基于VR技術的實踐教學效果影響因素分析

白建光 李海軍 梁 鴻 胡江三 賈永杰

（內蒙古農業大學能源與交通工程學院 內蒙古呼和浩特 010018）

一、概述

實踐教學是提高學生動手能力與分析和解決實際問題能力的重要環節，是提高應用型人才培養質量的關鍵所在。在新工科建設機制下，國內的工程類院校非常注重課程的實際應用，以著力培養應用型人才為目標，努力提高學生的動手實踐能力，實現社會需求與培養模式的有機融合。主要的方式有：1.增設課程設計環節，通過給定的工程地質條件及工程信息完成相關工程設計工作，對基本理論知識加以綜合性應用；2.同國外相類似，加強校企合作，一方面可聘請校外專家到校授課，提供鮮活的工程實例，另一方面分配學生到企業實習，提高分析和解決實際問題的能力。

國內外在實踐教學方面有諸多積極措施，但也存在不足：1.校企合作平臺，學生獲得較全面的工程應用實踐能力鍛煉需要的周期較長，在學校整體教學時間有限的情況下，不能獲得全面的應用能力培養；2.外聘專家到校上課需要校企間時間上的統一協調，但是由于企業工作的不確定性，很難長期滿足相對固定的學校的課程安排；3.課程設計一般是針對一個具體問題進行分析和解決，采用的方法相對單一，不能進行綜合模擬演練；4.學校有相當部分教師缺乏工程實踐經歷，死板的理論教學不能較好地進行知識傳授和滿足實際應用的需要。因此需要采取其他的手段予以補充，以滿足實踐教學的需要，其中基于VR技術的實踐教學就是有效手段之一。

建立基于VR技術的實踐教學平臺可優化學習空間，促進教育的創造性[1]，并與課程教學有效結合可以克服傳統實踐教學效果不顯著及創新性的不足，具有沉浸性、交互性[2]及客觀性與科學性等特點[3]，已經在機械類[4]、農業[5]及藝術[6]等專業教學中廣泛應用，是實踐教學效果提升的重要手段，可為學生就業打下堅實的實踐基礎。而合理的實踐教學評價機制的建立，可形成完善的反饋系統，客觀評價實踐教學效果，尋求實踐教學的不足點，持續提高實踐教學質量[7-8]。建立合理的評價機制，影響因素分析是關鍵步驟之一。

基于VR技術的實踐教學效果評價受多種因素影響，是一個復雜的系統工程，具有少數據、貧信息等不確定性和模糊性的特征。層次分析法具有科學有效、操作簡單、實用性強的特點，廣泛應用于大壩開挖支護[9]、深基坑支護[10]及水質風險評價分析[11]等具有灰色特性指標的評價分析，取得了較好的效果。本文根據基于VR技術的實踐教學的特點，嘗試采用層次分析法構建評價系統影響因素的遞進層次關系，通過比較法確定各影響因素的重要系數，分析影響因素的重要性，用以科學合理評價及提高基于VR技術的實踐教學質量。

二、模型建立

層次分析法將是將復雜的問題按目標層和準則層劃分為不同的層次結構，通過對判斷矩陣的求解，確定各元素的權值，進行定量和定性分析的方法。本項研究綜合考慮教學材料、教學過程、教學后處理等因素，按照層次分析法確定實踐教學評價各因素權重，其層次分析模型如圖1所示。培養方案主要考慮實踐教學所在學期及持續時間；教學大綱主要考慮實踐教學的內容及實習方式；系統性是指從工程的勘測、設計、施工到養護的全過程特性；全面性是指包括各項專業內容的特性；實操性是指學生可親自動手實踐的特性；可持續性是指在有限的場地范圍內能保證各屆學生持續實習的特性；后評價是指實習之后要對實習效果進行評價，明確不足之處；改進措施是指根據不足之處制定相應的改進措施，以求提升實習效果。

圖1 層次分析模型Figure 1 AnaIysis modeI based on AHP

三、計算及分析

（一）權重計算

根據層次分析模型，通過兩兩比較及9位標度法[12-13]構造判斷矩陣，各層次重要性系數、判斷矩陣最大值及隨機一致性比率如表1-表4所示。

表1 B1～C層次分析參數計算TabIe1 parameter caIcuIation based on AHP for B1～C

表2 B2～C層次分析參數計算TabIe2 parameter caIcuIation based on AHP for B2～C

表3 B3～C層次分析參數計算TabIe3 parameter caIcuIation based on AHP for B3～C

表4 A～B層次分析參數計算TabIe4 parameter caIcuIation based on AHP for A ～B

（二）權值分析

權值分析是依據各影響因素權值大小具體分析其對問題的影響程度，據此可確定在整個分析中應該重點考慮的因素，為決策提供依據。據表1-表4可確定B層及C層因素權值分布圖，如圖2-圖3所示。據圖2可知，B層因素權值大小依次為WB2＞WB2＞WB2，如圖2所示。基于VR技術的實踐教學評價中教學過程指標影響最大，教學材料次之，教學后處理影響最小。

圖2 B層因素權值分布圖Figure 2 The weight distribution map of factors for B IeveI

據圖3可知，針對B層指標，C層因素權值大小依次為WC11＞WC12＞WC13、WC23＞WC21＞WC22＞WC24、WC31＞WC32。教學材料中主要考慮培養方案和教學大綱，對于教材僅為10%，考慮較少；教學過程中主要考慮實操性與系統性，全面性次之，可持續性最后；教學后處理中主要考慮后評價，因為只有通過較科學的評價才能發現實習中存在的問題，為提出合理的改進措施提供依據。

圖3 C層因素權值分布圖Figure 3 The weight distribution map of factors for C IeveI

據權值分析結果可知，基于VR技術的實踐教學效果受多種因素影響，各因素影響程度不同。實踐教學效果首先取決于設備的可操作性，即實踐教學應提供相應的硬件設施，確保學生可親自動手，身臨其境般完成各項工作；其次應根據項目的全壽命周期對工程進行系統化設計，將所開設課程根據不同工程階段進行分類，完成階段設計并做好過程間的銜接，確保實習過程的完整與流暢；再次，實習過程中能夠恰當應用各科知識點，使相互獨立的知識有機統一為整體，實現課程間的全面融合；最后，應做好培養方案的制定與完善，優化課程設置，根據培養目標統籌規劃實踐教學。

四、結論

根據層次分析法確定了基于VR技術實踐教學效果各影響因素的權重，一級指標按重要性排序依次為教學過程、教學材料和教學后處理。教學過程中應重點考慮實操性，其次是系統性和全面性，這恰與實踐教學以提高動手實踐能力為目標的特點相吻合。教學材料中的培養方案和教學大綱是專業及實習的指導性文件，對實習起著制約和指導作用，應重點考慮。教學后處理評價作為實習改進的依據，其作用不可小覷。評價中各因素的重要程度不同，在實踐中應注重對關鍵因素的把控，提高實踐教學的效果。

采用VR技術進行實踐教學彌補了課程設計及校企合作的不足，學生用盡可能少的時間掌握較全面的實踐應用的知識，能激發學生的學習熱情，提高學習積極性。教師采用VR技術可使實踐教學更加形象生動，并對缺乏工程實踐背景的教師專業能力起到提升作用。