VR技術在職業教育機械課堂教學中的運用現狀與前景分析

周美圻　蔡宗模

摘? 要： VR技術帶給人們獨特的沉浸式體驗，使其在各個領域迅猛發展。以職業教育為例，將VR技術引入機械課堂教學具有增加學生學習趣味、降低實訓教學成本、提升教學質量與效率、有利于培養高質量機械人才等優勢。但VR技術在職業教育中的應用較少，目前存在的主要問題是VR機械實訓系統技術性能有待完善、相關教育資源與機械學科教學融合度較低、VR技術在機械專業教學中的應用體系不成熟、部分職業學校還缺乏引入VR設備的資金與網絡條件等。為此，從開放式虛擬機械學習課堂、分布式虛擬機械實訓共享平臺、虛擬機械實訓評價考核系統三個方面進行展望，以期增加VR技術在職業教育機械課堂教學中的應用并提升實效。

關鍵詞： VR技術; 職業教育; 機械教學; 發展前景

中圖分類號： G712? ? ? ? ? 文獻標志碼： A? ? ? ? ? 文章編號： 1671-2153（2022）02-0052-04

VR（Virtual Reality）技術，即虛擬現實技術，是基于計算機信息技術、仿真技術、傳感技術等多種信息技術而創建的計算機虛擬仿真體驗交互系統，是一種使人產生身臨其境般真實感的先進計算機技術。當前，虛擬現實VR技術逐漸發展并在各個領域發揮其能效，在教育領域，虛擬教室、虛擬實驗、虛擬圖書館、虛擬校園等各種創新的教育形式和教育理念被廣泛地研發和試用。《中國制造2025》國家戰略提出了人才培養的新要求，職業學校機械專業承擔著培養機械人才的重任，必須為社會培養具有牢固的基礎知識、熟知產業發展現狀的高質量的綜合型人才。在中等職業學校機械專業的課堂教學中使用虛擬現實VR設備，不但可以使學生在虛擬的學習體驗中獲得真實的學習感受，滿足學生個性化學習需求，同時還可以彌補實訓基地教學設備的種種不足，有效解決傳統教學中存在的系列問題，有利于學生專業技能的提升。

一、VR技術引入職業教育機械課堂的獨特優勢

（一）身臨其境的真實感，增加學生學習趣味

在傳統的機械課堂中，教師教學方法單一，長期單調的授課形式使學生注意力難以集中、學習效果難以保證。將VR技術引入職業教育機械課堂教學，改變以往枯燥乏味的授課形式，使學生感受到逼真、生動、充滿真實感的虛擬機械學習情景，學生不知不覺地從現實環境中脫離出來并自主參與到虛擬教學中，增加了學生的學習趣味，增強職業教育學生的學習投入感，實現以學生為中心的自主性學習，同時也推動了教學模式的創新發展。

（二）虛擬仿真設備，降低實訓教學成本

傳統校內實訓由于場地、資金的限制，常常會出現實訓設備數量不足、設備陳舊老化、更新和維護不及時等情況，阻礙了學生的實訓學習效果。VR設備相比較機械設備，具有占地面積小、更新與維護成本低等優勢，一臺VR設備的資金投入相比一臺機械設備的投入要低得多，學生利用VR學習系統反復地進行虛擬設計與虛擬制造的練習，既有利于學生專業技能的提升，又降低了實操環節中因錯誤設計所造成工件原料的浪費，減少了高昂的實訓教學成本[1]。

（三）多維立體化知識呈現，提升教學質量與效率

在傳統的機械課堂教學中，教師主要使用語言講授，輔之以多媒體動圖、視頻展示的方式描述機械加工等相關知識，職業院校學生基礎知識薄弱、空間想象力不足，對于復雜難懂、抽象的切削加工知識，學生們“看不懂、想不到”，學習起來有一定難度。VR技術所呈現的機械虛擬運轉形態改變了知識的展示形式，實現了從單一平面展示到多維立體化觀看的轉變，將抽象難懂的知識形象化，學生學習到的知識不再局限于教師的講述，而是來源于學生們親眼所見、親身操作，學生在學習過程中獲得了直觀的體驗與感受，提高了教學的真實性，也使學習到的知識記憶得更加透徹，提高教學質量與效率。

