職業院校虛擬仿真學習資源的建設與思考*
——以高職糧食工程專業為例

白桂彩

2013 年教育部啟動了國家級虛擬仿真教學中心建設工程，2017 年《國家教育事業發展“十三五”規劃》提出推進建設網絡公共資源服務平臺，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《加快推進教育現代化實施方案（2018—2022年）》進一步提出促進信息技術與教育教學深度融合。在諸多政策引領下，在高職院校全面推進虛擬仿真學習資源建設已成為建設智慧學習環境的重要任務。

當前，我國高職糧食工程專業教學多采用PPT 配合板書的形式，對專業設備的結構及運動原理通過圖片或動畫進行演示，學生不能自主、全方位地觀察設備結構與運動，課堂互動性差。技能的形成主要依靠入庫實習訓練，但由于糧食保管的特殊性，糧庫80%的時間都處于密封保管期，學生無法隨時現場觀察糧庫內部設備與實踐技能，尤其是糧庫熏蒸作業，有害的磷化氫氣體使實訓操作基本無法組織，學生不能真實進行各種典型操作，實習教學效果不佳。而虛擬仿真學習資源的應用有利于提高課堂的互動性。將虛擬仿真學習資源引入教學后，教師在講解設備結構、操作原理、實訓過程、安全生產等知識時有了系統的模擬演示平臺。教學中教師實時演示糧庫的虛擬操作，展示設備三維結構；學生即時虛擬操作、互動討論，全面了解設備的結構及糧庫操作流程，增加了學習的互動性，改善了傳統教學中存在的講練脫節問題，從而有效提升了高職人才培養的效果。同時，糧庫虛擬仿真學習系統也可應用于行業員工崗位的技能培訓工作，為現代數字化糧庫的管理輸送更多操作能力強的專業人才，具有廣闊的應用市場。

一、虛擬仿真學習資源建設的影響因素

現代職業教育強調學習活動的情境化與個性化。學習是以資源為載體，以服務為支撐，滿足學生認知建構與知識創造的過程。高職糧食工程專業教學應以生為本，圍繞專業核心技能，通過對真實工作流程的虛擬呈現，將復雜知識技能轉換為實際技能，使學生在虛擬情境中了解工作場景、熟悉操作流程、規范崗位操作、培養職業意識，促進了糧食工程專業核心技能的形成。這種有效學習的發生，主要取決于對學習過程中學習者偏好的把握以及合理向學習者提供學習資源兩個方面。

（一）學習者學習偏好對資源構建的影響

高職教育應關注學生這一學習主體，關注其學習需求和興趣偏好，通過識別、學習、更新與量化，最終歸納出學生的學習偏好，為資源開發與定向推送提供依據。這一過程一般通過對學生的偏好數據抽取、偏好數據量化與偏好數據更新等來完成。在虛擬仿真學習資源的開發中，我們采用基于關鍵詞、矢量空間以及本體和多級學習者模型的常用技術，注重評分矩陣技術的采用，實現對資源的個性化推送。

（二）技術的合理使用對資源構建的影響

學習資源是課堂中學生互動、交流、協作的基礎與介質，資源與學習需求的適當匹配是實現高效課堂的根本。資源的序化方法很多，可按學習主題分類序化、按知識點語義關聯序化、按學習進度序化等，然后再從提高學習效率出發進行資源聚類。比如，可采用個性化推薦技術實現相似學生興趣資源的聚類，從而實現向相鄰學生推薦相似資源的目的。但要實現持續的資源服務，關鍵是對學習資源的不斷開發。

構建高職糧食工程專業虛擬仿真學習資源系統時，應遵循先進實用、高度集成、穩定可靠等基本原則；應選擇成熟平臺，支持國際標準，符合技術最新發展潮流；應既易于安裝使用又便于工程連接，預留新功能擴充接口，形成一體化協作的整體，能長期穩定工作。

