中職虛擬實驗平臺的設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用*——以計算機(jī)組裝與維修課程為例

◆荊飛飛 張召霞 胡航

作者：荊飛飛、胡航，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)信息技術(shù)工程學(xué)院；張召霞，棗莊市立新小學(xué)。

虛擬實驗技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展以及學(xué)科交叉融合，其在職業(yè)教育領(lǐng)域的應(yīng)用正在興起。

1 虛擬實驗平臺設(shè)計

1.1 學(xué)習(xí)者特征分析

1）多元智力類型。根據(jù)多元智能理論，利用多元智能自我評估表，研究對天津中華職專、天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院、天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院3所學(xué)校高職二年級計算機(jī)應(yīng)用專業(yè)228名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。每份調(diào)查問卷中有64道題，每種智力類型設(shè)置8道題，每題1分，選擇就得1分，不選0分。利用SPSS對實驗數(shù)據(jù)輸入與整理，生成表格，如表1所示。

表1 職業(yè)學(xué)生多元智力類型分布

從學(xué)生智力發(fā)展總體發(fā)展趨勢來看，實驗對象在智力發(fā)展類型分布中的音樂韻律能力、視覺空間能力以及自我觀察方面有著優(yōu)勢，而在言語語言、數(shù)理邏輯、人際交往方面還存在發(fā)展的空間。這也就是說，職業(yè)教育學(xué)習(xí)者主要具有形象思維的特點(diǎn)，而通常形象思維較強(qiáng)的人，能夠較快地掌握經(jīng)驗性和策略性的知識，對陳述性的理論知識卻相對排斥。這并非職業(yè)學(xué)校學(xué)生的弱勢，而恰恰是其優(yōu)勢所在。

2）學(xué)習(xí)風(fēng)格。研究根據(jù)學(xué)習(xí)風(fēng)格的3種典型分類方法（視覺型、聽覺型和動覺型），利用學(xué)習(xí)風(fēng)格測量表，對上述實驗班學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，每份問卷設(shè)置24道題，每題3個選項（分別是經(jīng)常、有時、很少），分值設(shè)置分別是5、3、1分。利用SPSS統(tǒng)計數(shù)據(jù)，生成餅狀圖，如圖1所示。

圖1 職業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格分布圖

從學(xué)生調(diào)查情況來看，中職的學(xué)生更喜歡通過視覺刺激以及動覺來達(dá)到好的學(xué)習(xí)效果。視覺型學(xué)習(xí)者的典型特征是通過視覺刺激手段接受信息，直觀形象的視覺材料能在學(xué)習(xí)者腦海里形成清晰的視覺表象，使其具有用此感官學(xué)習(xí)的優(yōu)勢；動覺型學(xué)習(xí)者的主要特征是喜歡動手嘗試，他們樂于在“做中學(xué)”，往往在操作性技能的學(xué)習(xí)中表現(xiàn)突出。

以上從職業(yè)教育學(xué)生智力類型發(fā)展、學(xué)習(xí)風(fēng)格等層面對學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)進(jìn)行分析和定位，在整個虛擬實驗設(shè)計過程中，對如何選取教學(xué)內(nèi)容、選擇合適的媒體以及交互的總體設(shè)計將起到指導(dǎo)作用。

1.2 職業(yè)教育教學(xué)分析

基于工作過程導(dǎo)向的課程開發(fā)逐漸成為職業(yè)教育學(xué)與教的發(fā)展方向。計算機(jī)組裝與維修課程即是典型的以工作任務(wù)為基礎(chǔ)、以工作過程為導(dǎo)向、以項目教學(xué)為典型表現(xiàn)形式的任務(wù)引領(lǐng)式學(xué)習(xí)領(lǐng)域課程。

1.3 功能模塊設(shè)計

依據(jù)對中職計算機(jī)組裝與維修課程的分析，結(jié)合中職學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，本文選擇適合虛擬實驗教學(xué)的硬件組裝部分為例，通過創(chuàng)設(shè)3個實驗情境促進(jìn)學(xué)生理論與實踐技能的發(fā)展。整個虛擬實驗平臺各個模塊設(shè)置如圖2所示。

