工科專業虛擬仿真交互式課程建設研究

摘要：虛擬仿真實踐教學是高等教育信息化建設的重要內容，是專業實踐教學與信息技術深度融合的產物。工科專業具有實踐性強、與產業結合緊密等特點，要求學生掌握基礎理論和實操的雙重技能。以風景園林為例，介紹了虛擬仿真平臺課程建設實施的路徑與方法，虛擬仿真平臺設計的模塊與構建技術，改革了傳統的教學模式，激發學生學習興趣，提升了課程教學的成效，彌補了傳統課堂的缺陷，為培養實踐型及創新型人才提供了很好的建設路徑。

關鍵詞：工科專業；虛擬仿真；交互設計；實踐教學；信息化

一、虛擬仿真實踐課程建設的目的與意義

（一）目的

1.實現教學模式創新

虛擬仿真實驗可以改變單一、傳統的教學模式，借助網絡科技的力量，采用多樣化的教學方式。虛擬仿真交互課程可以改變傳統課程中枯燥單一的課程形式，把傳統課程理論及實踐部分的知識點更系統地整合到仿真平臺界面中，還能拓展信息資源，使學生觀看到更細致、更豐富的拓展課程資源，根據需求進行深度學習[1]。

2.輔助實踐教學

傳統的實踐教學大多只能通過語言傳授與圖本繪制修改的方式進行，缺少視覺主觀能動性，通過虛擬仿真的平臺操作，可以直觀地實現多種風格、多種模塊的自由切換，體驗不同方案的可能性，讓理論轉化成實踐的方式更加便捷與多樣化，實現“人人可學，隨時可學，多樣可學”。

3.提升學生學習主動性，使得創造性、創新性貫穿整個過程

虛擬仿真平臺的操作主體正常為單一用戶，可瀏覽與可交互的實際操作可以大幅提升使用者的主觀性與創造性，鍛煉用戶的實操技能，在實踐過程中，可接觸到不同功能的模塊及知識體系，激發使用者的創新技能。

（二）研究意義

在微時代背景下，智能化與信息化發展程度日益加深，知識信息的傳播速度較快，傳播媒介更加新穎，如何讓注重實測、實訓、實踐的工科專業課程得以順利進行是當下專業課程建設的重中之重。優化教學理念，借助于新穎的虛擬仿真技術手段，對傳統的理論及實踐課程進行模擬仿真，實現足不出戶，利用電腦及手機端即可看到虛擬的場景展示及交互設計，不僅能觀看到仿真的立體化實際場景，還能體驗到不同風格、不同模塊的交互式沉浸體驗，形象統一，高效生動[2] 。

虛擬現實技術可以廣泛地應用在工科各個專業，虛擬仿真系統的沉浸感和互動性不但能夠帶來逼真的視覺沖擊，獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數據界面隨時獲取各種資源，方便各種風格和規格工程項目的設計與管理。虛擬現實所建立的虛擬環境是逼真的三維場景，在場景中任意漫游，人機交互，使得二維視角下很多不易被察覺的項目設計缺陷也能夠輕易地被發現，可以避免直接現場實驗出現各種弊端。

二、虛擬仿真平臺課程建設實施

（一）課程體系建設

1.課程的交叉整合

多數工科專業的課程知識體系需要融合多課程或者多學科的專業知識、原理、設計方法，來形成課程的交融性。多課程、多學科交叉融合并不是對現有專業的課程進行簡單拼接，而是根據課程目標的需要，對學科知識相關課程進行交叉融合，設定基礎的模塊要素，把相關的課程體系內容按照一定的邏輯序列相互滲透、整合和重組，以實現要素模塊全方位知識體系的學習及訓練。把和該要素體系相關的基礎、中階、高階知識內容全部納入虛擬仿真平臺課程建設中來，形成一套全新的課程知識體系。在課程交叉融合過程中，需要注意每門課程的建設并不是一個孤立的行為，既要重視先修課程的基礎作用，同時也要重視后續課程延伸和滲透內容。課程知識體系的多學科交叉融合需要經過多次重組、滲透及整理才能實現全方位的、實質性的融合。對于多學科、多門課程的交叉及融合，需要來自不同學科專業的團隊共同組建[3]。

2.理論與實踐相結合

對工科專業課程的內容進行整合，把理論部分及實踐部分中核心章節、重難點內容進行歸納整理，以便更好地和虛擬仿真平臺相結合。本項目以遼寧省一流本科專業“風景園林”中的省一流本科課程“風景園林設計基礎二”為改革主體，課程設置合理，課程資源豐富，對理論部分的重點章節進行提取，設置在仿真平臺模塊中，實踐部分對虛擬三維場地進行方案轉換、路徑選擇，讓學生以最快捷的方式掌握課程的核心內容。平臺設置多維模塊功能，大量的課程文字、圖表與信息化資源可巧妙地融入平臺中，在實操過程中強化對理論基礎知識的認知，將理論與實踐相結合。

