VR技術應用于工程實訓課程探究*——以西北工業大學的“VR虛擬裝配綜合實訓課程”為例

王靈利 齊樂華 羅 俊[通訊作者] 呂 冰 蔣建軍

VR技術應用于工程實訓課程探究*——以西北工業大學的“VR虛擬裝配綜合實訓課程”為例

王靈利1齊樂華2羅 俊2[通訊作者]呂 冰1蔣建軍1

（1．西北工業大學 工程實踐訓練中心，陜西西安 710072；2．西北工業大學 機電學院，陜西西安 710072）

在“新工科”背景下，國防特色工程教育對高校在校學生的工程實訓教學提出了更高要求。基于此，文章圍繞VR技術的三大特性，提出了VR技術應用于工程實訓課程的建設思路。隨后，文章以西北工業大學“VR虛擬裝配綜合實訓課程”為例進行教學設計，設計了實訓課程的教學流程，并通過問卷調查進行了教學效果分析，發現VR技術能夠規避教學風險、提升教學質量，在現有工程實訓課程中具有較高的推廣價值。最后，文章提出VR技術應用于工程實踐教學的建議。在實訓課程中靈活運用VR技術，可提升學生參與實訓的興趣、提高教學效果和質量，減少實訓誤操作危險，并可為工程實訓教學方法的改進和創新人才的培養提供參考。

VR技術；工程教育；實訓課程；教學改革

引言

新工科交叉、融合、創新、協同、共享的育人理念[1]，對工程實訓教學提出了更高要求。基于此，國防、軍工等特色高校工程實訓教育應將本校的學科特色、專業優勢與實訓內容進行融合，延展教學模式的創新性與多樣性，遵從國家發展需要，培養具有家國情懷、工匠精神和引領未來的領軍人才。

目前，西北工業大學工程實訓教學體系已進行多次改革，增加了視頻、計算機虛擬仿真等教學形式，且課程考核解除了實訓產品中對部分形狀和尺寸的限制，以給學生一定的設計空間，但仍然存在一些問題：①工程實訓教學大多以“師傅帶徒弟”的方式開展，教學內容雷同度高、模仿性強，與大學生獨立性、批判性的思維和認知發展要求相矛盾，不利于其個性化發展和創新創業思維的培養；②受實訓安全影響，教學內容創新和多元化改革的實施難度大，導致部分有利于拓展學生視野、完善學生知識架構的內容難以開展；③教學內容與科技發展脫鉤，目前教學中多采用虛擬仿真動畫、模型、視頻等方式介紹新科技的發展和新設備的工作原理等內容，學生難以直觀地了解其內部結構和運作機制，導致對知識的掌握存在盲點和偏差。針對上述問題，西北工業大學的教學團隊通過文獻、調研等方式，分析和研究系列化VR課程的建設情況，并將其引入到工程實訓教學中。

VR技術是以計算機技術為核心，通過結合視覺識別、動作捕捉等技術，生成與目標環境在視覺、聽覺、觸感等方面高度近似的沉浸式可交互虛擬場景的新型技術[2]，具有沉浸性、交互性、想象性等特性[3]。VR技術能在教學環境和操作方式上更加真實地還原實訓教學，并利用其特性，將實訓教學中需要教師大量示范的教學內容和真實的學生實訓操作過程進行高逼真模擬；同時，用設置語音、文字、動畫等提醒方式替代教師的講述和指導，用在操作中添加試錯點和呈現誤操作后果的方式強化學生記憶，并用計算機統計、分析學生實訓過程中的數據作為教師進行學生成績評價的依據，因此VR技術的應用有望改變“師傅帶徒弟”的傳統實訓教學方式。此外，VR技術提供了開展教學和實訓的虛擬環境，能夠在保障學生安全的前提下，實施創新性、多元化教學的探究與嘗試；在虛擬環境中，教師使用的教具為虛擬模型，易將新技術、新設備的工程應用融入到實訓教學中供學生學習和訓練。VR技術對現有教學內容、教學方式、教學組織的顛覆性突破[4]，有望在未來深刻地變革傳統工程實訓教學模式。

