基于3D虛擬仿真數字化實操教學理論研究

李珍珍 劉 卯 宋 靜

貴州交通技師學院 貴州貴陽 550000

一、數字化實操教學的理論研究意義

現代社會的發展使得各行各業加快了走向數字化、信息化和智能化的步伐，教育行業亦是如此。騰訊課堂等網絡課堂平臺如雨后春筍般涌現，提供了豐富多彩的線上教學方式。線上遠程網絡教學從以往的輔助教學手段一躍成為一種被賦予替代常規課堂教學使命的教育界新寵兒。目前流行的網絡課程主要是針對文化課以及專業課中理論知識方面的講解，對于專業課中的實操部分卻很難發揮作用。

伴隨著各行各業日新月異的發展，學校為了培養滿足行業、企業需求的高素質技能人才，就必須及時更新過時的老舊實訓設備，淘汰已經被行業邊緣化的實訓器材，引進與產業同步的較新的教學資源，但是這樣必然會造成不少的損失和浪費，有悖于國家提倡的“推進綠色發展、循環發展、低碳發展”的綠色經濟國策。

由于近年來國家對職業教育的發展愈加重視，使得職業院校在最近幾年紛紛快速擴招，導致有些學校的教學資源與其招生數量不能匹配。比如，實訓場地不夠，實訓設備不足等問題紛至沓來，這必然會影響職業院校整體的教學質量。

為了解決職業院校開展實操課程遇到的種種問題，本文提出了數字化實操教學的概念，即基于WebGL、Unity3D等技術開發線上3D虛擬仿真數字化實操教學平臺來開展教學工作。數字化實操教學平臺有以下優點：

(1)數字化實操教學彌補普通網絡教學在實操課程方面的不足；

(2)數字化實操教學不受限于實際場地，不消耗實際設備器材；

(3)數字化實操教學使學校擴招實訓資源不足的問題迎刃而解；

(4)數字化實操教學為學生提供隨時進行實操訓練的機會和平臺，加強學生專業技能的熟練度。

本文將從學校教學戰略的角度出發，對數字化實操教學的方法進行研究與探討。

二、數字化實操教學平臺介紹

數字化實操教學平臺的開發應遵循由職業學校制訂的策劃方案。由專業技術公司來做具體的平臺搭建工作，其中包括硬件方面的硬件供應和租用，軟件方面的實訓設備和工具建模、實訓3D引擎編寫等諸多子項目。

為了滿足實訓課程標準和教學效果，職業學校制訂的策劃方案中的平臺框架可以包括以下幾個組成部分：通知模塊、仿真模塊、論壇模塊、虛擬教室模塊、考核模塊。學生可以根據學習的需要，選擇相應模塊進行練習或考核；教師可以根據教學的需要，選擇相應模塊展開教學或與學生互動。

“通知模塊”允許教師發布任務通知，并可以將通知推送給相應的學生群體；學生在收到通知提醒后，可以查看教師發布的具體學習任務。

“仿真模塊”實現了實訓的線上仿真模擬操作。該模塊基于3D游戲引擎來進行構建，采用了實時環境光計算和動作捕捉等技術，并對實訓的操作對象進行精確的圖形建模。學生在使用該模塊時，可以選擇以第一人稱視角運鏡，從而帶來沉浸式的交互體驗；教師在使用該模塊時，可以觀察到所有學生的具體操作。

“論壇模塊”以類似傳統線上論壇的形式出現，學生和教師可以在其上互動，發表主題和跟帖，互相進行文字留言或語音留言。

“虛擬教室模塊”參考成熟的同類在線應用，如騰訊課堂、網易云課堂等，在提供語音互動功能的基礎上，還能提供視頻錄播功能，方便教師播放以往錄制好的示范視頻演示實訓操作，以及屏幕分享功能。

“考核模塊”基于仿真模塊，添加了可以對學生進行的3D仿真操作進行考核的功能，另外還附帶了可以適時彈出的客觀題答題表單。該模塊可以對學生的客觀題答案和仿真操作過程進行實時反饋，統計和分析數據。

數字化實操教學平臺所有模塊中最為核心的是仿真模塊。本文以汽車實訓課程為例，對仿真模塊進行具體的討論。

仿真模塊的框架見圖1中數字化實操教學平臺思維導圖。

圖1 數字化實操教學平臺思維導圖

按照專業的課程設置可以將仿真模塊拆分為發動機、底盤、電氣、車身、整車五個子模塊，每個子模塊根據教學大綱和課程標準需要安排多個實訓教學任務，圖中僅以發動機子模塊為例，其他不做展開，各學校可以依據自己的專業特色進行定制。

仿真模塊的開發需要將所有相關設備、工具、場地、人物肢體進行3D建模，并且對3D虛擬仿真實操場景進行實時渲染。高質量渲染得到的優質畫面也能提高學生的學習興趣。針對特定的實訓任務，3D場景中可以隱藏車輛上不相關的零部件，這在提高系統運行速度的同時也能使學生專注于當前的實訓內容。實訓過程中汽車整車及各系統零部件的拆解、檢測、維護、組裝等過程需要按順序呈現，并輔以3D動畫，而學生則以代入感極強的第一人稱視角運鏡參與到3D場景中來實施虛擬操作。

三、數字化實操教學實施方法

數字化實操教學將傳統線下實操教學轉移到數字化實操教學平臺，突破實際實訓場地和實訓設備器材的限制，同時采用類似“翻轉課堂式”的教學模式來實施，該教學模式可以具體分為線上訓練、線上答疑、線上示范、線上考核四個部分；該教學模式貫穿了課前、課中、課后三個階段。工作任務實操教學過程對該教學模式的體現如圖2所示。

