結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實（AR：Augmented Reality）的應(yīng)用，則會有更好的用途和實現(xiàn)效果，能實現(xiàn)更多實際實訓(xùn)無法達(dá)到的效果并提供用戶良好體驗，并能擁有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4.模擬仿真類實訓(xùn)學(xué)習(xí)探索與思考

在EV實訓(xùn)平臺的實踐探索過程中，我們也發(fā)現(xiàn)如對于一些機(jī)械類和汽車類這樣的機(jī)器模擬、仿真類實訓(xùn)教學(xué)中，這類模擬仿真類實訓(xùn)教學(xué)更要求的是一個“真”而對師生互動要求不高，所以更適合分專模式三維實訓(xùn)教學(xué)模式，更有利于師生用戶聚焦操作與模擬仿真，并利于對專用設(shè)備的實訓(xùn)實驗數(shù)據(jù)采集分析。

六、基于三維虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)模式展望

隨著國家教育信息化十三五規(guī)劃和浙江省高等教育“十三五”發(fā)展規(guī)范都提出深化信息技術(shù)與教育教學(xué)、教育管理融合發(fā)展.特別是如浙江省高等教育“十三五”發(fā)展規(guī)范提出全面推進(jìn)智慧教育，建設(shè)浙江省高校虛擬仿真實驗實訓(xùn)平臺的規(guī)劃提出，虛擬實訓(xùn)教學(xué)模式必將是“十三五”建設(shè)期間的明星技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，特別是隨著AR技術(shù)MR技術(shù)的火爆與日趨陳述，開發(fā)成本的降低，開發(fā)模式的成熟，基于三維虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)模式必將快速進(jìn)入各個學(xué)校、各位老師和同學(xué)的實訓(xùn)環(huán)節(jié)，在實際使用和開發(fā)中，必須要注意的是：1、開發(fā)模式的選擇，基于三維現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)模式并不成熟，采用什么方式，如何與實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)向匹配，更好的突出實訓(xùn)教學(xué)目的，以便學(xué)生真正掌握實訓(xùn)技能，縮短實際實訓(xùn)間隙是首要選擇因素。2、實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計是三維虛擬現(xiàn)實實訓(xùn)教學(xué)的根本，脫離了具體教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計，則任何技術(shù)都是無本之木，無源之水，不能為建而建，畢竟基于三維虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)教學(xué)模式費(fèi)用并不低，需要有所區(qū)分和篩選。3、需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)。任何實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計脫離了數(shù)據(jù)，則對于教師來說是無法掌握學(xué)生實訓(xùn)教學(xué)的實際情況的，對于學(xué)生自我實訓(xùn)的反饋也是不利的，所以我們在基于三維的虛擬實訓(xùn)教學(xué)模式設(shè)計中，注重以大數(shù)據(jù)的視角去開發(fā)、設(shè)計相關(guān)實訓(xùn)教學(xué)，同時注重物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，以數(shù)據(jù)化管理為控制環(huán)節(jié)去管理實訓(xùn)教學(xué)，則能帶來更好的實訓(xùn)教學(xué)效果，對于學(xué)生自我實訓(xùn)與學(xué)習(xí)也能帶來更好的效果。