一 國內外高校的VR教學實訓課程建設現狀

國外對VR技術十分重視，紛紛將其引入教育領域。例如，沙特國王大學的Salah等[5]在開展工業4.0認知工程教學時，開發了基于VR技術的平口鉗自動化裝配線實訓課程，內容涵蓋模型設計、裝配路徑規劃、設備操作培訓等；同時，通過對比傳統課堂上學生在實訓操作過程中的表現，認為VR技術在訓練學生的實踐應用能力、促進學生對理論知識的理解等方面有明顯優勢，并驗證了VR技術完全可以勝任以工業4.0為主的工程教育。德國斯圖加特大學的Pletz等[6]使用VR技術訓練學習者的設備組裝技能，并將獲取的技能遷移至實際的工程應用中；通過對比，他們發現采用該教學方式的學生在操作用時上明顯少于傳統課堂培訓出來的學生，并結合問卷調研分析得出結論：VR技術在培訓的有用性、易用性和學員的學習興趣培養方面評價較高。而在美國，早在2010年就出現了由政府主導提供的VR技術應用于教育領域的評估標準[7]；2020年，美國高校教育信息化協會預測AR、VR、MR等新興技術會成為遠程學習未來的發展趨勢[8]；喬治亞大學在新型冠狀病毒流行的背景下，面向機械臂的實訓課程開發了一款基于AR、VR技術的遠程教學系統，只需學生遠程下載安裝即可開始學習，并通過學生對真實機械臂的操作應用效果證明了其教學的可行性[9]；北卡羅來納州立大學的Johnson等[10]利用VR技術將人工智能、機器學習的授課內容與教師指導過程虛擬化，為學生的線上學習提供了面對面實訓的機會，且增強了線上教學的沉浸感、交互性、想象性和智能化。綜上可知，VR技術已在工程教學和技能培訓方面得到大量應用，其教學效果也得到了驗證。美國提出的VR技術應用于教育領域的評估標準，以及沙特阿拉伯、德國、美國等國進行的遠程實訓教學研究，均可為我國工程實訓教學和課程建設提供有益借鑒。

在國內，“十四五”規劃綱要已將VR列入“建設數字中國”數字經濟的重點產業；在教育中，VR技術的應用數量由2016年底的59個增加至2017年底的172個，年增長率為292%[11]。VR技術的工程實訓教學主要分為兩大類：①設備與技術認知。例如，西安交通大學在建設的國家級虛擬仿真實驗教學項目“火電廠熱力系統VR認知及瞬態過程能耗特性仿真實驗”中，將火電廠的生產流程、運行原理、先進技術等制作成VR場景，使學生在教室中就可完成認知實習，且不受時間和空間的限制，增強了實習成效[12]；哈爾濱工業大學工程創新實踐中心H2-VR全息實訓室擁有與宇航空間機構設計、智能數控機床虛擬操作、汽車虛擬設計與裝配等相關的VR資源，通過沉浸式教學，讓學生了解復雜設備中機械零件、運行原理、傳送路線等方面的知識。②虛擬實踐培訓。例如，山東中醫藥大學建設的國家級虛擬仿真實驗一流課程“基于VR技術的GMP藥廠中藥制劑虛擬仿真實訓課程系列模塊之中藥顆粒劑的制備”將中藥制劑實訓課程開發成VR資源，學生通過對制藥工序、設備操作流程、安全行為規范的反復學習和訓練，不僅提高了動手實踐能力，而且獲得了貼近真實藥廠的崗位培訓機會；華南理工大學工程訓練中心基于VR技術的噴漆、電焊等教程，設置了操作、教學、考核等教學模塊，通過虛擬場景為學生提供設備安全操作規程、錯誤操作修正等方面的培訓，增強了學生的安全意識和實踐能力。在現階段國內高校的VR虛擬工訓教學中，課程建設呈現出建設方向側重于學生視覺體驗和演示、建設資源傾向于量小而精致的虛擬場景、建設內容注重實訓過程的規范性培訓等特點，但在學生自主性、探究性虛擬實訓和協同創新創業教育的教學改進等方面還鮮有研究。

