基于VR技術的虛擬智能生產聚合平臺實習空間構建研究

摘要：隨著科技的飛速發展和新質生產力概念的提出，虛擬現實技術已成為一個新興的研究領域。本文旨在深入探討如何利用虛擬現實技術實現虛擬智能生產聚合平臺實習空間的構建，并著重分析其構建方式和在教育領域的深遠意義。通過系統的論述和理論實踐分析，本文提出具有實用價值的虛擬智能生產聚合平臺實習空間的構建方法，為讀者提供了一個新的視角，以此重新審視和拓展虛擬現實技術在高等教育中的意義。

關鍵詞：虛擬現實技術；實習平臺；智能生產

引言

在科技創新蓬勃發展的時代背景下，數字技術對高校實習教育和勞動教育的轉型升級必然產生重要的影響。其中，虛擬現實（virtual reality，VR）技術作為一個集虛擬現實、增強現實和互聯網于一體的新型數字世界，為人們提供了全新的交互與體驗方式。特別是在教育領域，VR技術展現出巨大的潛力與價值。

教育實習活動是高校實踐教育的特色補充。傳統實踐教育以手工勞動、校園活動或者志愿性勞動等形式培育學生的勞動價值觀念，并鍛煉學生的實操能力[1]。基于VR技術，虛擬智能生產聚合平臺實習空間的構建為高校實踐教育發展帶來了全新的可能，其不僅改變了傳統實踐教育的形態，還賦予高校實踐教育更多的含義和勞動教育價值。基于VR技術的實踐教育，能夠充分讓學生體驗數字化實踐教育和傳統實踐教育的混合教育新模式，并感受物聯網技術、生產自動化技術、虛擬現實技術等數字化新科技，使學生在虛擬空間中得到更多實踐技能的培養訓練。本文旨在深入探索基于VR技術構建虛擬智能生產聚合平臺實習空間方法及其教育意義。

1. 研究現狀分析

VR技術目前在市場上有多種應用體現。在感官體驗方面，穿越機與第一人稱視角（first person view，FPV）眼鏡相結合，可以幫助用戶體驗高空高速飛行。在3D模擬方面，VR頭戴式顯示設備可帶領用戶以第一視角體驗太空環境等。在模擬操控方面，可以進行安全模擬駕駛訓練，也可體驗飛機駕駛模擬訓練。隨著第六代移動通信技術（6G）的研究和人工智能的發展，利用VR技術，可以實現機器人與人視覺相通的超感型機器人，幫助用戶擺脫空間限制，完成各項動作和實驗[2]。這樣的技術不僅可以幫助用戶規避危險，而且大大節約人力和時間成本。

針對VR技術在高等教育領域的應用，我國已有多名學者展開相關研究，并取得一定的研究成果。例如，趙成偉等人指出，基于VR技術可打造虛擬教學環境，提供虛擬教學資源，以開放共享的姿態鼓勵學生自主學習、合作學習、探究學習[3]。目前，已有部分高等院校在構建可供學生進行虛擬實驗的虛擬空間[4]。虛擬實驗室的優點在于，學生在虛擬實驗室中進行各種實驗操作時，不存在安全問題，并且實驗耗材可以重復使用，實驗成本也更低、更高效[5]。VR技術在虛擬實驗室和遠程協作教學方面的成功案例，體現了其在實習教育和勞動教育方面的應用價值。

2. 虛擬智能生產聚合平臺的實習空間構建技術探討與分析

2.1 虛擬智能生產聚合平臺實習空間分析

基于VR技術構建的虛擬智能生產聚合平臺實習空間（以下簡稱“虛擬實習空間”），對學生技術技能及專業能力的培養有極大幫助，配備的三維虛擬仿真實訓模塊和在線教學云平臺，使學生可以隨時隨地自行開展實習，為智能制造人才培養提供支持。實習平臺架構如圖1所示。

（1）應用層是實習平臺架構的基礎層。主要作用是向用戶展示實習平臺的功能模塊，交互界面提供了豐富的實習空間場景選項，方便師生快速選擇實習項目。運用VR技術，構建了口袋式數字實驗室系統與智能柔性生產制造系統，涉及電氣技術、機械加工、3D打印及涂裝檢測等模塊，已初步實現在線虛擬培訓，提高了教育教學的直觀體驗和學生的實踐能力。

（2）虛擬層主要負責實習平臺的各模塊虛擬窗口的可視化、設計建模及效果分析。師生通過在虛擬層的操作，實現實習項目的虛擬化，滿足相應教學要求。

（3）控制層是實習平臺的主要監管層，主要負責實驗控制、數控設備控制、機器人控制、立體倉庫控制和生產線控制，實現虛擬平臺與實物之間連接的同時，進行數字信號的流通和數據資源的共享。

