交互式虛擬操作訓練系統在職業教育中的應用實例

楊南粵

（廣東技術師范學院 廣東 廣州 510665）

職業教育要培養具有較強實踐能力的應用型、技能型、工藝型人才，以滿足技能型、應用性職業崗位的需要。為提高學生的動手操作能力，各職業院校在場地、設備、師資方面加大投入，務求使學生有更多實訓的時間和機會。然而，實訓教學資源和經費緊張仍是各個院校亟待解決的問題。隨著計算機軟件、硬件的發展，教育信息化建設的不斷深入，虛擬和仿真技術在職業院校得到了廣泛的應用。利用虛擬現實技術構建虛擬操作訓練平臺，為學生提供更多的實操機會，是有效解決棘手的教學資源、經費不足等問題的途徑之一。

在教學過程中，有效的雙向互動，將使學生更有效地積極地建構自己內在的知識表象和知識結構。西方教學互動理論認為，互動有三種主要形式：學習者與內容的互動；學習者與教學者的互動；學習者與學習者的互動。無論哪一種形式的互動，只要有效地提高互動水平，就可以有效地提高教學效果。因此，構建交互式虛擬操作訓練平臺，為受訓者營造一個較高水平的雙向互動學習環境，能極大地提高學習效率和教學效果。特別是一些專業工種技能訓練，如危險項目的實訓、高精密設備或系統的拆裝訓練、機械加工訓練和電路性能測量等，受訓者如能在交互式虛擬操作訓練平臺上進行雙向互動學習，可以克服現場實操訓練成本昂貴、危險性大、難以重復等不足，取得傳統教學方式無法取得的效果。

以下是利用虛擬現實軟件、多媒體軟件等，開發的一些交互式虛擬操作訓練系統，為職業院校學生開展探究式學習、自主學習和個性化學習構建了新型的實訓教學平臺。

基于學習者—內容互動的虛擬操作訓練系統

在這種互動方式中，學習者通過與學習內容的智力互動過程，產生理解力、知識以及認知結構等的變化。具體而言，就是受訓者通過鼠標、鍵盤等與計算機生成環境中的各種對象進行交互作用，參與到仿真系統中，接受仿真系統提供的各種感觀信息，經過判斷和決策對訓練系統進行操縱和控制。

例如， 用Eon Studio、VC++等開發的交互式虛擬車床變速箱仿真系統如圖1所示。受訓者通過鼠標點擊界面上的 “情況 i”（i=1，2……），可以使滑移齒輪移動，與不同的齒輪嚙合，獲得不同的傳動比，使輸出端輸出不同的速度，達到變速和調速的功能。受訓者還可以通過鍵盤交互，控制電動機軸的正轉和反轉，使輸出端改變轉動方向。

圖1 交互式虛擬車床變速箱仿真系統示意圖

圖2是閥體的虛擬裝配系統。受訓者可以用鼠標操縱閥體，進行360度全方位地觀看其外型結構。還可以通過鼠標由外到內，逐層點擊閥體，使閥體一層地一層地展示內部結構和裝配關系，如圖2（a）。如果直接點擊界面左上角的小視圖，閥體可以一次性展示內部所有零部件的結構關系，如圖2（b）。同樣，通過鼠標操作，可以實現被拆部件的回裝，是可逆的過程。

圖2（a） 閥體的虛擬裝配系統示意圖

圖2（b） 閥體的虛擬裝配系統示意圖

在這種交互式虛擬操作訓練系統中，受訓者不是被動地看、聽和接受所提供的內容，而是能夠以各種形式 （鼠標或鍵盤）操作虛擬模型，參與到教學對象的發展變化過程中去。同時，計算機能根據受訓者的操作信息調整虛擬環境改變呈現內容，從而導致呈現環境與內容的變化，及時實現受訓者—內容的互動，使受訓者獲得更深刻的體驗，更好地理解、驗證各種概念和各種難點，掌握新知識、新技能，建構知識結構，達到有效的學習、訓練效果。

基于學習者—教學者互動的虛擬操作訓練系統

在互動過程中，教學者向學習者呈現信息或展示技能等，然后教學者組織學習者應用所獲得的知識或技能，接著教學者組織評價學習者是否取得成效，并決定是否要改善工作策略。最后，教學者為每位學習者提供咨詢、幫助和鼓勵。

利用交互式虛擬操作訓練系統進行教學，教師能隨時采集各種媒體信息，采集學生的反饋及控制信息，即時處理加工和演示信息，從而使教師能夠及時改善工作策略，幫助學習者確定學習策略，引導學習者主動參與操作訓練，獲取、加工信息，建構知識，掌握技能。在虛擬現實系統中，教師也可以學習者的身份進入虛擬學習環境，與學生共同協調學習，形成和諧、互動合作的教學關系，進一步調動學生的積極性與主動性，使教與學在和諧的環境中更好地完成。