當前，國外將VR技術應用于工程實訓教學的研究已初顯成效，而國內的相關研究相對謹慎。基于此，本研究提出一種以VR技術開展工程實訓教學模式的多元化改革思路，旨在通過開發與實際教學一致的虛擬實訓環節、建設多種差異化的教學場景、設置試錯點和提示項代替教師指導、要求學生編寫商業計劃書等方式，優化教學方法，加強教學內容與學校特色、科技發展的融合，并營造創新創業的實訓教學氛圍，使學生的個性化發展、情感價值塑造、創新創業意識構建與工程實訓教學有機融合，從而提升人才的培養質量。

二 VR技術應用于工程實訓課程的建設思路

本研究根據工程教育的人才培養理念，從工程實訓角度梳理了VR技術特性在教學各環節的優勢和應用方法，將課程內容和培養目標分散于三大特性之中，提出了VR技術應用于工程實訓課程的建設思路，如圖1所示。

圖1 VR技術應用于工程實訓課程的建設思路

①沉浸性：是指使用者完全沉浸在虛擬教學環境中，按照自然狀態下的視角、聽覺等對事物進行觀察和學習。利用此特點，工程實訓課程的教學目標是幫助學生擴大專業視野、樹立工程意識，使學生在教室內就能完成對領域背景、現狀和發展趨勢的認知；教學設計上可打造涵蓋飛機制造、航空發動機裝配、智能制造等高成本且不可逆并與學校特色、行業先進技術相融合的教學環境；教學資源上可將實體工程現場建造成3D模型，形成逼真的教學場景；教學組織上要使學生完全沉浸在虛擬空間中，不但目光所及皆為立體環境，而且能在該環境中自主漫游；考核方式以技術答辯的方式進行，重點考查學生使用VR技術學習之后的效果。沉浸性應用到課程建設上，不僅可以滿足學生獲取專業領域知識的需求，使實訓教學得以延伸，還能讓學生在無教師指導的情況下完成課程中實訓技能的學習，為差異化實訓教學創造了條件。

②交互性：是指操作者利用肢體動作像在真實環境中一樣操控虛擬場景中的物體，完成某項特定的任務。利用此特點，工程實訓課程的教學目標主要是鍛煉學生的動手實踐能力，使其能將獲取的經驗遷移、應用于解決實際工程問題；教學設計上可設置虛擬場景中設備、工具等教具的功效觸發點或學生進行自主漫游、虛擬實訓的操作節點，為學生提供動手實訓的機會；教學資源上可設置合理實訓方案，注重實訓操作的真實性，增加實訓機會；教學組織上要重視實訓操作培訓，使學生能熟練操作VR手柄模擬的手指或工具，完成與現實教學基本一致的虛擬實訓任務，并通過教具顏色的變化和語音提示替代教師的指導；考核方式以模擬實體操作為主，學生的每一步操作（包括誤操作、提示次數）均會形成數據并被系統自動記錄。交互性應用到課程建設上，可有效保障學生獲得更多的實訓機會，從而提升其操作技能。

