虛擬現實教學資源開發建設研究

穆會群

（新疆石河子職業技術學院機械電氣工程分院 新疆石河子 832000）

1 研究背景

“中國制造2025”提出了我國邁向制造強國的發展戰略，應對新一輪科技革命和產業變革，立足我國轉變經濟發展方式的實際需要，圍繞創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展、人才為本等關鍵環節，以及先進制造、高端裝備等重點領域，提出了加快制造業轉型升級、提質增效的重大戰略任務和重大政策舉措。在新的形勢下，作為向社會推送高素質技術技能型創新人才主要窗口的職業院校，教學模式的變革及教學資源與內容的升級顯得至關重要。

政府工作報告中提出了“大眾創業，萬眾創新”的號召。“工業革命，教育先行［1］。”學校作為人才培養的重要載體，自然應站在創新、創業時代發展的風口浪尖上，提前布局，做好創新、創業人才培養的準備。當然，在當前新形勢下，要快速推動創新創業專業人才的培養，單純依靠學校的力量和國家為數不多的職業教育經費，已經顯得較為薄弱。因此，必須采取校企聯合、合作共建的模式，將企業的成熟應用經驗、研發經驗與學校教學模式相結合，共同推進新形勢下的創新、創業教育與人才培養。但目前市場行情和傳統教育仍舊存在以下問題。

（1）教學資源陳舊，更新緩慢，教學模式單一。目前，職業院校教學資源庫建設學科不全面、內容重復、形式單一、欠科學性，職業院校的教師普遍缺乏開發包括網絡課程、虛擬仿真實訓單元、生產流程模擬軟件的能力。由此導致的結果是資源庫內容陳舊、形式呆板、更新緩慢，無法適應技術技能型人才培養的需要，有效利用率不高。教學模式單一，創新不足，學生參與教學內容的積極性差。

（2）創業教育重理論輕實踐傾向性明顯，缺乏配套的創業支持體系。對于初入社會的學生來說，創業無疑存在著較大的風險，因為他們大多時間都在學校，不僅沒有創業資金的支持，也沒有在社會中獲取的實踐經驗。現在，部分學校已經制定了自主創業政策，學校會在學生創業過程中給予創業人員部分創業資金，但僅有這些顯然是不夠的，行之有效的產教結合形式的創業支持體系必不可少。

（3）市場需求旺，應用行業廣，內容制作困難，技術門檻高，開發周期長。目前，市場上各大主流高新企業都在拓展VR內容模塊，包括新浪、騰訊、樂視等，全球知名社交門戶網站Facebook 投資2.5 億美金重金扶持VR 內容開發者，但由于虛擬現實內容開發門檻比較高、專業性很強，各類院校開發虛擬仿真軟件投入教育使用或者開展虛擬仿真實訓中心會存在比較多的問題，如資金不夠、人員技術能力不夠等。為了解決以上問題，課題組提出，能不能讓院校教師輕松掌握虛擬仿真開發技術，在零編程基礎前提下使用虛擬現實開發平臺，完成VR項目的自主開發，把院校以前“一次性購買的工程”（購買成品軟件）變成“可自我造血自我供給”（自主開發、自主銷售）的循環性工程。這便是課題組研究的目標：虛擬現實教學資源開發中心建設。

2 研究價值及重要性

對比國內十大重點虛擬現實研究機構的產品，可以看出，各公司開發的教學資源不能給用戶帶來二次開發，對于各院校不同的實訓設備，開發的教學資源沒有通用性；開發人員必須是軟件工程人員，大眾人員很難用編程語言實現教學資源的二次改造；開發的教學資源是在一定的運行環境中運行，需要大量的編譯工作和編譯時間；各公司的產品一旦到達用戶手中，用戶就成了教學資源開發公司的“奴隸”，不能自主維護軟件的運行；用戶還需投入大量的成本購買所需要的每一款虛擬教學資源。這些問題的存在，給虛擬實訓教學資源的應用帶來了極大的障礙。

