基于VR技術的高職院校數字化教學資源開發與應用

［摘 要］ VR技術應用于職業教育教學中，可以解決實訓教學中內部結構看不到、故障現場進不去、設備成本高、操作危險大等特殊問題，不受時空的限制，在教學資源開發中具有廣闊的應用前景。通過對當前“VR+職業教育”的背景分析，闡述了基于VR技術的教學資源開發思路與步驟，指出了VR教學資源具有的理論價值、實用價值和推廣價值。通過VR教學資源的實際應用，對比分析與傳統教學資源之間的優劣。

［關 鍵 詞］ 虛擬現實；數字化；教學資源；開發；應用

［中圖分類號］ G717 ［文獻標志碼］ A ［文章編號］ 2096-0603（2024）25-0097-04

虛擬現實基于可計算信息的沉浸性交互環境，采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，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作用、相互影響，從而產生“沉浸”于等同真實環境的感受和體驗。職業教育的教學過程中普遍存在“三高、三難”問題，即高投入、高難度、高風險，難實施、難觀摩、難再現。為了解決此類問題，將VR技術創新應用在教學中，取得了良好的效果。

4f6ae56e84773c339fbb59d8aaef7b7e8905725bb5fc242bfb0e0244d262dcb4 一、開發背景與應用意義

（一）開發背景

2020年10月，首個國家職業教育虛擬仿真示范實訓基地在江西正式開啟，助力推動了虛擬仿真技術應用在職業教育中的前進腳步。《虛擬現實產業發展白皮書5.0》中指出，“教育文化也是虛擬現實技術的一個重要應用領域，通過財政資金促進虛擬現實技術產業化，支持面向工業、文化教育等重點行業的虛擬現實技術應用。”《中華人民共和國職業教育法》指出，支持運用信息技術和其他現代化教學方式，開發職業教育網絡課程等學習資源，創新教學方式，推動職業教育信息化建設與融合應用。杜占元同志在教育信息化試點工作座談會上指出，網絡空間可以利用碎片時間，促進教與學、教與教、學與學的全面互補。

因此，在教學資源開發和建設過程中應有效融入育人元素，引導學生養成“真善美”的個人情操，提高綜合素養。同時，結合企業用工需求，融合職工素質、崗位責任、企業文化等現場元素，營造實際生產過程的氛圍。以鐵道信號自動控制專業核心課程為依托，以課程育人為出發點，緊密關注并充分考慮學生的碎片時間，與企業現場技術人員密切合作，借助資深網絡課程開發與建設平臺，完成育人型“碎片化”優質教學資源的建設，有效落實立德樹人根本任務。

（二）應用意義

1.踐行“三全育人”理念，落實課程育人職責

堅持以立德樹人為根本任務，牢記“為黨育人、為國育才”的初心使命，踐行“三全育人”的教育理念，發揮專業核心課程的內在優勢，落實課程育人職責。大力推進“發展素質教育”，培養堪當民族復興大任的時代新人。開發并建設適用于學校學生學習及企業職工培訓的優質教學資源，可以實現優在“育人型”的教育理念上。

2.加強碎片時間管理，促進專業技能提升

積極響應“全民終身學習”的偉大號召，共同建設學習型社會，提高對碎片時間的管理能力和利用效率，注重理論知識的精準學習和專業技能的有效提升，開發“微”資源，打造“微”課堂，可以實現優在“碎片化”的呈現方式上。

3.融合教育信息技術，實現優質資源建設

充分利用網絡化、信息化、數字化技術快速發展帶來的科技紅利，結合職業教育教學現狀，基于最新的智能化技術實現精細化資源配置，采用“線上+線下”混合式教學模式，開發并建設數字化資源，可以實現優在“網絡化”的學習形式上。

二、價值與創新

（一）價值

VR教學資源可以提高學生的學習積極性，不受時間和空間限制開展學習，在虛擬的實訓場景中直接獲取相關技能，有利于學習效率的提升。也可以用于其他院校的教學以及現場職工的培訓，具有一定的推廣應用價值。