③想象性：是指開發者利用客觀事物的發展規律在虛擬環境中預設多種場景，刺激使用者的主觀能動性，為其提供更加真實、有效的學習環境。利用此特點，工程實訓課程的教學目標是通過在VR虛擬環境中植入具有思政性、探索性和創新性的內容，培養學生的設計應用能力、創新意識和家國情懷；教學設計上可模擬教學場景中設備誤操作后的故障、誤入禁區的后果強化學生的規范意識，也可適當融入“三航”、機電等專業知識提升學生的專業素養和價值觀；教學資源上可植入產品設計方法、創新創業訓練、家國歷史等內容，配合原有的實訓內容創新教學方法；教學組織上可發揮虛擬實訓可逆、安全的優勢，使學生在虛擬實訓的過程中大膽嘗試，并在多重教學資源的支撐下實現自主學習；考核方式采取書面報告的形式，記錄并分析學生的創新思路、實施過程、產品市場價值等，使學生建立起工程創新設計與商業思維之間的聯系。想象性應用到課程建設上，能促進學校特色、課程思政、“雙創”教育、實訓預期結果與工程實訓教學的融合，實現實訓教學的多元化。

課程建設思路充分挖掘了VR技術特性與工程實訓教學之間的聯系，并通過虛擬場景轉變了原有教學中師生的角色，為學生提供了在工程世界中探索和嘗試的機會，使其不僅具有專業的工程素養和豐富的知識儲備，還具有多視角、能實踐、敢創新的綜合應用能力。

三 VR技術應用于工程實訓課程的案例

按照VR技術應用于工程實訓課程的建設思路，西北工業大學利用VR技術對金工實習—裝配課程進行改革；同時，結合美國緬因州國家培訓實驗室提出的學習金字塔研究理論[13]，將課程中的學生主動學習環節占比提高至85%，形成了獨具特色的“VR虛擬裝配綜合實訓課程”（下文簡稱“實訓課程”），以助力培養學生的實踐應用、表達溝通和創新創業等能力。

1 教學設計

為了培養學生的創新意識和設計思維，鍛煉學生判斷和解決工程實際問題的能力，并加深學生對工程原理的認知，實訓課程的教學內容融合了機械原理、剛體力學等專業知識，將槽輪機構、內燃機機構等30余種經典運動機構的運行原理、裝配工藝方法、考核方案等制作成VR虛擬場景。學生需要自行選擇機構，經過VR虛擬拆裝、答辯等培訓后，在實驗臺上完成機構的實體裝配，并通過不斷調試，實現機構的運轉。后期，課程借助VR場景將某型號航空發動機、太空機械臂等高科技航空航天產品呈現給學生，要求學生就其設計結構、應用原理、優劣勢等開展討論和分析，并在此基礎上嘗試設計一種新產品的原理方案，編寫商業計劃書。

2 教學流程

根據大學生認知高階思維所表現的主動性、批判性、探究性特點[14]，綜合考慮大學生學習方法和途徑的多樣性，實訓課程將需要教師講解的多數內容設置在VR虛擬場景中，主要由學生自主學習，教師只需輔助指導和進行考核，具體的教學流程分為理論與思政教學、VR虛擬實訓與考核、實體裝配訓練、創新創業訓練四個環節，如圖2所示。

圖2 “VR虛擬裝配綜合實訓課程”的教學流程

①融入家國情懷的理論與思政教學。本環節以教師講授為主，重在讓學生掌握裝配原理、技術，同時穿插航空航天產品的設計標準、制造工藝、裝配技術等知識，為學生的后續專業學習提供支持。課程還適時融入了國家對航空航天的產業布局和獻身國防事業的思政元素，并借助VR場景，將C919大飛機航空發動機的運行原理、設計結構、裝配過程等呈現給學生，使學生獲得逼真的工程現場體驗，增強學生對國家工業發展的自豪感和民族意識，培養家國情懷。

②自主交互的VR虛擬實訓與考核。VR虛擬實訓環節如圖3所示，系統通過語音和顏色變化（如綠色為正確操作、紅色為錯誤操作）的提醒方式，指導學生開展虛擬實訓，如同隱形的指導教師；學生則佩戴頭盔，手持VR手柄模擬的扳手、螺絲刀等工具，對運動機構的每一個部位進行拆卸和裝配操作——這種近乎真實的培訓方式實現了培養學生動手能力的目標，也為實訓課程的去雷同化創造了條件。學生經過VR虛擬實訓培訓后進入VR實訓裝配考核環節，本環節有錯誤提醒、糾錯和操作記錄功能，有助于鍛煉學生的工程意識，是實訓課程實現學生探究性思維訓練和創新能力培養的關鍵環節。

