基于“VR+”的新工科創(chuàng)新實踐虛擬演練實驗室構(gòu)建

楊南粵, 李爭名

(廣東技術(shù)師范學院 廣東工業(yè)實訓中心, 廣東 廣州 510665)

當前世界上新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正加速進行,需要一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才[1-2]。然而傳統(tǒng)的工程技術(shù)人才培養(yǎng)方式未能適應(yīng)目前發(fā)展趨勢,迫切需要加快工程教育的改革創(chuàng)新。新工科建設(shè)要求推進信息技術(shù)和教育教學深度融合,充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實踐教學方式,為培養(yǎng)新工科人才搭建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐平臺[2-3]。因此,探索虛擬仿真等信息技術(shù)在工程實踐教學中的深度應(yīng)用,創(chuàng)新工程教育方式與手段勢在必行。

虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)是計算機圖形學、傳感技術(shù)、人機接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)融合的新興技術(shù),廣義上包含AR(增強現(xiàn)實)和MR(混合現(xiàn)實)技術(shù)。VR技術(shù)在創(chuàng)新教學方式方法上具有強大優(yōu)勢[4-5]。在新工科建設(shè)大背景下,如何推進虛擬仿真等信息技術(shù)與工程教育深度融合,創(chuàng)新工程教育方式與手段,是培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型工程科技人才亟待解決的問題。目前高校虛擬仿真實驗室建設(shè)中尚存在多學科交融性弱、與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)和創(chuàng)新自由度不足等問題,而構(gòu)建VR技術(shù)與多學科交叉融合的創(chuàng)新實踐虛擬演練實驗室是解決這些問題的有效途徑[6-8]。

1 虛擬演練實驗室建設(shè)實施

廣東技術(shù)師范學院的“廣東省教育廳高等學校虛擬演練重點實驗室——電氣工程虛擬演練實驗室”是廣東省內(nèi)較早開展虛擬現(xiàn)實科研、教學、社會服務(wù)的實驗室之一。2016—2017年,學校聯(lián)合曼恒數(shù)字、增強信息科技、飛瑞敖電子科技、新道科技等企業(yè)對該實驗室進行重構(gòu),以VR與多領(lǐng)域、多學科交叉融合創(chuàng)新為核心,構(gòu)建基于“VR+”的新工科創(chuàng)新實踐虛擬演練實驗室。該實驗室利用“VR數(shù)字媒體協(xié)同創(chuàng)新教學平臺”和“智能制造VR實驗平臺”兩大平臺以及“VR+課程”“VR+教育”和“VR+創(chuàng)造”三大模塊搭建虛擬仿真實訓體系。三大模塊內(nèi)容為：

(1) VR+課程——專業(yè)基礎(chǔ)型、專業(yè)與技能型、工程創(chuàng)新型實驗實訓課程；

(2) VR+教育——應(yīng)用集成、內(nèi)容創(chuàng)新實踐教育；

(3) VR+創(chuàng)造——創(chuàng)新創(chuàng)意構(gòu)思、虛擬仿真交互設(shè)計、虛實轉(zhuǎn)化3D打印、虛擬運作實操實訓。

通過將VR應(yīng)用到不同領(lǐng)域、學科,建立起培養(yǎng)學生多學科融合創(chuàng)新能力的工程實踐空間。兩大平臺、三大模塊相互聯(lián)系、相互促進,構(gòu)成漸進式的實踐教學環(huán)節(jié),形成多領(lǐng)域、多層次、多模塊、開放型的創(chuàng)新實踐訓練模式[9]。學生通過虛擬實踐,對創(chuàng)新活動由最初的觀摩、體驗、學習,發(fā)展到模仿、應(yīng)用、制作,最后提升到完全自主探索和主動實踐,創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力得到逐步培養(yǎng)。

目前該重點實驗室擁有先進的VR/AR/MR系統(tǒng)軟硬件設(shè)備和優(yōu)質(zhì)的企業(yè)資源,通過虛實結(jié)合的方式,多渠道、多層次加強和推進創(chuàng)新實踐教育,已形成運轉(zhuǎn)有序、規(guī)范靈活的實踐教學模式,取得了較好的效果。2017年底,該實驗室被廣東省科技廳批準為“廣東省現(xiàn)代職業(yè)教育虛擬現(xiàn)實應(yīng)用工程技術(shù)研究中心”,成為廣東省產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新的重要載體。

