虛擬現實技術在高校實踐教學中的應用研究

李小林　徐劍坤　潘程奇

摘要：本文在對虛擬現實技術和實踐教學分析的基礎上，結合將虛擬現實技術應用于實踐教學的實施過程分析，構建了虛擬現實技術在高校實踐教學中三層應用模式，最后結合安全應用分析了虛擬現實技術在學生實踐教學中的應用過程和實施效果，拓展了學生參與企業實踐的途徑，提高了實踐教學的效率和效果。

關鍵詞：虛擬現實；實踐教學；模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）06-0140-02

一、前言

虛擬現實技術（Virtual Reality Technology，VR），是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供用戶關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的三維世界視頻傳回產生臨場感。目前，虛擬現實技術已廣泛地應用于教育、軍事、工業制造、醫療等眾多領域，為行業發展提供切實可行的解決方案。特別是在教育領域，虛擬現實技術不僅可以靈活生動地展現教學內容，還可以通過場景模擬，為學生定制類真實的實踐環境，這為高校實踐教學的開展提供了新的途徑。

實踐教學一直是高校提高學生專業知識應用能力、培養學生分析創新能力的重要教學過程。我國教育部對專業學位學生的培養目標定位為培養掌握某一專業（或職業）領域堅實的基礎理論和寬廣的專業知識，具有較強的解決實際問題的能力，能夠承擔專業技術或管理工作，具有良好的職業素養的高層次應用型專門人才。而現階段，我國大學生在實踐的過程中經常會遇到企業由于缺乏規范而又完善的實習措施，學生實習期間的無人管理和安全問題；高校對學生實踐管理不靈活，評價體系不規范等一系列問題，使得學生在實踐過程中的表現效果并不理想。如何提高學生實踐能力，培養出適應社會需要的高素質人才是各高校對學生實踐教學改革的重中之重。

本文結合虛擬現實技術的實施過程，給出其應用于實踐教學的模式體系，以提高學生的專業技能和實踐能力的培養，提升實踐教學質量。

二、虛擬現實技術應用于實踐教學的實施過程分析

虛擬現實技術基于計算機仿真、人機交互、傳感器等技術，生成類真實的環境，為用戶提供一個沉浸式的、可交互的模擬系統，以特有的浸沉感、交互性和構想性提高用戶的代入感和參與度。實踐教學的核心之一就是學生對生產實踐的參與。通過直接參與生產，可以讓學生從各個感觀通道收集信息，并結合所學專業知識激發邏輯性和創新性的思考，實現理論知識到實踐應用的轉化。

將虛擬現實技術應用于實踐教學首先需要硬件體系與軟件環境的支持。目前各類虛擬現實硬件設備已經得到快速的發展，包括建模設備；視覺顯示設備，如投影、頭盔等；聽覺、觸覺、味覺等感知設備；交互設備，如動作捕捉、眼動儀、力反饋等。這些硬件設備的完善發展為創建合適的實踐教學環境提供了基本的技術保障。

在軟件方面，基于B/S和C/S的軟件體系可以很容易滿足和實現企業與高校之間的信息數據傳輸要求及相應功能。通過物聯網技術將企業生產、管理數據收集并實時傳輸到高校可以極大地增強了虛擬現實應用的即時性。這些即時數據與模型化后的生產場景一起形成時變的虛擬現實場景，為學生提供了實時高效的真實交互，使得學生通過虛擬現實平臺參與企業實踐成為可能。

三、虛擬現實技術應用于實踐教學模式

虛擬現實應用于實踐教學的實現依托于一定的軟硬件體系，根據抽象層次，可以分為企業層、平臺層和實踐層。通過三個層次的轉換，實現企業場景和生產管理數據在學校虛擬環境的重現，使得學生能夠在方便快捷地在虛擬場景中進行優化設計，完成實踐教學任務。其總體模式結構如圖1所示。

在企業層，各企業提供實際生產管理需求場景，教師完成必要的場景、數據界定和仿真環境建立。通過網絡環境，將數據傳輸至虛擬現實平臺層，在平臺層首先實現企業應用的抽象，將不同場景的數據規范整理，結合虛擬現實平臺中的模型進行應用展示。在實踐層中，學生可根據自己需要實踐的內容選擇在虛擬場景中進行相應模塊的實踐操作，如進行布局設計仿真實踐時，學生可以對虛擬場景中的物體進行重新布局并進行優化評估，實現結合企業實際情況的沉浸式實踐操作，以到達身臨其境的效果。

四、應用案例分析

以某電源開關制造企業為例，該企業車間的主要生產模式為流水線作業。由于其規模較大，廠房空間布局不合理，設備擺放不規范等因素造成流水線生產不平衡、廠內物流不通暢、在制品堆積嚴重等問題。現企業需要重新設計布局和優化物流工作，并且在其實踐學習中不能影響生產線的運作。在完成企業層的分析接洽后，需要對問題在平臺層進行抽象建模。利用3DMAX軟件及Unity3D軟件對工廠中流水線的實體進行建模，建立虛擬現實場景，要求其與真實的場景實體保證高度的相似性；通過企業ERP系統獲取企業即時的生產數據，實現生產流程的真實展現。在實踐層，學生結合虛擬仿真平臺建立的虛擬場景對企業即時數據進行仿真分析，優化現場流水線布局方案，并將結果方案與企業溝通實施，實現學生通過虛擬仿真平臺參與企業生產實踐的教學效果。其中主要部分的虛擬現實平臺層的展示如圖2所示。

將VR技術與實踐教學相結合的教學模式，可以避免學生在企業中出現無人管理和安全問題，豐富了實踐教學模式；虛擬技術營造沉浸式環境，增強學習的互動體驗性，激發學生的熱情，提升他們對于學習的渴望，發掘他們的潛力；虛擬現實的交互方式提供了傳統方式無法比擬的信息維度，讓學生獲取更豐富的資訊，更全面地了解學習對象，思考現狀并發現問題，進而提升認知世界的能力；虛擬現實有極強的互動性，但是又安全可靠，降低了學生探索學習的門檻，降低了他們害怕失敗的心理成本，為學生探索發現世界，促使他們勇于思考、勇于嘗試提供了最有力的支持，用安全有趣的方式，提高學生的探索能力。

五、結語

本文通過對虛擬現實應用于實踐教學過程的分析，建立了通過虛擬現實技術平臺讓學生參與企業生產實際的實踐教學模式。通過案例應用表明其教學模式的可行性和實現效果。虛擬現實作為一種新的實踐教學模式，提供了更為安全和快捷高效的實踐體驗和學習效果，可以讓更多的學生參與實踐并取得較好的實習質量。通過進一步建立有效的監測和評價體系，可以更有效地保障實踐教學效果的實現。

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