圖3 VR虛擬實訓環節

③以探索性訓練為主的實體裝配訓練。為保證VR實訓的教學質量，實體裝配訓練前期要進行學生技術答辯考核，時間為3分鐘，重點考查學生對機構原理、裝配流程、技術關鍵點的掌握情況，既鞏固學生的學習效果、鍛煉其溝通與表達能力，又為教師后續教學提供參考。學生通過答辯考核后，方可進行實體裝配訓練。本環節將考查重點放在裝配環節的公差配合、裝配工藝順序、受力分析等方面，這就要求學生裝配的所有運動機構必須能按照原有的軌跡運動，因此學生需對每個裝配環節的零部件配合間隙、裝配方案、剛性及受力點做出準確判斷并及時調整，其挑戰性極強，對學生工程實踐能力、創新能力的提升和設計思維的培養有重要意義。

④以創新創業訓練為目標的提升環節。本環節是通過學生對VR場景中航空發動機、太空機械臂等航空航天產品的結構和原理進行分析與討論后，結合學生所學的運動機構相關原理知識，完成有益于社會發展的產品方案設計。產品方案以報告的形式呈現，要求學生論述航空航天產品的設計原理、適用行業、競爭優勢、市場前景等，使學生深入了解現代技術在我國航空工業領域的應用，激發學生的創新思維和創業意識，訓練其創業策劃能力，培養其回饋社會、創造價值的情懷，并為領軍人才培養奠定基礎。

3 教學效果

①問卷調查分析。實訓課程開設初期，本研究面向西北工業大學航空學院的120名本科學生展開了問卷調查。問卷對課程編排和教學內容豐富性、難易情況、VR技術在課程中的作用、學生對VR技術的興趣點進行了調查，并采用SPSS 24.0進行問卷數據統計，結果顯示：有96名學生對課程編排和教學內容的豐富性表示支持，15名認為課程難度較大，9名選擇其他；有75名學生對VR場景開發表現出極大的興趣；但是，也有7名不喜歡VR實訓且在VR場景中出現了身體不適的情況。分析學生身體出現不適的原因，可能在于人體的視覺感知與肢體行為出現落差，即大腦接收的視覺信號為運動狀態，而接收的肢體信號為靜止狀態，故使身體產生了自我保護。為解決此問題，一方面可以改造VR頭盔，使學生的視覺處于半透明狀態，能夠觀察肢體運動；另一方面需要學生按照操作要求進行肢體運動，同時降低軟件畫面移動的速度，以減少視覺感知與肢體行為的落差。

②總評成績和創新成果分析。西北工業大學自2020年6月開設實訓課程至今，其實訓操作錯誤率比未使用VR技術的裝配實訓學生降低近60%，實訓儀器損壞保修次數也減少至原來的1/3，且學生成績進步明顯。實訓課程連續三個學期學生的總評成績餅狀分布如圖4所示，可以看出：在2020～2021學年春季學期，有169人達到優秀（90～100分），其優秀率（占比56.2%）相較于2019～2020學年春季學期的28.4%、2018～2019學年春季學期的31.5%有顯著提升；同時，有129人達到良好，已沒有2019～2020學年春季學期、2018～2019學年春季學期的中等（70～79分）、其他情況。

圖4 實訓課程連續三個學期學生的總評成績餅狀分布圖

值得一提的是，在第十九屆全國大學生機器人大賽（RoboMaster）中，參與西北工業大學實訓課程的學生在戰車結構方案設計、裝配干涉分析能力提升等方面表現優異，最終取得的競賽成績綜合排名全國第9，相比上一賽季的第32名進步顯著。

