虛擬仿真技術在實訓課程資源開發過程中的研究及應用

戴奕，童川，張小鵬

（四川鐵道職業學院，四川 成都 610097）

2020 年10 月，首個國家職業教育虛擬仿真示范實訓基地在江西正式開啟，助力推動了虛擬仿真技術應用在職業教育中的前進腳步。2021 年1 月，四川省教育廳在《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地和實訓項目建設的通知》中強調指出，按照“能實不虛、以實帶虛、以虛助實、虛實結合的原則，建設一批開放共享的虛擬仿真實訓基地和實訓項目。”職業教育的實訓教學過程中普遍存在“三高三難”痛點和難點，即高投入、高損耗、高風險、難實施、難觀摩、難再現。為了解決此類問題，將虛擬仿真技術創新應用在教學中，取得了良好的效果。

1 當前實訓教學過程現狀分析

1.1 細節展示不足

針對教室講臺展示、實訓教學演示成本昂貴或示范過程中存在一定安全隱患的教學內容，學生理解不充分，傳統實踐教學效率低。

1.2 實訓設備不足且成本較高

實訓設備不足，做不到一人一機獨立操作實訓，多人分組進行時，一人操作多人觀看，每人真正實操時間少，達不到預期理想的實踐教學成果。對于教學用實訓設備，會造成大量工件耗材、器件損耗、能源消耗，實訓成本巨大。

1.3 實訓室建設場地限制

工程類專業一般對實訓場地空間要求比較大，實訓設備尺寸也比較大，對于實訓室建設成本比較高。

1.4 實訓課程安排不合理

雙師型教師人手不足，實訓項目指導不僅需要具備過硬的專業知識，同時還需要豐富的實訓指導經驗。具有實訓教學經驗的雙師型教師較少，實訓教學效果不理想。實訓室數量不足和實訓教師缺少導致了大多數高校還是偏向于理論教學，難以開展更多的實訓教學，學生動手實踐能力越來越弱，難以達到企業對專業技術人才的要求。

2 虛擬仿真實訓課程資源開發思路和過程

2.1 開發思路

由于虛擬仿真實訓課程資源開發需要一定程度的計算機編程能力，而大部分高校的虛擬仿真課程資源實際項目建設過程中，普遍采用專業教師和企業技術人員的校企合作模式，這就導致懂專業的教師難以快速地進入課程開發過程，而企業技術人員對于高校相關專業了解不深，在溝通時無法將技術與專業需求更高效地結合，企業也無法對課程策劃、實訓實踐、教改科研等提供全方位支持。

在虛擬仿真實訓課程資源開發過程中，應從腳本編寫、三維建模、程序編寫、場景搭建、聯調聯試五個環節進行開發，全過程均需校企雙方共同參與，共同將學校專業需求轉變為可實現的開發需求，企業也要將行業領域先進的“師帶徒”經驗、現場維護關鍵步驟等企業元素整理成素材，豐富教學資源內容，同時為校內學生和企業員工提供學習和提升平臺（圖1）。

圖1

2.2 開發過程

（1）腳本編寫。在虛擬仿真實訓課程資源開發過程中，首先需要編寫專業腳本，腳本是后續的建模和編程的指導依據，特別是對程序的實現方式有重大的影響，直接影響后期程序的實現方式和難易程度。腳本編寫需綜合考慮以下四個方面（圖2）。

圖2

（2）三維建模。由于實訓課程大部分需要需要學生動手去練，而實訓設備往往存在造價昂貴、數量不足、難以拆卸等問題。把現實設備利用3D 建模軟件構建三維虛擬結構圖像，既可以滿足現實設備虛擬仿真，又可以將現實設備難以展示的部分利用3D 建模軟件分解展示、透視展示、立體展示。

