健康制造虛擬仿真實訓中心建設與實踐研究

摘要：本文闡述了作者所在學校的健康制造虛擬仿真實訓中心利用虛擬現實技術、云計算技術、網絡技術等多元化信息技術，構建了虛實結合的實訓教學環境，通過自主開發和技術引進相結合建設了豐富的虛擬仿真實訓教學資源，深入探索了“以培養食品藥品類職業技能人才為目標，支持實訓教學、創新實踐教學和探索教育規律為主線”的VR技術應用模式，為食品藥品類學校實訓教學和企業職業技能培訓提供了良好支持，促進了學習者職業能力和職業素養的發展。

關鍵詞：虛擬仿真實訓；健康制造；實踐改革；虛擬現實技術

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2019）05-0110-03

隨著“中國制造2025戰略”“健康中國2030規劃綱要”的實施和國家供給側結構性改革的推進，健康制造類專業實訓迫切需要變革，以培養符合健康制造產業需要的專業技能型及跨學科創新型人才。為解決傳統條件下因受到設備、實訓空間、實踐周期、建設與維護經費、人員等因素限制，學生難以在真實的工作情境下學習和實踐的問題，我們利用虛擬現實技術創新應用推進健康類專業的實踐教學改革，以培養學生的職業技能和創新意識。

實訓教學中存在的問題

健康制造類專業實訓要求學生能夠掌握專業相關的理論知識和技能，并能在未來工作實踐中靈活運用和創新。目前，大部分職業院校按照“教室集中講授理論+校內實訓基地集中操作+校外集中實習”的順序依次開展教學，這種教學方式存在著幾方面的困難：一是由于教學周期跨度長，容易導致理論知識和實踐技能之間的銜接出現困難；二是由于部分設備結構復雜、生產過程密封操作、生產運行成本高、生產周期長、部分操作存在安全風險等原因，導致學生即使在生產現場也可能“看不見”“摸不到”，更“動不了”，難以進入深度學習狀態；三是無法“做中測”一直是技能考核的一大難題。作為教育領域的技術風向標，美國NMC《地平線報告》曾多次將虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）列入解決深度學習矛盾的關鍵技術。虛擬仿真實訓教學是對傳統物理環境中實訓教學的必要補充，對于改進實訓教學模式、體系、方法手段等具有積極促進作用。

中心構建

1.總體設計思路

建立包含學校管理者、研發人員、學科教師、企業專家、學生等不同領域的跨界團隊，將“以學生為中心、虛實融合、協同創新”作為建設理念，在經驗學習、混合學習、游戲學習、交互學習、創客教育等理論指導下，圍繞GMP生產質量管理規范，通過自主開發和技術引進相結合，利用VR技術，針對真實工廠環境、建筑、設備、機器、原料、產品、生產線等基礎設施進行3D仿真模擬，構建具有仿真模擬、交互的虛擬工廠和車間，供學生開展基于真實工作過程的仿真模擬學習，同時建設桌面式VR實訓機房和沉浸式VR實訓室，并通過云計算技術、網絡技術等多元信息化技術將虛擬實訓環境和真實的實訓環境連接在一起，構建虛實融合的實訓環境，為學校實訓教學、企業職業培訓提供服務，從而改進教學，提升學生職業能力和職業素養。

2.主要建設內容

在調研了健康制造類企業人才需求、崗位需求、職業資格需求基礎上，我們根據學校相關專業的人才培養目標，依托虛擬仿真實訓中心和虛擬仿真研發工作室，建設虛擬仿真實訓教學環境和資源，推動實踐教學改革創新，具體建設內容如右圖所示。

（1）構建虛擬仿真實訓教學環境

為了優化實訓教學硬件環境，建成了13個桌面式VR實訓機房、2個沉浸式VR實訓教學體驗區，為開展虛擬仿真實訓教學提供教學場地和設備，并統一管理；為了整合各類虛擬仿真實訓教學資源并實現分布式管理，建設了云計算平臺和VR教學資源管理平臺。此外，為了培養和發展團隊VR實訓資源的自主開發能力，構建了虛擬仿真研發工作室，為學校VR實訓教學資源的自主開發、技術引進、指導學生開展基于STEAM的VR開發項目、為企業提供VR技術服務等提供了支持。

