職業院校VR/AR 資源建設及教學應用模式研究

陳銳浩，王瑛，蔡鐵峰，仵博

（深圳職業技術學院教育技術與信息中心，深圳518055）

0 引言

近年來，虛擬現實教學，即常說的VR/AR 教學得到高度重視，國家教育事業發展“十三五”規劃的通知中明確指出“全力推動信息技術與教育教學深度融合，綜合利用互聯網、大數據、人工智能和虛擬現實技術探索未來教育教學新模式”，《教育信息化2.0 行動計劃》也寫到“加強職業院校、高等學校虛擬仿真實訓教學環境建設，服務信息化教學需要”。職業教育內容實踐性強，不少內容受設備場地、經費、安全等多因素限制，不可控、難再現，且職校學生往往更偏好于形象直觀、可交互的學習方式，因此虛擬現實資源在職教領域的建設應用，有利于更好地組織起案例情境學習和仿真實踐訓練，有利于突破疑難點教學難題，提高實踐教學效果。今年突如其來的新冠疫情，使廣大職業院校只能開展線上教學，大量的實訓課程無法正常開展教學，難以保證教學效果，VR/AR 資源建設的必要性和緊迫性進一步提升[1]。

目前職業教育領域VR/AR 資源還比較稀缺，由于對VR/AR 認知不夠，從事一線教學的廣大職業院校教師很難結合自己的教學內容進行VR/AR 需求性設計，專業制作公司缺乏學科教學經驗，開發的教學產品往往不適用課堂教學，無法支撐VR/AR 教學的開展。在VR/AR 資源的管理方面，由于缺乏統一的資源建設標準，各專業開發的相關資源也難以集中管理和共享，導致資源使用率低下。在VR/AR 教學應用方面，出現了一些理論和方法的指導，如關于在VR/AR 學習環境的構建方面，朱福軍發表的《VR 技術視角下課堂學習環境革新與重構》[2]，鐘正發表的《基于VR 技術的體驗式學習環境設計策略與案例實現》[3]，在平臺和理論研究方面，李小平在《智能虛擬現實/增強現實教學系統構造研究》[4]一文中首次提出基于體驗學習的VR/AR 智能教學控制思想，從系統論的視點研究了VR/AR 的教學屬性、技術屬性和內在作用關系，為提升智能VR/AR 環境下的教學質量提出了一種可行的方法，在具體實踐應用方面，也出現了很多應用案例，具有參考意義[5-6]。目前的相關的研究大都集中于某一個方面，如平臺或環境，缺乏從全局的角度去規劃VR/AR 教學，難以形成可持續性發展。

本文根據深職院近幾年的實踐研究，從“立足全校、統籌規劃；應用為導向、可持續發展”的思想出發，研究并設計出開展VR/AR 教學的整體模式，通過資源建設、平臺建設、環境建設、隊伍建設四方協同推進，有效開展VR/AR 教學，并且歸納出資源開發流程，VR/AR 課堂教學應用的模式，可以在其他院校復制推廣。

1 VR/AR教學整體模式介紹

VR/AR 教學涉及面廣，需要設備、資源、智慧教室等方面的支持。任何職業院校為了保障全校VR/AR資源建設水平及教學應用質量，防止建而不用和重復建設，需要從全校的角度出發，做好整體的建設規劃，深職院根據近幾年的實踐，形成以教學應用為中心，整體規劃，四方協同推進的建設模式，如圖1。

圖1 VR/AR教學應用推進模式

核心為教學應用，即通過教學實踐，形成了基于虛擬現實技術的翻轉課堂應用模式，面向實訓教學的實訓課教學體驗模式，有效指導全校教師開展VR/AR 課堂教學。四方具體內容如下：

資源建設：秉承資源先行的原則，由教信中心采集一線教師教學需求，經過梳理，形成可行的招標方案，招標國內一流虛擬現實企業，合作開發虛擬仿真資源，近三年已經建成12 門完整的虛擬現實課程，在建課程13 門，覆蓋電工技術、生物化學、通信網絡、模具設計、藥學、建筑施工等多個專業。所有資源場景根據校內真實的實訓環境，采用1:1 的比例進行建模。

