基于三維虛擬現實的實訓教學研究

倪葉青

[中圖分類號]TP391.9 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3089（2017）12-0036-02

一、三維虛擬實訓應用現狀

國家教育信息化十三五規劃和浙江省高等教育“十三五”發展規范都提出深化信息技術與教育教學、教育管理融合發展.其中浙江省高等教育“十三五”發展規范提出全面推進智慧教育，建設浙江省高校虛擬仿真實驗實訓平臺，提供遠程實驗實訓指導和教學服務。高等職業技術教育的培養目標是為生產、服務和管理第一線培養高層次實用人才。實訓教育教學是將業務實訓貫穿于教學始終的一種教學方法，實訓基地是與這種教學配套的實踐教學場所。實訓教育是體現高職教育的特色和自身優勢重要優勢，然而各高職院校在實訓建設項目中都遇到了如實訓教學和實際工作需要的脫節、實訓教學設備資源的緊缺和實訓資源的不開放、實訓環節具有危險性等情況；同時實訓設備的高投入也讓學校背負沉重經濟負擔。在另一方面，學生在實訓教學中容易出現興趣缺乏等情況，或者由于條件限制，同學難于得到充分的實訓機會情況也不乏少見。

現代學習理論強調學習的過程是人與環境相互作用的過程，知識必須基于真實的學習情景呈現。虛擬現實技術是繼多媒體技術、網絡技術之后又一門嶄新的技術，在為學習者創建仿真的學習情景方面有著不可替代的積極作用。基于三維虛擬現實的實訓教學采用游戲化教學，可以提高學生主動學習的積極性，滿足學生的技術實踐需求，從而突破傳統教學的局限}生，培養更多的技術性人才，進而提高學生的創新、創業能力，解決實訓教育質量及效率低的問題，促進傳統實訓模式的轉變與創新，推進互聯網信息技術與傳統教育教學的深度融合。

二、統一入口教學模式虛擬實訓教學模式

EVC虛擬校園統一入口教學模式突出用戶創造內容（UGC），全體師生員工以統一客戶端的公共虛擬現實空間。在虛擬現實空間中，用戶可更具預先設置，實現對汽車中控儀表臺各功能部件認知；并能通過虛擬操作，實現相應功能部件的對應功能。同時在虛擬世界中已建立物流碼頭實訓基地，該實訓基地以寧波港為背景，在平臺上搭建虛擬寧波港實訓基地。包括：大型船舶、岸吊、堆場、商務樓和調度室、閘口以及相關的配套設施。展示以集裝箱為貨物的運輸過程，實現裝船和卸船流程。提供龍門吊、岸吊、汽車虛擬實訓產品，供師生用戶仿真模擬操作。師生用戶通過港口物流虛擬實訓系統進行實訓操作，既解決了大型設備和場地實訓的資源稀缺性和人員安全管理難題，也提高了學生用戶的使用興趣，真正做到了“玩中學”，提高了對港口物流操作的直觀感受。也為學生用戶今后進一步的實地實訓打下良好基礎，提供平滑過渡。

EVC虛擬校園服務器統一入口教學模式采用C/S架構，包含客戶端和服務器端。服務器端部署采用分布式架構，包含兩組六大類服務器，其中用戶服務器、網格服務器、物品服務器、庫存服務器和消息服務器為公共應用服務組，而島服務器根據具體場景配置需要，可靈活配置數量，所有用戶及服務器配置、狀態及其他屬性都存入數據庫持久保存。這種高度模塊化的架構，使系統在具有高度靈活性、可擴展性的同時，兼具性能可靠性強和服務負載均衡容易等特點。

三、分專業虛擬實訓教學模式

EVC虛擬校園分專業虛擬教學模式目注重分析教師和學生實際需求，以“學”、“教”有機結合為基礎，在學生自主學習的平臺中，突出三維虛擬實訓教學特有的沉浸感、真實性、交互性和構想性。

同時，在該模式設計中引入大數據思維，注重實訓實驗數據的收集與分析，教師可以將學生的實訓數據作為教學分析和教學模式改進的有力依據，改變以往只以教學模塊和知識點作為實訓、教學考核點的模式，通過實訓數據真實分析教學難點和重點，在“學”、“教”基礎之上更做到“析”，以更好的為教學服務，為師生服務。如汽車電控發動機故障診斷虛擬實訓系統突出我校在汽車電控發動機維修方面的優勢經驗和積累，主要為了解決學生應試和動手能力的脫節問題，實現對發動機及檢測臺的三維仿真、并將OBD診斷數據庫、發動機元件庫、檢測工具庫、故障檢測數據庫、故障原因庫、修理知識庫等囊括于實訓系統中，與學校汽車檢修臺架緊密結合，涵蓋實習了汽修專業教學中中間的13類故障，以及100多種故障原因。圖3汽車電控發動機檢修虛擬實訓與酒店前臺與客房虛擬

實訓

酒店前臺與客房虛擬實訓系統則虛擬構建一個“虛擬的酒店”。該虛擬酒店包括真實酒店的基本要素，通過該系統可以進行前臺服務、酒店前臺布局設計、客房服務、房型、房態、房價、入住、退房等流程的模擬實訓，學生即可通過實訓系統實習自主學習，也可進行相應自動化考核，教師則可以對實訓結果進行可視化數據管理與分析。

