從經濟學視角探討專業教育教學形式的趨向
——以原油集輸虛擬交互可視化教學平臺為例

●葛文彬 嚴 鑫

引言

在當前教育教學實踐中，普遍存在教師教得辛苦、學生學得費勁的現象，提高教學成效已經成為教學的首要問題。虛擬現實等信息化新技術的快速發展為當前全球教學資源共享提供了便利條件，同時也為教學形式的革新提供了機遇與挑戰。教育部發布的《教育信息化十年發展規劃2011—2020 年》提出深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，適應經濟社會快速發展對人才培養的新要求[1]。以計算機技術為核心的虛擬現實技術生成逼真的視覺，建構一體化的數字虛擬臨場環境，形成的虛擬可視化交互教學平臺具有直觀、全方位、多角度、互動性及開放性的特點優勢，解除了學習地點、設施環境和時間限制，開放學習人數、學習地點和學習時間的要求。從經濟成本角度解決專業教育中驗證性實驗耗材成本高、設備損耗率高、學習成效低、空間及設施不足等教學成本問題，構建數字化虛擬仿真實驗環境，將晦澀難懂的知識內容以可視化方式傳達，以游戲化互動模式引導學習，提高學習成效，降低教學的時效成本。在經濟學快變量方面可以短時有效提高學習成效，在經濟學慢變量方面可以有效實現提高人才培養質量、社會服務價值效應。

一、原油集輸虛擬交互可視化教學平臺設計機理

現行的專業教育教學形式總體上處于文字輔助圖片的講解式教學，學生處于一種被動的接受信息狀態，教學和學習時效成低下。研究表明：視聽和文字演示獲取知識的效率比被動聽講和文字閱讀高，主動學習獲取知識的效率比被動學習知識的效率高。

設計一套基于原油集輸工藝流程設備原理，從實際生產環境出發，圍繞專業崗位需求，以人的認知規律為主，結合教學目標、教學內容要求，將知識點展示、視音頻播放和互動性操作融于一體的數字化臨場感虛擬環境，并引入游戲化模式，建構一種能夠將復雜難理解的學習內容進行形象化、可視化傳達，并能帶給學習者直觀、趣味、刺激感受的教學平臺系統，解決原油集輸相關專業教育教學不直觀、難以理解、見殼不明理、教學生產脫節導致難學、厭學、學而不明等問題，達到學生能夠高效地掌握知識與技能，有效提高他們的學習積極性與主動性，進而提高教學成效和學習時效。

二、原油集輸虛擬交互可視化教學平臺設計與實現

原油集輸虛擬交互可視化教學平臺是基于我校石油化工全產業鏈的實物仿真工程實踐教育基地為基礎開發，利用UE4 虛幻引擎和數字建模技術將原油集輸工業產業鏈數字虛擬構建出來，創設一種虛擬可視化的臨場環境，營造一種直觀的、可視化、沉浸環境類游戲式的教學平臺。

1.系統開發設計邏輯架構。研究表明：教學成效與學習者的被吸引程度和即時行為驗證息息相關，本課題從教學層、行為層、心理層三方面展開研究，根據原油集輸工藝實際生產作業構建沉浸式臨場數字化虛擬環境，依據流程工藝引導貫穿相關設備教學內容，設置感應區域和高亮提示圖標，增設交互操作學習按鍵，展示教學內容（文字解析、動態原理展示、內部結構、設備互動拆解等）；同時引入任務績效反饋考核機制，形成以學習為主的互動式“輕游戲”模式。本教學平臺系統主要是針對本科、高職院校及石化企業相關入職人員的專業學習者，利用情景化虛擬環境吸引學習者沉浸其中，將復雜的、隱蔽的、難以理解的信息直觀化呈現出來，降低學習障礙。同時，利用文字語音介紹幫助快速學習理論，動態原理展示幫助理解原油集輸流程中發生的物理及化學反應情況，互動設備拆解模塊幫助理解設備內部結構原理及作用機制。虛擬交互可視化教學平臺是一種將游戲化模式引入教學的新形式，構建數字化虛擬仿真實驗環境，互動性強的學習環境，能提供實時的學習成果反饋，提供反復實踐學習的機會。

