虛擬現實技術在建筑設施設備管理實踐教學中的應用

崔玉美　陳斌　張志剛

關鍵詞：虛擬現實技術；實踐教學；建筑設施設備管理

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0110-02

繼1989年虛擬現實（ Virtual Reality，VR）的概念在美國VPL公司誕生之后，掀起了相關研究的熱潮。隨著傳感器技術、計算機技術及仿真技術的飛速發展，虛擬現實技術以其沉浸性、構想性、交互性等特征，讓使用者如同身臨其境一般，可以獲得非常好的體驗效果，在各行各業中得以廣泛應用。

高職實踐性教學是培養學生職業崗位技能的重要手段，但是很多實踐項目由于受場地或者設備的限制無法很好地完成，因此應用虛擬現實技術可以根據需要構建任何實訓場景，不需要購買太多昂貴又占用場地的實訓設備，突破傳統實訓教學在時空、設備、成本和內容等方面的限制[1]，為學生提供一個全新的虛擬空間，讓學生帶上眼罩或頭套、手套等外圍設備，通過視、聽、觸覺等感官，沉浸在虛擬的現實中解決問題，增強了學生課堂的參與度，極大地提高實踐教學的質量。

1 傳統實踐教學局限性

職業教育不同于普通高等教育，更加注重培養學生實踐動手能力和解決現場實際問題的能力。雖然職業院校為了提高學生技術技能與行業企業崗位對接的契合度，在很多專業實訓基地建設上有大量的投入，在不斷地增加或更新實訓設施設備，但是傳統實踐教學環節仍存在著很多的局限性。

1.1 危險實訓場景無法呈現

在實踐教學中，某些實訓操作的場景相對很危險[2]，比如：高壓電工作業、建筑高空測量、登高施工、危險化學品試驗等，如果要求學生到現場真刀真槍地進行實訓操作，學生的人身安全很難得到保證，在“安全第一”的原則下，授課教師不愿意也不會去冒這個險，因此這類的實訓教學往往就不開設了，或者也就只能停留在觀看視頻、動畫、查資料寫報告等形式上，導致教學達不到預期的效果。

1.2 實訓內容難以整體展示

在有些實踐教學中，無法呈現設備或系統整體運行效果，比如：建筑暖通空調系統、給排水系統、人體循環系統等的真實情況，教師只能通過模型講解或者靠學生想象，來抽象地進行理解，嚴重地影響了學生學習興趣和學習效果。

1.3 無法實現經常性的反復訓練

由于受場地、空間、設備等因素的限制，實訓設備數量、工位數往往滿足不了學生的需求。比如，在空調、機泵等設備拆裝實訓、設備故障點排查等實訓的過程中，往往不可能保證每名學生人手一臺設備，人人動手操作，只能進行分組操作或者教師進行演示而學生觀看學習。還有的實訓，在操作過程中會導致設備損耗嚴重、后期更新維護困難等問題，不利于學生反復訓練，甚至無法開展訓練，這都在一定程度上影響了實踐教學的效果。

2 虛擬現實技術及其優越性

虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是一門富有挑戰性的前沿學科和研究領域。它是綜合利用計算機圖形學、傳感器技術、光電成像技術、計算機仿真、人工智能等多種技術，創建的一個逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的計算機仿真系統。學習者可以借助設備沉浸于虛擬環境之中，與虛擬環境中的實體進行交互，產生等同于真實物理環境的體驗、認知和感受。

將虛擬現實技術應用到實踐教學中，讓學習者親身去經歷、去感受、主動去交互，一定會比空洞抽象的說教更具說服力，比被動地灌輸更容易被接受。

因此利用虛擬現實技術具有傳統實踐教學無法比擬的優越性，主要在于以下幾點。

2.1 突破硬件要求限制，規避實訓風險

利用虛擬現實技術，克服了教學場地的局限性，學習者可以打破空間、時間的限制，即可以通過虛擬實訓環境，通過聽覺、視覺、觸覺等逼真的感官體驗，如同身臨其境一般完成各種實驗，并可以放心地去做各種危險的實驗，學生和教師也不用提心吊膽，比如高壓測量、高空作業、某些化學實驗，或者是真實環境下不可能做的實驗，比如體驗歷史事件，或者體驗黑洞，并獲得與真實的工作環境一樣的效果，既保證了學習成效和教學效果，同時也規避了實驗實訓的風險。