1.理論價值

VR教學資源可以促進課程教學的數字化轉型，適應當前教育信息化發展的新形勢。結合網絡技術、計算機技術在教學領域的深度融合應用，實現網絡化教學資源的建設，在課程層面率先完成數字化轉型，為建設以數字化為支撐的高質量教育生態貢獻專業核心課的力量。借助互聯網實時記錄、大數據分析生成學生個性化成長記錄，真正實現因材施教。

2.實用價值

VR教學資源可以應用在專業核心課程的實際教學中，對學生學習具有一定的指導意義。完成傳統課堂中文字描述內容的信息化設計，以虛擬場景的方式呈現出來，有助于學生在短時間內獲取理論知識和操作技能，實現知識學習精準化、復習鞏固高效化。

可以有效解決以下三個方面職業教育實訓教學瓶頸，實用價值高：教室講臺展示、實訓教學演示成本昂貴，或示范過程中存在一定安全隱患的教學內容，學生理解不充分，傳統實踐教學效率低；實訓設備不足，做不到人手一機獨立操作實訓，多人分組進行時，一人操作多人觀看，每人真正實操時間少，達不到預期理想的實踐教學成果；實訓造成大量工件耗材、器件損耗、能源消耗以及各種生產操作安全隱患，實訓成本巨大。

（二）創新

1.變革和創新教與學方式

師生在學習過程中的主從地位發生了變化，從傳統教學中以教師為中心的“教師講授，學生被動聽”，變成了以學生為主導的“教師引導，學生主動學”。基于虛擬現實技術的、以學生為中心的教學可以全面促進學生綜合職業能力的提升。

2.培養學生信息化環境下的自主學習能力

VR帶給教育的不僅僅是專注度和體驗感，更重要的是打破了空間和時間對學習者的禁錮，通過虛擬環境中的交互指引，引導學習者自主發掘知識點、自主學習，可以讓知識從間接經驗變為直接經驗。

3.提高教師的信息技術應用能力

塑造信息化教學思維。從教學內容、方法、互動、評價全方位重新構建，現在僅需要5～10分鐘即可完成講解，更有利于教師拓展更深層次、更全面的教學內容。

提升信息化教學能力。有了相應設備，更需要會使用設備的教師，這就促使教師信息化教學能力的提升，自主學習、掌握信息化技術的應用、仿真資源的應用等教學技能。

重構信息化課程設計。在信息化技術的應用下，新的課程設計應符合學生的認知規律，選擇最適用的教學資源。

注重信息化課堂實施。教師的大量工作都在課前和課后，而課堂更多的是學生自主學習，教師提示性的指導、答疑和評價過程。教師課堂教學能力需更進一步提升，與實用資源相對應。

4.促進教育信息化發展

虛擬現實技術在教學中的應用，可以促使教學手段科技化、教育傳播信息化、教學方式現代化，在教育過程中較全面地運用計算機技術、多媒體技術和網絡通信為基礎的現代信息技術，可以促進教育改革向著教育信息化方向發展。

三、開發步驟

（一）腳本編寫

在基于VR技術的教學資源開發過程中，首先需要編寫專業腳本，腳本是后續建模和編程的指導依據，特別是對程序的實現方式有重大的影響，直接影響后期程序的實現方式和難易程度。腳本編寫需綜合考慮以下四個方面。

1.目標明確，思路清晰

根據專業知識體系，選取教學資源開發的內容，構建腳本邏輯框架，形成完善的知識模塊，并且為后期改進和增建做好相應的銜接匹配。

2.摒棄傳統，重在交互

VR技術可以使整個教學呈現出三維動態旋轉的展示方式，搭配語音和文字的講解說明，同時增強了學習過程中的交互性，讓整個學習過程更加真實、有趣。具有強烈的交互感，將被動的眼看耳聽轉變為主動的探索獲取，是一種沉浸式的自我體驗。

3.仔細嚴謹，專業性強

腳本需保證專業知識的正確性，以嚴謹的態度認真對待，并經過層層核查多次修改調整而最終確定。先由專業教師團隊編寫初稿，交至校內骨干教師進行初審，主要對專業理解的正確性和用詞的準確性等內容進行檢查，提出修改建議，形成第二稿。再將第二稿交至現場專家進行檢驗復審，主要結合現場的實際應用狀況對專業知識的實時性進行檢查，提出修改建議。整改之后方可形成終稿，用于實際教學資源的開發。

