虛擬現實技術在中職實訓教學中的應用

高 偉，顏 蕾，郭 瑾

（遼寧師范大學計算機與信息技術學院，遼寧大連 116000）

0 引言

當前，我國中職教育越來越注重對學生實踐操作技能的培養，具有較強創造性與實踐能力的畢業生是企業極為青睞的人選。但在中職實訓過程中有很多限制因素，包括場地限制、操作具有一定危險性、實訓設備數量不足、設備無法實時更新、教師人手不夠等，嚴重影響了教學效果。為解決以上問題，更好地培養中職學生的創新實踐能力，本文打破學科界限，將虛擬現實技術融入中職實訓教學過程中，為學生提供一個交互化、虛擬化、直觀化的實訓操作平臺。虛擬現實技術具有不受時間及空間限制、模擬實踐設備安全性更高、虛擬教學環境可及時更新以適應實際生產力發展等優點，同時能激發學生學習的積極性、創造性和能動性。虛擬現實技術與中等職業實踐操作課程的深度融合，可推動職業教育變革，促進中等職業教育領域的不斷突破與創新。

1 虛擬現實技術在中職教育中應用現狀

虛擬現實技術基于3 個基本原則：沉浸感、交互性、用戶參與環境和敘事，通過使學習過程更具有趣味和吸引力，其在教育教學中的應用具有很大潛力［1］。在教學活動中利用虛擬現實技術可將沉浸式教學環境融入到傳統教學環境中，通過教育輔助可視化工具，為學習者提供一個具有觸覺、視覺、聽覺等多方面感官體驗的教學模式。本文對虛擬現實技術在實操訓練中的應用研究現狀總結如下：20 世紀60 年代，虛擬現實技術最早出現在美國，當時Heiling［2］推出名為Sensorama 的單用戶控制臺，旨在吸引觀眾注意力。自20 世紀80 年代起，虛擬現實技術在專業教育及培訓領域得到了廣泛關注。挪威為培養航海專業中職學生的實踐操作能力，使用微軟Kinect 傳感器分析學生在甲板操作訓練中的實際運動軌跡，利用沉浸式模擬器進行海上甲板作業模擬訓練，作為培訓中職學生實訓能力的一種方法［3］；波蘭以叉車實際操作為案例，在中職實踐技能操作課程中應用虛擬現實技術，實踐結果表明，虛擬叉車課程相比傳統叉車課程更加省時，同時在虛擬學習過程中學生們對叉車的認知也更加明確［4］。波蘭還在最新的工業4.0 范式中，利用可重構制造系統（RMS）與虛擬現實技術培訓學生們的實踐操作能力［5］；丹麥在職業教育培訓領域，應用虛擬現實、增強現實等技術創設學習型工廠，成立“數字技術教學應用中心”［6］。綜上所述，近年來國外利用虛擬現實技術加深學生對知識的理解，培養學生的綜合實踐能力，從而提升職業教育核心競爭力。

從2008 年起，我國教育部門頒布一系列文件，明確指出職業教育要“遴選和開發1 500 套虛擬仿真實訓實驗系統”［7］、“支持與專業課程配套的虛擬仿真實訓系統開發與應用”［8］、“建設高速校園網絡及各種數字化教學裝備，建設職業教育虛擬仿真實訓基地”、“在專業課程中廣泛使用計算機仿真教學、數字化實訓、遠程實時教育等技術”［9］，從而確立了虛擬現實技術在職業院校實踐教學中的重要地位。如天津天獅學院繼續教育學院旅游（中職）專業利用虛擬環境創建“景點模擬導游”課堂教學模式［10］；遼寧省職業教育信息化教學資源建設項目構建“啤酒生產虛擬仿真模擬實訓平臺”，探討運用信息化教學資源推進職業教育實訓教學改革［11］，并取得了較好效果。現階段虛擬現實技術已應用于中職實訓教學的多門專業課程中，以提升中職學生的創新能力、實踐能力與綜合職業技能。

隨著現代教學技術的不斷發展與創新，在中職實訓教學中引入虛擬現實技術，為不同專業領域開展實訓教學活動提供了新方法。相比國外，國內虛擬現實技術尚處于發展階段，虛擬現實技術在中職實訓教學中的應用稍顯不足，而且在此過程中依然存在一些問題有待解決：當前虛擬現實技術模擬實操教學無法完全代替傳統實踐教學模式，在新舊技術共存階段如何實現優勢互補，新舊交替階段如何實現對接與過渡；虛擬現實模擬實踐教學僅局限于學校教學，而沒有考慮到與企業研發部門對接等。基于此，本文詳細對比傳統實踐教學方式與虛擬現實技術模擬實訓教學的優劣，闡述虛擬現實技術在中職實訓教學中的應用前景與優勢，并針對虛擬現實技術在中職實訓教學中的應用提出建議：在教學過程中需要注意“傳統”與“新型”教學模式的過渡與融合，同時要建立“校、企、研”三方合作平臺為實踐教學提供支持。