1）實驗指導(dǎo)。實驗平臺首先強(qiáng)調(diào)實驗的目的性，這里分別對實驗?zāi)康摹?nèi)容及平臺操作進(jìn)行說明，該模塊主要以文字說明為主，目標(biāo)明確，內(nèi)容簡潔有條理。

圖2 虛擬實驗平臺功能模塊

2）模型介紹。實驗平臺為學(xué)生提供一定的組裝知識基礎(chǔ)，即計算機(jī)各硬件的外形特點(diǎn)、分類、安裝技巧等。學(xué)生通過對模型直接操作如放大、分離、旋轉(zhuǎn)、拖拽等，對組裝部件進(jìn)行三維整體與部分的認(rèn)識。

3）組裝演示。針對學(xué)生對視頻和動手操作的不同需要，分別設(shè)置視頻演示與有序組裝的動畫演示。所謂有序組裝是指組裝實驗中，一些零件存在相互影響的關(guān)系，必須按照一定的順序進(jìn)行安裝。該動畫演示是根據(jù)實驗指導(dǎo)的安裝步驟進(jìn)行的一般有序安裝，學(xué)生點(diǎn)選相應(yīng)的模型后即可根據(jù)自己的喜好，選擇觀看視頻或動畫演示。同時針對組裝過程中的演示細(xì)節(jié)如CPU拉桿拉起呈90°，在實驗場景中加入主板視角、整體環(huán)繞視角等不同觀察角度切換，使學(xué)生在三維空間內(nèi)的學(xué)習(xí)更加靈活。

4）虛擬組裝。虛擬組裝模塊是中職學(xué)生動手實踐的主要場景，也是本虛擬實驗重點(diǎn)設(shè)計模塊。計算機(jī)硬件組裝過程中具有一定的有序性與無序性。所謂無序組裝是指在實驗過程中，部分零件之間無必然關(guān)系，可自選安裝順序，強(qiáng)調(diào)組裝的靈活性。在提高學(xué)生創(chuàng)新與思考的同時，需給予學(xué)生必要的組裝引導(dǎo)，并對組裝結(jié)果提供及時反饋，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果。

5）實驗測試。實驗測試是測試學(xué)生在虛擬實驗學(xué)習(xí)后的結(jié)果，不僅僅是幫助學(xué)生了解自己的學(xué)習(xí)情況，調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度的一個依據(jù)，而且是學(xué)生能否進(jìn)入現(xiàn)實實驗的一個關(guān)口。

1.4 開發(fā)工具選取

根據(jù)對虛擬實驗平臺總體性能的分析，該虛擬實驗平臺選擇PC機(jī)作為該平臺的開發(fā)平臺，涉及的開發(fā)工具有圖形圖像處理工具、視頻處理工具、建模工具、虛擬現(xiàn)實交互工具四大類，主要包含Photoshop、Premiere、3DS Max、Virtools等工具。

2 虛擬實驗平臺開發(fā)

在虛擬實驗平臺設(shè)計的基礎(chǔ)上，實驗平臺開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 虛擬實驗平臺開發(fā)流程圖

2.1 素材準(zhǔn)備

在計算機(jī)組裝與維修組裝實驗中，需要收集整理的素材包括實驗各個零件基本文字介紹、圖像，各個零部件組裝演示視頻，以便后面三維模型貼圖以及實驗交互實現(xiàn)。除此之外，應(yīng)結(jié)合前期對實驗功能模塊的分析，對整個實驗平臺的界面進(jìn)行設(shè)計，包括實驗背景、交互鏈接、反饋提示等。

2.2 模型創(chuàng)建

創(chuàng)建的模型是學(xué)生直接操作的對象，在硬件組裝實驗平臺中需要創(chuàng)建的模型包括CPU、CPU風(fēng)扇、內(nèi)存條、主板、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、主機(jī)箱等零件。為了降低硬件需求，在模型創(chuàng)建完畢后，必須盡可能進(jìn)行優(yōu)化，從而減少面數(shù)，而此時就需要一個制作精良的貼圖來彌補(bǔ)在面數(shù)低造成的失真。最后利用Virtools提供的插件導(dǎo)出要求的格式即可。