（二）教學模式改革

1.混合式教學模式

以信息化和智能化為主導的虛擬仿真實踐教學，要求對各種教學模式及學習路徑不斷更新，使得學生能夠隨時隨地、多渠道展開學習，這無疑成為新時代高校學生學習的新趨勢，它可以很好地激發學生的學習興趣以及學習熱情，能充分調動學習的主動性和積極性，也能夠很好地提升教與學的成效。教與學的過程不受學習工具和學習時間的限制，真正實現了“人人可學，隨時可學”。

混合式教學模式的實現主要借助于各種程序、資源、平臺及各種通信工具等，主要包括課程在線平臺建設、在線資源案例庫、數字化參考資料以及教學信息化等內容。大多數工科專業的課程都有匹配的系統性或信息化數據資源，將常規獨立的各種資源作為拓展知識配置在虛擬仿真平臺中，可以增強平臺的豐富性，使用者可以根據學習及使用需求點擊拓展資源進行有目的的專項學習，使得學習的深度、維度增強，更好地加深印象，提升學習效果。本項目改革主題課程“風景園林設計基礎二”可借助專業豐富的信息化資源，如二維碼、視頻動畫、專項解說視頻等，放置在平臺程序中進行展示，豐富平臺的課程建設及設置。

2.沉浸式教學方法

虛擬仿真平臺課程的建設是一種可交互的課程設計，平臺課程教學課件中的各種設計要素模塊全部是由三維建模構建出的一個虛擬設計空間，學生可以完全沉浸在虛擬場景設計中，經過對不同場景和設計模塊的交互式設計體驗，能夠更加直觀地了解工程項目的多種設計理念、風格和設計效果，對各種方案的展現會有更加直觀及深刻的了解[4]。

（三）虛擬仿真平臺設計

1.軟件選取

根據課程內容及平臺觀摩操作方式的需求，應選擇最合適、最方便的虛擬仿真平臺程序，并在程序中布置、歸納課程內容模塊，在特殊部位進行材質交換與物體交互設計，形成集聽覺、視覺、動感交互于一體的虛擬仿真課程平臺。

虛擬仿真教學平臺主要包括兩大板塊的內容：虛擬仿真基礎教學平臺與虛擬仿真實訓平臺。基礎教學平臺主要有教學資源管理系統、實訓教學管理系統、在線考試管理系統、教學管理評價系統等。虛擬實訓平臺主要包括虛實結合教學實訓平臺、工程仿真實訓平臺等。目前虛擬仿真課程平臺大多選用IdeaVR、Converse3D 、Unity3D、Vega Prime、WTK等軟件，比較適合工科設計方向的主要有Converse3D 和Unity3D 。

以工科專業風景園林為例，虛擬仿真的教學平臺主要有：教學資源管理系統、仿真實訓管理系統、在線考試管理系統、工程制圖與識圖仿真軟件、園林工程仿真實訓軟件、施工工藝仿真實訓軟件等。其中，Unity3D支持大部分3D模型、骨骼和動畫直接導入，貼圖材質自動轉換為U3D格式，也支持多腳本語言，效果逼真，比較容易上手。

2.教學模塊

虛擬仿真教學軟件系統主要包括的模塊有基礎認知、物體交互、視角切換、場景切換、視頻庫、資料庫、試題庫、數字化資源、考評等。

首先對專業課程進行改革整合，選取重點章節內容作為虛擬仿真平臺的要素模塊。選擇虛擬仿真平臺或程序的展示媒介、場景制作軟件、交互式項目設計的部位及界面等。其次根據平臺內的要素模塊和腳本設計進行場地漫游、風格切換、材質轉換等交互實操，完成人機交互的主要內容。此外還可以設置在線資源案例庫、信息化數字化課程資源，與實時考評相結合進行系統化、全方位的學習與訓練。虛擬仿真交互平臺建設路徑如圖1所示。