2 兩大平臺構(gòu)建

“VR數(shù)字媒體協(xié)同創(chuàng)新教學平臺”包括VR協(xié)同設(shè)計軟件平臺、VR數(shù)字媒體資源管理系統(tǒng)、VR多通道協(xié)同處理工作站、VR多平臺實訓系統(tǒng)和大空間定位VR顯示終端等設(shè)備,實現(xiàn)多用戶在同一VR下進行體驗與操控,實現(xiàn)協(xié)同工作與創(chuàng)新。

“智能制造VR實驗平臺”包括實時互動開發(fā)套裝、交互數(shù)據(jù)實時采集器、VR交互開發(fā)顯示一體工作站和AR/VR交互展示終端等設(shè)備,可進行交互式的虛擬設(shè)計,快速實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計理念。

兩大平臺分期建成后,通過整合虛擬環(huán)境軟/硬件,實現(xiàn)兩平臺數(shù)據(jù)互通、資源共享、協(xié)同運作,形成一體化的VR/AR/MR系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)備拓撲如圖1所示。

圖1 一體化VR/AR/MR系統(tǒng)設(shè)備拓撲圖

3 基于VR+的三大模塊構(gòu)建

3.1 VR+課程模塊

VR+課程模塊是VR技術(shù)與不同學科專業(yè)交叉融合,面向理、工、人文社科、經(jīng)管等學科的實驗/實訓/實習,構(gòu)建不同類型和不同層次的虛擬實踐課程,包括專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)與技能和工程創(chuàng)新等3個類型的課程。VR+課程的構(gòu)建原則是產(chǎn)教融合創(chuàng)新與跨學科交叉融合。

3.1.1 產(chǎn)教融合創(chuàng)新,面向企業(yè)需求

實踐教學應(yīng)該而且必須是源于企業(yè)真實崗位需求[10]。因此,在兼顧專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上,學校與企業(yè)緊密合作,聯(lián)合開發(fā)各學科專業(yè)的虛擬孿生實踐課程,將行業(yè)、企業(yè)的先進技術(shù)和優(yōu)質(zhì)工程資源(例如工程技術(shù)、產(chǎn)品標準、項目方案、質(zhì)檢案例等)融入虛擬實踐教學中,使實踐教學與職業(yè)崗位需求、產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平相匹配[11-12],助力學生創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。

與企業(yè)合作開發(fā)共建的VR+課程含有3種類型的VR實驗：

(1) 專業(yè)基礎(chǔ)型(驗證型、測試型、糾錯型等實驗),旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和學習能力。方法：通過虛擬儀器實驗平臺,讓企業(yè)最新的技術(shù)和儀器設(shè)備應(yīng)用于課堂,使原有的實驗項目由一變多,使實驗內(nèi)容由舊變新,保持實驗教學的先進性、可變性和多樣性。

(2) 專業(yè)與技能型(專業(yè)實操、實訓、實習等),旨在培養(yǎng)學生的實踐能力和工程能力。方法：建立實景仿真訓練環(huán)境,使實踐任務(wù)對應(yīng)企業(yè)崗位要求,實踐過程匹配企業(yè)運作流程,實踐內(nèi)容對接實際工程應(yīng)用[5]。學生通過角色扮演、場景體驗理解專業(yè)知識,掌握專業(yè)技能。

(3) 工程創(chuàng)新型(設(shè)計型、綜合型、提高型實驗),旨在培養(yǎng)學生的科研能力與創(chuàng)新能力。方法：將企業(yè)的工程實際問題分解、嵌套在不同的實驗中,將獨立的實驗以項目形式串接,開展多人協(xié)同創(chuàng)新實驗。