（四）VR教學內容實時更新，有利于培養高質量機械人才

機械行業的興盛與發展需要大量高質量機械人才作為支撐，熟知新興技術的、能夠緊密聯系當今產業發展現狀的加工制造人才更是實現機械制造業智能化發展、創新化發展的重要保障。VR教學內容實時更新，以產業為紐帶，與時俱進，使實踐訓練內容緊跟現代加工技術的發展，打破校企實訓內容溝通屏障，有利于推動機械專業人才培養與企業崗位需求的有效銜接，有利于提高學生的就業競爭力。

二、VR技術在職業教育機械課堂教學中的運用現狀與挑戰

（一）VR技術在職業教育機械課堂教學中的運用現狀

1. 職業教育機械課堂教學以桌面式VR為主

虛擬現實教育產品眾多，簡單概括有桌面式虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統等。

桌面式虛擬現實系統是指計算機窗口上的VR，通過虛擬現實3D眼鏡、傳感筆等設備連接電腦實現人機互動，是較為初級的VR系統。桌面式虛擬現實系統會受到周圍現實環境的干擾，從而使學習者的沉浸式體驗感不足，但因其安裝簡單、價格低廉的優勢，是目前職業學校機械專業應用最多的虛擬現實系統。沉浸式虛擬現實系統是一種高級的、較復雜的虛擬現實系統，它采用封閉的場景和音響系統將用戶的視聽覺與外界隔離，達到超真實的視覺、觸覺、聽覺和嗅覺體驗效果[2]，是我們理想中應用于教育的VR系統，但因其系統價格不菲，在普及和推廣上有一定難度，所以現今職業教育機械課堂教學運用類型多以桌面式虛擬現實系統為主。

2. 虛擬展示、虛擬操作、虛擬企業實訓是職業教育機械課堂VR的主要運用方式

虛擬展示所呈現的三維立體式虛擬機械加工場景，學生可以身臨其境地觀看機械設備的工作過程，觀看各個零件是如何系統地加工配合，也可以使用傳感筆對虛擬器械進行拆解，使其對模具的結構、組成和工作原理有更清楚的認知;虛擬實操是指學生利用VR系統進行虛擬設計與虛擬制造的練習，對于各種設計方案進行模擬實驗，通過對比虛擬制作的結果，選擇最佳的方案，也可以進行虛擬部件的安裝與調試、虛擬器械的故障檢測與維修等練習;虛擬企業實訓模擬真實的企業場景，打破時間與空間的限制，使學生佩戴VR設備就能身臨其境般地處于企業機械工廠之中，在虛擬的企業實訓中學生可以自由選擇企業崗位角色進行崗位技能學習[3]，熟悉各個崗位的工作要求與必備技能，實現學生能力與企業崗位要求的成功對接。

3. VR技術在職業教育機械課堂教學的運用成效顯著

丁棟厚在中等職業院校新能源汽車專業利用VR對學生進行授課和實踐操作任務，在實驗過程中采用調查問卷法和比較分析法得出實驗結果，經過對收回的377份有效問卷進行統計，約88%的學生對VR教學有濃厚的興趣，有76%的學生在進行VR教學后認為對實操能力有較大提升[4]。吳雪艷在貴州省某職業學校借助VR手機眼鏡對機械制圖課程進行虛擬現實教學，并發現虛擬現實在機械課堂的應用對于改善學習態度、強化學生學習的主體地位、促進學生學習能力的提高等方面有明顯的效果[5]。段揚在某中等職業學校利用Labview、Multisim所設計的虛擬仿真教學系統對電子技術基礎課程進行教學并取得積極效果，絕大部分的學生通過虛擬仿真實驗教學，帶動了學習的積極性，同時也對電工電子方面的學習更有興趣了[6]。綜上所述，通過對文獻的梳理發現，虛擬現實技術在職業學校機械類專業教學中的運用效果十分顯著。

（二）VR技術運用于職業教育機械課堂教學面臨的挑戰

隨著國家鼓勵VR技術在職業教育領域的運用，許多職業院校在教學中開始引入虛擬現實VR技術，但是無論從廣度還是深度來看，并沒有達到普及的程度，大多數職業院校依舊處于起步和探索階段，在職業學校機械專業教學中應用VR技術，在實際應用中也面臨著一些挑戰。

