?基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法在機械專業(yè)實踐環(huán)節(jié)教學(xué)中的應(yīng)用

韓奉林

摘? 要 探索提出將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法應(yīng)用于機械專業(yè)實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)模式，并結(jié)合VR技術(shù)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)質(zhì)量。討論現(xiàn)有VR設(shè)備性能、成本等特點，提出適用于實踐環(huán)節(jié)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的VR設(shè)備和軟件組合。根據(jù)應(yīng)用情況，提出進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量的瓶頸問題。

關(guān)鍵詞 VR技術(shù);翻轉(zhuǎn)課堂;實踐教學(xué);機械專業(yè);MOOC;全景相機

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）10-0031-03

Abstract To promote the quality of practical teaching of mechanical engineering， a flipped classroom teaching pattern based on VR tech-nology was proposed. The characters of the available VR devices， including performance， cost， etc， were discussed. The appropriate combination of VR devices and software that can be used in teachingwas suggested. The bottleneck problems to promote the teaching quality were pointed out based on application experiences.Key words VR technology; flipped classroom; practical teaching; mechanical engineering; MOOC; panoramic camera

1 前言

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）技術(shù)是通過計算機虛擬仿真構(gòu)建出一個三維體驗環(huán)境，使用戶可以沉浸其中，以獲得接近真實的體驗感的信息技術(shù)。VR技術(shù)自從1950年左右被正式提出后，眾多的研究者和科技公司不懈地致力于如何實現(xiàn)低成本的VR方案，并于近年取得重大突破。2016年，Gartner公司預(yù)測VR已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)產(chǎn)品化的起跑線位置，因此，2016年也被稱為VR元年[1]。目前，各種檔次的VR設(shè)備層出不窮，已經(jīng)深入滲透到娛樂、購物、醫(yī)療等與大眾緊密相關(guān)的行業(yè)。

隨著信息技術(shù)的爆炸式發(fā)展，教育的方式也在不斷地更迭。從黑板到幻燈再到PPT等，教育技術(shù)正在深刻地改變著教育活動，催生新的教育理論和方法。教育部頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》強調(diào)推進(jìn)教育信息化體系建設(shè)，既從教育看技術(shù)，也從技術(shù)看教育，推動信息技術(shù)與教育的雙向融合創(chuàng)新。VR技術(shù)作為一種新興的信息交互技術(shù)，在教育中逐漸占得一席之地，獲得眾多成功的經(jīng)驗，激發(fā)了如何利用VR技術(shù)提升教育質(zhì)量的討論[2-4]。

實踐性強是機械工程專業(yè)一大特點，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在機械工程培養(yǎng)計劃中占有重要地位，對幫助學(xué)生建立工程意識、提高發(fā)現(xiàn)和解決問題能力具有舉足輕重的作用。在認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)中，由于學(xué)生不熟悉實習(xí)企業(yè)環(huán)境，在車間嘈雜環(huán)境中又不易像課堂一般組織和管理，因此，學(xué)生很難在有限的時間內(nèi)抓住實習(xí)的重點，不能全面地完成教學(xué)目標(biāo)，影響教學(xué)質(zhì)量。

翻轉(zhuǎn)課堂的概念由Salman Khan在2011年提出，并被加拿大的《環(huán)球郵報》評為2011年影響課堂教學(xué)的重大技術(shù)變革。傳統(tǒng)教學(xué)過程通常包括知識傳授和知識內(nèi)化兩個階段，知識傳授通過教師在課堂中的講授來完成，知識內(nèi)化則需要學(xué)生在課后通過作業(yè)、操作或者實踐來完成。在翻轉(zhuǎn)課堂上，這種形式受到顛覆，知識傳授通過信息技術(shù)的輔助在課后完成，知識內(nèi)化則在課堂中經(jīng)教師的幫助與同學(xué)的協(xié)助來完成，從而形成翻轉(zhuǎn)課堂[5]。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法已在理論課程教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果。翻轉(zhuǎn)課堂將課前自主學(xué)習(xí)與課堂針對性解決問題相結(jié)合的理念，也可用于解決當(dāng)前實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問題。考慮車間實習(xí)環(huán)境的復(fù)雜性，為增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)時的沉浸感，將VR技術(shù)與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法相結(jié)合，將切實有利于提升實踐教學(xué)質(zhì)量。

2 基于VR技術(shù)的機械專業(yè)實踐環(huán)節(jié)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