二、虛擬仿真學習資源的構建

（一）虛擬仿真學習資源的建設思路

圍繞糧食工程專業的核心技能，從漫游、仿真、考核、管理等方面構建沉浸式的糧庫虛擬仿真學習資源系統。學生在虛擬崗位通過信息的選擇、加工、處理和存儲，以及與人協作、溝通和交流等，開展自主學習，最終完成知識與技能的建構，從而提升專業核心技能。虛擬仿真學習資源模型注重考慮糧庫基礎環境因素、內外部因素、設施設備因素，圍繞糧庫業務核心技能展開（如下頁圖1 所示）。

依據糧食工程專業核心技能要求，構建由簡到繁、從單一技能到復合技能的四項建設內容。

1.漫游模塊：構建糧庫虛擬實景，讓學生在虛擬環境中學習糧庫知識。進入指定區域即觸發學習卡和語音彈出，介紹相應設施的名稱、規格與功能。漫游模塊中設置安全巡視、糧情巡視等項目，讓學生自主進行體驗式學習。虛擬仿真技術讓使用者有身臨其境的感受，從而對糧庫現場設施設備、現場安全生產等形成總體認識。

圖1 糧庫三維虛擬仿真系統結構

2.仿真模塊：主要是糧食運輸與出入庫作業、糧情檢查、糧情控制與處理、糧食儲藏綜合技術、糧食衛生指標檢驗等內容。系統提供操作模擬演示、虛擬操作環境和互動平臺，通過交互式虛擬仿真練習，學生在虛擬環境中鞏固正確操作、糾正錯誤動作，掌握糧庫各崗位工作流程和操作技能。

3.考核模塊：通過設置糧庫運行參數，虛擬相應的操作結果，形成模擬運行。也可與糧庫遠程聯網，顯示真實的運行數據，供學生針對儲糧中的問題制訂解決方案并反復操作。系統可對每個操作自動評分，形成完整的崗位技能考核評價體系。

4.管理模塊：系統對學生的信息、操作過程、考核結果進行記錄、自動保存并實時反饋。

（二）虛擬仿真學習資源的構建過程

1.系統建模與開發平臺的選擇。虛擬仿真系統開發中充分考慮糧庫管理業務的實際特點以及系統設定功能的需求，選擇恰當的建模工具及合適的虛擬仿真開發平臺。選用Sketch Up 作為建模軟件，主要是考慮到糧庫典型業務涉及的三維模型有糧食輸送機械、烘干塔及各種閥門和泵等，模型工作量大，設備多為規則形體。該軟件基礎模型操作工具豐富，獨特的推拉工具、路徑跟隨工具等很適合創建糧庫設備中的管路和塔類設備。同時，Sketch Up 方便管理模型外部與內部結構的群組關系，通過簡單設置即可導出模型文件，便于在引擎中編輯使用。虛擬仿真平臺則采用Unity 3D 軟件，這主要是基于糧庫常規管理涉及設備多、封閉管路系統復雜的現狀。Unity 3D 便于為設備和管路添加合適的碰撞器，還支持自編Unity 編輯器：既能編譯后立即進行運行測試，又能在運行過程中實時編輯，查看效果。Unity 3D 支持多平臺發布，用戶多，生態圈良好，比較適合作為糧庫虛擬仿真學習資源系統開發的平臺。

2.虛擬仿真學習資源的開發流程。首先對設備和管路進行處理。通過對糧庫業務詳細信息、各專用設備選型及結構的調研，了解典型業務流程，形成相關資料。對照糧庫實地修正資料，結合DCS 控制流程圖，利用Sketch Up 完成典型業務和場景的建模工作。其次，針對初步優化后的三維模型實施場景編輯，創建糧庫工作流程虛擬場景。將模型文件導入Unity 3D，給模型添加合適的材質貼圖、著色器、場景燈光等，添加場景地形，創建虛擬糧庫操作場景。再次，開發虛擬糧庫典型操作中的交互功能。現場了解數字糧庫在運行中的技術規范以及日常檢測中形成的各類實際數據，并圍繞這些數據類型，使用Unity 3D 控制器組件開發虛擬交互功能，模擬出糧庫運行中的生產操作、相關安全生產規范與考核、典型事故以及糧庫整體結構漫游等場景。最后，以PC 版或移動版發布，進行運行測試，及時修復完善。