（4）設備層主要負責演示虛擬操作任務，涉及口袋式實驗設備、數控設備、機器人、立體倉庫和生產線。通過虛擬仿真實驗與實際操作演示，可以檢驗實驗數據的有效性，并提供可視化的動態展示過程。

2.2 虛擬實習空間構建的技術分析

2.2.1 虛擬實習空間實現路徑

虛擬實習空間的構建需要很多先進技術的支持，如VR技術、3D建模技術、人工智能（AI）技術等。融合多項技術的虛擬實習空間，可以更具真實感和科技感，提供給學生沉浸式的實操體驗。通過對高等教育實際市場的需求分析，確保空間滿足實際應用場景的需要。

2.2.2 虛擬實習空間框架構建

（1）虛擬現實技術和增強現實技術（augmented reality，AR）技術構建基礎框架。利用VR和AR技術創建虛擬空間環境，使用者能夠沉浸式體驗實習和勞動教育空間。

（2）云計算（compute cloud，CC）和邊緣計算（edge computing，EC）技術的應用。虛擬實習空間的運行依賴海量數據，充分利用CC和EC技術駕馭這些數據，可以幫助空間實現海量數據的高效流通運算[5]。這樣不僅能夠提升用戶的使用流暢體驗，而且解決了空間存儲容量不足的問題。

（3）深度學習（deep learning，DL）與人工智能（artificial intelligence，AI）技術的加持。充分開拓虛擬實習空間的使用功能，可以利用AI和DL技術，創建高智能的輔助培訓師角色以及一對一的精準服務。智能NPC還可以向用戶提供學習攻略和規劃等功能，提升用戶的高級學習體驗和空間的培訓效果。

（4）6G和工業以太網技術的應用。利用6G和工業以太網技術，打造高效、安全、無延遲的空間網絡組態系統，這樣構建的高性能網絡系統讓實習教育和勞動教育不再受到地理空間的限制。

2.2.3 虛擬實習空間設計開發

（1）場景布局及操作設計。虛擬實習空間將根據用戶的實際教育教學需求，設計合理的空間布局結構，開發適宜的多樣化教學場景，如各專業類型實驗室、多媒體教室、專業課程實踐、課程設計任務等。

（2）實習實踐項目制作。在傳統實踐教育的基礎上，融合網絡數字資源，將虛擬實習空間打造為大型實習工廠和勞動教育場所，用戶可以選擇難度不同的實習實踐項目。

（3）用戶交互設計與升級優化。虛擬實習空間將以用戶超高的交互體驗感和運行速率為設計目標，開發既容易操作，又美觀大方的交互界面，并將響應速率定義在微秒級[6]。

2.2.4 虛擬實習空間操作平臺搭建與運營

（1）操作平臺的搭建與功能。虛擬實習空間操作平臺以穩定高效運行的搭建理念，實現廣大用戶的注冊登錄、數據記錄分析、實踐操作管理等功能。

（2）構建交流社區實現多方互動。虛擬實習空間開發有不同主題的用戶交流社區，目的是方便各用戶交流心得體會與傳授學習策略，可有效地促進知識和學習經驗的共享。

（3）平臺的維護運營。建立空間運維管理體系，保證空間中場景模型數據的正常工作。建立空間實時更新維護機制，防止運行過程中出現數據冗余和空間宕機等情況。

2.2.5 虛擬實習空間生態鏈構建

（1）多方合作實現資源的整合。虛擬實習空間的建設運營，不僅需要政府的大力支持，同時也需要科研院所和企業的共同努力，為創建教育資源高度融合的生態鏈而團結合作[7]。

（2）建立行業新的標準。充分利用社會資源，積極研究探討和制定虛擬實習空間的新標準。新標準體系的建立，將會是推動虛擬實習空間朝著更加專業化和智能化方向發展的基石。

（3）生態鏈的可持續創新發展。虛擬實習空間生態鏈初具規模后，可以吸引更多的資本和教育資源。這些資源構成的空間生態鏈，可以更好地提高虛擬實習空間的科技含量和應用價值，共同推動虛擬實習空間的高速發展。

2.2.6 虛擬實習空間安全性和隱私性

（1）高級加密技術構建安防體系。利用計算機領域最先進的加密算法，構建全方位保障用戶數據安全的虛擬實習空間。在硬件上，配備天花板級別防火墻。在軟件方面，增添數據安全審核系統等在內的多層次安防屏障。經過軟硬件上的雙重保險，可以及時應對和清除潛在的安全威脅[8]。

（2）權限管理和安全監測。虛擬實習空間通過登錄時設置的多重身份驗證功能，保證進入空間的用戶的真實性。空間將設置用戶管理中心和數據安全監測中心，并定期向用戶推送安全課程和注意事項，增強用戶的安全防范意識和空間的安全性。