利用 Eon Studio、Flash、VC++等搭建的探究性虛擬情景學習平臺就是一種面向學習者—教學者的交互式虛擬操作訓練系統，支持受訓者的自主探索學習和訓練。受訓者首先要設定培訓目標，擬定基本訓練思路，然后，進入對應的虛擬情景學習，與實驗平臺進行探究式的操作訓練，逐步學習，不斷總結，形成自己的見解和完成要求的操作訓練任務，提交到虛擬學習平臺的數據管理模塊。系統自動記錄受訓者的操作過程和結果，作為進行個性化學習評價的依據。指導教師調用、重現受訓者的探究式學習過程，并對其結論和最終操作進行評價，提出疑問或建議，通過系統反饋給受訓者。受訓者再根據這些意見進一步改進知識架構，提高操作技能。例如，在圖3所示的電聲工程虛擬操作教學平臺下，受訓者通過鼠標點擊揚聲器圖標，在彈出的控制面板上調整不同混響時間及混響音量大小，讓虛擬人物在室內自動轉圈或用鼠標控制行走，感受混響效果；再通過調整室內裝飾材料（改變吸聲系數）、混響時間等聲特性參量進行室內音質評價。系統自動記錄受訓者的操作過程和結果，給出評價，受訓者通過這些反饋意見調整自己的操作方法，掌握技能。

圖3 交互式電聲工程虛擬操作教學平臺示意圖

虛擬學習環境能呈現多維度信息，調動學習者的多感官參與，使學生能獲得最大的控制和操作整個環境的自由度，充分調動學生的學習積極性和興趣；而虛擬化、故事化的學習內容導入和虛擬操作環境，又可以充分發揮學生的想象力，使學生能進行創造性的學習，使學習者能更好地了解學習的成效，促進自我連續學習。

如圖4所示的激光內雕機虛擬操作訓練系統，受訓者在虛擬環境里學習如何操作激光內雕機，在玻璃方塊里雕刻出各種立體圖案、花紋。受訓者通過鼠標和鍵盤與虛擬內雕機進行互動操作。系統會根據受訓者的操作步驟給出不同的虛擬操作結果和評價，指導受訓者改進自己的操作，完成探究性自主訓練。

圖4 交互式激光內雕機虛擬操作訓練系統示意圖

由上可見，交互式虛擬操作訓練系統提供情景化、虛擬化、交互性的操作訓練環境，師生之間變得易于溝通和交流，教師能及時根據反饋信息改變教學策略，學生又能最大限度地進行自主性、探究性、創造性的學習，從而使學習者—教學者的互動合作關系上升到一種新的境界。

基于學習者—學習者互動的虛擬操作訓練系統

學習者與學習者之間通過協作與對話共同進行學習資料的搜集與分析、假設的提出與驗證、學習成果的評價等，可使每個學習者的思維成果為整個學習群體共享。虛擬現實系統的網絡化所創建的學習環境，可使多個學習者共處于一個虛擬環境中進行探討交流、相互合作與交流。學習者可在虛擬環境中共同操作完成某項試驗，共同以各種形式參與到事件的發展變化過程中并扮演不同角色，從而直觀地觀察和了解到學習者在掌握知識和技能過程中的各種學習方法、思維方式和熟練程度，指出學習者在學習過程中存在的問題和缺陷，達到掌握知識和技能、共同提高的目標。

隨著計算機技術的發展，虛擬現實已能夠由互聯網建立一個可供多用戶同時異地參與的分布式虛擬環境，使處于不同地理位置的用戶進入同一個虛擬世界，“在一起”進行交流、學習、研討、訓練，協同完成同一件比較復雜的產品設計或進行同一艱難任務的訓練。

通過Eon Studio的網絡發布功能，可把交互式虛擬操作訓練系統上傳到網頁瀏覽器，并建立一個學習網站，使位于不同地點的受訓者可以進入同一虛擬環境進行操作訓練，不受地域、時間的限制，并且學習者之間可以通過網站上的BBS進行交流、探討，互相幫助解決虛擬訓練中遇到的問題，共同進步。借助如圖5所示的變速機構學習網，異地學習者可以通過網頁進入虛擬汽車變速環境進行交互式操作，了解和學習變速機構的原理和功能，對于疑難問題，可以通過網站論壇進行切磋交流。

圖5 交互式虛擬操作訓練網站示意圖

網絡化虛擬操作訓練環境創設了一個交互性、合作性學習的教育氛圍，使學習者能共同協作學習和訓練，在合作化的學習中創造性地解決所面臨的困難和問題。

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