（2）建設虛擬仿真實訓教學資源

采用自主開發和技術引進相結合的方式開展虛擬仿真實訓教學資源的建設。在自主開發方面，將真實條件下難以供學生深度觀察和參與操作的健康制造類工作任務分解為崗位任務。利用3DMax技術對工廠建筑、車間布局、機器、設備、生產線等進行仿真建模，利用Unity 3D和Quest 3D等技術將這些3D模型轉換為具有高度交互性的學習情境，具備虛擬漫游、360度全景查看、虛擬仿真崗位操作、虛擬技能考核等學習功能，促進了學生直觀深度地觀察、體驗、反復操作和完成過程性評價，從而無縫銜接真實情境下的工作任務。

（3）推動實踐教學改革創新

我們采用基于設計的研究，完成需求分析、方案設計、VR環境建設、資源開發、應用推廣等過程，探索VR技術應用模式：一是基于混合學習理念，混合多元化信息技術、多種教學方式和學習方式，在實訓教學中將“虛擬工廠”等虛擬仿真教學資源作為教師教學演示工具和學習者認知工具，支持教學演示、探究學習和過程性評價，實現了“講授+真實實訓”的傳統教學模式向“在線自主學習+虛擬實訓+面授教學+真實實訓”的混合教學模式的轉變；二是以3D建模技術和VR交互技術作為教學內容，開設VR技術相關課程，并通過開展虛擬仿真實踐項目培養學生的開發能力、自主學習能力和創新能力；三是將VR技術作為切入點，開展教育應用，探索VR環境下的教與學規律。

實踐創新案例

隨著現代工業的迅速發展，作為傳統行業的中藥飲片、中成藥產業也由過去小規模手工生產快速向工業化過渡。目前，中藥制藥類專業主要通過物理工廠（或車間）的方式開展實訓教學，存在一定的局限性。例如，提取分離崗位實訓要求掌握超臨界萃取、多功能提取、膜分離等崗位的標準操作規程，需要學生理解和掌握相關設備的內部結構、工作原理及工藝流程，傳統實訓條件下學生只能通過照片、視頻和持續2.5天的15～20人一組的現場實訓完成教學內容，無法直接觀察設備的內部結構和體驗完整的工藝流程。特別是超臨界萃取裝置設備結構和工藝流程復雜，具有一定危險性，且真實設備擺放布局反映不出實際的工藝流程，學生難以直觀理解。因此，我們利用3DMax建模技術和Quest 3D交互技術將超臨界萃取設備按照實際的工藝流程重新建模布局，學生通過虛擬操作即可快速理解設備原理和工藝流程，每位學生都可以深度體驗和參與崗位實訓，且能夠反復訓練，不用擔心因操作帶來的風險和成本，解決了過去超臨界萃取實訓教學中存在的難以觀察設備內部結構和反應，難以深入理解工藝流程以及難以反復訓練操作等問題。

結語

歷經八年多的持續建設與實踐，我們取得了一定的成績，支持了多個專業和多門課程的實踐教學改革。未來，我們還將在有效利用虛擬仿真實驗促進教育教學改革的道路上繼續探索。

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作者簡介：段丹萍，女，講師/工程師，研究方向為數字化學習環境/資源的建設與應用、計算機軟件技術與應用。項朝陽，男，副教授/高級工程師，主要從事虛擬現實軟件開發與應用。

基金項目：全國教育信息技術研究2017年度專項課題“具身認知視域下VR實訓教學模式研究”（項目編號：176130054）和2016年度廣東食品藥品職業學院科研項目（人文社科類）“大專學生虛擬仿真學習沉浸體驗與行為研究”（項目編號：301009A1627）。