2.3 交互制作

在Virtools中導(dǎo)入模型后，需要對模型進(jìn)行重組，創(chuàng)設(shè)模型介紹、組裝演示、虛擬組裝實驗情境。根據(jù)實驗情境的創(chuàng)設(shè)，實現(xiàn)實驗平臺界面與學(xué)習(xí)者之間的友好交互，實現(xiàn)各個情境中學(xué)生對模型進(jìn)行相應(yīng)操作后的交互。在整個開發(fā)過程中，需要經(jīng)過反復(fù)改進(jìn)，不斷優(yōu)化實驗平臺，在測試平臺正常運(yùn)行后，整合實驗平臺各個模塊及其相關(guān)資源，將其發(fā)布為Html格式到網(wǎng)頁瀏覽器中，完成虛擬實驗平臺的制作。

3 虛擬實驗平臺教學(xué)應(yīng)用

為了確保該平臺的實用性，了解該平臺在實際教學(xué)中的不足之處，實驗平臺在上述3所實驗學(xué)校進(jìn)行了應(yīng)用，選擇實驗對象為計算機(jī)專業(yè)二年級三班學(xué)生共228人，教學(xué)內(nèi)容為計算機(jī)組裝與維修硬件組裝模塊。上課地點(diǎn)為學(xué)校多媒體機(jī)房，該機(jī)房配有交互式電子白板等多媒體設(shè)備。

3.1 研究方法

為了了解學(xué)生對該計算機(jī)組裝虛擬實驗平臺的真實感受，研究制定了關(guān)于計算機(jī)組裝虛擬實驗使用情況的調(diào)查問卷表。本問卷采用匿名的形式，向二年級4個班發(fā)放，共回收221份問卷。利用SPSS分析匯總。同時，研究運(yùn)用訪談法對20名學(xué)生進(jìn)行訪談。

3.2 教學(xué)分析

為了對教學(xué)過程進(jìn)行定量和定性的分析和評價，判斷課堂教學(xué)屬性，研究采用S-T分析方法對整個教學(xué)過程進(jìn)行分析。在本次教學(xué)應(yīng)用中，收集到課堂教學(xué)過程錄像資料課長共計45分鐘，設(shè)定采用周期為20秒，得到S-T數(shù)據(jù)序列，如圖4所示。

圖4 課堂教學(xué)的S-T數(shù)據(jù)序列圖

在教學(xué)過程中，行為的采樣數(shù)為N，T行為數(shù)為Nt，S行為數(shù)為Ns。N=135，Nt=64，Ns=71，教師行為占有率Rt：Rt=Nt/N=64/135=0.47。學(xué) 生 行 為 占 有 率Rs：Rs=Ns/N=71/135=0.53。相同行為的連續(xù)，即數(shù)據(jù)中的連數(shù)g，g=43。師生行為轉(zhuǎn)換率（即師生互動）Ch：Ch=(g-1)/N=(43-1)/135=0.31。繪制S-T圖與Rt-Ch圖，分別如圖5和圖6所示。根據(jù)ST分析結(jié)果，可以看出這節(jié)課屬于混合型教學(xué)模式。較高的學(xué)生行為占有率說明在虛擬實驗平臺中可以較好地發(fā)揮學(xué)生作用，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。同時，教師行為轉(zhuǎn)換率在0.3以上，說明教師在虛擬實驗教學(xué)中能夠積極有效地對學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)。

圖5 S-T圖

職業(yè)教育虛擬實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)以項目為明線，以分析完成新項目需要項目案例、學(xué)習(xí)和參考的實踐方法、實踐規(guī)則、實踐標(biāo)準(zhǔn)、實踐情境、實踐理論為暗線進(jìn)行組織。教師和學(xué)生可以通過該平臺自由地做實驗，形成多元的資源整合。

該系統(tǒng)在基于學(xué)習(xí)者本體、課程本體和領(lǐng)域知識本體的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)習(xí)者特征描述、學(xué)習(xí)過程記錄、學(xué)習(xí)狀態(tài)描述進(jìn)行語義處理，動態(tài)地向?qū)W習(xí)者主動提供學(xué)習(xí)內(nèi)容或?qū)W習(xí)案例，實現(xiàn)具有主動化特征的學(xué)習(xí)服務(wù)功能。

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