2 虛擬現實技術在中職實訓教學中存在問題及建議

職業教育的目標是“培養生產、建設、服務和管理第一線高素質技能型專門人才”，對于中職學生而言，創設真實的崗位環境用來學習，是鍛煉職業技能的最佳途徑。然而在現實情況下，學校為學生提供的實訓環境往往受到時間、空間、資金等因素限制。現階段虛擬現實技術雖然已在某些項目中投入使用，但尚無法完全替代傳統方式，新舊技術如何做好過渡與交替是學校面臨的主要問題之一。中職教師難以勝任虛擬現實技術開發任務，而開發人員缺乏中職實訓教學經驗，最終導致虛擬環境無法投入教學使用。筆者從以下3 個方面對存在的問題進行逐一描述。

2.1 傳統實操教學模式限制及虛擬現實技術應用

問題描述：由于職業教育是面向職業的一種就業能力教育，突出特征是開展技術、技能、技藝等實踐性課程的教育教學［12］，在現階段的中職院校中，教學課程安排基本是由基礎文化課和專業實操課組成的。目前中職實訓教學依然存在諸多問題，例如：實踐操作教學環境受場地限制；教學設備不能及時更新換代；有些特殊設備過于昂貴，不能保證人手一臺進行實踐操作；某些特殊專業設備在使用過程中存在危險性等，這一系列問題成為中職實踐課程教學中的難題。

建議：為解決中職實訓課程中存在的問題，需要利用新型技術手段搭建符合教學情境的實踐操作平臺，而應用虛擬現實技術可為學生提供一個虛擬實訓操作培訓平臺［13］。由于虛擬現實技術在職業教育中的應用具有職業性、實踐性、情境性、過程性、開放性等特點［14］，所以利用虛擬現實技術創設適合中職實訓操作要求的學習環境具有極大潛力。

利用現代化教學手段將虛擬現實技術融入中職實踐教學情境中，將傳統的“教師課上講，學生課下聽”教學模式轉變為“教師與學生虛實交互”的教學模式［15］。在實際教學過程中最重要就是構建符合實踐課程要求的學習環境，使學習者在實際操作時將注意力投入到新的學習場景中。通過構建沉浸式的學習環境，將所要學習的知識內容從平面轉化為立體，利用真實的實訓情境增強學習效果［16］。同時，在學習者練習過程中，可利用教學情境交互調動學習者的主觀能動性，實現教育教學目標。

2.2 “傳統”和“新型”教學模式過渡與交替

問題描述：在利用新型技術對中職實訓課程進行改革的過程中，采用虛擬現實設備進行實踐操作激發了學習者的學習興趣，但目前由于虛擬教學環境尚未成熟，只是作為實踐教學的輔助工具，不能完全替代真實的實踐環節。在“傳統”與“新型”教學模式的碰撞過程中，需要將現有實踐操作課程與虛擬現實技術相融合，明確采用虛擬現實技術搭建的實操教學環境與傳統教學方式的區別與聯系。

建議：為解決中職實踐操作課程中“傳統”與“新型”教學模式的融合問題，提出以下4 種關系模型，如圖1 所示。

圖1 “傳統”與“新型”教學模型

（1）發展關系。將虛擬現實技術應用于實踐操作課程是現代教育技術發展的必然結果。教師應秉持科學發展的態度，積極學習新技術，并及時反思與歸納出虛擬現實技術在中職實訓教學中的不足之處。在教師的指導下，學生們需要在實踐過程中不斷探索，敢于提出自己的觀點，不斷提升自己的思考能力、想象能力和動手能力。

（2）順序關系。在中職實訓課堂中，教師先講授基礎理論知識以及對應知識點的實際操作步驟。學生們在虛擬實驗室操作相對熟練后，便可進入企業進行實踐演練。在虛擬環境教學設計過程中，還可模擬多種“突發情況”，用于教授在“突發情況”下的應急處理、防災防護等教學內容，解決了相關教學內容在現實情況下難以有效開展的問題。

（3）融合關系。在虛擬現實技術下對中職學生實踐課程的指導，不僅要考慮新型技術與實踐操作課程的融合程度，也要重視中職學生現階段的特點，根據學生們對專業技能的理解程度，推進虛擬現實技術在實訓課程中的應用。

（4）互補關系。在傳統中職實訓課堂中，教師處于“領導”地位，與學生進行教學互動；在新型課堂中，每位同學都使用虛擬現實設備進行實踐操作，形成獨立的操作空間，其可將在學習過程中遇到的問題匯總到教師端，教師根據反饋內容再進行操作講解，使“以學生為中心”的教學模式得到了更好體現。

