虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職教育中的應(yīng)用與探究

周 瑋

(紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 紹興 312000)

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱臨境技術(shù)或人工環(huán)境，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，向使用者提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感官刺激，使用者通過(guò)頭盔式顯示器、手勢(shì)(數(shù)據(jù)手套)、體勢(shì)(數(shù)據(jù)衣服)和自然語(yǔ)言等方式與這一環(huán)境(以及其中的虛擬物體、人物)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，帶來(lái)一種身臨其境的感受。[1]它是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，更是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。

1965年，在Sutherland《終極的顯示》論文中首次提到包括交互圖形顯示、力反饋設(shè)計(jì)及聲音提示的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本思想。1970年，出現(xiàn)了第一個(gè)功能較齊全的HMD(頭盔顯示器)系統(tǒng)。基于從60年代以來(lái)所取得的一系列成就，美國(guó)的賈朗·拉尼爾(Jaron Lanier)正式提出“虛擬現(xiàn)實(shí)”這一概念。80年代，美國(guó)宇航局(NASA)及美國(guó)國(guó)防部組織了一系列關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，并取得了矚目的成就。進(jìn)入90年代，迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)與不斷改進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖象的實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)制作成為了可能。[2]

我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究起步于20 世紀(jì)90 年代初。而隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程等的高速發(fā)展。其具有的3I特性即沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和構(gòu)想性(Imagination)[3]使它被越來(lái)越多的教育學(xué)者認(rèn)定可作為一種新的認(rèn)知工具新的教學(xué)手段應(yīng)用在教育領(lǐng)域中。

按照虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方式的不同，可以將其分為3種類(lèi)型：桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和共享式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。[4]本文采用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即利用頭戴式顯示器，將學(xué)生的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，沉浸在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容中，形成身臨其境之感。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用與研究

2.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀

高職教育以適應(yīng)社會(huì)需要為目標(biāo)、以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用能力為宗旨。教學(xué)手段多采用“理實(shí)一體化教學(xué)”，即理論知識(shí)講解與實(shí)踐操作相統(tǒng)一的教學(xué)方法。以工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)為例，根據(jù)本專(zhuān)業(yè)制定的最新人才培養(yǎng)方案，學(xué)生的就業(yè)崗位主要圍繞工業(yè)機(jī)器人組裝調(diào)試、維修及開(kāi)發(fā)方向。從而得到如圖1所示的職業(yè)技能培訓(xùn)體系圖。并由此可知，學(xué)生對(duì)機(jī)器人操控的認(rèn)知水平的提高和操作技藝的增長(zhǎng)都必須建立在機(jī)器人設(shè)備的操作上。

圖1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)的職業(yè)技能訓(xùn)練體系圖

面對(duì)這樣的教學(xué)需求，傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式和實(shí)踐教學(xué)方式卻都有不盡如人意之處。目前，專(zhuān)業(yè)需求的理論知識(shí)授課多在傳統(tǒng)課堂中完成，雖然可借助板書(shū)、ppt或者視頻錄像等多種手段使理論表達(dá)更加直觀一些，但是收到的效果也僅僅能讓學(xué)生對(duì)設(shè)備拆裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)加深一定的印象卻無(wú)法達(dá)到掌握的程度更不可能達(dá)到精通這樣的高層次水平。同樣，建立工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)室為學(xué)生的實(shí)踐操作提供專(zhuān)業(yè)的教學(xué)場(chǎng)地也無(wú)法完全達(dá)到教學(xué)的期望。例如，部分價(jià)格昂貴的設(shè)備并不能被搬進(jìn)大學(xué)的實(shí)訓(xùn)室，而前往企業(yè)進(jìn)行校外實(shí)訓(xùn)又帶來(lái)了學(xué)生安全、日常管理、企業(yè)對(duì)接等諸多問(wèn)題。當(dāng)然，即使有足夠的資金可以購(gòu)買(mǎi)充足的設(shè)備，還要考慮采購(gòu)的數(shù)量和場(chǎng)地的空間是否匹配。在這種傳統(tǒng)理論教學(xué)表現(xiàn)力不足，實(shí)踐教學(xué)條件不夠完善的情況下，學(xué)生對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的拆裝、調(diào)試和編程等內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果必然會(huì)大打折扣，導(dǎo)致學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力不足，直接影響了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入輔助實(shí)踐教育教學(xué)，建立“虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)室”，既可以彌補(bǔ)理論教學(xué)過(guò)于抽象化的不足之處，又可以多個(gè)專(zhuān)業(yè)共用該套設(shè)備僅致力于不同課程開(kāi)發(fā)不同軟件平臺(tái)即可，大大節(jié)省了場(chǎng)地配置和設(shè)備購(gòu)置的投入成本，卻能讓學(xué)生無(wú)限暢游在一個(gè)無(wú)限寬廣的“虛擬的世界”體驗(yàn)“沉浸式”的教學(xué)樂(lè)趣。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)中主要是針對(duì)工業(yè)機(jī)器人組裝、調(diào)試和維修的技能仿真訓(xùn)練，為學(xué)校或企業(yè)培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化設(shè)備的維護(hù)、維修及安裝調(diào)試人才提供虛擬的教學(xué)平臺(tái)。