虛擬現實仿真教學資源研究的是一款針對虛擬現實教學資源開發的應用平臺，其不僅大幅降低了程序編譯難度，而且還可快速提高軟件開發效率，并且實現終端用戶無須程序編譯直接修改軟件等功能，讓全行業任何人都能夠輕松、快速、低成本地開發自己的虛擬現實教學資源，真正地打開了虛擬現實教學資源人人開發的新局面。虛擬實驗可以比被動教學法（如講座、課文、視頻等）更有效，但相對于動手實操表現出同等或更大的有效性。虛擬實驗室與傳統方法結合使用時，表現出更好的效果。在虛擬化學實驗室中使用的教學設計要素，例如，基于探究的學習、情態、教學支架等可以作為一種有效的輔助工具或溫和的替代真實的動手實驗，但未來的研究應更多地強調使用沉浸式VR技術，研究基于技能的學習結果，并考慮虛擬仿真的教學設計［2］。

虛擬現實教學資源研究的平臺作為目前全球已知的不用“編程”的虛擬現實教學資源開發平臺，不僅在教育領域有著廣闊的應用前景，也將在化工、機械、電子電工、食品加工、智能制造、工業機器人、土木建筑、電力、航空、物流、汽車等眾多領域開發應用。虛擬現實教學資源開發會讓中小企業和職業院校快速組建自己的虛擬現實研發中心和研發隊伍成為了可能。虛擬現實技術具有“沉浸感”“交互性”“想象性”的特點，它利用計算機技術生成逼真的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互，從而產生親臨真實環境的感受和體驗，模糊現實與虛擬的邊界。盡管虛擬現實技術在生活各方面得到了廣泛實踐，但在教育領域的應用仍是淺嘗輒止。事實上，虛擬現實技術與學習的聯結絕不僅僅停留在技術體驗上，它將對學習產生本質性的影響。虛擬現實技術可以通過創建虛擬現實學習空間，豐富知識呈現方式，革新教育教學方法，打破客觀環境束縛，通過它還原真實學習情境［3］。

因此，虛擬現實教學資源開發中心的建設將解決大眾化虛擬實訓教學資源開發的目標，使得虛擬實訓教學資源的開發達到：零門檻、極速開發、開放性、易維護、輕松讀懂、輕松協同。虛擬車間模塊開拓了學生的思維，輔助學習模塊提前讓學生感受工廠的氛圍，為學生今后步入社會工作做好銜接［4］。

3 研究目標

基于產教結合模式，院校、企業、運營公司共建新型虛擬現實教學資源研發中心，服務教學資源轉型升級，助力創業教育實踐及創業項目落地。

3.1 平臺研制

依托國內十大重點虛擬現實研究機構之一的浙江大學的科研和技術力量，研制虛擬現實教學資源開發平臺。平臺方負責虛擬現實軟件平臺開發，為教學資源研發中心提供基于大眾使用的Excel 表式虛擬仿真軟件開發平臺，并提供日常使用的技術支持。

3.2 自主研發

依托教學聯合研發中心，以產教結合、校企合作為基礎，實現教學資源的自我開發和升級，打造適合院校自身教學特色并緊跟時代發展步伐的新型開發模式。

3.3 對外業務

虛擬仿真實驗教學示范中心的建設可與合作企業簽訂虛擬實驗教學資源共享協議，虛擬仿真實驗教學資源可支持生物技術高新企業新員工培訓課程，為員工技能培訓和應急處理實訓提供可行性服務。反之，通過員工使用和反饋意見，也可進一步完善和改進虛擬仿真實驗教學資源開發，實現資源的可持續發展。通過與相關企業合作，架起校企聯合、產學研結合的橋梁，構建教學、研發相結合的人才培養創新模式，為國家培養高質量的生物技術相關領域的復合應用型專門人才［5］。以教學資源研發中心為基地，承接社會化培訓、創客空間，咨詢、服務外包等對外業務，在吸引橫向資金的同時，還可助力貧困獎學金和院校專業建設及教師科研經費的支持等，擺脫虛擬產品的一次性建設、完全依靠財政資金的困局，實現自身的不斷發展，在承接的實際開發項目中，鍛煉師資隊伍、鍛煉學生的創新創業意識，增加院校方的科研能力和實力，并將教學研發實訓成果轉化落地。

