虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

【摘要】根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析該技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)對(duì)策與建議。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程 教學(xué)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2012）09C-0183-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR），又稱(chēng)假象現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)合成的人工世界。它能夠刺激人的聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等感覺(jué)器官，使人沉浸在這種現(xiàn)代技術(shù)所生成的虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)世界相類(lèi)似的感官效果。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在很多領(lǐng)域替代或部分替代現(xiàn)實(shí)世界。如今，繼科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論分析之后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為人類(lèi)探索客觀世界規(guī)律的第三大手段。

在高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能給復(fù)雜的技能訓(xùn)練、抽象的理論教學(xué)帶來(lái)革命性的變化。同時(shí)也將給機(jī)電類(lèi)高職教育的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段以及教學(xué)理念等產(chǎn)生重要的影響。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）應(yīng)用類(lèi)型。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以分為桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)、投入型虛擬現(xiàn)實(shí)、分布型虛擬現(xiàn)實(shí)、逼近現(xiàn)實(shí)型虛擬現(xiàn)實(shí)四種類(lèi)型。投入型虛擬現(xiàn)實(shí)和桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸度比較低，但因其價(jià)格低廉，常被高職教育所采用。其中，桌面級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的硬件投入最少，甚至在個(gè)人電腦和比較低級(jí)的計(jì)算機(jī)工作站中就可以進(jìn)行仿真。利用它，學(xué)生可以通過(guò)操作鼠標(biāo)跟虛擬世界交互，盡管沉浸度比較低，但其性?xún)r(jià)比是高職院校所能接受的。與桌面級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)相比，投入型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能更為逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界，通過(guò)它用戶(hù)“以假亂真”的體驗(yàn)更加明顯。它可以利用頭盔顯示器等設(shè)備，把學(xué)生的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和其他感官體驗(yàn)封閉起來(lái)，提供一個(gè)新的、虛幻的感覺(jué)空間。利用數(shù)據(jù)采集手套、位置傳感器、便攜式輸入系統(tǒng)等使學(xué)生產(chǎn)生一種身臨其境的虛幻效果。常見(jiàn)的系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)。目前，由于投入成本等方面的限制，我國(guó)高職教育多采用較為低端的投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

（二）應(yīng)用方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用主要有三維演示、虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)訓(xùn)、仿真教學(xué)、虛擬維修等。三維演示利用簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)機(jī)電設(shè)備、設(shè)備零部件的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)，便于學(xué)生深入地了解設(shè)備和每個(gè)零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生理解設(shè)備的動(dòng)作方式及工作原理。虛擬實(shí)驗(yàn)是指把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室、開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件。通過(guò)這樣的平臺(tái)，學(xué)生可以身臨其境地對(duì)機(jī)電設(shè)備零部件進(jìn)行虛擬拆裝、對(duì)儀器儀表進(jìn)行操作等。虛擬實(shí)訓(xùn)集中體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性和交互性的優(yōu)點(diǎn)，讓學(xué)生成為虛擬環(huán)境的積極參與者。通過(guò)虛擬實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以進(jìn)行機(jī)電設(shè)備的安裝與調(diào)試、故障檢測(cè)與診斷、機(jī)床電控回路的仿真連接等職業(yè)技能訓(xùn)練，在取得接近于真實(shí)實(shí)訓(xùn)效果的同時(shí)，達(dá)到了降本運(yùn)作的目的。仿真教學(xué)則是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建學(xué)習(xí)情境，在情境中學(xué)生可以扮演職場(chǎng)角色，對(duì)未來(lái)職場(chǎng)的工作內(nèi)容進(jìn)行深入的體驗(yàn)，很大的縮短了學(xué)生獲取職業(yè)崗位相關(guān)知識(shí)的時(shí)間。近年來(lái)，虛擬維修是虛擬技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，其目的主要是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上真實(shí)地展現(xiàn)設(shè)備的維修過(guò)程，增強(qiáng)設(shè)備維修的決策能力。現(xiàn)階段，虛擬維修在高職機(jī)電類(lèi)課程的教學(xué)中，應(yīng)用得比較廣泛的是機(jī)電設(shè)備電控系統(tǒng)故障查找、機(jī)電設(shè)備液壓系統(tǒng)故障查找等比較初級(jí)的虛擬維修項(xiàng)目。