1. VR機械實訓系統技術性能有待完善

在虛擬仿真系統中進行虛擬操作相對比真正的器械操作還是有一定的差距，例如在進行機械加工時，最終加工的工件是否達到合格標準，會受到許多現實因素的干擾與影響，實際的工件加工過程中也會因為較小的操作誤差而導致實際加工成品的失敗[7]，而現階段所研發的VR機械實訓系統中的實訓操作都是以理想的操作步驟研發，并沒有將操作偏差設計到系統之中，現階段也很難將實際操作的偏小誤差納入VR系統的研發之中，這是VR技術現階段難以解決的難題，需要提高VR機械系統的技術性能，不斷完善VR機械實訓系統。

2. 優質VR機械課程資源稀缺，VR教育資源與機械學科教學融合度較低

以往大多數軟件開發公司將重點放在了游戲產品的開發上，真正涉足教育的大型VR技術公司并不多[8]，隨著VR技術在教育領域的迅猛發展，VR教育軟件產品逐漸增多，但出現優質VR機械課程資源稀缺的現象，表現為VR機械教育軟件內容單薄且分散、部分VR教育產品出現了設計的形式大于內容的現象[9]。由于VR教育系統的研發人員多以軟件開發公司員工為主，缺少一線優秀學科教師與教育專家的參與研發，從而導致VR教育資源與職業學校機械學科教學大綱、教學內容匹配度較低，難以滿足機械專業的個性化教學需求。研發優質VR機械課程資源、VR課程資源與機械專業教學的深度融合是有待解決的問題。

3. VR技術在機械專業教學中的應用體系還不成熟

VR技術作為一種新興的教育技術引入課堂教學，其在職業學校機械專業的應用還未形成成熟的教學應用體系。VR機械課件引進標準、VR技術在機械課程中的適用范圍、VR教學效果的評價標準等問題，還沒有具有針對性的應用標準與規范。學校需要針對本校的實際情況與特色，建立適用于本校的VR使用規范與標準，逐漸摸索建立科學且適用的VR教學應用體系。

4. 部分職業學校缺乏引入VR設備的資金與網絡條件

在保證較高的視頻分辨率、不產生眩暈感的前提下，想要達到較好教學效果的VR設備價格昂貴，后期對于VR設備的維護與維修也需要一定的資金消耗，許多職業學校缺少引入VR設備的資金條件。部分學校的計算機硬件老舊以及校園網絡運行遲緩，VR程序運行的穩定性會受到校園網絡波動的影響，VR程序在此校園網絡設施上運行會出現卡頓的現象，部分學校暫無與VR設備相匹配的校園網絡配置，引入VR設備需要學校花費一定的資金，更新計算機設備，加強校園網絡基礎建設，并不是所有職業學校都具有引入VR設備的資金與校園網絡條件，這對于一些教育資金短缺的職業學校來說是一個挑戰。

三、VR技術在職業教育機械課堂教學中的發展展望

2016年被稱為虛擬現實元年，VR在教育領域迅速發展，將VR技術應用于職業教育機械課堂具有許多優勢。未來，隨著VR技術硬件與軟件的不斷完善，其與職業教育機械專業融合得更加密切，VR機械實訓軟件將逐步解決技術難題，將微小操作偏差設計到VR機械學習系統之中，在此基礎上對VR技術在職業教育機械課堂教學中的發展進行展望，構想VR技術以更加豐富多彩的形態展現在職業教育機械課堂的教學場景中，以更好地幫助學生的學習。

（一）開放式虛擬機械學習課堂

職業教育學生基礎知識薄弱，課堂中學習過的機械知識有時并不能完全理解，開放式虛擬機械學習課堂將以更加簡便、開放的方式提供給學生學習服務。學生在家里登錄學校所研發的虛擬課堂學習系統，選擇自己所學習的專業，就可以實現虛擬機械課堂的學習。開放式虛擬現實課堂將教室的環境、老師和學生以虛擬的影像展現出來，學生們以虛擬的形象在同一個虛擬課堂中進行學習，進行實時溝通并相互交流學習經驗，老師也可以登錄其系統為同學們解答困惑。課程是永久保留并且實時更新的，學生可以自主選擇復習時間并且反復或倍速播放，打破了時間和空間的限制，將機械課堂的VR教學擴展到了校外、家里，實現“現實+虛擬”的雙課堂教學模式[10]，學習更具有了開放性、自由性，有利于學生知識的學習和技能的提高。