3.4 師資隊伍

依托國際先進的虛擬現實教學資源開發平臺，以項目化實訓為內容，打造新型職業教育教學模式下的師資隊伍。培養教師自主開發教學資源的能力，培養教師在產教結合模式下開發新型教學資源及創新和創業教育能力的水平，同時，可提升學校知名度和開拓教師的教學思路，調動教師參與產教結合的積極性和主動性。依托于學校的網絡學院，開展線上理論教學，講解虛擬現實技術的原理、各項功能、操作要點，并通過案例討論、實踐操作等活動，說明其在實訓教學中的應用方式［6］。

3.5 學分置換

在專業教學中，開設《虛擬仿真軟件快速開發》等選修課程，學生可通過在教學資源開發中心承擔和完成的開發項目，拿到一定的學分。通過課程學分置換的形式，將學校自身教學資源的開發委托教學資源開發中心的學生和教師完成，實現以實際項目案例鍛煉學生的創新創業能力及科研開發能力，也可以滿足學校自身虛擬教學資源的不斷更新升級。

3.6 合作機制

虛擬現實仿真教學資源研究采取“三位一體”合作共建模式，即院校、平臺、企業“三位一體”合作開發［7］。院校方提供課題研究所需的硬件和場地保障；平臺方實施虛擬現實教學資源開發平臺（引擎）的研制，目標是大眾化的Excel表式虛擬仿真軟件開發平臺；企業方及北京博努力仿真有限公司提供實證條件及借自身的市場渠道推廣研究成果。由此，“三位一體”合作共建模式最大限度地保障了虛擬現實教學資源開發中心能夠在院校、技術和市場結合的條件下發揮最大的教學資源開發優勢。

4 研究內容、思路與方法

虛擬現實仿真教學資源研究依托仿真教學軟件，開發平臺，建成虛擬現實教學資源開發中心，平臺調試、實證，以此通過院校及企業之間的合作進行技術推廣，形成“三位一體”的合作共建模式，即院校、平臺、企業“三位一體”合作開發。學校提供研究所需的硬件和場地保障；軟件公司實施虛擬現實教學資源開發平臺的研制，目標是大眾化的Excel表式虛擬仿真軟件開發平臺；院校所在的企業或實體公司提供實證條件，并借助職業技能大賽進行市場渠道推廣研究成果。由此，“三位一體”合作共建模式最大限度地保障了虛擬現實教學資源開發中心能夠在院校、技術和市場結合的條件下發揮最大的教學資源開發優勢。

5 研究重點、難點及創新之處

虛擬現實仿真教學資源研究的重點是虛擬現實教學資源平臺的開發及建成虛擬現實教學資源開發中心；難點是研究團隊合作研制和調試出大眾化的Excel表式虛擬仿真軟件開發平臺。對比國內十大重點虛擬現實研究機構的研究成果，研究擬解決的關鍵問題是大眾化的Excel表式虛擬仿真軟件開發平臺，此平臺是處于國內領先水平。

虛擬現實教學資源研究開發技術大幅降低了開發門檻，可讓職業院校的師生輕松地進入教學資源的研發領域，開啟了各行各業人人都能開發虛擬現實軟件的局面。

打破傳統代碼級軟件開發模式，實現了使用Excel表編輯進行軟件開發的可視化編譯新模式，讓虛擬現實教學資源開發像Office 文檔編輯一樣成為一種日常的技能和工具，讓每一個使用者都能成為開發者，徹底釋放市場空間。