圖2

(一)線上訓練

線上訓練安排在課前完成，主要培養學生獨立思考，將理論知識融入實踐的能力。我們以“汽車發動機構造與維修”課程中的活塞連桿機構為例。任課教師需要在實操課前，在平臺的后臺設置實訓任務，并將任務通知推送給學生。實訓任務舉例：

一輛桑塔納2000型轎車行駛一段時間以后，感到動力不足、機油消耗過快，需檢修活塞連桿組，請選擇正確的工具對發動機進行拆解，檢測活塞連桿機構相關零部件，并對該機構進行維護和發動機恢復。

學生在接收到通知后，就應該進入平臺的仿真模塊，根據任務要求在課前獨自完成該項目的模擬仿真訓練。訓練完成后，平臺會對該模擬操作過程中的錯誤步驟進行重點提示，并顯示完成耗時。

平臺在所有學生完成任務后，會統計出頻率最高的易錯知識點，任課教師可以在平臺的后臺實時觀察和分析數據。

(二)線上答疑

線上答疑是學生在平臺的論壇模塊提出自己在實訓過程中所遇到的問題。

在課前階段，主要是讓學生自己交流互動，即其他學生可以在問題下留言嘗試討論和解答，這樣可以加深學生對知識的掌握，并能提高表達能力。

在課中階段，任課教師需要首先查看論壇模塊中相關的問題列表。針對每一個提問，如果已有其他學生互動參與到答疑中來，便由任課教師判斷是否還需要補充回答；如果學生的答案已經完善，可以由任課教師標記為參考答案給予認可，以提高學生的成就感，激發學習積極性；如果問題一直沒有被回答或類似問題出現的頻次很高，便由任課教師在課中的虛擬課堂來進行詳細的解答。

(三)線上示范

線上示范需要利用平臺的虛擬教室模塊，尤其是依賴其視頻錄播功能和屏幕分享功能。

任課教師和相關的學生在課中都參與到同一個虛擬教室中來，教師可以根據學生的訓練統計數據進行有針對性的兩類線上示范：

(1)如果訓練的完成情況良好，任課教師可以選擇播放錄制好的示范視頻給所有學生觀看學習，并從旁提示點撥，主要是讓學生自行找出自己訓練的不足之處；

(2)如果訓練的完成情況不理想，任課教師應通過虛擬教室中的屏幕分享功能，親自在平臺的仿真模塊中示范實操訓練的具體步驟，讓學生通過觀摩來加深認識和規范操作。

(四)線上考核

線上考核的目的是替代線下過程性考核，需要用到平臺的考核模塊。

線上考核內容的制定是由任課教師在平臺的后臺，根據課程大綱的要求，將理論知識與實操技能相結合，并關聯各章節內容，合理地進行編排。比如，設置要求學生完成一些特定的模擬實訓任務，而且在每個任務中又需要學生去完成一些相關的理論客觀題。

學生在參與考核的時候，不僅需要按照要求完成仿真實訓操作，還需要在關鍵的操作點回答彈出的客觀題表單。

線上考核由平臺自動給出操作分數和理論分數，教師應該根據系統統計學生考核數據進行教學反思，并且完善教學方案。

四、虛實結合實操教學模式探索

經過前文的討論，我們可以看出線上數字化實操平臺有很多優點，但是它是一個理想的有明顯邊界的數據集合，對復雜多變的、充滿細節的現實的模擬是有限的。就如同現代社會的科技發展還不能實現用機器完全取代一線的操作人員一樣，目前線上數字化實操并不能完全取代傳統的線下實操練習。

線上的虛擬仿真能夠使學生快速掌握理想的實操步驟，熟悉被操作對象的結構和原理，增強對理論知識的掌握，但缺少了對協調肢體來使用工具的實際體驗，從而不能掌握真實物理操作的力道，亦不能感知物理操作時獲得的反饋，而這一點，在實際技術工作中又是不可缺失且尤為重要的。

明朝著名思想家王陽明提出來的“知行合一”，便是闡述認識事物的道理與實行其事是密不可分的哲學思想。線上數字化實操其實包含了“知”的大部分和“行”的小部分，因此可以被稱為大知小行；而線下實操練習就是能互補線上數字化實操的“行”的大部分和“知”的小部分，也就可以被稱為大行小知。王陽明說“知是行之始，行是知之成”，所以只有將兩者有機地結合起來才能“大成”。

對于初學者來說，在進行線上數字化實操學習后，還需要適當補充一些線下實操訓練來提供自己的專業技能，最終達到以下的幾個目的：

(1)進一步鞏固對理論知識的掌握；

(2)練習對不同工具的使用，如使用力度、操作空間和手握姿勢；

(3)感知被操作對象的物理屬性，如光澤、粗糙度、材質、重量等；

(4)了解各種零件的失效模式以及訓練對突發異常情況的應對，如密封介質泄漏、零部件松動脫落、操作不當或嚴重磨損導致的結構斷裂損壞等情況；

(5)理解操作注意事項和安全條例；

(6)參與到團隊協作中，鍛煉團隊合作能力，加強和團隊成員的交流，體會團隊合作的重要性。

結語

隨著教育行業的發展，數字化實操教學是一個越來越明顯的發展趨勢。該教學方式不僅可以增強學生的學習興趣，監督學生完成實操，使學生有更多機會參與到實操練習中來，還能減少教育成本，避免資源浪費。

通過本文對數字化實操教學平臺的介紹，可以看出就目前階段，數字化實操還不能完全替代傳統的實操教學。職業院校必須將兩者有機結合才能獲得優秀的實操教學教學效果。但隨著VR技術與人工智能技術的快速發展，這個差距在可預見的未來會越來越小，這種新型的教學方式也將會越來越受到歡迎。