在三維建模的基本流程一般分為：①項目建模準備。在項目建模準備階段，需要充分參照現實設備或圖紙進行分析，確定建模場景、建模精度、建模單位、模型分解、模型分組編號。將分解模型圖紙導入建模軟件進行分組并凍結，作為后期建模的參考。②項目建模過程。在項目建模過程階段，需要根據分解模型進行建模標準（高、中、低模）建立，根據材質進行模型分組建模，盡量保證同一材質由同一人建模，避免后期材質貼圖出現差異。選擇合適的建模工具，按照前期標準進行三維建模，在建模中一定要保證設備結合處比例合適、布線規范、精度準確。③項目模型保存。在項目建模過程中，往往會存在很多難以預料的細小零件模型（例如，螺母、螺絲、墊片、連接件等），而在后期建模中還需要大量使用此類模型，將此類模型進行規范保存并做好材質和貼圖，建立零件素材庫，共享給項目組其他成員。④項目模型材質貼圖。在項目建模完成后，需根據前期標準進行模型的UV 展開，選擇合適的材質和貼圖素材。在虛擬仿真實訓課程資源開發項目中，需將建好的模型導入虛擬仿真開發軟件進行模型組裝和材質貼圖。

（3）程序編寫。①環境搭建。目前常見的虛擬仿真開發引擎軟件比較多，并且技術均相對成熟，選擇自己熟悉的開發引擎安裝。②項目創建。引擎安裝成功后，選擇VR 項目模板創建VR 項目。項目創建成功后，安裝虛擬仿真設備驅動程序。再根據當前開發環境配置虛擬仿真設備并檢測環境是否正常。③模型導入。將前期制作好的模型和材質貼圖導入到項目中，導入項目時，一定要將不同功能的文件放置在不同的文件夾下。根據模型功能不同或者模塊不同進行分組并建立一套合理的命名規則，以方便程序對模型調用。④程序編寫。為用到的不同模型部件編寫不同的程序，對模型進行操作時，需注意模型的中心位置、相對位置和絕對位置。按照之前編寫完成的腳本，從前往后逐步編程實現。在程序編寫過程中，著重注意互動環節和評價體系的程序部分，語音講解可由AI 生成。⑤編譯生成。生成可執行程序時一定注意選擇Windows平臺，一般開發軟件支持鍵盤鼠標、VR 手柄等多種輸入方式，支持PC 端、手機端等多種導出模式，根據項目需求選擇合適的可執行程序生成。

（4）場景搭建。完成了建模和程序編寫，便可采用兩種應用方式：一種是在PC 端進行觀看，另一種是采用頭盔顯示器等穿戴設備。在PC 端進行觀看和學習，是一種可以普遍應用的教學方法。只需要將教學資源安裝在計算機上，就可以利用鼠標的操作完成控制指令的下達，實現人機交互，可適用于計算機房教學，可供學生自主預習，可用于課堂教學資源，可作為課后資料進行復習和鞏固。采用頭盔顯示器可實現整個學習過程的浸入式體驗，跨越了時間和地點的限制，只要戴上頭盔，連接到設備后進入的場景要與現實一致，就可以不分時間不計地點進行實訓練習。可以通過手柄的控制和操作，發出相應的控制指令，實現可交互的沉浸體驗。

（5）聯調聯試。通過多位專業教師、現場專家、學生的體驗測試，提出體驗感受，形成改進意見，進行再次開發與優化。多次試驗無誤后，應用于實際校內教學和企業培訓。

3 VR/AR 技術在教學應用中的創新

3.1 突破授課場地和設備限制

VR/AR 技術可以讓師生在虛擬場景中自由行走，全面了解空間信息和設備信息。可以隨時隨地，說看就看，在虛擬場景中進行1：1 場景搭建，支持設備720°自由行走、自由瀏覽，為師生帶來沉浸式體驗。通過鳥瞰、分解、爆炸等不同視角，實現設備整體布局、內部結構、尺寸大小、材質貼圖等信息全面展示。

3.2 VR/AR 技術對教學效果的提升

VR/AR 技術可將具有危險性的實訓教學、拆解困難的設備進行深度仿真，讓學生從 “只能看”變為既“可以看”也“可以摸”，配合語音AI，自動生成語音講解，從視覺、聽覺、觸覺三個維度幫助學生理解，引導學習者自主發掘知識點，自主學習，真正實現知識的直接獲取。

4 結語

VR 教學將嶄新的教學模式樹立在教師眼前，使課堂多元化，提升了教學質量與教學手段。同時，拓展了學生的眼界，突破了認識空間的有限性，豐富了學生的感知世界。