基于“VR+云平臺”的機械類專業實驗教學模式改革與實踐

陳清奎，魏鑫鑫，何 芹，劉 暢

（山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101）

實踐教學是高等學校教育教學中極為重要的環節，是淬煉能力和實現教學目標的必由之路。早在2012年，教育部就指出，當前實踐環節仍是高校教育教學的薄弱環節，要切實加強實踐教學環節，深化實踐教學方法改革[1]。此外，教育部在 2018年明確提出，要加緊建設高水準的高等學校教育和培養人才的本領[2]，加快推進信息技術與教育教學的深層次融合，在第四次工業革命的背景下，將互聯網、大數據、虛擬現實等技術深度應用到教育教學的方方面面。

高校機械工程學科尤為注重教育教學的實踐性[3]，而實驗教學又是實踐教學的重中之重[4]。因此，本文以融合互聯網、虛擬現實技術的“VR+云平臺”探索新型機械類專業實驗教學解決方案，將學生原本“看不到”的抽象知識，變為可視的、便于理解的具體知識，激發實驗教學活力。

1 傳統機械類實驗課程存在的問題

（1）實驗教學資源匱乏。傳統實驗教學可供學生使用的實驗教學資源只有實驗課程環節有限的機械設備，受制于學時、實驗空間、購置成本、設備操作安全等，學生人均可使用實驗資源較低[5]，無法滿足學生課后的回顧、復習和練習需要，在一定程度上降低了學生探索知識的積極性。

（2）實驗與理論課程融合不足。現在，主流的培養方案對于理論和實驗課程的設置是相互獨立的[6]，二者的知識承繼性存在空白期，學生無法即學即用、即學即練，無法實現對知識的鞏固，在一定程度上浪費了學時。

（3）教學媒介與實驗教學融合不足。多媒體授課方式仍然覆蓋教學進程的始末，教學手段單一，師生之間和教學媒介之間互動性較低[7]。單一的多媒體授課與教學工具、實驗模型、實驗空間的融合性差，文字、圖片、視頻動畫等平面教學要素難以表達機械類復雜性、隱藏性的空間機構，例如在工程圖學課程上，難以呈現和表達學生的作圖步驟和看圖方法，需要教師的引導和示范來培養學生的空間想象能力。

2 機械類專業“VR+云平臺”建設

2.1 VR教學資源建設

VR（virtual reality，虛擬現實）教學資源建設包括虛擬仿真實驗和課程理論教學碎片化知識兩部分內容，按照教學大綱要求，除了開發與課程真實實驗配套的虛擬仿真實驗之外，還要根據人才培養目標、實際人才能力需求[8]，增加若干虛擬仿真實驗。表 1是已經上線的課程虛擬仿真實驗明細表。

表1 已上線課程虛擬仿真實驗明細

在開發VR教學資源時，將高成本、不可逆的實驗虛擬化，將不可見、隱藏性的機械結構三維可視化，建立虛擬實驗室模型、零部件模型，完成三維結構的旋轉、拆裝等操作[9]，將實驗原理以三維仿真動畫演示。

VR教學資源建設以Unity3D為主要VR技術開發平臺，基于該平臺的主體開發流程如下：通過三維掃描儀、相機等儀器設備，對真實場景與目標物體進行實地測繪，或者獲取相關機械、建筑、電氣等設施的CAD圖紙，并對不確定部分進行重點補充測繪。基于以上測繪結果，在3Ds Max等建模軟件平臺上，進行場景與物體的建模，最終形成虛擬的機械結構、建筑物、電氣設備等場景和設施。對模型對象進行特效及動畫處理，完成特殊效果、特定部位、特定結構、特定過程等的展示。將建模結果導出為Unity3D能夠識別的特定格式文件，例如FBX格式文件，再將模型全部導入Unity3D平臺。在Unity3D平臺軟件中進行編碼操作，完成目標對象的功能性模擬、物理屬性、動態性能的仿真，以及相機、角色等人機交互功能的實現。最終將調試完成的目標系統輸出為獨立可執行文件，或者發布為網頁標準格式的文件。

2.2 “VR+云平臺”建設

為了便于教師、學生使用，開發了能夠滿足實驗教學要求的高等學校機械工程學科虛擬仿真實驗教學共享平臺（www.vrlab-mech.com）（見圖 1）和能夠滿足課堂理論教學需求的“VR+云平臺”（www.keming365.com）（見圖2）。這兩個平臺基于互聯網技術及服務器虛擬化技術，建立了企業級云平臺服務器系統，將VR教學資源上傳到云端，借助云處理實現云端渲染。針對平臺門戶管理與虛擬化系統的通信問題，設計制定專門的通信協議，實現VR教學資源應用在運行狀態下與門戶管理平臺的交互，完成VR教學資源的應用授權、實驗成績數據傳送等工作內容。科學設計管理平臺 UI，包括 F型頁面布局、人性化頁面層級設置與導航等功能，實現平臺高可用性、易用性。優化資源兼容性，在平臺資源存儲與調用設計中，確定單機版與網絡版共存的方式，以兼容更多現存的、種類多樣的 VR資源。合理設計與確定服務器核心指標與配置、虛擬機創建方式與數量、GPU性能與規格等，確保VR資源虛擬化應用的高并發支持能力[10]。

平臺由VR教學資源、云服務器系統、網絡基礎設施和應用管理平臺4要素組成，應用管理平臺系統包括登錄管理、實驗管理、成績管理、統計管理等，如圖3所示。

圖1 機械工程學科虛擬仿真實驗教學共享平臺

圖2 “VR+云平臺”