（四）虛擬仿真平臺實訓系統構建技術

虛擬仿真平臺實訓系統的構建流程主要包括三維建模、腳本設計、場景漫游、動畫交互、拓展資源建設、考評模塊等內容。三維模型的搭建和渲染可使用3DMAX軟件，場景形象逼真，效果真實，建模過程可完成場景，材質，燈光，渲染等基本設置。3DMAX與Unity3D也可實現無縫銜接轉化，進而實現對三維虛擬模型的不同場景、材質、燈光、水體等的切換，通過對腳本的設計與管理，實現虛擬仿真平臺的交互學習體驗。腳本設計是虛擬仿真實驗開發的重要環節，是虛擬仿真實驗的實驗目的、模型制作要求、各種交互功能及平臺運行的設計依據。場地漫游是平臺設置的基本功能，使用鍵盤中的方向鍵W、A、S、D實現前后左右的行走與位置移動，在場地角落中還可布置總平面圖，可以在小地圖中直觀地看到漫游者所處的位置及行走路線，如圖2所示。場景漫游過程中可以實現設計要素的鼠標識讀功能，行走觸發碰撞物體后可以呈現該要素的具體名稱，如重要建筑物及構筑物，地面材質類別，水體及植物類別等，右擊該要素后還可識讀該要素詳細文字及圖片介紹等。虛擬仿真教學平臺場景界面如圖3所示[5]。

動畫交互項目的選擇一般要依據重要模塊的內容進行多方位交互，以“風景園林設計”課程為例，虛擬場景的選擇為3DMAX制作的小庭院景觀，設計要素的展現體現課程設計的核心內容，比如鋪裝、植物、水體、建筑構筑物等，交互設計的部位以此為切入點，實現多方位視角、不同材質、多種風格、水景及燈光開閉等交互實操。拓展資源的建設可依據資源的種類進行專項放置，學生可依據自身的需求選擇想要學習的資源種類，常見的方式主要包括圖片、文字、視頻動畫、二維碼等。考練模塊主要包括常規訓練及考試訓練，常規訓練可放置核心章節課后作業。例如，平立剖要素手繪練習本，考試訓練即為理論知識中的常規知識點，對理論知識進行加強和訓練，考核學生理論學習的程度和重難點內容[6]。通過虛擬仿真平臺實訓系統的訓練，使學生很好地掌握了理論課程基礎知識，實現了教—學—練—考等重要環節的全過程。風景園林課程虛擬仿真平臺實訓系統模塊構建如圖4所示。

三、虛擬仿真平臺在教學應用中的思考

根據平臺的內容與使用特點，選擇最優的平臺展示媒介與程序制作。三維虛擬場景模型的制作與渲染注意場景內存的大小與場景內小面數量的多少，以確保平臺總大小和運行的速度。平臺中內部功能模塊的設計及配置要和專業課程章節重點內容銜接。信息化資源及教材資源的插入形式、數量，以及和內部功能模塊契合度應優化設置[7]。

四、結語

構建信息技術的新型教育模式是當今教育現代化的一個重要方向。充分利用信息技術開展人才培養模式和教學方法的改革，促進教育教學與信息技術的深度融合是將來教育教學現代化的重要內容。虛擬仿真實踐教學能夠彌補傳統課堂在場地、成本、安全等方面的不足，可以讓學生在虛擬的、安全可靠的環境下進行自主探究，大幅提升學習主動性，能夠加深對理論課堂教學的理解，大幅提升實踐教學的成效。同時，信息化課程資源與考評資源的加入，能夠拓展實踐教學的廣度和深度，延伸學生學習的時間和空間，使得虛擬仿真教學成為滿足新型工科專業實踐教學的重要手段。

參考文獻

[1]張繼研，王宏偉，解永平，等.新工科背景下過程控制虛擬仿真實驗教學課程建設[J].實驗室科學， 2023，26（05）：217-222.

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[3]嚴金鳳，居里鍇，周成.新工科背景下機械安全虛擬仿真實驗教學探索[J].實驗技術與管理，2022，39（01）：98-102.

[4]郭涌.VR交互式虛擬仿真課件在教學中的應用——以《室內設計入門實務》課程為例[J].計算機產品與流通，2019（05）：259-260.

[5]王筠，楊可，陳泳興.新工科背景下虛擬仿真技術在化工專業 實踐課程中的建設與應用[J].化工時刊，2023，37（02）：103-104.

[6] 閆莎莎，秦忠誠，劉進曉，等.基于Unity3D的綜采工藝虛擬仿真實驗教學探索[J].實驗技術與管理，2020，37（08）：137-140.

[7]嚴金鳳，居里鍇，徐建成，等.“新工科”背景下“機械安全標準實驗”課程教學實踐與探索[J].工業和信息化教育，2018（11）：78-82.

基金項目：2022年度遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“工科專業虛擬仿真交互式課程建設的研究——以精品在線開放課程‘風景園林設計基礎二’為例”（項目編號：遼教通2022166號）

作者單位：大連理工大學城市學院建筑工程學院

責任編輯：王穎振、楊惠娟