（二）分布式虛擬機械實訓共享平臺

分布式虛擬現實系統是通過網絡支持各用戶在同一個虛擬現實環境中進行交互。現今網上已經有許多虛擬現實學習共享平臺，輸入學號和密碼便可以進行學科虛擬現實的學習，但是缺少針對于職業學校機械專業專門的學習平臺供學生使用。隨著VR技術與分布式虛擬現實系統的逐步發展，通過校企合作的方式研發分布式虛擬機械實訓共享平臺，供全國職業教育機械學生進行實操學習。分布式虛擬機械實訓系統支持職業教育學生通過電腦在同一個虛擬仿真實訓環境中進行實訓操作練習，學生不僅可以在虛擬環境中進行機械產品的虛擬設計、虛擬制造、虛擬實訓操作、虛擬企業實訓等操作，還可以在系統之上相互交流學習經驗與疑難困惑，一起合作研發虛擬產品，同時，企業與學校可以通過校企合作的方式增派機械行業的專業實操人員進入虛擬機械學習系統與學生進行交流，分享行業經驗，對于學生實訓中出現的錯誤操作或疑問困惑進行遠程教育與技術指導。

（三）虛擬機械實訓評價考核系統

虛擬機械實訓評價考核系統可以模擬現實中的數控車床、數控銑床等實訓操作任務，學生通過虛擬現實實訓考核系統完成實訓操作，展示自己的實訓技能掌握程度，從而完成機械實訓考核，這樣的方式既可以減少操作過程中因錯誤操作導致學生受到人身傷害，又可以消除以往因教師主觀評判因素所帶來的考核成績不穩定的情況，虛擬機械實訓評價考核系統相對于以往的實訓評價來說，變得更加的規范與嚴格，進一步提升了實訓評價考核的公平性，從一定程度上解放課程考核評價方式，在學校教學考核方面起到了積極的作用。系統中進行實訓操作的過程與數據可以保留錄像并存檔以滿足后期復查的要求，隨著VR技術的成熟與虛擬機械系統的逐漸規范，企業可以通過虛擬機械實訓系統觀看學生的實訓操作回放，對于實訓操作能力強的、實訓評價考核優秀的同學，企業可以進行定向招聘。

綜上所述，VR作為一項新興信息電子技術，其在教學中的應用引起了社會各界的關注，將其引入職業學校機械專業的教學中，既有其自身的意義和價值，又符合教育信息化的發展趨勢。在中等職業院校引用虛擬現實技術已進入實施階段，2020年上海市教委研究確定15個上海市中等職業學校示范性虛擬仿真實訓室立項項目;同年安徽省教育廳發文件表示推動本區域內中等職業學校（含省屬中專學校）虛擬仿真實訓基地建設，促進教育教學高質量發展，虛擬現實應用于職業教育的前景欣欣向榮。雖然虛擬現實技術在職業學校機械專業的引進與應用的現狀與我們理想中還有一定的差距，其在教學中的應用與普及也不是一朝一夕的事情，但是在不遠的未來，隨著虛擬現實技術的不斷發展與完善，政府、企業、學校、教師等多方面共同的配合與努力，虛擬現實能夠廣泛應用在職業教育機械專業，與教育教學更好地結合，發揮其優勢，為社會培養更多高質量機械加工制造人才。

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[10] 王睿. 虛擬/現實“雙課堂”教學模式在優化大學課堂教學中的應用[J]. 無線互聯科技，2021（13）：118-119，131.

Abstract： VR technology brings people a unique immersive experience and develops rapidly in various fields. Taking vocational education as an example， the introduction of VR technology into mechanical classroom teaching has the advantages of increasing students' learning interest， reducing practical teaching costs， improving teaching quality and efficiency， and cultivating high-quality mechanical talents. However， there are few applications of VR technology in vocational education. The main problems existing currently are that the technical performance of the VR mechanical training system needs to be improved， the integration of relevant educational resources and mechanical discipline teaching is low， and the application of VR technology in mechanical professional teaching system is immature， and some vocational schools still lack the funds and network conditions to introduce VR equipment. To this end， the prospects are made from three aspects： an open virtual machine learning classroom， a distributed virtual machine training sharing platform， and a virtual machine training evaluation and assessment system， with a view to increasing the application of VR technology in machinery classroom teaching in vocational education and improving actual effects.

Keywords： VR technology; vocational education; mechanical teaching; prospects

（責任編輯：王義）