當(dāng)前機械專業(yè)實踐教學(xué)模式及存在問題? 頂崗實習(xí)和參觀實習(xí)是機械專業(yè)實踐的兩種主要形式，其中頂崗實習(xí)耗時長，實習(xí)內(nèi)容偏窄，并不利于寬口徑本科生的培養(yǎng)。同時，雖然學(xué)校在實習(xí)基地建設(shè)方面投入了大量精力，但實習(xí)單位與目前日益增長的實習(xí)需求相比仍有很大缺口。因此，認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)均以參觀實習(xí)為主要形式，且在廠內(nèi)實習(xí)的時間非常有限[6]。

目前采用的實習(xí)教學(xué)方法一般步驟為：實習(xí)動員，講解實習(xí)目標(biāo)和安全注意事項;由廠方技術(shù)人員或者帶隊教師帶領(lǐng)學(xué)生參觀車間;分小組自由參觀;在廠外進(jìn)行分小組討論總結(jié)，撰寫實習(xí)報告。

上述過程中，參觀車間耗時最多，而分小組自由參觀最能鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，卻一般無法安排出更多的時間。因此，學(xué)生通過實習(xí)大多只能看到“熱鬧”，而無法通過獨立思考看到“門道”。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的一般組織模式? 美國富蘭克林學(xué)院數(shù)學(xué)與計算科學(xué)專業(yè)的Robert Talbert教授對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法的組織模式進(jìn)行了總結(jié)[5]：課前觀看教學(xué)視頻，并進(jìn)行課前練習(xí);課堂上快速、少量的測評;通過討論，解決存在的問題，促進(jìn)知識的內(nèi)化;進(jìn)行課堂總結(jié)。

采用基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂專業(yè)實踐教學(xué)模式? 在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法中，利用多媒體教學(xué)資料可以幫助學(xué)生系統(tǒng)性地建立學(xué)習(xí)脈絡(luò)，使課堂討論深入而不失全面性。在實習(xí)環(huán)節(jié)也可以采用這種方法，讓學(xué)生在進(jìn)入車間之前已經(jīng)對車間的生產(chǎn)和設(shè)備狀態(tài)有一個基本的了解，實現(xiàn)帶著問題進(jìn)車間，現(xiàn)場找答案。

在翻轉(zhuǎn)課堂中，教學(xué)視頻的視覺效果和互動性對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有著重要的影響。由于實習(xí)內(nèi)容和環(huán)境的特殊性，不可能直接從互聯(lián)網(wǎng)獲得教學(xué)視頻，因而需要自行制作。由于實習(xí)工廠環(huán)境復(fù)雜，對很多工藝過程需要注意實物加工過程以及計算機操控面板，如果采用一般的視頻錄制方式，需要頻繁地切換拍攝方向，影響學(xué)生對實習(xí)現(xiàn)場在腦中的構(gòu)建。

采用VR技術(shù)中的全景攝影技術(shù)，將實習(xí)環(huán)境完整地提前呈現(xiàn)給學(xué)生，可以由學(xué)生在觀看時自己選擇觀看視角，具有很大的自由度。對同一個全景視頻，每次觀看都可以得到不同的信息，從而極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升自主學(xué)習(xí)質(zhì)量。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，總結(jié)提出基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂專業(yè)實踐教學(xué)模式的具體開展步驟：由帶隊教師提前進(jìn)廠采用VR全景相機錄制參觀視頻和拍攝全景照片，為提高學(xué)生的參與度，可以邀請少量學(xué)生一起參與全景視頻錄制;對全景視頻進(jìn)行處理，增加參觀要點提示;網(wǎng)絡(luò)發(fā)布教學(xué)資源，并通過校內(nèi)動員，布置自主學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)行“預(yù)實習(xí)”;校內(nèi)分組討論，分享網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)心得，形成問題清單;廠內(nèi)直接分組參觀，在教師及廠方技術(shù)人員指導(dǎo)下解決問題;在現(xiàn)場采用全景相機拍攝問題解決過程，進(jìn)一步豐富網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源。

基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂專業(yè)實踐教學(xué)模式的優(yōu)勢? 與傳統(tǒng)實習(xí)教學(xué)方法相比，基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂專業(yè)實踐教學(xué)模式具有如下優(yōu)點：

1）通過進(jìn)廠前的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，可把教師帶隊參觀車間的過程最大限度地縮短，把有限的時間留給更有價值的問題解決環(huán)節(jié);

2）利用VR技術(shù)，能夠提升學(xué)生的提前學(xué)習(xí)興趣，并通過沉浸感使學(xué)生有現(xiàn)場感，優(yōu)化自主學(xué)習(xí)效果;