（3）試點運行。虛擬實習空間搭建完成后，第一時間在行業內進行小范圍試點運行，以測試空間的安全性，對空間進行創新升級，保障虛擬實習空間在正式投入使用后，能夠高效平穩地運行。

3. 虛擬實習空間構建的教育意義

3.1 提升實習培訓效果

虛擬實習空間在構建過程中，將采用計算機網絡和人工智能等多種技術，極大地提高空間環境的逼真性和智能性。用戶在空間中進行學習培訓時，代入感會更強，這樣的體驗能夠極大提升用戶的學習興趣。

3.2 打破時間和空間上的限制

傳統的實習教育模式因時間和空間的影響，教育培訓的效果會大打折扣。虛擬實習空間打破了時空的限制，用戶可以輕松地與各領域的專家學者進行無障礙交流溝通，提高了教育資源的利用率，充分實現了教育資源的優化共享。

3.3 提升綜合實踐能力

虛擬實習空間實驗室為用戶提供各種物化實驗操作平臺，空間實習基地向用戶提供實習實踐平臺。用戶通過親自模擬操作，鞏固和深化理論知識，提升實踐能力。這種模擬實際的操作方式是安全可控的，尤其適合于高危實驗和工況[9]。同時，虛擬實習空間讓更多用戶接觸到高等級的學習資源，提升他們的綜合素質能力。

3.4 實現個性化教育

虛擬實習空間可以支持用戶進行二次開發。虛擬實習空間的教育內容可以根據不同場景的需求進行個性化的設計和開發。虛擬實習空間給予用戶更多的自主選擇性，用戶可以根據自身的學習領域和進度，選擇合適的學習模式和路徑。這種功能可以滿足市場多樣化的需求，為開展個性化教育開辟了新思路。

3.5 培養團隊協作能力

虛擬實習空間具有開發有團隊合作模式，用戶可以組建團隊去完成任務。針對不同領域的團隊適配有不同的任務，通過團隊合作方式共同完成項目。這種學習方式可以更加高效地提高用戶的團隊合作能力。

3.6 培育創新實踐能力

在虛擬實習空間實驗室，不用考慮危險因素，可以通過反復試驗，驗證創新想法。在空間實習基地，用戶還可以接觸使用各種各樣的高端設備，開展全流程的動手操作練習。這樣的培育方式能夠大大提高學生的創新能力和實踐能力。

綜上所述，虛擬實習空間在提高用戶的綜合素質能力方面優勢明顯。同時，通過虛擬實習空間，教育資源的傳播范圍更加廣泛，教育的公平性得到更大的體現。

4. 虛擬實習空間構建的局限性

4.1 虛擬實習空間開發成本高

虛擬實習空間的開發創建需要大量的資金投入，同時也需要多種先進技術的支持，這樣的高態勢將使其前期的投入成本很高，后期仍然需要投入大量的人力和物力，高昂的成本和高門檻的技術是阻礙其快速發展的重要因素。

4.2 虛擬實習空間的數據與網絡安全

虛擬實習空間面向的是高等教育和全社會的培訓教育，將會產生龐大的數據集群，包括用戶的個人信息和學習數據記錄，這些數據都會存儲在虛擬實習空間中。為了保障用戶的隱私權益和海量數據的安全，虛擬實習空間需要建立強大的安防系統，這是虛擬實習空間面臨的數據與網絡安全的核心問題[10]。

4.3 教育內容與質量的不確定性

虛擬實習空間作為一款新興的互聯網教育工具，仍存在一些不確定因素。如何確保虛擬實習空間實習內容的科學性和實踐性，是很值得深入研究和探索的問題。同時，由于虛擬實習空間開放自由的特點，可能會給教育環節帶來一些不良信息和潛在的風險內容，這需要空間的開發運維者對進入空間的數據進行嚴格的審查和監聽[11]。

綜上所述，虛擬實習空間在未來互聯網教育方面雖然具有很多明顯的優勢，但也存在技術門檻高、運維成本高、學生適應性、數據安全問題以及教育內容與質量的不確定性等缺點。這些缺點需要在空間實際應用中逐步發現和改善，以推進虛擬實習空間在教育領域的長期健康發展。

結語

通過對虛擬實習空間的技術框架分析，以及對虛擬實習空間在實現實習教育和勞動教育功能方面的路徑探索，發掘空間的潛在價值和教育優勢。虛擬實習空間不僅能為用戶提供更直接的學習體驗，還促進了教育資源的深度共享，提高了學生的綜合素質能力。

未來，隨著技術的突破和成本的降低，虛擬實習空間將展現出不可限量的作用，培養出更多具有創新精神和實踐能力的人才，為高等教育向數智化進階提供強有力的支撐。

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