2.3 企業、中職、虛擬現實技術研發三者互聯與反饋機制

問題描述：盡管使用虛擬現實技術模擬實踐操作環境相比傳統教學方法具有更新速度快，且不受場地、時間、資金限制的優勢，但是企業相關技術更新較快，對實踐操作技能的需求日新月異，虛擬現實教學設備的更新依然無法與企業發展同步，對于企業的新需求不能及時作出反應。造成上述問題的主要原因是：

（1）企業對新興的利用虛擬現實技術模擬實踐環境的眾多優勢了解較少，校企合作的實操課程仍然傾向于搭建傳統實驗室或進行實地教學，對基于虛擬現實的實訓平臺研發缺少支持。

（2）企業提出新的用人需求，教師可根據企業需求設計新的教學方法，但必須配套相應的教學環境。雖然利用虛擬現實搭建教學環境具有成本低、速度快、維護容易等優勢，但虛擬現實技術開發、設計、更新等都要求人員具有較高的計算機技術水平，中職教師難以勝任。

（3）專業的虛擬現實開發人員往往缺少中職實踐教學經驗，對中職實踐教學的實訓綱要了解較少，很難針對性地開發用于教學的實踐操作環境。

建議：虛擬現實實訓教學平臺要依靠“校、企、研”三方合作，校企合作單位與平臺開發部門需要保持密切聯系，校企合作單位為開發平臺提供高質量的教學仿真資源，同時校企合作負責人也要投入到項目中，有針對性地指導開發人員做好企業實踐部分。“校、企、研”聯合建立中職虛擬現實模擬實踐教學平臺，校企合作單位與開發部門及時分享設備及相關技術動態，開發人員提供技術支持，中職教師根據中職學習者現有學習能力，結合中職教育教學大綱，按照專業技能考核標準進行教學設計，以職業崗位技術應用能力培養為主線組織教學內容。三方互聯互通，共同合作，建立完善的反饋機制，及時發現問題并更正，具體流程如圖2 所示。

圖2 “校、企、研”反饋流程

3 虛擬現實技術在中職實踐教學中應用展望

隨著現代教學技術手段的提高，虛擬現實教學系統與配套設施也不斷更新換代，未來在虛擬現實教學系統基礎上可引入增強現實（AR）、混合現實（MR）與擴展現實（XR）技術，對中職實訓教學模式作進一步拓展，如圖3 所示。

圖3 AR、MR、XR 創設環境

3.1 增強現實技術

增強現實（AR）技術作為虛擬現實技術的延伸，相比虛擬現實需將全部環境創建為虛擬場景，AR 可將真實環境與虛擬環境疊加在一起［17］。將AR 融入到中職實訓操作中，使用最貼近真實環境的互動模式，可增強學習者操作過程中的真實體驗。利用增強現實技術特點，學生從多角度觀察3D 模型，以增強真實環境下的視覺感知能力與理解力［18］。在虛擬現實環境下，學生帶上VR 頭盔，在實訓空間內對產生的虛擬模型及疊加的真實物品進行操作，為學習者構建自主探索的學習空間［19］。但是利用AR 技術相對更為困難，在實際教學操作過程中需要在設備器材、實踐空間等實際背景中導入虛擬標注，可能會對操作物體的準確性造成影響，應用操作的復雜性也隨之增加。

3.2 混合現實技術

混合現實技術（MR）通過在虛擬環境中引入現實場景信息，在虛擬世界、現實世界與用戶之間搭建起交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感［20］。通過引入混合現實技術，在中職實踐操作應用環境下，不再直接消除學生與周圍環境的聯系，而是將虛擬實訓環境、真實操作空間以及教學信息無縫連接。

3.3 擴展現實技術

相對于VR、AR、MR 而言，擴展現實技術（XR）更適合在虛擬環境與真實環境中進行交互，其縮小了使用者與設備及空間的“體驗”距離。同時擴展現實技術提供了各種模糊實體空間與模擬環境之間界限的體驗，使用戶具有身臨其境的感受［21］。在未來的中職實訓教學中，可利用擴展現實技術的特性，結合人工智能和物聯網技術，使實訓效果得到大幅提升。特別是在感官交互方面，學生們在與虛擬對象交互過程中，會產生與觸摸真實存在物品一樣的觸覺，增強了學生與教學設備之間的交互性，從而獲得更為直觀的感受。

4 結語

不斷涌現的新技術手段為創造新型教學模式提供了無限可能，為實現千年來“有教無類，因材施教，寓教于樂”的教育夢想提供了新途徑。隨著虛擬現實技術的發展，中職實訓教學的實訓內容及形式等都將隨之發生改變。虛擬現實技術與中等職業實踐操作課程的深度融合，可推動職業教育變革，促進中等職業教育領域的不斷突破與創新。