2.創設情境虛擬交互可視化教學形式。本課題以我校原油集輸工業生產實物仿真基地為原型，利用三維數字軟件構建數字化虛擬生產情景，依據設備圖紙構建設備模型，精細到設備內容結構零件；利用MAYA 動畫制作軟件和Realflow 流體特效軟件模擬原油集輸工藝生產相關設備（如電脫水器、水套加熱爐、沉降罐、精餾塔等）結構及工作原理；利用UE4 虛擬引擎技術設計實現設備（如截止閥、離心泵等）互動性拆解學習形式；最終，通過UE4 虛擬引擎進行系統整合，將知識內容以游戲化形式貫穿，創設一個沉浸式、臨場感的、直觀可視化互動學習平臺。本平臺通過視覺、聽覺、行為互動等多重感官的結合，直觀反映原油集輸工藝流程及設備每個環節不同的作用效果，有效的幫助學習者在場景中全方位的了解、學習設備構造與工藝原理，突破了不可視設備內部結構和難以理解的文字、圖紙說明的瓶頸，進而提高學習成效。

三、原油集輸虛擬交互可視化教學平臺系統模塊

傳統實物仿真教學形式是將原油集輸作業流程相關設備實體化，實體的模型設備僅僅只能解決表象的設備外形問題，無法具體展示原油集輸相關設備的內部結構、原理以及作業過程中的原理反應工藝情況。原油集輸虛擬交互可視化交互教學平臺主要包括：沉浸式臨場環境數字化模擬，設備結構與工藝原理可視化、交互性設備拆解展示、文字語音知識解析。

1.沉浸式臨場環境數字化模擬。原油集輸虛擬交互可視化教學平臺系統真實還原原油集輸生產作業環境，營造沉浸式臨場體驗，學生可以通過鼠標、鍵盤進行交互操作，漫游原油集輸生產作業環境，直觀了解原油集輸生產作業全部設備，全方位了解設備相關知識信息。同時，系統設計充分考慮到教學內容要求，增設知識內容提示圖標聯接形成教學知識體系，設置感應區域顯示學習內容（見圖1）。研究表明：人在沉浸狀態下記憶最為深刻，感知最為直接，信息流和體驗流更容易上升為用戶的心理流層面，在此情境下，學員對知識的獲得感更深，學習效率更高。

圖1 原油集輸虛擬交互可視化教學平臺臨場環境

2.設備結構與工藝原理可視化。原油集輸虛擬交互可視化教學平臺設計時全面分析當下該課程教學困境。如教學中多以文字和二維線稿圖紙講授，不能有效形成立體視覺感知模型，難以理解；參觀學習只能看到設備實體化外殼，理論學習與實際脫節，難以建立聯系；學員需要長時間崗位工作過程，才直觀看到設備內部結構，依然無法視覺化感知工藝反應原理；嚴重阻礙原油集輸工藝創新優化、設備故障維修與維護，影響工作績效，降低人才效益。平臺系統集成設備結構可視化模塊和工藝原理可視化模塊。

設備結構可視化：平臺中設置“內部結構”和“透明顯示”按鈕，通過點擊按鈕操作可以直觀的、全方位查看原油集輸教學要求的相關設備內部結構和零部件構造（見圖2）。

圖2 精餾塔內部結構展示

工藝原理可視化：平臺集合了設備工藝原理動畫演示模塊，通過點擊【原理展示】按鈕操作可以直觀展示設備內部結構、闡釋工藝原理與物化反應情況。同時，在故障處理模塊加入事故案例動畫（見圖3），可以讓學生更直觀、更切實的感受到錯誤操作的后果，提升學生安全意識和事故處理的能力。

圖3 破乳劑加藥箱內部結構、作用原理及物化反應

3.交互性設備拆解展示。操作實踐是最為有效的學習方式，本平臺重點設置設備交互性拆解模塊，學員通過交互性互動控制設備拆裝過程理解設備結構及原理，增強記憶與理解，彌補課程教學最大短板，解決知識理論與實踐脫節的問題，提高教學成效。在虛擬教學平臺中增設截止閥和離心泵設備交互性拆解操作訓練，依據設備檢維修標準化流程，利用系統設置約束設備拆解過程，避免隨意性操作，違背操作規定，促進形成烙印式標準化操作記憶，學生通過鍵盤、鼠標控制變換視角和零部件拆解組裝過程，更好地幫助學生快速理解設備構造與原理及檢維修操作規程（見圖4）。互動性操作可以幫助學生形成行為記憶，增強感知性記憶，提高教學成效。

圖4 離心泵設備互動性

4.文字語音知識解析。平臺系統集合知識內容的文字介紹和語音講解，以此構建與課程教學內容進行同步聯接，在感官學習過程中文字知識內容系統貫穿、約束、輔助，以保證學習的系統性，避免混亂，幫助學員建構學習內容知識體系，實現感官視覺主導、語音聽覺刺激、文字知識貫穿主脈的多維感知一體化教學形式，建立知識理論與實踐應用的密切聯系，達到提高教學成效的目的。