平臺建設：制訂資源接入標準，解決現有資源無序開發，難以統一管理的難題。通過平臺實現資源有效管理，保障使用率和使用效果。目前平臺建設經過兩個階段，第一階段采用VRML 語言，構建基于Web 的虛擬仿真平臺，訪問方便，但是支持模型格式少，畫面效果差。第二階段，基于Unity+WebGL 技術構建VR/AR 管理平臺，利用WebGL 技術實現基于瀏覽器的在線渲染和輕量級應用[7]，復雜應用采用C/S 架構，以松耦合方式對接VR/AR 管理平臺。通過制訂接口和接入規范，實現統一身份認證、內容動態管理、教學活動集中采集，兼容各種技術開發的VR/AR 內容，實現客戶端應用的有效管理。

環境建設：打造適合開展VR/AR 教育的智慧教室，滿足VR/AR 教學對高端圖形顯卡，VR 體驗設備，實時圖像輸出，實訓環境空間等的要求。一是支持第三視角MR 視頻實時輸出，突破了一般VR/AR/MR 設備不便于共享體驗的難點，更有利于集中教學過程中的講解與分析，二是以真實教室空間為基礎建立一個統一坐標系，真實世界空間、VR 空間與AR 空間相互平行且在教室內重疊，教學內容能同時反映在三個空間中，教師可便利地在真實教室內布置虛擬物體，學生也可以方便地利用手機、平板電腦等便攜式設備同步進行觀察互動，開展BYOD[8]的學習。

隊伍建設：一支專業的教學保障服務隊伍是開展虛擬現實教學的成敗關鍵，VR/AR 教學涉及的軟硬件系統比較多，一般專業教師難以勝任，需要專業技術人員的支持，深職院目前成立一支由計算機博士、碩士及教育技術專家組成的支持團隊，從資源建設，VR/AR 課堂教學實施，教師教學素養等多方面保障VR/AR 教學有效開展。

2 VR/AR資源開發模式

2.1 指導思想

深職院在進行VR/AR 資源開發的時候，以應用為導向，可持續發展為指導思想，從內容選題、制作形式、應用程度以及團隊建設多個方面同步推進，牢牢抓住“促進教學質量提高”的主線，具體如下：

（1）選題恰當：合適的VR/AR 資源能夠彌補職業教育實訓教學的不足，克服實訓教學的困難。對那些需要實訓耗材、存在實訓危險、時間跨度長，實訓儀器設備不足、缺乏實訓場所、看不到，摸不著、不可再現等的實訓場景，用VR/AR 資源可以有效提高教學效果，因此其建設應用價值更突出。

（2）實用為主：教師能夠利用VR/AR 資源把疑難點快速教會學生，學生可以通過VR/AR 資源輕松學會應知應會的知識點。提供師生互動功能，具有學習進度跟蹤功能，方便教師管理和學生學習。以桌面仿真為主，沉浸式應用為輔，移動應用為補充。

（3）三層應用：根據開發難度及應用深度分為三個層次，第一層教學演示，疑難點3D 演示，把抽象問題形象化，助學助教，這是VR/AR 應用的基礎；第二層仿真實訓，體現職教特色，突破實訓環境和時間的限制，做中學，是第一層的延伸；第三層虛擬考核：通過虛擬操作考核，實現知識鞏固，學以致用，真正培養學生對知識的評價與創新能力，這是VR 教學實現的最終目標，開發難度大，目前大部分的虛擬仿真應用都難以達到該層次。

圖2 教學應用三層次

（4）持續改進：任何資源都有生命周期，一個好的VR/AR 應用必須支持二次開發，才能夠持續改進。開發過程中產生的所有模型源文件，工程項目源文件，以及開發文檔必須完整。

2.2 開發過程

虛擬現實資源開發比傳統的軟件系統開發復雜，對任何一門課程的VR/AR 資源開發，首先是分析需求，根據應用的目的拆分成若干個項目。采用軟件工程思想組織分布實施。具體實施時以課程為單位組織開發團隊，每一個團隊由學科老師、教育技術與信息中心老師、企業開發團隊組成，企業團隊每周需要匯報項目的進展，教信中心老師把控整個項目的整體進展，及時協調專業教師與開發企業之間的矛盾。