（三）應(yīng)用特點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)電類(lèi)課程教學(xué)中的應(yīng)用具有職業(yè)性、實(shí)踐性、情境性、過(guò)程性、開(kāi)放性等特點(diǎn)。職業(yè)性是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以比較真實(shí)地模擬高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生相關(guān)的職業(yè)崗位的工作環(huán)境，利用它可以使學(xué)生的各項(xiàng)職業(yè)技能的培訓(xùn)更為高效；實(shí)踐性是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界的各種實(shí)踐操作，以最低的成本獲得最好的實(shí)踐效果；情境性是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，通過(guò)教學(xué)課件、課程網(wǎng)站等CAI手段，實(shí)現(xiàn)把抽象的內(nèi)容具體化，復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，不可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)或動(dòng)作可視化的教學(xué)效果；過(guò)程性是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于企業(yè)真實(shí)工作過(guò)程的項(xiàng)目教學(xué)，使教學(xué)的過(guò)程和內(nèi)容更加符合企業(yè)的崗位需求，學(xué)生通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)可以了解企業(yè)真實(shí)的工作過(guò)程，走上工作崗位后能較快地適應(yīng)職業(yè)崗位要求；開(kāi)放性則是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建學(xué)習(xí)情境并提供豐富的學(xué)習(xí)資源以滿(mǎn)足學(xué)生不同層次的需求，學(xué)生可以打破時(shí)間和空間的限制，獲得最大的個(gè)性化發(fā)展。

（四）應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。首先，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)，可以改善教學(xué)環(huán)境。機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程具有理論性、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境下，感受到職場(chǎng)的氛圍。操練職業(yè)技能，在不大幅增加實(shí)訓(xùn)設(shè)備的情況下，獲得最好的學(xué)習(xí)效果。其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提高實(shí)訓(xùn)效率。學(xué)生在開(kāi)展實(shí)訓(xùn)操作之前，先進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn)，對(duì)操作要領(lǐng)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)初步了解，可以較大地提高實(shí)訓(xùn)的效率和效果，并且還能降低對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損耗。最后，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以提升學(xué)生的職業(yè)技能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以真實(shí)地再現(xiàn)各種場(chǎng)景，使得學(xué)生對(duì)機(jī)電專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)難度大為降低。虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)的成本較之傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的成本低廉，使得實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開(kāi)出率得以最大限度地保證。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中“做中學(xué)，學(xué)中做”，能使專(zhuān)業(yè)能力、方法能力等方面的職業(yè)素養(yǎng)得以全面地提升。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)的應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在局限性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身的局限性決定了它只能作為現(xiàn)實(shí)教學(xué)手段的輔助工具。任何先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，都無(wú)法構(gòu)建出與現(xiàn)實(shí)世界完全吻合的虛擬世界。它給參與者帶來(lái)的感官刺激無(wú)法取代現(xiàn)實(shí)世界所產(chǎn)生的真實(shí)自然的刺激。例如：在機(jī)床維修課程的教學(xué)中，常采用虛擬實(shí)訓(xùn)的方式讓學(xué)生進(jìn)行虛擬拆裝。學(xué)生通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)等操作，把虛擬環(huán)境下的機(jī)床拆卸成為一個(gè)個(gè)的零部件，借以了解機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生無(wú)法獲取諸如“拆卸一個(gè)零部件，需要多大的力道？應(yīng)該使用何種工具？”，“如何保證在拆卸的過(guò)程中不會(huì)損壞所拆卸的零部件？”，“某個(gè)零部件的重量是多少？用什么材料制成的？”等方面的信息和經(jīng)驗(yàn)。

（二）過(guò)度主張學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，教師引導(dǎo)作用難以發(fā)揮。在高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展教學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下利用豐富的教學(xué)資源，結(jié)合自身情況，選擇適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。這種不同于傳統(tǒng)教學(xué)方式的教學(xué)模式可以最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，非常有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型高技能人才。但在這種教學(xué)模式下，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力被過(guò)度強(qiáng)調(diào)，教師的引導(dǎo)作用無(wú)形中被弱化。在現(xiàn)實(shí)的教學(xué)過(guò)程中，由于學(xué)生的自由度過(guò)大，教師很難對(duì)學(xué)生實(shí)施有效地監(jiān)控，對(duì)于自我學(xué)習(xí)能力不足、自制能力差的學(xué)生，容易出現(xiàn)教學(xué)效果欠佳的情況。