4.統籌全局，實時修訂

在編寫程序的過程中，與程序編寫人員一起討論協商，對既定的動畫及各種部件的展示方式進行實時調整，以達到最佳的學習效果。

（二）三維建模

采用3ds Max三維建模軟件，將具體建模設備的各組成部件制作成三維模型，在虛擬場景中可以進行隨意拆分和組裝。建好的三維模型，實際上成為一套可以在網絡上自由移動的現場設備，不受時間的約束和地點的限制，隨時都可以進行自主學習。將原本多人圍著一臺設備進行對照學習的課堂，轉變成人人都持有一臺設備，可以近距離自主隨意拆分、隨意旋轉觀察學習。將三維建模技術應用在具體設備結構的教學過程中，擴展了課堂教學方法，可以增強學生的學習興趣，能夠大幅度提高教學質量。

三維模型的精度主要是按照模型面數定的，是根據模型完成布線之后被分成了多少小塊而界定的。面數越多，模型精度也越高，細節展示越清晰，同時運行過程對系統配置的要求更高。對于大型VR系統（如大型游戲）而言，模型的面數越多，會影響系統運行的流暢性。對于單一的VR教學資源而言，因模型數量不多，交互方式簡單，動態效應要求不高，一般的電腦配置均可以滿足高模模型的展示運行。因此，在實際建模過程中應根據視覺真實程度對模型面數進行調整。

（三）程序編寫

Unity 3D是一個綜合型游戲開發工具，是可以完成全面整合的專業游戲引擎。將游戲引擎應用在教學中，在思想認識上打破了傳統的教學觀念，同時借鑒開發游戲的設計思路，讓整個教學過程猶如游戲一樣，學習的過程相當于在玩游戲，既有樂趣又有收獲。

（四）場景搭建

完成了建模和程序編寫，便可采用兩種應用方式：一種是在PC端進行觀看，另一種是采用頭盔顯示器等穿戴設備。在PC端進行觀看和學習，是一種可以普遍應用的傳播方法，只需要在計算機上安裝教學資源，就可以通過鼠標和鍵盤的配合操作完成控制指令的下達，實現人機交互。適用于計算機機房教學，可供學生自主預習，可用于課堂教學資源，可作為課后資料進行復習和鞏固；采用頭盔顯示器可實現整個學習過程的沉浸式體驗，跨越了時間和空間的限制，虛擬場景與現實環境完全一致，通過手柄的控制和操作，發出相應的控制指令，實現可交互的沉浸學習。

（五）聯調聯試

通過多位專業教師、現場專家、學生的體驗測試，提出體驗感受，形成改進意見，進行再次開發與優化。多次試驗無誤后，應用于實際校內教學和企業培訓。

四、應用分析

（一）教學應用

VR教學資源開發重在應用，通過實際教學，在教學設計、學習效果、應用創新等方面進行了跟蹤調研，調研結果如下。

1.教學設計

在VR教學資源應用過程中，重點在于課前設計環節，需提前將學生的學習過程設定完整，課堂上的時間主要是交給學生自己自主完成探索學習。教師在學習過程中完成角色的轉變，由領學者轉變為導學者，由主力轉變為輔助，由主場轉變為客場。與之對應的，是學生自主學習的主體性體現。教學設計從傳統教學的以教師為中心變成以學生為主導，采取自主探究式學習，以提高學生自主分析問題、解決問題的能力，同時培育學生的職業精神。

2.學習效果

該項VR教學資源可以在實訓室內實現“生產現場實地教學”，能身臨其境地展開自主學習。虛擬場景中互動環節多，方便直觀認識各種專業設施設備。學習更加透徹、更加清晰，加深了對實際設備結構的認識和工作原理的理解，整體學習效果良好。

3.應用創新

將VR技術應用在教學中，實現教學與科技同步，開闊了眼界，感觸到了科技的魅力。搭建三維虛擬場景，在有限的室內空間可以體驗生產一線的實際環境，模擬真實現場場景，在虛擬場景中實現對現實的操作。設備部件非常逼真，比傳統教學更加生動，增強了趣味性，有效提高了學習興趣。方便學習，改善了實訓演練場因學習人數較多而工位數不足的情況，可以極大限度提高安全性，保障學生的人身安全。同時，不受天氣等外界因素的影響，可全天候反復學習。