每一個項目的開發流程如圖3。

教學設計：該環節主要由專業教師提供初步需求，通過教育技術人員和企業人員一起介入，形成能夠指導后續開發的教學設計腳本，一個腳本內容要包括如內容如表1。

圖3 虛擬現實項目開發過程

表1 腳本模板

3D 建模：在VR/AR 資源開發過程中，建模環節非常關鍵。根據用戶交互內容及互動模式進行建模，建模工作量在30%以上，最高可以達到70%，建模階段需要專業建模人員，建模人員不僅要熟悉建模工具，還需要熟悉專業知識，才能保證建的模型不出現錯誤。一般在建模之前，需要先通過實地測量，結合拍照或者拍視頻的方式采集素材。VR/AR 資源開發是一個復雜的過程，由于需求比較抽象，在專業教師和技術人員溝通過程中，經常出現理解的偏差，所以需要在建模之后進行驗收，防止一開始就出現需求偏差。

動畫制作：由動畫制作人員根據教學設計，拆分虛擬仿真操作過程，細分為一個個的小步驟，把每一個步驟做成動畫，便于后期實訓開發的時候調用。

實訓開發：由后期代碼開發人員根據實操的詳細過程開發實訓內容，通過編寫腳本實現仿真過程的邏輯控制，動畫調用，虛實交互，3D 環境實時渲染等功能。學習者可以利用實訓模塊開展仿真實訓。為了提高用戶體驗，可以預置若干最佳視點，學習者可以根據操作需要切換視角。

考核開發：虛擬仿真的高階應用，是教師可以把實訓仿真應用作為考核題目，讓學生在虛擬環境里面實操，系統能夠記錄用戶操作過程及結果，便于教師了解學生的學習情況。通過操作過程日志，能夠還原學習者的3D 操作過程動畫。考核開發相對難度比較大，一般需要針對仿真實訓的內容做進一步的個性化開發。

用戶測試：開發完的VR/AR 內容，需要經過專業人員，學科教師，教育技術人員進行功能測試，然后還需要經過真正的課堂教學檢驗，最后才能驗收通過，完成開發過程。一般情況下，在這個過程經常會提出若干修改意見，進行完善。

一般建模之后的幾個步驟可以采用快速迭代的方式，先開發出Demo，然后再逐步細化。

3 教學應用模式

針對職業教育的特點，可以把VR/AR 資源用于重構課堂，解決實操課程實踐環境不足，實訓條件不具備的問題。基于VR/AR 的虛擬仿真平臺創設出真實的學科學習環境，讓學習者在其中進行探究性學習，通過生動的交互體驗，讓學習者在虛擬環境中觀察、探索和實驗，完成情境化和個性化學習，從而大大激發學習者學習動機和學習興趣。通過實踐探索，深職院設計了利用VR/AR 資源實施翻轉課堂的模式和利用VR/AR資源開展實訓教學的模式。

3.1 基于VR/AR資源的翻轉課堂教學模式

深職院通過實踐探索，形成基于VR/AR 資源的翻轉課堂教學模式，如圖4 所示，以樓宇安防課程為例，該課程團隊用VR 技術重構課堂，設計的“技網恢恢疏而不漏-防盜報警之前端探測器”信息化課堂獲得2017全國職業院校信息化教學大賽信息化課堂專業大類全國第一名。

圖4 基于VR/AR資源的翻轉課堂教學模式

課前，通過仿真實訓平臺給學生推送VR/AR 資源，學生通過PC、手機就能夠觀看知識點對應的三維仿真動畫，有條件的可以進行VR 體驗，通過VR 資源的特性提高學生學習的積極性和預習的效果，解決實踐類課程課前實踐條件限制問題，仿真練習，可以優化學習思維，變抽象為直觀，提高課前學習質量，保證翻轉課堂的實施質量。