2.2 節約成本，反復練習

虛擬現實的沉浸性和交互性，可以使學生在虛擬的環境中扮演一個角色，全身心地投入到學習中去，這非常有利于學生的技能訓練。比如汽車維修、電氣設備拆裝、中央空調的清洗等各種職業技能的訓練，由于虛擬的訓練系統無任何危險，又節約耗材，學生可以反復練習，直至熟練掌握操作技能為止。

2.3 實訓項目豐富，更新便捷

虛擬實訓項目可以通過純仿真模擬、虛實一體化聯動等各種方式開展，根據教學和實訓內容的多樣化增加虛擬實訓硬件及軟件，教學內容也可以根據崗位的需求不斷更新完善，使實踐訓練及時跟上行業企業技術的飛速發展。

2.4 生動逼真的學習環境，有利于理解抽象事物

研究數據表明，人們對親身經歷或者模擬操作的事情可以記住80%以上，虛擬設備將有機會幫助學習者大幅提升學習的效果。在傳統教學中，知識的傳授一般是依靠簡單的文字和圖片等形式來進行，這些用于講授看得見、摸得著的事物是容易被理解和接受的。但是對于一些比如宏觀的或者微觀的現象，歷史的或者將來的事件，就很難解釋得通俗易懂了。相對于傳統教學中知識的扁平性，虛擬現實技術可以打破人類在時間與空間上的認知障礙，為學習者提供生動、逼真的學習環境，如構建人體系統、外太空旅行、分子結構等，將知識信息呈現得更為直觀、立體、豐富，可以在廣泛的科學領域中為學習者提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固他們學習知識的過程，有效幫助其加深學習印象，深刻理解抽象事物。

2.5 提高學生參與度，激發學生的學習興趣虛

擬現實技術為情景學習帶來了前所未有的技術方面的支持，解決了傳統教學脫離真實場景的問題，通過設置與真實情境類似的場景，挑戰傳統教學場地所帶來的局限性，學生不出教室就可以進入逼真的教學情境，通過交互認識世界，使沉浸式教學課堂變得更加生動有趣，獲取成就感、愉悅感，更重要的是這種學習體驗會激發學生的創造力和想象力，從而調動學生主動學習，激發學生學習的內生動力，增加學習體驗與參與度。

3 基于虛擬現實技術的《建筑設施設備管理》課程實踐教學

《建筑設施設備管理》是一門理論性與實踐性都很強的專業核心課程，對于職業教育的學生來說有一定的難度，又比較枯燥。虛擬現實技術在課程實踐教學環節中的應用暫不能完全取代傳統教學，但通過沉浸式的體驗與企業實景參觀相結合，勢必可以改革和優化教學形態和教學內容，突破原有教學瓶頸[3]，有效地輔助和改善教學，提升課程應用技能的學習效果，激發學生學習興趣，更好地適應和服務新時代的需要。

3.1 構建虛擬實訓室

通過虛擬現實技術構建多維度仿真實訓室，創建一個逼真的虛擬環境，通過對建筑內部的暖通空調系統、給排水系統、消防系統等運行過程的真實模擬，向學生展示整個系統的結構、邏輯關系、運行維護等情況，甚至可以模擬運行故障，讓學生去發現并學會解決問題，反復地觀察、操作，進行學習和探索，能夠輔助教師課堂教學，極大地提高學生的學習效率。

我院上海市智慧城市與物業管理公共實訓基地的虛擬仿真實訓室可以完成以下功能，同時該仿真系統也在根據企業崗位的需求不斷地更新過程中。

1） 虛擬漫游巡檢：構建了基于建筑真實場景的虛擬仿真空間，學習者只需要戴上專用的VR眼鏡，就可以以第一人稱視角體驗建筑設施設備整體結構環境，在虛擬空間里漫游觀看，了解各個系統運行情況，漫游巡檢，酷似游戲一樣給人一種真實的感受，實現了可視化運維。