4.初次學習者

初次學習者需首先學習VR設備的使用方法，在進入學習場景之后開發了VR設備操作演示教程。結合VR手柄各按鍵功能介紹的演示教程，在互動體驗過程中學習各按鍵的功能，采用先演示再練習后應用“三步走”的方式，提高VR手柄初次操作的適應性。

（二）SWOT分析

VR技術在教育領域的應用，給傳統教學帶來了較大沖擊，在提升教育教學質量的同時，當前傳統教育仍然存在不可被VR替代的方面。VR技術在應用過程中既具有自身優勢，又存在一定的劣勢，既有良好發展前景，又伴隨著各種潛在的挑戰因素。現結合課題研究做出以下實際分析。

1.優勢

鐵路現場真實場景構建，通過3ds Max建模技術和Unity 3D技術將真實現場“搬移”至校園中，可以足不出戶體驗鐵路實景，為情境教學提供有力保障。專業設備的結構清晰展示，現場設備的組成部件可以任意抓取、旋轉觀察，解決了“現場設備不可拆”的問題，體現出明顯的應用優勢。虛擬場景無安全隱患，搬動觀察設備部件時，虛擬場景中無重量加持，可輕松抓取、隨意旋轉，掉落無砸傷手腳的危險。游戲性強，具有一定的吸引力，通過采用多種交互方式，設計特定的場景反饋，增強學習過程中的游戲性，提高學習自主性，提升學習興趣，進而有助于學習效率的提高。

2.劣勢

虛擬場景無真實手感，實際設備的材質不同，觸摸過程中有真實的不同觸感。而虛擬場景中暫無觸覺感應，無真實手感，經過虛擬場景學習之后，還需在真實設備上再次練習，以獲取真實的操作觸感，才能真正掌握對應的操作技能。

虛擬場景中穿戴頭盔之后存在一定的眩暈感，根據人們個體差異，眩暈感強烈程度各自不一，眩暈感是由人體眼球的物理結構決定的，只能通過增加陀螺儀設備、降低頭部轉動速度等方式，減輕眩暈感。

仍在少數場景中、少數人群中應用，大眾化程度不高，在實際教學應用過程中，大多數學生都是初次接觸VR頭盔設備，熟悉程度不夠，操作上手較慢，普適性有待進一步提升。

3.機會

《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）》提出推進“虛擬仿真實驗教學2.0”，支持建設一批虛擬仿真實驗實訓重點項目，加快培養緊缺人才。《“技能四川行動”實施方案》明確指出，鼓勵推廣應用虛擬仿真、人工智能等新技術，推動創新培訓模式。從相應文件可以看出，虛擬現實技術在教育教學領域的應用正在不斷探索和成長中，涉及教學培訓各個方面，是VR技術發展的政策利好，具有良好的發展前景。

4.威脅

雖經過不斷探索，但我國VR行業仍處于起步階段。供應鏈及配套產品還不夠成熟，硬件設備、軟件工具、內容生產等各層面的技術標準還未統一制定，大范圍推廣過程中存在一定的制約性。

需有效挖掘知識與VR技術的切合點。VR技術主要用于解決職業教育中“三高、三難”問題，并不適用于所有內容的學習。對于記憶性知識、研究性內容花費大量人力、物力、財力之后，開發的VR教學資源的應用實效性卻大打折扣。

雖可跨越大時空，但無法擺脫小局限。盡管可以將真實場景采用虛擬的方式呈現和體驗，但必須在定位器鎖定范圍內活動，走出識別范圍則操作無效。同時，穿戴頭盔設備與主機之間為有線連接，移動距離受到限制。

五、結束語

在不久的將來，職業院校的實訓室將干凈、整潔，每個工位只需配置VR設備，通過打開不同文件，便可改變教學內容，從而改變實訓室的專業屬性，有效提高設備利用率。同時，線上教學資源可以通過PC端自主學習，不受時間、地點的限制和約束。隨著VR技術的發展和應用，同步發展的還有AR（增強現實）技術、MR（混合現實）技術等，這些新技術在職業教育教學資源開發中的應用前景將越來越廣闊。

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編輯 馬燕萍