課中，根據課前的反饋評價情況，利用虛擬仿真平臺創設學習情景，讓學生上臺快速演示課前學習成果，利用VR/AR 進行探究學習，支持獨立探究，協作探究，體現以學生為中心的原則。教師通過預先設計的教學活動推進知識點的教學，采用教師提問、小組討論、學生上臺演講、教師知識點強化總結等方式，教學任務完成后，最后組織一個綜合實戰檢驗學生的學習效果，利用VR/AR 應用設計課堂實訓項目，分組練習，練習完畢，挑選一個小組代表上臺進行基于VR 場景的成果展示。其他同學觀摩，演練完畢，所有同學進行提問和評價，最后老師進行點評和總結。

圖5 VR課堂實景圖

課后，根據課堂的教學情況，布置任務讓學生繼續使用VR 資源進行知識鞏固和提升，學生對知識掌握得不好的，可以通過三維動畫重現實操過程，完成知識的掌握過程，通過沉浸式VR 體驗提升學習效果，實現“做中學”或“實際演練”。

3.2 基于VR資源的實訓教學模式

職業教育對實踐要求比較高，但是受限于實訓條件，有些實訓教學無法開展，如建筑施工專業，由于校內缺乏真實的實訓環境，到施工現場又存在一定的安全隱患，而且項目工期長，現場教學無法滿足需求，這時候，充分利用VR/AR 技術的沉浸式特點，基于最先進的VR 技術，為學生創造最接近現實的工程現場，能夠有效提升實訓課的教學質量。以建筑施工課程為例，課程組老師利用VR 技術，重構鋼結構實訓課程[9]，流程如圖6，開發的《鋼結構VR 實訓課件》獲得第二十一屆全國教育教學信息化大獎賽高等教育組課件類一等獎。

圖6 基于VR技術的實訓課教學流程

該課程的VR 資源，以BIM 技術做支撐，準確還原項目的實際三維空間和數據，加上對施工工藝的虛擬仿真，學生可以在虛擬空間中觀察各種操作和動手實操，增加學生的學習興趣。

實訓課之前，學生在教學模式下基于PC 開展結構認知預習，了解實訓操作知識和流程。

實訓課中，教師先對沉浸式體驗的操作進行講解，并操作一遍給學生看，采用第一人稱視角，大屏實時輸出VR 場景操作結果。如果教室具備第三人稱視角拍攝的條件，可以實時輸出MR 視頻，效果更加逼真。教師講解之后，學生分組實訓，具體根據實訓場所條件而定，一般兩人一組，一人操作，一人旁邊協助，防止出現摔倒等意外。后臺能夠記錄學生實訓的步驟和結果，教師根據結果和屏幕輸出的學生操作視頻，及時進行歸納和總結，并且針對學生知識盲點進行指導。實訓課結束之后，學生繼續利用VR 平臺進行拓展學習。

通過沉浸式VR 實訓，學生可以開展探究式學習，學生可以自由走動，自主選擇學習的內容，成為學習路徑設定的參與者。另外利用VR 可以創設環境，模擬一些高危事件，提高學生的安全意識。

圖7 建筑施工課堂實訓實景圖

4 結語

深職院通過總體規劃，以應用為導向，四方協同推進，為開展VR/AR 教學打下了基礎，取得了階段成績，建設的相關資源及應用成果近三年在教育部組織的全國職業院校信息化教學大賽和電教館組織的全國教育教學信息化教學大賽中獲得了多個獎項，很好地起到以點帶面的效果。同時在開展VR/AR 教學的過程中，我們也碰到了很多困難。如：沉浸式教學效果不如預期、VR 教學場地缺乏、教師課堂使用積極性難以持續等。

VR/AR 教學是一種新的模式，隨著技術的發展，特別是5G 網絡的普及，我們面臨的所有難題有望得到很好的解決。5G 帶來的高帶寬，低時延能夠很好地提升用戶體驗效果，隨著網絡切片，邊緣計算等技術地成熟，有望將VR/AR 體驗的時延降低至20ms 以下。采用5G+邊緣云渲染模式，內容直接在云端進行計算和渲染，再通過推流軟件下發到VR 終端，能夠有效保護內容的知識產權，同時降低客戶端的投入。5G+邊緣云渲染+無線VR 終端模式，最終將實現VR/AR 教學應用的普及，讓VR/AR 教學應用打破時空的限制，教師和學生隨時隨地進入同一虛擬空間開展教學活動。