VR技術在應用型本科實踐教學改革中的應用

張久福

摘要：本文結合當下應用型本科高校工程訓練教學中存在的實踐教學資源不足、教學過程安全隱患大等問題，基于實際教學經驗分析了VR技術在應用型本科工程訓練實踐教學中所具有的優勢。通過研究VR技術在工程訓練虛擬情景教學、安全操作等實踐教學中的應用，與傳統的實踐教學模式相比較，VR技術應用在工程訓練課程教學中的優勢突出，該技術必將對應用型本科實踐類教學發展產生深遠影響。

Abstract： This paper analyzes the advantages of VR technology in the practical teaching of engineering training in Application-oriented Colleges and Universities Based on the practical teaching experience. By studying the application of VR technology in engineering training virtual scene teaching， safe operation and other practical teaching， compared with the traditional practical teaching mode， the advantages of VR technology in engineering training course teaching are prominent， and the technology will have a profound impact on the development of application-oriented undergraduate practical teaching.

關鍵詞：VR技術;工程訓練;應用型本科;應用研究

Key words： VR technology;engineering training;applied undergraduate;applied research

中圖分類號：G64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?  文章編號：1674-957X（2021）07-0238-02

0 ?引言

工程訓練課程是由傳統的金工實訓“進階”而來，其授課范疇已不單局限于傳統的機械及近機類專業，而是面向所有理工類專業，根據專業人才培養特點細分出不同的工程訓練“套餐”。相對于傳統金工實訓，當下工程訓練課程向三大方向轉化（如圖1）。

目前各高校所開設工程訓練課程大致由工程認識、工程實踐、工程綜合及創新三大板塊組成。以機械類專業為例，該課程對學生作如下要求：①掌握基本加工方法和工藝知識：學習并掌握各訓練科目的加工方法和工藝流程，理解主要設備工作原理，掌握工裝夾具及量具的使用。了解新工藝、新技術在機械制造中的應用。②鍛煉工程實踐能力：將理論與實踐相結合，對簡單工件具有選擇加工方法和工藝分析的能力。根據圖紙獨立完成簡單工件加工的實踐能力。③創新意識培養：開發創新思維，發揮主觀能動性，結合理論知識在工程實踐中進行創新應用。

1 ?當前應用型本科高校工程訓練課程教學中存在的問題

早在2014年國家便提出引導地方本科高校向應用技術高校轉型，應用型本科成為近六百所地方本科高校轉型發展的風向標。以山東為例，地方本科高?；臼侵?000年以后由各地市所屬師專、農校、電大等合并而來，其專業基礎相對薄弱。同時，長期以來對實踐類課程的忽視而導致的教學設備嚴重滯后于經濟社會發展，進而影響相關學科建設，此種情況必將成為此類高校今后建設高水平應用型大學的絆腳石。

當前應用型本科工程訓練教學普遍面臨的問題：

①工程訓練實訓設備質量及數量遠未達到新時代應用型人才的培養要求。當前，地方性本科高校實訓所使用的機床設備大多數還停留在多年前的水平。同時也要看到，實訓所需設備普遍價格昂貴、投資高，各高校因經費問題精打細算進而難以滿足相關教學設備的購置更新。

②教學過程安全風險高。多數高校中工程訓練所開設課程最常見的包括：車削實訓、鉗工實訓、焊接實訓、鑄造實訓、電工及電子實訓等環節[1]。上述各實訓課中以車削實訓、焊接實訓、鑄造實訓教學過程安全隱患最大，實訓過程中機械噪音大、高溫高熱、弧光輻射等對師生人身安全造成較大威脅。

③先進制造訓練、綜合實踐創新應用所需設備短缺及高水平雙師型師資短缺，無法開出相關訓練課。地方本科高校因受傳統教育觀念影響，長期忽視實踐教學導致當下工程訓練的設備落后、指導教師青黃不接，特別是具有高學歷、行業從業經歷的教師嚴重短缺。出現了各高校對工訓課程向綜合實踐創新應用轉型的迫切要求與先進設備及高素質師資匱乏的矛盾。

④實訓場地緊缺。各地方本科高校工程訓練中心大部分是由其校辦工廠轉型而來，實訓場地狹小。因資金等問題，實訓場地條件未得到改善，難以滿足生源日益增長的教學需求。

2 ?VR技術概念特征

虛擬現實技術（簡稱VR），又稱虛擬環境或人工環境，其融合了圖形技術、仿真技術、人工智能、傳感技術等。通過計算機生成的虛擬場景直接作用于操作者的感覺系統。同時，操作者可通過觀察、觸摸、操作等與虛擬場景進行交互操作。其具有如下典型特征：