四、虛擬交互可視化教學形式成效性分析

當今信息化時代，知識獲取效率等同于經濟效益。在專業教育方面有效的教學形式能夠直接影響學員學習效率，進而決定教育經濟成本投入與時間產出比。影響學員學習效率的因素分為主觀因素和客觀條件。主觀因素是指學員自身思想意識、認知高度和自我約束力，屬不可控因素；客觀條件包括教學環境、教學方法、教學手段、實踐檢驗等，完全可以通過有效教學形式來改變。將原油集輸虛擬交互可視化教學平臺引入專業教育課程教學中，針對客觀條件進行教學成效測試，增強了學生的學習興趣，顯著提高教學成效。

1.視覺直觀更易于提高學員認知能力。人類是一種高度依賴視覺的動物，研究表明人類獲取的信息中83%是通過視覺獲取的。原油集輸虛擬交互可視化教學平臺通過三維數字動畫技術將晦澀的文字信息、二維線框圖紙轉化為直觀立體虛擬實物和動態畫面，以視覺直觀的形式呈現在學員面前，跨過學員知識學習過程中認識思維到形象思維的過程，避免人腦意識自行構建形象思維過程的信息誤差，增強了知識傳播的準確性，最大程度地提高了信息接收的效率和正確率。如平臺中【原理展示】模塊，通過動態畫面呈現原油在相應設備中流動和物化反應情況，使學員能夠直觀地學習到原油集輸工藝生產全過程的設備結構、原理反應及設備流程順序等，更加易于理解，加深記憶，提高專業學習成效。

2.感官刺激更易于誘發學習主動性。原油集輸虛擬交互可視化教學平臺設計模擬真實生產作業情景，使學員沉浸其中感受到各種刺激（如場景、閃動提示、高亮輪廓顯示等），激發學員的好奇心和興趣，進而產生強烈的探究心理，促使其自主探究，誘發學員學習的主動性。采用三維可視動畫技術展現了設備、化工單元過程的內部結構與狀態，形象直觀，使學生的學習積極性大大提高[2]。如學員漫游至截止閥感應區，會跳出提示按鈕（截止閥、文字解析和設備拆解），學生出于好奇心理會主動點擊相應按鈕，進而進入截止閥相關模塊，了解設備原理及拆解安裝過程，熟悉設備相關知識，視覺直觀記憶遠比文字形式深刻，學習成效更為顯著。

3.觸發學員情緒的長效喚醒度。人的大腦運行本能是通過最少的運算獲取最多的知識，一旦遇到復雜、難以理解的知識，就會產生惰性，轉而感到疲憊、焦慮，長期處于學不懂的狀態時甚至會產生厭倦、沮喪等負面情緒。傳統授課中大腦起初處在積極低喚醒度狀態，隨著課程時間的加長和課程難度的加深逐漸走向消極低喚醒度狀態[3]，所以一味地講解和灌輸知識并不能解決學習效率低的問題。而學員處于虛擬交互教學模式環境中，情緒通常是興奮的，大腦處于積極高喚醒度狀態，注意力集中，對于知識內容記憶深刻；同時，知識內容以視覺直觀的方式呈現，易于理解，加之視覺、聽覺感官刺激，調節情緒維持時長，大腦將長期處于喚醒度高的狀態[4]，對于教學內容學習的效率處于較高效率階段。

大量相關研究數據和本教學平臺實驗測試表明：虛擬交互可視化教學形式能夠高效率提高學生學習成績，提升學生能力水平，使學生更快速的適應崗位需求，并且具有以較少的經費和條件實現許多工程無法進行的實訓操作與技能訓練的優勢，能夠實現不同專業崗位場景的再現[5]，其將成為未來專業教育教學創新與改革的趨向。

四、結語

人類已經進入21 世紀，隨著社會的進步和知識更新速度的加快，我國教育現行的課程教學形式必須進行變革，提高專業教育教學成效成為當下知識經濟時代教育教學的核心目標，至此探尋高效的教學形式成為達成核心目標的有效途徑，進而彰顯教學形式的經濟價值效應。

本文借原油集輸工藝流程設備虛擬交互可視化教學平臺，闡釋了一種游戲化、直觀化、臨場感的教學形式，并論證其在專業教育教學中的優勢，突出的教學成效和學習效率，佐證其在專業教育人才能力培養、服務社會價值時效等宏觀層面具有較高的經濟效益。這種利用虛擬現實技術，借用游戲形式承載教學內容，融合網絡渠道，突破時間和地域的限制，可以隨時隨地進行的多元化、游戲化、娛樂性的類似網游的教學形式儼然將成為未來教育教學形式的走向。