圖3 平臺管理系統

2.3 “VR+云平臺”的優勢

（1）系統性。由國家級實驗教學示范中心聯席會機械工程學科組組織成立的虛擬仿真實驗平臺專家委員會，依據專業培養方案及課程教學大綱，完成標準制定、課程遴選和上線審核工作，保證了平臺實驗資源的系統性、權威性、正確性、專業性，建設了一系列契合培養方案的、體系完備的課程虛擬仿真實驗項目。

（2）先進性。基于資源建設優化策略、資源加載優化策略、云計算等技術，創建了先進的VR資源云平臺解決方案，保證了共享平臺功能達到教育部制定的國家級虛擬仿真實驗示范項目要求，研發項目數達到1 000個。

（3）便捷性與流暢性。直接使用瀏覽器訪問，用戶無須在終端額外下載安裝任何軟件與插件，PC、PAD、Mobile、VR實驗室等都可實現隨時網上登錄進行練習與考核。利用云計算在云端完成虛擬仿真實驗的加載與計算，不受用戶終端自身帶寬的影響，對終端的配置性能無過高門檻。

（4）安全性。資源上傳到云端，在遠程服務器上加載運行，并對VR實驗資源進行加密處理，有效地保護了內容所有權，避免資源被竊。

（5）共建共享。背靠實驗共享平臺，進行校校之間、校企之間的合作共建，以實現精品虛擬仿真實驗資源持續性地共建、共享、共用。

3 應用“VR+云平臺”機械類課程實驗教學模式改革

借助虛擬現實技術的交互性、仿真性、可視性的特點，探討實踐操作與自由探索相結合[11]，解決學生看不見、實驗資源少、教師“教不了”、時空局限性等難題，使得知識教授從文本圖片轉化到語言動畫，從2D轉化到3D，從演示轉化到操作，從而實現仿真實驗、三維結構的可視化、虛擬場景漫游、三維結構的交互與拆裝等。

3.1 理論教學與實驗教學相結合

教師在多媒體教室、VR智慧課堂、實驗室等多種教學環境中，實現機械類課程的線上線下混合式教學，將理論知識講解與實踐教學內容穿插進行，在進行理論課程教學時同步進行相應的章節實驗，將知識活學活用、即學即用，消除中間的空白過渡期。

3.2 應用“互聯網+VR”的實驗教學

學生通過互聯網，采用手機、iPad、筆記本電腦等多種終端形式，進行課程VR資源的學習以及開展實驗課程活動，使學生不受時空制約進行自由主動學習，實現 3D沉浸式教學環境下的互動式、探究式學習，以充分調動學生的學習積極性。

3.3 VR+云實驗三步法

將虛擬仿真實驗與云平臺相結合，創新了“VR+云實驗三步法”：

第一步，VR+云預習：實驗前，學生通過手機上網及 3D版實驗指導書預習，并上傳預習報告，平臺自動評定學生實驗預習成績；

第二步，VR+云講解：教師借助 VR教學資源講解實驗內容；

第三步，VR+云指導：學生借助手機，自行學習解決在做實驗時碰到的問題。

3.4 云平臺考核實驗成績

學生在結束實驗操作后，平臺會自動評定成績，將該成績折算計入學生的該課程成績，允許學生多次完成實驗，記錄最好成績，有利于激勵學生不斷操作實驗。對于實驗的預習，要求學生實驗之前完成。對于真實實驗之外的實驗，給學生 20天左右的時間完成，在指定時間截止后，教師登錄平臺考核系統下載學生的實驗成績，沒有增加教師過多的工作量。

4 應用“VR+云平臺”的實驗教學模式優勢

（1）創新“VR+學習動機激勵”教育理念。本文研究開發的“VR+教學云平臺”開創了“VR+學習動機激勵”教育理念，充分利用虛擬現實的特點引發學生探究知識的興趣，增強學生的專注度、反饋度、自由度，以生動、立體、近在眼前的虛擬仿真三維機械部件，引導學生主動探索學習，真正促使學生由督促式學習轉變為自主式學習。

（2）重塑“教與學”模式。以VR教學資源和以大數據、人工智能算法為基礎的互聯網作為新式教學媒介，將虛擬現實的特性與互聯網的協作性、便捷性、共享性深度融合，開創以教師為基點，輔以VR實驗資源和云平臺手段的、圍繞學生這一核心的新型“VR+云平臺”實驗教學模式，豐富了現有教學手段，有利于消除傳統實驗教學瓶頸和教學盲點，將教師的所思所想極大化傳遞。虛擬仿真實驗將高成本、不可逆的實驗虛擬化，將不可見、隱藏性的機械結構可視化，豐富了學生可用的學習資源。與云平臺的結合，開創了“VR+云實驗三步法”，即“VR+云預習”“VR+云講解”“VR+云指導”，突破學生學習的時間、空間限制。

（3）多元化的考核方式。改變了單一的“實驗+平時表現+期末測試”考核機制，單設 2學分的虛擬仿真實驗學分，并使線上實驗測試成績占最終課程成績的10%～15%，實現了“線上虛擬仿真實驗+線下實驗+平時成績+期末測試”的新型考核方式。

5 結語

基于“VR+云平臺”開創了新型機械工程學科實驗教學模式，通過VR技術將教師、學生和實驗資源融合在一起，以虛擬仿真實驗穿插融合真實實驗，二者相互補充，以虛助實，形成沉浸感受式、交互聯動式、自主探索式的“VR+學習模式”。結合云平臺實現了隨時隨地的學習，實驗資源的多學多練，打造了專業化的、沒有“圍墻”的大學。該教學模式有效調動了教師的教學活力，激發了學生的學習動力，并以校校合作、校企合作的共享平臺，助推VR教學資源普及化、科研成果教學化，幫助高校建設更多的國家級“一流課程”[12]。