通過產(chǎn)教融合創(chuàng)新,企業(yè)利用學校的學術(shù)與智力資源提高自身的研發(fā)及核心競爭力[13-14]。例如虛擬演練實驗室的智能物流作業(yè)環(huán)境,有自動化立體倉庫、自動導向叉車、搬運機器人、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等自動化設(shè)備和各種信息系統(tǒng)(如庫存管理、運輸路徑優(yōu)化、車輛調(diào)配、配貨方案等),學生通過職業(yè)角色了解物流信息的基本流程,掌握各物流管理崗位上需要的技能和各物流設(shè)備的原理與基本操作[15],結(jié)合自身經(jīng)驗對物流某些環(huán)節(jié)的操作與管理提出創(chuàng)新見解,企業(yè)以此改進產(chǎn)品或生產(chǎn)流程,獲得競爭優(yōu)勢。

3.1.2 跨學科交叉融合,拓展創(chuàng)新空間

多學科交叉融合是創(chuàng)新的重要源泉[8],構(gòu)建VR與各學科交融的實踐課程可增強實驗的開放性,提高創(chuàng)新自由度。VR+課程拓展創(chuàng)新實踐空間的方法如下：

(1) 利用VR技術(shù)構(gòu)建工廠、企業(yè)的實景仿真,還原復(fù)雜工程問題,將來自不同學科、領(lǐng)域的方法、技術(shù)、信息和數(shù)據(jù)等有機融入實踐,讓學生運用多學科思維、方法和手段自主探索,創(chuàng)造性解決實際問題。

(2) 將多技術(shù)關(guān)聯(lián)的科研、教研問題分解、嵌套在VR+課程中,特別是融入工程創(chuàng)新型VR實驗中,引導學生將多學科知識、理論、技術(shù)等進行實質(zhì)性交叉融合并創(chuàng)新運用[8]。例如驅(qū)動控制VR實驗中的控制系統(tǒng)與機器人創(chuàng)意設(shè)計實驗,學生要將學過的傳感器及信號、接口設(shè)計、PLC控制、單片機等多門知識、技能結(jié)合起來并靈活運用,才能完成機器人的創(chuàng)意設(shè)計。

(3) 開發(fā)適用于多學科的VR+課程,使學生多接觸綜合性實踐場景,促進不同學科的學生交流協(xié)作,提高VR課程資源的利用率和課程開發(fā)的計劃性。例如智能制造車間VR實訓、新能源車VR實訓、智能物流VR實訓、綜合布線工程VR實訓、通信設(shè)備VR綜合實訓、機械手操作VR實訓等課程,均可面向電子與信息、計算機科學、機械與電子工程、自動化控制、汽車與交通工程等專業(yè)的學生開設(shè)。

(4) VR+課程體系采用開放性的模塊化結(jié)構(gòu),便于根據(jù)需要對課程進行靈活的增/刪/減和重組,或根據(jù)不同教學環(huán)節(jié)(實踐訓練、情景實習、技能比賽、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育等)的需要,通過不同課程的組合,增強多學科多專業(yè)的交叉融合,加強跨學科、跨領(lǐng)域?qū)嵺`內(nèi)容的交叉滲透,生成新的功能,平滑升級到更高層次的應(yīng)用。

3.2 VR+教育模塊

VR+教育模塊以教育作為VR應(yīng)用對象,將VR技術(shù)與其他學科專業(yè)交叉融合,進行教育方面的創(chuàng)新應(yīng)用與創(chuàng)新制作,包括VR在教育中的應(yīng)用集成與VR在教育中的創(chuàng)新應(yīng)用。

應(yīng)用集成是指構(gòu)建一個可支持教育的VR服務(wù)支撐平臺,包含面向教育的建?？蚣軒?、仿真知識庫、可視化模板庫(簡稱三庫)。建?？蚣軒煊糜谔岣呓＿^程效率；仿真知識庫使VR系統(tǒng)及其對象能夠真實映射現(xiàn)實系統(tǒng)內(nèi)容；可視化模板庫從展示表達的角度提高可視化效率,包括仿真運行過程動態(tài)展現(xiàn)和仿真結(jié)果可視化表達。三庫建設(shè)充分發(fā)揮我校VR平臺優(yōu)質(zhì)資源的聚集優(yōu)勢,使現(xiàn)有的大量教育案例、工程項目案例、實驗仿真模型和專業(yè)積累數(shù)據(jù)在VR平臺中獲得重用,產(chǎn)生更多的聚合效應(yīng)[16]。