3）考核方式除了傳統(tǒng)的實習(xí)報告，還可以包括問題討論的全景小視頻，使得網(wǎng)絡(luò)VR學(xué)習(xí)資源逐年豐富，使實習(xí)可以逐年深入。

3 適合機械專業(yè)實踐環(huán)節(jié)輔助教學(xué)的VR設(shè)備與軟件

VR全景視頻拍攝設(shè)備? 全景相機又稱全方位攝像機，是指在水平方向上擁有360°視角，或者視角可以覆蓋全部球面的攝像機。隨著VR技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于生活娛樂領(lǐng)域，大量新的廠商進(jìn)入全景相機領(lǐng)域，市面上的全景拍攝器材日益豐富。

依據(jù)成本不同，全景相機可分為專業(yè)級和消費級。其中專業(yè)級通過多個傳感器配合特制鏡頭組合實現(xiàn)全景功能，視頻清晰度高。專業(yè)級全景相機的典型代表有Nokia OZO、GoPro Omni、Upano J2VR等。由于專業(yè)級全景相機成本過高，且拍攝設(shè)備操作及后處理方法不易掌握，因此在教學(xué)中并不適宜采用。

消費級全景相機多采用單傳感器配套特殊的超廣角魚眼鏡頭，并依賴圖像校正技術(shù)還原圖像進(jìn)行全景拍攝。目前，消費級全景相機的成本已經(jīng)降至千元級別，可選擇的產(chǎn)品類型豐富，代表性產(chǎn)品有理光THETA S、三星Gear 360、Insta 360 Nano等。消費級全景相機一般體型小巧，操作簡單，非常適合于實習(xí)車間取景。

VR視頻觀看裝備與軟件? 與普通視頻不同，VR全景視頻必須使用專用的設(shè)備才能獲得理想的體驗效果。翻轉(zhuǎn)教學(xué)要求每一個學(xué)生都能夠觀看VR全景視頻進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，所以VR設(shè)備的成本必須足夠低到學(xué)生能夠承受。目前的VR設(shè)備可分為專業(yè)級的桌面端VR設(shè)備、一體機VR設(shè)備和移動端VR設(shè)備。移動端VR設(shè)備的觀看體驗雖然比不上其他兩種，但百元級的價格在成本上占據(jù)了絕對優(yōu)勢。雖然移動VR設(shè)備需要與智能手機配合使用，但在智能手機已經(jīng)普及化的今天，已不構(gòu)成任何障礙。因此，就目前而言，三星Gear VR、暴風(fēng)魔鏡、大朋看看等移動端VR設(shè)備更適合于翻轉(zhuǎn)教學(xué)的需求。

使用移動VR設(shè)備觀看VR全景視頻，需要在手機端安裝專用的視頻播放軟件，以支持左/右屏同步顯示，代表性的播放APP有VR Player PRO、橙子VR、360 VR Player PRO等。

4 使用基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)教學(xué)法開展實踐教學(xué)的瓶頸問題

缺乏支持VR全景資源的MOOC平臺? 隨著翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念的推廣，出現(xiàn)中國大學(xué)MOOC、超星慕課等優(yōu)秀的MOOC平臺。通過這些平臺，不光可以共享多媒體資源，同時可以完成在線交流、學(xué)習(xí)效果檢驗等工作。然而現(xiàn)有MOOC平臺均無法播放VR全景視頻和圖片，所以在實際教學(xué)中只能通過網(wǎng)盤等網(wǎng)絡(luò)資源共享VR全景視頻和圖片，無法有效管控學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過程。

VR全景視頻拍攝技巧和后期處理能力需要強化? 作為一種新興的視聽信息傳播方式，VR視頻拍攝中存在很多特殊的難點，比如如何在360°場景中做好觀眾視線的引導(dǎo)，如何控制相機的移動速度和方向以防止觀眾出現(xiàn)眩暈感等。如果VR視頻拍攝不當(dāng)，會造成觀看者覺得信息混亂。在VR視頻拍攝完成后，還需要進(jìn)行后期處理，包括添加帶景深信息的文字說明、增加一些虛擬交互內(nèi)容等，需要專業(yè)的后處理團隊支持。

5 結(jié)語

針對目前機械專業(yè)認(rèn)識和生產(chǎn)實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量不理想的問題，提出基于VR技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。綜合分析市場上可獲得VR設(shè)備的特點，確定目前技術(shù)條件下最適合輔助教學(xué)的VR設(shè)備是采用魚眼鏡頭的消費級VR相機和移動VR設(shè)備。VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)還存在缺失可支持VR全景視頻MOOC平臺、缺乏專門全景視頻拍攝處理技術(shù)團隊的問題，需要引起足夠的重視。

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