以工業(yè)機(jī)器人組裝與調(diào)試實(shí)訓(xùn)為例，針對(duì)教學(xué)主要內(nèi)容結(jié)合現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備搭建出一個(gè)虛擬的學(xué)習(xí)平臺(tái)，即通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行一比一實(shí)際建模設(shè)計(jì)，逼真顯示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法。將工業(yè)機(jī)器人組裝、調(diào)試的技能仿真訓(xùn)練分成項(xiàng)目一、項(xiàng)目二、項(xiàng)目三等，而每個(gè)項(xiàng)目下面又有很多個(gè)細(xì)分的小任務(wù)，由深到淺，由簡(jiǎn)及難。該工業(yè)機(jī)器人學(xué)習(xí)平臺(tái)主要包含兩個(gè)功能模塊：教學(xué)模塊和考核模塊。教學(xué)模塊側(cè)重于知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)生佩戴VR眼鏡，雙手使用專(zhuān)用感應(yīng)手套，跟隨教學(xué)指令無(wú)需鍵盤(pán)、鼠標(biāo)操控即可在空間虛擬環(huán)境中依靠雙手掌握裝調(diào)仿真操作和知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)，該模塊中還包含了教學(xué)提示，錯(cuò)誤提示，操作提示等；考核模塊則側(cè)重階段性學(xué)習(xí)測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)裝調(diào)仿真操作和考核知識(shí)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)功能，可記錄階段學(xué)習(xí)測(cè)試的相關(guān)信息：正確率、操作時(shí)間、錯(cuò)誤詳細(xì)信息等。

圖2 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)技術(shù)路線

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬實(shí)訓(xùn)室，極大地豐富了“理實(shí)一體化”教學(xué)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等無(wú)限的技能訓(xùn)練搬到了空間有限的課堂中進(jìn)行，將一些復(fù)雜的、抽象的、不宜直接觀察的設(shè)備內(nèi)部狀況，拆裝調(diào)試過(guò)程全方位、多角度地向?qū)W生一一展示。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用可知，在虛擬的環(huán)境中操控虛擬的設(shè)備，大大降低了實(shí)踐操作帶來(lái)的危險(xiǎn)性，有效減輕了教師在實(shí)訓(xùn)課中的監(jiān)管壓力，省去了可觀的耗材成本卻可以令學(xué)生進(jìn)行反復(fù)操作直至掌握操作技能為止。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐操作中的應(yīng)用更是突破了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室使用時(shí)的時(shí)間空間局限性，緊跟時(shí)代的潮流，使每一位學(xué)習(xí)者都可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在自己方便的時(shí)間通過(guò)計(jì)算機(jī)自由地選擇適合的學(xué)習(xí)訓(xùn)練內(nèi)容，按照適合自己的方式和速度進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3 結(jié)語(yǔ)

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的環(huán)境中，只要帶上VR眼鏡，便可360°全方位無(wú)死角地感受展示效果，帶上手套便可隨心所欲進(jìn)行實(shí)踐操作，大大拉近了學(xué)生與冰涼巨大的設(shè)備，學(xué)生與晦澀難懂的知識(shí)點(diǎn)的距離。這樣的教學(xué)方式可以在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中帶來(lái)令人欣喜的教學(xué)成果，更可以照搬到其它課程教學(xué)中發(fā)揮巨大的作用。隨著深入研究不斷挖掘，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用還可以將課堂虛擬化，學(xué)生可以與虛擬的教師、學(xué)生一起交流討論，開(kāi)展啟發(fā)式教學(xué)，深入發(fā)揮了教師的引導(dǎo)作用與學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。相信不久的將來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將對(duì)高職教育教學(xué)帶來(lái)顛覆性的改變。

[1]高媛, 劉德建, 黃真真, 黃榮懷. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)學(xué)習(xí)的核心要素及其挑戰(zhàn)[J]. 電化教育研究, 2016，(10):77-87，103.

[2]曾建超,俞志和.虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,1996.

[3]梁琨，黃小麗.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用探討[J].軟件導(dǎo)刊·教育技術(shù)，2008，(3).

[4]付長(zhǎng)亮.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介[J].信息與電腦：理論版，2009，(11)：60-61.