VR技術視域下高職虛擬混合學習系統類型與應用研究

趙俞凌 陳曉龍 姚 遠

一、虛擬現實技術在高職教學中的應用現狀

“虛擬現實”作為學術術語早在20世紀60年代就有研究者提出，20世紀80年代虛擬現實技術（Virtual Reality）已經運用在娛樂、教育等多個領域[1]。大量的實踐和研究表明，由于VR技術具有沉浸性、交互性和想象性的特點，其在教育領域特別是職業教育領域使用前景十分廣泛。職業技能培養多半是基于實踐性教學開展的，但是傳統職業技能教學中由于課時、場地、經濟、技術和硬件性能較弱等多方面因素的限制，學習者無法根據自己的實際情況獲取相對應的感知訓練。VR技術在各領域都能夠為學習者提供虛擬的仿真環境和材料。集成了5G快速傳輸、大數據、云計算的VR教學平臺可以收集學習者在學習過程中相關的數據，通過云計算處理，為每一位學習者制訂個性化的學習策略，實現精準教學。

虛擬現實技術在我國高職院校教學中的應用，主要集中在計算機、建筑、工業等相關專業。宿遷經貿高等職業技術學校在《計算機組裝》課程中利用虛擬現實技術，讓學生與虛擬對象交互，學習計算機的硬件知識，學生學習興趣獲得極大提高。江西建設職業技術學院利用虛擬現實技術開展《建筑構造》課程教學，幫助學生理解枯燥的構造原理[2]。寧夏工商職業技術學院化工工程系嘗試使用虛擬現實技術開展化工認知實訓，達到了預期的實訓目的[3]。金華職業技術學院自動化專業、護理專業在資源庫開發過程中，運用VR技術進行啤酒生產線操作環境的仿真模擬、虛擬手術與護理教學案例的開發[4]。袁南輝將VR技術應用在“教育聲電系統”的課堂教學中，解決了傳統教學中難以用語言和繪圖表達清楚的抽象、工程、經驗等方面知識的教學問題[5]。金純將VR技術應用于農林類專業課程教學中，有效克服了時間、季節對教學的影響，控制成本資源。黃新平將VR技術應用于醫學職業教育教學中，降低了教學的難度[6]。梅婷將VR技術應用于工科實訓課程中，提高了效率，減少了投資成本[7]。值得一提的是，2017年全國職業院校技能大賽開設了虛擬現實（VR）設計與制作賽項，促進了VR技術在高職院校職業技能培養上的推廣應用。

二、基于虛擬現實技術的虛擬學習系統主要類型及存在問題

根據不同的硬件支持和展示效果，虛擬學習系統主要可以分為四類：桌面虛擬現實、沉浸的虛擬現實、增強現實的虛擬現實和分布式虛擬現實[8]。

桌面虛擬現實技術利用計算機進行仿真，將屏幕作為使用者觀察虛擬世界的窗口，通過鍵盤、鼠標等常見的輸入設備實現與虛擬現實世界的交互。使用者通過輸入設備，在屏幕上360°觀察虛擬世界，并操縱其中的虛擬對象。但是桌面虛擬現實缺少完全的沉浸，會受到周圍世界的干擾，且交互方式并非是自然的交互。在經費、資源、開發團隊等資源有限的情況下，桌面虛擬現實是可行性較高的選擇。桌面型虛擬現實技術在實踐教學中主要有演示實踐、實操實踐和復習回顧三種應用方式。現有的虛擬現實教學軟件可以實現放大、縮小、特寫、慢動作等功能，從而為學習者提供全面的展示效果，便于學生觀察。在實操實踐中，學習者可以在虛擬現實軟件中進行實踐，并得到實時的反饋信息，能夠有效幫助學習者掌握入門技能。

沉浸的虛擬現實能夠提供完全沉浸的體驗，通過輸入設備實現較為自然的交互，使用戶產生身臨其境的感受。沉浸的虛擬現實同樣由軟硬件構成。相比桌面虛擬現實，沉浸虛擬現實對于硬件性能的要求更高，對于虛擬資源的要求也更高。沉浸的虛擬現實技術能夠實現對于危險場景的模擬，使用者用自然的交互方式實現虛擬的技能操作，從而培養使用者的職業技能。增強現實的虛擬顯示技術，可以將抽象、平面的知識鮮活地展示在學習者面前，幫助學習者認識更為真實的世界。