2） 設備虛擬拆裝、維保：設備內部結構構成透視化，可以逐層可視化拆解和裝配，讓學生能夠很方便地根據設備構成原理圖、材料清單了解設備，在拆解和裝配的過程中，還可以點選相關部件顯示歷次維修記錄、顯示維保信息等，學生可以反復多次地進行感知度極高且具有安全性保障的模擬操作訓練。

3） 可視化設備管理臺賬[4]：在虛擬場景的導航面板上，系統會全局顯示在建筑場景內，根據規范要求需要保養維護的設備列表，在虛擬場景漫游過程中，系統會提示附近的設備是否需要進行維護保養。

4） 智能檢索技術規范：虛擬場景支持智能式檢索相關技術手冊，通過逐層拆卸實現維護設備零部件與相關管理知識相對應，可以隨時查詢相應的維護操作規范，方便學習者對設備維護維修的問題進行學習研究和掌握。

5） 學習考核：系統可以根據需要在學生終端進行安裝，其中設置了各種實訓項目練習題目，讓學生在“通關游戲”中，完成知識的學習，幫助學生在“觀”“巡”“悟”的過程中掌握設施設備的使用、監控、維護的基本知識，將理論知識與實踐有機地結合在一起，有效地提升教學質量。

3.2 豐富課程教學資源建設，改進教學模式

虛擬仿真實訓的應用，可以促進授課教師認識并應用新興技術，更新教學理念，不斷改進教學方法和手段。借助虛擬現實仿真實訓平臺，通過設置一些交互式虛擬工作場景、設備維護保養場景、視頻介紹等，充分展示設備組成、系統構造、工作流程等內容，進行有效的教學資源開發制作，可以在很大程度上解決教學設備不全或者短缺的問題。與企業共同開發基于企業實際案例的教學實訓項目，不斷優化典型實訓項目，依托MOOC、智慧職教、學銀在線等信息交互技術平臺，共享優質的教學資源，使企業內訓資源與學校教學資源緊密結合，構建翻轉課堂、線上線下相結合的個性化教學模式，多平臺、多媒介、多渠道地加強學習交流和討論互動，學習者跨越了時間和空間界限，以豐富多樣化的教學理念和教學方式，將專業崗位知識融會貫通，虛實結合提升實踐教學效果，探索符合人才培養規律的信息化教學新體系[5]。

3.3 德技并修，全過程育人

課程是載體，教師是教學任務的承擔者，不僅是授業解惑，更重要的是要懂得如何育人。習近平在全國高校思想政治工作會議上指出，“要運用新媒體新技術使工作活起來，推動思想政治工作傳統優勢同信息技術高度融合，增強時代感和吸引力”。利用虛擬仿真平臺融入課程思政元素，可以在平臺中設置可愛的虛擬人物形象，以風趣幽默的語言與進行溝通交流，拉近課程與學生的距離，培養學生的愛國主義精神和高尚的職業道德，傳播弘揚中華優秀傳統文化和工匠精神，引導學生樹立正確的價值觀，實現學校課程思政影響力，從線下到的線上有效延伸。

4 結束語

基于虛擬現實技術構建的仿真實訓平臺，在更大程度上滿足了學生對專業課程實踐學習的需求，為建筑設施設備管理課程教學帶來了全新的體驗，為教師教學提供可重復、學生學習可反復、師生可充分互動的實訓情景，有助于提高學習熱情，激發創新意識，實現人才培養手段的現代化與高效化。雖然虛擬現實技術融入教育教學中，對課堂教學和學習模式都是大有裨益，但值得注意的是，技術在某些方面還是需要進一步完善和優化的，比如畫面的分辨率和清晰度有待提高，眼鏡等終端可穿戴設備戴久了就產生眩暈等不良反應，都會影響學習者的使用體驗。因此，教師應該把握合適的教學方式方法，將新的技術和設備適度合理使用，以期達到最佳學習效果。