四 VR技術應用于工程實踐教學的建議

案例分析結果表明，VR技術能夠規避教學風險、提升教學質量，在現有工程實訓課程中具有較高的推廣價值。但是，受限于VR引擎使用難度大、內容專業性強等問題，VR技術并未在實訓課程中大量應用。基于此，本研究針對VR技術在工程實踐教學中的應用提出以下建議：

①降低VR引擎使用難度，打破教師開發壁壘。降低VR引擎的使用難度，旨在實現Unity3D、UE4等專業VR引擎軟件計算機語言編程的模塊化、圖形化，支持具備三維建模能力的教師自行開發和建設VR虛擬教學資源，從而打破教學實際需要與軟件開發之間的壁壘，實現虛擬教學資源的低成本化和普及化。

②實施資源共享，均衡教育資源。充分利用國家示范性虛擬仿真實驗教學項目的優勢資源和基礎條件，建設互聯網共享平臺，打造跨區域共享的優質VR虛擬教學資源，使參與資源共享的高校只需提供VR設備即可實施教學，以有效化解教育資源不均衡的難題，優化資源配置。

③與學校專業學院聯合，培養行業所需人才。加強與學校專業學院的聯合，一方面利用學院的專業背景和科研成果，提升工程實訓教學內容的先進性和高階性；另一方面按照學院專業課程對學生實踐能力的要求，培養行業所需人才，提高育人質量。

五 結語

本研究針對傳統工程實訓教學在教學模式、創新創業人才培養、學科交叉融合等方面難以適應新工科建設要求的問題，進行了VR技術應用于工程實訓課程的探索，發現VR場景開發的學生滿意度較高，工程實訓課程有助于提升學生成績。可以說，VR技術在工程實訓教學過程中能夠代替教師完成對實訓項目的指導，在工程實訓教學多元化改革方面優勢明顯。但受制于投入資金有限、應用規模較小，復雜的工程應用場景及其控制系統尚未建立，內容的多樣性和環節的個性化不足，故工程實訓課程還需要進一步完善，其課程教學的定量評分也有待進一步細化。此外，如何利用VR技術更好地支撐工程實訓教學培養人才，也是后續研究的重要方向。

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編輯：小米

Research on the VR Technology Applied in Engineering Practice Training Courses——Taking Northwestern Polytechnical University’s “VR Virtual Assembly Composite Practice Training Course” for Example

WANG Ling-li1QI Le-hua2LUO Jun2[Corresponding Author]LV Bing1JIANG Jian-jun1

Under the background of “new engineering”, the engineering education with the national defense characteristics, has put forward higher requirements for the engineering practice training teaching of college students. Based on this, focusing on three characteristics of VR (virtual reality) technology, this paper put forward the construction ideas of VR technology applied in engineering practice training courses. Then, by taking the Northwestern Polytechnical University “VR Virtual Assembly Composite Practice Training Course” for example, this paper designed the teaching process of the practice training course, and analyzed the teaching effect through questionnaires. It was found that VR technology could avoid teaching risks and improve teaching quality, and had a high promotion value in the existing engineering practice training courses. Finally, some suggestions on the VR technology applied in engineering practice teaching were put forward. Further, the flexible use of VR technology in practice training courses could enhance students’ interests in participating in practice training, improve the teaching effect and quality, reduce the mistakes and dangers in practical training, and provide guide for the training of innovative talents in engineering practice training.

VR technology; engineering education; practice training course; teaching reform

G40-057

A

1009—8097（2022）07—0085—08

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.07.010

基金項目：本文為教育部2019年第二批產學合作協同育人教改項目“基于虛擬現實技術（VR）的數字化裝配實驗室建設”（項目編號：201902227031）、2022年度西北工業大學教育教學改革研究項目“基于VR技術的多元化工程實訓教學模式創新與實踐”（項目編號：22GZ13101）的階段性研究成果。

王靈利，技師，本科，研究方向為工程實訓教育與虛擬技術應用，郵箱為1447873804@qq.com。

2021年12月26日

編輯：小米