分布式虛擬現實技術是指多個使用者通過計算機網絡連接在同一個虛擬空間，與該空間里的虛擬對象進行交互，以達到協同工作的目標。分布式虛擬現實是虛擬現實技術更高境界的使用，通過分布式虛擬現實技術，可以實現虛擬的小組合作，開展新形態的合作學習。在分布式虛擬現實技術的支持下，學習者可以開展合作學習，學習不再是閉門造車，而是與其他同學甚至是其他院校的學習者一起開展各種充滿想象力的創造，能夠有效培養學習者的創新精神。

在現有的虛擬現實技術教育應用中，桌面虛擬現實技術的應用最為廣泛；沉浸的虛擬現實技術在維持較低的硬件投入基礎上提供了較好的沉浸體驗；增強現實的虛擬現實技術對于硬件要求較低，但是應用面較窄；分布式虛擬現實技術尚未在教育領域普及。目前，虛擬現實技術在職業教育中的應用以零散的場景體驗式、教學資源開發和使用為主，對于何種教學內容更加適用技術開發和呈現，資源的使用需要配備何種設施，基于虛擬技術的教育教學應當配合怎么樣的教學方法與系統建設等方面缺乏深度思考。基于虛擬現實的學習模式和學習系統已經在高職院校開展，但基于現階段虛擬現實技術資源和內容管理平臺和虛擬現實開發軟件發展還不完善，很多技術問題都未能得到解決，相關的設備市場也沒有得到完善，大多都采用單一模式進行教學。

三、基于虛擬現實技術的高職虛擬混合學習系統的構建策略

隨著5G技術進入到商業化階段，5G通信技術的高速傳輸和低延遲性能將實現VR大容量圖像內容的三維建模和線上PC端和移動手機端的情景實時呈現。因此，本文提出一種線上PC端、移動手機端和線下的三合一混合學習模式，設計一種虛擬現實內容創作軟件獨有的異地多人協同模塊，能夠支持局域網內近百人、廣域網內超過30人的協同教學。通過該模塊，能夠實現大規模VR教學、不同校區之間的集體授課以及跨學校的專業交流與跨學校的慕課教學。

（一）教學方面

高職院校要引導教師使用交互性、實時性強的VR技術創設沉浸式的教學情境，提高教學的體驗感和有效性，同時要注意引導VR技術和傳統手段的有效融合。職業教育管理層應重視對VR基礎設施的投入與建設，如高配置的機房、VR專用的硬件設備與軟件等，為教師將VR技術應用于職業技能培訓搭建良好的實驗實訓平臺，使后續的資源開發、學生實訓成為可能。

基于VR技術的教學資源使用更加注重學習者的自主學習能力，而職業院校學習者自主學習和探究能力普遍不足。職業院校應當統籌管理原有的信息資源，將其儲存到學校系統數據中。通過召開研討會、參觀考察等方式建立線下交流平臺，推廣VR教學優秀案例，方便更多職業院校獲取經驗。

通過課前、課中、課后不同環節，推進VR資源在預習、課內學習、復習等環節的使用，提高資源的利用率。可以根據實際需要購買專業公司開發的VR資源或自主開發資源，推進資源開發標準和規范的形成。積極引入職業院校技能大賽資源、企業優秀的VR案例資源，進行賽教融合、校企融合教學化改造。

組建由編程人員、媒體制作人員、職業教育專家、職業院校學科教師組成的多元化VR專業團隊，共同解決VR資源在設計和開發過程中遇到的問題，探索VR技術在實際教學中的應用。其中，編程人員和媒體制作人員共同負責VR教學資源的開發與基礎設施的建設；職業教育專家負責對教育資源的選擇、實用性評估、開發標準制定等方面進行指導；學科教師負責對本學科的教育資源進行梳理、選擇與應用；企業工程師根據VR項目制作任務和主流技術，逐層確立職業技能，分析職業技能所關聯的“技能要求”和“知識要求”，協助學科教師，從教學規范、學生認知規律角度，共建“美化、交互、特效和高效”技術教學資源。各個模塊由擅長的教師進行交叉授課，實現多元匯聚、共建共享，提升課堂教學質量。

（二）技術方面

通過充分整合VR虛擬現實場景生成技術、基于圖形和圖像的混合智能建模技術等構建滿足學生需求的虛擬學習系統。利用緩存卸載技術將熱點數據文件緩存在邊緣計算節點處，可以大幅度減少骨干網絡對于熱點視頻的重復冗余傳輸，并降低傳輸時延。計算卸載技術可用于彌補移動設備計算能力的不足。在計算卸載中，計算資源有限的移動節點通過將計算任務卸載到附近具有空閑計算能力邊緣計算節點中，實現數據的高效處理。如圖1所示移動邊緣計算，通過將部分計算服務從云計算中心分發到網絡邊緣，在網絡邊緣實現任務的高速計算、資源的協同管理以及分布式存儲/緩存等功能，而不再是通過主干網來傳輸龐大的數據流量，以此大幅度降低本地信息的處理時延。該平臺為實現用戶流暢觀看VR視頻提供了技術支持，滿足了學習者隨時隨地通過移動終端訪問虛擬學習系統，進行線上線下混合學習的愿望。