①沉浸性。沉浸性是基于人類心理環境所形成的存在感，通過VR技術作用于操作者的感覺系統使其具有身臨其境的感受，使得操作者自身仿佛真實存在于虛擬環境中。操作者由傳統的“旁觀者”轉變為“參與者”，從而獲得對虛擬環境的主導權。

②交互性。交互性即人機的交流互動性。VR技術可使操作者在特定虛擬環境下實現對該環境的操作反饋及信息交流，如在虛擬環境內移動一個物體時操作者不僅可以感受到該物體并且還能感受到該物體的重量等。若操作者對該物體施加作用力，物體的位置和狀態也會發生相應改變。

③自主性。自主性是指基于現實世界中的物理學定律來模擬虛擬環境中各種物體的動作。如在虛擬環境中，操作者將推力施加于某物體，該物體便會根據操作者推力的大小實現真實環境中的力學反饋，如移動、跌落等。

④多感知性。除了最基本的視覺外，VR技術還能實現其他多種感覺同時存在。如基于聲場技術的聽覺、基于傳感技術的力反饋等，其它如溫度、嗅覺等亦可通過相應技術實現，所實現的感覺越多沉浸性越好[2-3]。

3 ?VR技術在應用型本科工程訓練教學中的應用

VR 技術在工程訓練課程教學中的應用是該技術和新時代職業教育結合典型代表。VR虛擬實訓室依托桌面式虛擬現實設備以及配套工程訓練實訓VR軟件，能夠完成傳統工程訓練教學中難以達到的教學效果。與傳統工程訓練教學設備相比，VR虛擬現實應用于工程訓練課程教學中有如下顯著優勢（以工程訓練中的車削實訓為例）：

①彌補地方高校資金不足、實訓場地緊缺、實訓設備陳舊落后的困境。由于工程訓練課程的特殊性，大部分工程實訓設備價格高昂且占地面積巨大，各地方高校因資金短缺而導致的設備更新換代滯后，嚴重影響教學效果。利用VR技術創造生產現場模擬實踐環境（如圖2），實訓教學不再受場地、設備、耗材等限制，更好的滿足教學實際需求。

②超時空限制，實踐教學更直觀。工程訓練課程教學過程中采用 VR 技術可以打破時空限制來模擬還原某個情境或者場景。在工程訓練-車削實訓課程中，為使機械類及近機類專業學生更深入直觀的理解機床主軸箱的結構及變速過程，可通過VR虛擬設備深入傳動中的主軸箱中觀察各機械結構，同時學生可通過操作手柄等外設進行機床主軸的變速操作，此過程中學生可身臨其境的觀察主軸箱內部各傳動部件的動作（如圖3）。上述過程在現實條件下因客觀條件限制且過于危險而無法實現，教師只能通過口頭講授，教學效果差。

③可充分調動學生主觀能動性、發揮學生主體作用，實訓過程可重復。新時代的大學生多為“00后”，該群體對前沿科技裝備有著天然的熱愛。利用VR技術學生不僅可以接觸到感興趣的高科技產品，同時在教學過程中學生還可自助選擇實訓模塊及次數，增強實訓效果且不產生耗材成本。例如機床拆裝實訓，利用VR技術不僅可以實現產品模型以裝配圖和爆炸圖的形式出現使學生能夠直觀的學習各機械部分的工作原理，同時又能實現機床設備的反復拆裝模擬（如圖4）。

④最大程度規避風險、無安全隱患。VR技術可以避免實訓環節中的風險，使得教師有更多的精力投入到教學中，提高實訓效率及效果，同時節約實訓成本。如傳統的車削實訓中因機床卡盤旋轉、學生誤操作導致人身傷害、設備損壞等時有發生;應用VR虛擬設備進行模擬車床操作不僅可有效避免人身傷害事故的發生，同時也可以很好的保證工程訓練課程的教學效果。

4 ?總結

在地方本科高校由普通本科教學向應用型本科教學轉變的大背景下，本文研究了VR技術在工程訓練課程教學改革中的應用，與傳統實踐教學模式相比VR虛擬技術在應用型本科工程訓練實踐教學中獨具優勢。該技術在實踐教學中的應用可在一定程度上解決當下地方本科高校在工程訓練教學中存在的教學軟硬件資源不足、設備陳舊、更新換代成本高、教學過程安全隱患大等問題。該技術的進一步推廣必將對應用型本科高校實踐類課程的教學發展產生深遠影響。

參考文獻：

[1]郭純.機械制造工程訓練焊接教學存在的問題及幾點建議[J].南昌師范學院學報，2019（06）：11-12.

[2]方濤.淺談VR技術在機電類專業中的應用[J].山東工業技術，2017（09）：165-166.

[3]戴建.試論VR在商科實訓教學中的應用[J].湖北開放職業學院學報，2019（10）：129-130.

[4]劉德建，等.虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰 [J].開放教育研究，2016（04）：25-31.