VR技術在食品藥品類高職實踐教學中的創新應用*

項朝陽，段丹萍，賀 昉，汪小根，莊義修

（廣東食品藥品職業學院，廣東 廣州510520）

一、引言

我國職業院校對食品藥品類專業的人才培養目標，主要與國家中（高）級的職業資格（如乳制品加工人員、農產品食品檢驗員、藥物制劑人員、中藥飲片加工人員等）以及食品藥品類行業企業對技能型人才的需求相銜接。實踐教學是培養學生職業技能和創新品質的關鍵，但由于受到建設經費、場地、資源等各種條件的限制，構建完善的實踐實訓條件已經成為眾多職業院校亟待解決的難題。虛擬現實技術以高度仿真的方式為用戶創建了一個可觀察、可交互操作的反映事物內部結構、運行規律、相互作用過程、狀態變化等的三維虛擬世界，從而實現對真實生活中看不見、進不去、摸不到和動不了的事物和現象的沉浸體驗。

虛擬現實技術應用于職業教育，能為操作、設計、解剖等方面的實踐教學帶來變革，這些教學內容和教學手段的變化又促進了教學理念的更新，其影響是深遠的。目前，國內針對食品藥品類加工工藝過程的交互型虛擬仿真實訓系統較少。中國藥科大學開發的GMP仿真實訓系統、藥物制劑工程學等教學軟件，采用圖片、錄像介紹了部分制藥設備的外觀、結構、原理以及車間質量管理規范，并以動畫演示個別設備的工作原理，但側重突出部分設備性能，缺少中藥前處理及中間體制備等內容，且沒有對全生產過程的仿真模擬[1]。廣東食品藥品職業學院于2006年開發了中藥制藥實訓仿真系統軟件，該軟件模擬了中藥制藥生產的流轉工藝，屬于通用制藥類生產架構，在操作逼真度、界面友好性和智能化控制等方面仍然存在缺陷和瓶頸。

針對國內缺少全生產周期過程的中藥制藥虛擬仿真實訓系統的現狀，結合高職實踐教學的現狀及需求，自2011年以來，我們組建了一支由食品加工學、中藥學、教育技術學、計算機等專業領域專家組成的團隊，以“項目驅動-跨界協同”的方式，采用VR技術開發了“虛擬工廠”，通過整合相關VR實踐教學資源，構建了基于多元化信息技術的虛實結合實踐教學環境，創新了“以培養食品藥品類職業技能人才為目標，虛擬環境與真實環境相結合，以支持實訓教學、創新實踐教學、開展研究為主線”的VR技術應用模式，實現了“講授+真實實訓”的傳統實踐教學模式向“在線自主學習+虛擬實訓+面授教學+真實實訓”的混合實踐教學模式的轉變。

二、擬解決的教育教學問題

一直以來，高職實踐教學主要存在著三方面的問題：①高職實踐教學一般采取大班教學的方式進行，傳統實訓車間高昂的建設費用和運行成本使得實踐教學資源普遍不足，難以支撐大規模教學；②受各種因素制約，實踐教學難點多且不易解決，部分設備結構和生產工藝流程復雜、生產周期長，真實條件下難以直接、深入觀察，更難以系統、持續地開展實訓，雖然VR技術已作為職業院校實訓教學的重要支持手段，但能夠深度反映生產工藝流程的系統卻很少；③因受到場地、經費投入等因素限制，食品藥品類專業實踐教學資源分散，不利于校內實訓車間、校外實訓基地、虛擬實訓教學資源等的共享使用，難以滿足學習者個性化學習的需要。針對這些問題，我們采取了以下措施：

1.開發“虛擬工廠”，構建虛實結合的實踐教學環境

針對傳統實訓成本高、實踐教學資源不足且分散等問題，運用3Dsmax、Unity3D和Quest3D虛擬現實技術，開發“虛擬工廠”，并基于云計算技術、網絡技術等多元化信息技術，整合相關數字化實踐教學軟、硬件資源，構建虛實結合的實踐教學環境。

2.利用VR技術，突破實踐教學難點

利用VR技術創建具有深度臨場感、沉浸感和交互性的虛擬世界。通過漫游、360度全景、逼真的視音頻特效、實時的交互和反饋等功能，實現了對工廠、車間的場景和布局、設備結構與原理、崗位操作與考核等的仿真模擬，便于激發學習者的學習興趣，開展直觀深入的觀察學習、體驗學習和自我評價，同時縮短了實訓周期，全面提升實踐教學。

3.基于混合學習理念，構建虛實結合的混合實踐教學模式

基于混合學習理念，混合多元化信息技術、多種教學方式和學習方式，重構教學次序，構建了虛實結合的混合實踐教學模式，實現了“講授+真實實訓”的傳統實踐教學模式向 “在線自主學習+虛擬實訓+面授教學+真實實訓”的混合實踐教學模式的轉變。