作為實施基礎的模擬系統平臺，適應性測試可以從四個方面著手。一是標準化和開放性。制作專業的屏幕規范和技術規范標準，選擇符合國際標準的主流產品。二是靈活性和兼容性。系統要具有很好的兼容性，適合三維數字城市數據的多功能應用。三是可管理性和自動化能力。系統設計要考慮集中式以及自動化管理能力，即通過網絡來對系統進行管理，同時提供豐富的管理手段，降低人工和管理成本，使系統維護管理方便。四是易用性。系統需要提供良好的操作界面，方便師生操作，符合編程人員制作習慣。

圖1 移動邊緣計算網絡模型圖

（三）具體建設內容

1.虛擬現實內容管理系統平臺

隨著虛擬現實技術的蓬勃發展，VR技術的受關注程度日益凸顯，內容質量良莠不齊嚴重影響了用戶在使用VR產品過程中的用戶體驗。建設一個內容管理系統平臺，旨在為用戶提供具有內容分發、共享以及管理等功能于一體的服務，設計出面向行業用戶的虛擬現實行業內容發行平臺，聯合行業內容開發團隊與行業內容使用者，比如高校、職業院校等教育用戶，讓他們有優質、專業的 VR 內容可用。

2.與行業企業聯合開發虛擬現實內容創作軟件

場景資源嚴重匱乏、場景開發難度大等問題，嚴重阻礙了VR技術的推廣與內容的豐富。構建面向全行業用戶的便捷實用的平臺軟件成為亟待解決的問題。因此必須聯合行業企業龍頭聯合開發一套虛擬現實內容創作軟件，能夠幫助非開發人員進行高效的行業內容開發及應用，并且提供教學考練、異地多人協同、交互邏輯編輯等功能，解決用戶在高風險、高成本、不可逆、不可及、異地多人等場景下的教學培訓、模擬訓練、營銷展示等問題。軟件產品必須具有易學易用、快速搭建場景、圖形化交互編輯器、豐富的創作資源預設、多樣化學習途徑、多種模型數據導入、適配主流VR硬件，無需額外開發、支持5DT數據手套與氣味硬件，讓用戶能夠用真實場景中的常用操作習慣更加自由地與虛擬場景進行交互，不受硬件限制；氣味硬件能夠根據不同的場景散發相應的氣味，從味覺上刺激用戶，增強虛擬現實的沉浸感。

3.VR協同硬件組成

通過整合操作手柄和頭戴式設備的360°精確追蹤技術，提供超逼真3D畫質、立體聲音效，完成授課教學、內容展示、實踐操作和技能訓練。產品結合虛擬現實內容創作軟件平臺創新性地實現了基于廣域互聯網的異地多人協同，打破了制約VR教學應用發展的空間及人數限制。利用VR協同交互課桌小組協同沉浸式虛擬現實教學終端，用戶可實現多人在同一空間內的交互協同，打破傳統教學模式。異地多人協同還可以應用于遠程教學及培訓、異地間的協同實驗等方向。以虛擬現實小組教學為標準，針對性設計的強大功能分區與存儲空間，可滿足各類相關設備存儲、安放以及各種造型設計，完美搭配各類場地。可升級的顯示屏設計，可一鍵切換使用模式，方便日常多功能使用需求。

4.利用5G網絡移動邊緣計算實現沉浸式VR編輯、異地多人協同。

VR技術的發展和應用已經越來越成熟，其發展目前遇到技術瓶頸，由于VR內容的渲染需要高性能的圖形處理設備支撐，其終端設備笨重且價格昂貴，而5G的出現有可能幫助VR技術突破瓶頸，實現質的飛躍。5G的出現將會帶動云渲染技術的發展，通過集中渲染，將VR內容通過5G網絡傳送至各個體驗終端，終端的設備將只需要實現顯示功能，設備會變得小而輕巧。移動邊緣計算是5G網絡采用的新技術。它通過將部分計算服務從云計算中心分發到網絡邊緣，在網絡邊緣實現任務的高速計算、資源的協同管理以及分布式存儲/緩存等功能，而不再是通過主干網來傳輸龐大的數據流量，以此大幅度降低本地信息的處理時延。