6 研究的實踐及推廣價值

虛擬現實教學資源研究開發的成果將帶來職業院校教學資源的變革，也將引領職業教育發展的新模式，也會帶來社會效益和經濟效益。

6.1 社會效益

6.1.1 技術創新及其示范效應

虛擬現實教學資源研究開發實現從理論、技術到應用的全面創新，研究開發的教學資源將豐富和發展教學資源的進化理論，為未來教學資源的開發指明方向。一段時間以來，本課題已經實現的技術創新有兩類：一是虛擬樣機技術，如基于有限狀態機（330MW、660MW、垃圾焚發電）的功能調度模型和運行維護序列模型、虛擬仿真技術等；二是交互體驗技術，其目標是使用戶有更便捷、愉快的操作感受，如項目操作導引、隱匿式菜單、按鍵瞬時放大、畫中畫同步操作與觀察等。隨著課題的研究深入，還將在其他方面（如崗位角色扮演等）取得更多的創新成果。課題研究完成后，預期達到國內先進水平，力爭整體或部分核心技術達到國際先進水平。作為教學資源的換代產品，課題成果以其超前的開發理念、創新的核心技術、卓越的應用效果引領職業教育產教資源的開發方向，不僅為熱能動力工程類專業，也為其他專業教學資源的升級換代起到了很好的示范效應。

6.1.2 開創職業教育技術發展新局面

（1）有效地解決了長期困擾教學資源發展的兩個難題：一是趣味性。以逼真的虛擬工作場景和崗位角色，賦予教學資源無可比擬的趣味性、沉浸感和真實感，使學生“學得進”。虛擬現實技術作為一種將交互性、構思性、沉浸性融為一體的技術集成，可以生成一種模擬環境，通過增加VR 虛擬教學情景，讓學生沉浸在虛擬情景中，有效解決以往教學出現的可視性不強、空間感不夠等問題，并在虛擬情景中提高學生自主探索學習能力，并為培養應用型創新型人才奠定一定的基礎。二是一體化。即全生產過程一體化，教、練、考等多種教學功能一體化，各類資源形式一體化，知識學習、技能訓練、素質養成一體化，使教師“教得好”。在這個變化的時代下，解決問題辦法指向虛擬現實技術，這是一種將構想性、交互性與沉浸性融為一體的科學技術，可以生成一種教學模擬環境，學習者可利用各類傳感設備進入虛擬的課程教學環境中，實現學習者與模擬教學環境的主動交互［8］。

（2）憑借領先和獨特的虛擬仿真開發技術，以崗位角色扮演的方式，模擬真實企業的全生產過程，使院校項目從傳統單一的“購買”進化為以“自主研發、自主生產”為中心的“自我升級造血”，徹底激發院校師生“大眾創業，萬眾創新”的激情，助推職業教育走向“授之以魚到授之以漁”自我升華的境界。系統資源動態配置和資源交互的研究，針對無編程經驗的教學人員，需要對系統教學資源和行業標準進行不定期的更新，研究一種高效、易操作和無需編程的資源配置方法，考慮移動終端和PC終端的不同的資源呈現方式，研究不同終端的文本、模型、圖像和視頻等教學資源的動態配置方式和源交互方式［9］。

6.2 經濟效益

6.2.1 直接經濟效益

虛擬現實教學資源研究與開發實行滾動開發模式，即邊開發，邊實證，邊推廣。研究中，可通過職業院校學生“1+X”取證及電力行業運行維護仿真技能比賽［10］，在教育行業、制造企業、機械加工業等行業產生直接收益。教學的認知方法通過學習的主體和客體之間的相互作用而產生學習。創建這種交互的策略之一與虛擬和增強現實在教學過程中的應用有關。在工程課程的教學過程中，使用虛擬現實（VR）對學生學習和學生滿意度產生了積極影響，使用虛擬現實的學生學到了更多的知識，學生對新方法的滿意度高于傳統的教學方法。

6.2.2 間接經濟效益

通過職業院校的推廣應用，可彌補實物實訓裝備在實訓中的缺陷，形成“虛實結合”的實訓新模式，大幅度降低實訓成本和風險，提升規模、效率、效果，可為院校節省大量實訓開支，創造良好的間接經濟效益。

7 結語

在國家大力提倡職業院校產教融合、高等教育“三教”改革的同時，虛擬現實教學資源的開發與研究已經迫在眉睫，相信通過不斷的努力與嘗試，一定能找到符合本地區經濟發展與企業用人需要的切實可行的教學模式。