四、兩種模式的虛擬實訓教學對比研究

浙江經濟職業技術學院在基于三維虛擬現實的實訓教學模式探究中，采用了統一入口教學模式與分專業虛擬實訓教學模式兩種模式并存的方式。

統一入口教學模式采用OpenSim及類Second Life模式，該平臺下的開放互動特性決定了其非常適用于有特定流程的教學實訓活動，SecondLife其第二人生的特點即是讓用戶在三維游戲世界中體驗現實世界中暫時不能實現的自我，其核心理念“用戶創造內容”非常符合發揮學生用戶的主動性和創造性，對于設計類、程序類課程有著非常大的優勢。但由于openSim（second Life）的游戲模式較復雜，也讓師生用戶反饋其學習曲線陡峭，往往讓用戶在學習系統操作上花費了太多時間，反而失去了對本該重視的實訓教學環節的聚焦，也曾有用戶反饋類似SecondLife模式是考驗用戶技術；再者隨著這幾年Second Life（OoenSim）在商業上的落寞，其開發者在技術上的停滯不前，用戶界面的粗糙對該模式用戶的使用體驗都是較大的調整。

分專業虛擬實訓教學模式聚焦于具體專業或課程，其部署、實施、操作都會針對具體客戶具體設計，故該模式的上學習曲線平緩，實訓教學內容精密圍繞課程設計；學生在實訓教學中的操作和步驟都是收到預先設計和控制的，較易體現教學者的實訓教學思路。該模式能最大程度地滿足專業教學的需要，為專業教學提供最優的輔助教學手段，是該實訓系統模式建設的最基本目的。在實訓系統的運行、使用和費用上有著自己的優勢，但是對于發揮學生用戶創造性與主動性方面，則相較與統一入口教學模式稍差，且其游戲趣味性也會隨之減弱。

五、不同專業虛擬實訓教學思考

1.流程類實訓學習探索與思考

有特定流程的教學實訓活動其類似RPG（角色扮演）游戲的闖關模式特性決定了其非常適用于游戲化教學。在充分針對這類實訓教學調研分析，判斷實訓教學中的難點和關卡，提取出相關用戶痛點，則非常有利基于三維虛擬現實的實訓教學模式實踐。如果針對流程類關卡中的實訓數據進行采集、加工、分析，以大數據的思維去看待實訓教學，則更有利于教師分析學生實訓情況和對實訓情況進行教研分析。當然，如果流程類實訓教學模式需要實現多人互動，則是該類實訓的難點，需要考慮和協調的難點更多。當然，流程類實訓最重要的還是對教學模式和教學環節設計的研究分析。

2.計算機創新類實訓學習探索與思考

針對計算機創新類實訓學習，則可將計算機專業三維建模，動畫設計，程序設計等課程有機結合，設置可以將控制技術相關知識融合其中，如浙江經濟職業技術學院虛擬校園實訓平臺（EVC）本身具有的強大的開發工具可以供計算機類學生一個非常優秀的建模及動畫設計實訓平臺，通過平臺可以實時展現學生實訓設計作品并進行評價。而其腳本語言一林登腳本語言（LSL）的語法和PHP類似，方便師生掌握，可供學生進行程序設計課程實訓，并能和建模成果結合提供良好的展現平臺。

3.沉浸類實訓學習探索與思考

對于語言類和導游類的實訓教學，虛擬實景有著非常大的優勢，自由，安全，廉價都有著其他實訓難于達到的優勢；同時，如能結合增強現實（AR：Augmented Reality）的應用，則會有更好的用途和實現效果，能實現更多實際實訓無法達到的效果并提供用戶良好體驗，并能擁有良好的社會效益和經濟效益。

4.模擬仿真類實訓學習探索與思考

在EV實訓平臺的實踐探索過程中，我們也發現如對于一些機械類和汽車類這樣的機器模擬、仿真類實訓教學中，這類模擬仿真類實訓教學更要求的是一個“真”而對師生互動要求不高，所以更適合分專模式三維實訓教學模式，更有利于師生用戶聚焦操作與模擬仿真，并利于對專用設備的實訓實驗數據采集分析。

六、基于三維虛擬現實的實訓教學模式展望

隨著國家教育信息化十三五規劃和浙江省高等教育“十三五”發展規范都提出深化信息技術與教育教學、教育管理融合發展.特別是如浙江省高等教育“十三五”發展規范提出全面推進智慧教育，建設浙江省高校虛擬仿真實驗實訓平臺的規劃提出，虛擬實訓教學模式必將是“十三五”建設期間的明星技術和產業，特別是隨著AR技術MR技術的火爆與日趨陳述，開發成本的降低，開發模式的成熟，基于三維虛擬現實的實訓教學模式必將快速進入各個學校、各位老師和同學的實訓環節，在實際使用和開發中，必須要注意的是：1、開發模式的選擇，基于三維現實的實訓教學模式并不成熟，采用什么方式，如何與實訓教學環節向匹配，更好的突出實訓教學目的，以便學生真正掌握實訓技能，縮短實際實訓間隙是首要選擇因素。2、實訓教學設計是三維虛擬現實實訓教學的根本，脫離了具體教學環節的設計，則任何技術都是無本之木，無源之水，不能為建而建，畢竟基于三維虛擬現實的實訓教學模式費用并不低，需要有所區分和篩選。3、需要結合物聯網和大數據技術。任何實訓教學設計脫離了數據，則對于教師來說是無法掌握學生實訓教學的實際情況的，對于學生自我實訓的反饋也是不利的，所以我們在基于三維的虛擬實訓教學模式設計中，注重以大數據的視角去開發、設計相關實訓教學，同時注重物聯網技術的應用，以數據化管理為控制環節去管理實訓教學，則能帶來更好的實訓教學效果，對于學生自我實訓與學習也能帶來更好的效果。