三、創新應用的探索

1.基于多元技術構建虛實結合仿真教學環境

利用云計算技術、網絡技術等手段整合各類虛擬仿真教學資源，如有條件也可根據學校特色自主開發虛擬工廠，全校師生均可利用校內實訓機房、辦公電腦、VR設備、校外PC、移動終端等，隨時隨地對整合的虛擬仿真實訓教學資源進行訪問，使得多媒體教室、計算機實訓室、校內校外實訓基地等教學場所與云計算虛擬仿真實訓中心實現了零距離對接，構建良好的虛實結合的實踐教學環境，整體的技術架構如圖1所示。

2.創新了VR技術在高職實踐教學中的應用模式

VR技術應用于教育教學的最終目的是為人才培養服務。在實踐教學過程中，形成了VR技術在食品藥品類職業人才培養實踐教學中的應用模式，如圖2所示。

（1）將VR技術作為技術手段，支持實訓教學

圖1 云計算虛擬實訓中心的技術架構

圖2 VR在食品藥品類職業人才培養中的創新應用模式

基于混合學習理念，混合多元化信息技術、多種教學方式和學習方式，將“虛擬工廠”等虛擬仿真教學軟件在實訓教學中作為教師教學演示工具和學習者認知工具，支持教學演示、自主探究學習和自我評價，實現了“講授+真實實訓”的傳統實踐教學模式向“在線自主學習+虛擬實訓+面授教學+真實實訓”的混合實踐教學模式的轉變，如圖3所示。

圖3 基于VR實訓的食品藥品類混合實踐教學模式

（2）將VR技術作為教學內容，創新實踐教學

以3D建模技術和VR交互技術為教學內容，開設了《3Dsmax建?！泛汀禪nity 3D開發基礎》課程，并通過開展虛擬仿真實踐項目培養學生的開發能力、自主學習能力和創新能力。組織學生團隊參加“挑戰杯”等各類課外學術科技作品創作比賽，提升創新實踐能力。

（3）將VR技術作為切入點，探索教育規律

以技術接受模型和沉浸理論為基礎，構建了基于VR實訓系統的學習行為意向影響因素模型，通過實證研究發現：沉浸體驗、感知易用性和感知有用性顯著正向影響學習行為意向；沉浸體驗、感知易用性和感知有用性受到VR特性和計算機自我效能的正向影響；感知有用性受到組織管理的正向影響[2]，為VR實訓系統的設計、開發與應用提供了策略性建議。

四、應用效果

1.顯著提升了學生職業技能水平和教師信息化教學能力

本成果在廣東食品藥品職業學院應用于22門課程，支持了4個省重點（品牌）專業和3個國家級及省級高職教育實訓基地建設，可同時參與虛擬實訓的學生數為真實實訓的12倍，基于VR的實訓周學時為過去的50%。通過開展基于VR實訓的混合教學，教學質量明顯提升，學生在“挑戰杯”等技能大賽中多次獲獎，多位教師在國家、省級信息化教學大賽中取得佳績。

2.創新了VR技術在食品藥品類實踐教學中的應用模式

突破傳統的實踐教學，依托多元化信息技術的虛實結合實踐教學環境，基于教育學、心理學等理論，創新了“以培養食品藥品類職業技能人才為目標，虛擬環境與真實環境相結合，以支持實訓教學、創新實踐教學、開展研究為主要線索”的VR技術在食品藥品類職業人才培養實踐教學中的應用模式。為相關職業院校和行業企業開展仿真實訓資源建設和應用提供了實施路徑參考，豐富了職業教育研究成果。

3.構建了基于VR實訓的食品藥品類混合實踐教學模式

以職業技能人才培養為目標導向，基于混合學習理念，混合多元化信息技術、多種教學方式和學習方式，構建了基于VR實訓的食品藥品類混合實踐教學模式，支持職業院校、行業企業食品藥品類多個專業開展實踐教學與培訓，顯著提升了學生的職業技能水平。此外，以學生學習為中心，采用文獻研究、問卷調查、結構方程模型等方法，開展了實證研究，探索了基于VR實訓系統的學習行為意向的影響因素，豐富了VR環境下有關學生學習行為的研究成果。

4.總結了食品藥品類虛擬工廠的開發方法

根據食品藥品類工廠的特征、設備加工工藝過程和操作規律，從仿真技術實現的角度出發，結合Unity3D和Quest3D開發平臺的技術特性，將仿真內容歸納為虛擬場景、動態物體、觸發與控制、數據與屬性關聯、生產流程流向控制五大部分，并總結其表現特征和開發方法，見表1。

表1 基于Quest3D的虛擬工廠開發方法