基于“VR+云平臺”的農業水利工程專業實驗教學模式改革探究

王艷艷，何小武，劉士余，李保同，周昌明

(江西農業大學，江西南昌 330045)

實驗教學是高等學校教育中極為重要的環節。當前傳統的實驗教學方式存在教學資源匱乏、 實驗與理論課程融合不足、 教學媒介與實驗教學融合較差等問題[1]。因此，迫切需要深化實驗教學方法改革[2]。2018年，教育部明確提出，要加快信息技術與教學過程的融合，更好地利用虛擬仿真等技術實現工程實驗教學[3]。

虛擬現實（VR）包含增強現實（AR）和混合現實（MR）技術，其可將抽象內容變為可視的、易于理解的具體知識。國內外極少數高校在機械制造、環境工程、基因工程等專業實驗教學中，采用了“VR+”技術，且存在多學科交融性弱、 與產業需求脫節和創新自由度不足等問題。目前，鮮有高校探索基于“VR+云平臺”的農業水利工程專業實驗教學模式。

針對以上問題，本文探索基于“VR+云平臺”的農業水利工程類課程實驗教學改革，提出“VR+學習動機激勵”教育理念，并重塑“教與學”模式[4]。通過將實驗課程與理論課程相結合，虛擬仿真實驗與真實實驗相結合，豐富教學內容和手段，并超越實驗教學的時空限制。采取多元化考核方式，激發教師教學活力，豐富實驗資源，提高學生學習動力，助力打造一流課程。

主要研究內容為： 農業水利工程專業“VR+云平臺”建設、基于“VR+云平臺”的農業水利工程類課程實驗教學改革。

1 農業水利工程專業“VR+云平臺”建設

1.1 VR 教學資源建設

目前，本專業所建立的VR 教學資源較少，可根據實驗教學大綱的要求，增加相應理論教學中碎片化的知識和虛擬仿真實驗：如購買相關高校、科研院所及公司共建的VR 教學資源，目前已發布的虛擬仿真實驗項目如表1所示。

表1 已上線課程虛擬仿真實驗明細

虛擬仿真實驗可以將成本高、 不可逆的過程進行虛擬化，也可以將不可見或者隱藏性的結果三維可視化，可清晰地看到水工建筑物中使用的零部件，而且可以自行完成拆卸、組裝等過程，極大地提高了實驗的可操作性。以渠系工程施工為例，VR 資源是通過拍照、三維掃描等對真實場景或者具體物體進行測繪，從而獲取水利工程設施的設計圖紙，之后通過相關軟件進行建模，最后形成虛擬的場景，如閘室工程施工虛擬仿真示意圖如圖1所示。

圖1 閘室過程施工仿真示意圖

1.2 農業水利工程專業“VR+云平臺”建設

為了便于教師、學生使用，開發能夠滿足課堂理論教學需求的“VR+云平臺”。此平臺主要是通過虛擬化技術建立服務器，并將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[6]。

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2所示。

圖2 平臺管理系統

1.3 “VR+云平臺”的優點

“VR+云平臺”的優點如下：權威性、先進性、便捷性、安全性、高效性，具體如圖3所示。

圖3 “VR+云平臺”的優點

2 基于“VR+云平臺”的農業水利工程類課程實驗教學改革

教學PPT+VR 資源直播互動教學顛覆了傳統在線教學看視頻、讀PPT 的教學模式，讓抽象的理論知識立體化、形象化、直觀化，充分調動學生的主動能觀性和思維能力。教師可以在“在線板書”上還原線下的教學過程，能夠更靈活地進行示范引導。而且教學答題互動、VR 資源的操作可以提高學生的參與度和學習熱情。

2.1 理論教學與實驗教學相結合

基于虛擬仿真技術，以水利工程職業能力培養虛擬仿真實訓中心和平臺建設為例，借助虛擬現實制作工具unity3D、微透鏡陣列顯示技術、光線跟蹤算法、真實繪制技術、三維虛擬聲音技術、語音合成技術、人機自然交互技術、眼動跟蹤技術、手勢識別技術、實時碰撞檢測技術、 三維全景技術等建設出實訓中心教學內容和實訓中心平臺，同時拍攝用于360°參觀學習的水利工程等全景視頻。

這種在軟件和硬件結合的基礎上，通過軟件程序模擬真實實驗過程的教學形式，不僅有效地解決了高校實訓設備陳舊、落后，實訓項目經費緊張、實訓師資力量薄弱、實訓課時緊等問題，而且還能避免一些危險性高的操作項目對學生可能造成的傷害。另外，虛擬實驗教學系統的設計開發成功不僅能豐富實訓等課程的教學資源，而且能進一步促進傳統實訓教學的改革，不斷推動實訓教學向信息化和科學化方向發展進步。同時也可以近距離參觀學習各大著名水利工程和國內外優秀實訓室，豐富學生們的認知。

2.2 VR+云實驗三步法

將虛擬仿真實驗與云平臺相結合，提出“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。

2.3 云平臺考核實驗成績

教師可以單機教學，也可以多機分組教學，并可靈活設置保存各種分組策略。并且可以實時監控學生操作過程，日志記錄實訓難點以及易錯點，更有針對性教學。學生在完成實驗后，教師通過增加虛擬仿真實驗操作成績，實現“線上虛擬仿真實驗+線下實驗+平時成績+期末測試”新型考核方式，從而改變單一的“實驗+平時表現+期末測試”考核機制，可激發教師教學活力，提高學生學習動力，助力打造一流課程。

通過“VR+云平臺”兩大平臺、“VR+云預習”“VR+云講解”“VR+云指導”實驗三步法，應用于高等教育教學中，豐富了原有的教學媒體，延展了教育技術的范圍，為職業教育實訓教學提供了強有力的支持；學生不再受實訓場地、實訓設備等實訓條件的限制，也不必過于擔心實訓課時緊，實訓安全風險的存在等問題，可以自主的暢游虛擬學習世界，共享優質教學資源，提高學習效果和效率。隨著對虛擬現實技術應用于職業教育實訓教學的研究不斷深入，高等教育教學的改革和發展也將迎來新的機遇。