（三）過(guò)度依賴(lài)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，弱化團(tuán)隊(duì)的交流合作。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)，因其便利性與低成本的特點(diǎn)，多采用“一人一機(jī)”的教學(xué)方式。這種方式雖然能夠使每個(gè)學(xué)生個(gè)體得到最大限度的動(dòng)手機(jī)會(huì)，卻削弱了團(tuán)隊(duì)間的直接交流，不利于團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，不利于團(tuán)隊(duì)間的交流與合作，不利于學(xué)生社會(huì)能力的培養(yǎng)。

（四）教師引導(dǎo)不善，容易使學(xué)生養(yǎng)成不良的職業(yè)行為習(xí)慣。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)的差異，決定了學(xué)生在虛擬環(huán)境中容易產(chǎn)生偏離現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為。例如：電工課程的虛擬實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，因?yàn)闆](méi)有現(xiàn)實(shí)操作的危險(xiǎn)性，容易滋養(yǎng)學(xué)生恣意妄為的行為習(xí)慣，這種習(xí)慣帶到現(xiàn)實(shí)操作中，其后果無(wú)疑是非常嚴(yán)重的。這種情況在高職機(jī)電類(lèi)其他專(zhuān)業(yè)課程的虛擬實(shí)訓(xùn)中普遍存在。

三、提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中應(yīng)用效果的對(duì)策

（一）提高專(zhuān)業(yè)教師的素質(zhì)，大力推進(jìn)高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程改革。高職院校應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)時(shí)的機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)體系和教學(xué)模式進(jìn)行改革，進(jìn)行基于工學(xué)結(jié)合的高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)。專(zhuān)業(yè)教師要能夠使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建基于企業(yè)真實(shí)工作過(guò)程的、真實(shí)模擬從業(yè)人員生產(chǎn)活動(dòng)的虛擬環(huán)境。這需要專(zhuān)業(yè)教師能夠熟練地掌握虛擬平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和使用方法，引導(dǎo)學(xué)生解決虛擬實(shí)訓(xùn)過(guò)程中所碰到的問(wèn)題，使學(xué)生能更好地融入到真實(shí)的工作情境當(dāng)中。

（二）引進(jìn)開(kāi)發(fā)更具開(kāi)放性、真實(shí)性環(huán)境的虛擬平臺(tái)。高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)高度實(shí)踐性的特點(diǎn)，決定了這類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程不能脫離企業(yè)真實(shí)的工作過(guò)程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為基于工作過(guò)程的高職項(xiàng)目教學(xué)體系的有益補(bǔ)充，越貼近真實(shí)的工作環(huán)境，越能為教學(xué)提供有力的支持。這就要求高職院校在引進(jìn)和開(kāi)發(fā)機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程虛擬教學(xué)平臺(tái)時(shí)，進(jìn)行充分地調(diào)研，了解高職機(jī)電專(zhuān)業(yè)學(xué)生從業(yè)的崗位要求，合理地選擇教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式。在這個(gè)過(guò)程中，教師應(yīng)該充分考慮高職學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)、學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)習(xí)慣，以便選擇適當(dāng)交互方式和呈現(xiàn)手段。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠有效地降低高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果，但它不能完全代替現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)踐操作。這對(duì)于注重學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)的高職教育而言，是一個(gè)不足。因此，應(yīng)當(dāng)理順虛擬實(shí)訓(xùn)和實(shí)操實(shí)訓(xùn)之間的關(guān)系。首先，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)操實(shí)訓(xùn)應(yīng)該是一個(gè)互補(bǔ)的關(guān)系，實(shí)操實(shí)訓(xùn)不方便實(shí)現(xiàn)的教學(xué)。如存在一定職業(yè)危害的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，為把職業(yè)危害降到最低，可以先利用虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練的方式加以實(shí)現(xiàn)；成本巨大的實(shí)操實(shí)訓(xùn)，也可以采用虛擬實(shí)訓(xùn)的方式先行替代。其次，融入關(guān)系。將高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方案，基本上都融入了虛擬現(xiàn)實(shí)的訓(xùn)練方案。最后，順序關(guān)系。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展高職機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)時(shí)，要讓虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練在前，實(shí)際操作在后。利用虛擬實(shí)訓(xùn)初步獲取必要的理論知識(shí)和操作經(jīng)驗(yàn)，然后通過(guò)實(shí)際操作培養(yǎng)面向生產(chǎn)實(shí)際的職業(yè)技能。