內(nèi)容創(chuàng)新是鼓勵、推動全校師生利用VR服務(wù)支撐平臺的優(yōu)質(zhì)資源,開展VR在教育方面的創(chuàng)新應(yīng)用與制作,將VR基本技術(shù)結(jié)合不同學科、專業(yè)制作和開發(fā)教學案例和課件,通過復(fù)合、多維的資源充實VR平臺中的三庫,拓展VR的應(yīng)用。師生經(jīng)過VR+課程的實踐體驗以及觀摩學習VR平臺上大量“別出心裁”的VR應(yīng)用案例、教育課件,容易激發(fā)創(chuàng)新靈感、樂于模仿,將身邊的學習資源或教學需求與VR技術(shù)進行融合創(chuàng)新。例如數(shù)學課,用虛擬場景+人機交互創(chuàng)設(shè)情景學習,讓原本抽象的理論、深奧的數(shù)學公式變得可觸可碰,創(chuàng)新傳統(tǒng)教育的內(nèi)容呈現(xiàn)方式。

3.3 VR+創(chuàng)造模塊

VR+創(chuàng)造模塊是鼓勵學生挖掘創(chuàng)新思維潛力、主動進行求新求異的探索,利用VR技術(shù)進行創(chuàng)新制造,將靈感、發(fā)明、創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品[7]。該模塊包括創(chuàng)新創(chuàng)意構(gòu)思、虛擬仿真交互設(shè)計、虛實轉(zhuǎn)化3D打印和虛擬運作4個階段,其中虛擬仿真交互設(shè)計階段包含“建模—VVA—仿真—優(yōu)化—展示”等過程。按照CDIO工程教育訓練模式,以虛實結(jié)合的方式構(gòu)建“構(gòu)思—設(shè)計—實施—運作”的創(chuàng)新實踐環(huán)境,使學生經(jīng)歷由最初的創(chuàng)新創(chuàng)意靈感到虛擬仿真交互設(shè)計,再到創(chuàng)新作品(實物)呈現(xiàn),最后到虛擬商業(yè)運作的過程(見圖3),體驗產(chǎn)品生命周期各個環(huán)節(jié)的創(chuàng)新創(chuàng)造。

圖2 VR+創(chuàng)造流程圖

4 虛擬演練實驗室建設(shè)成效

基于“VR+”的新工科創(chuàng)新實踐虛擬演練實驗室在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新實踐能力上發(fā)揮了積極的作用。我校學生在全國、本省各類學科競賽、創(chuàng)新大賽中屢獲佳績,僅在2017年就獲得特等獎和一等獎共計60余項。其中學生作品“基于物聯(lián)網(wǎng)的輸液及體征監(jiān)控系統(tǒng)”獲得了第十一屆“畢昇杯”全國電子創(chuàng)新設(shè)計競賽全國總決賽一等獎；“基于智能終端的康復(fù)服務(wù)平臺”獲“華為杯”第十二屆中國研究生電子設(shè)計競賽華南賽區(qū)一等獎；“下肢輔助康復(fù)儀”獲第十四屆“挑戰(zhàn)杯”省級特等獎。這些創(chuàng)新作品的設(shè)計靈感主要來自VR資源庫的VR+醫(yī)療相關(guān)案例。學生作品“3分鐘讀懂創(chuàng)客教育”獲“iTeach”全國大學生2017(首屆)數(shù)字化教育應(yīng)用創(chuàng)新大賽一等獎,該作品是VR+教育和VR+創(chuàng)造的創(chuàng)新應(yīng)用成果。

2018年1月,我校獲評“廣東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育示范學?！薄?/p>

5 結(jié)語

VR技術(shù)為學校與企業(yè)建立起聯(lián)系與合作的橋梁,為不同的領(lǐng)域、學科建立起融合與創(chuàng)新的紐帶,為創(chuàng)新理論與創(chuàng)新實踐建立起溝通與互動的通道。因此,構(gòu)建基于“VR+”的新工科創(chuàng)新實踐虛擬演練實驗室,對創(chuàng)新工程教育方式與手段具有積極的作用,是實施“VR+”戰(zhàn)略、推進VR技術(shù)與各行各業(yè)融合發(fā)展的有益探索。