林 康 李金國 陶東婭

（臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 臺州 318000）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工學(xué)結(jié)合教學(xué)中的應(yīng)用*

林 康 李金國 陶東婭

（臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 臺州 318000）

工學(xué)結(jié)合作為一種教育和人才培養(yǎng)模式，將學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際工作結(jié)合在一起，使學(xué)生接受一定的職業(yè)訓(xùn)練，提高自身的綜合素質(zhì)和就業(yè)競爭能力。工學(xué)結(jié)合需要大量的實(shí)踐教學(xué)資源，實(shí)體實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)需要耗費(fèi)大量的人力物力。本文探討了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)環(huán)境的途徑。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；工學(xué)結(jié)合教學(xué)；應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的具有視覺、聽覺、觸覺等多感知的三維虛擬環(huán)境。用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境進(jìn)行互動，可身臨其境地與之進(jìn)行交互、仿真和信息交流。它是通過多媒體計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)同儀器設(shè)備性能相結(jié)合在電腦屏幕上創(chuàng)造出模擬的儀器性能、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而達(dá)到真實(shí)或接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果，有時所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工學(xué)結(jié)合教學(xué)特點(diǎn)

真實(shí)性 工學(xué)結(jié)合教學(xué)的主要目的是在真實(shí)環(huán)境中培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)與企業(yè)的“零距離”對接。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能提供一種虛擬的沉浸式交互環(huán)境，主要通過立體聽覺、三維觸覺或力感以及具有高度沉浸感的視覺環(huán)境實(shí)現(xiàn)。其中，立體聽覺一般通過三維環(huán)繞立體聲系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，三維觸覺和力感可以通過高精度的計(jì)算機(jī)觸覺或力反饋設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，而高度沉浸的視覺環(huán)境通常會通過大屏幕立體投影顯示系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。通過沉浸感，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中有一種身臨其境的真實(shí)感，從而使學(xué)生在虛擬環(huán)境訓(xùn)練如同在真實(shí)環(huán)境訓(xùn)練一樣。

實(shí)時性 借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，不受原料、廠房、工作環(huán)境等資源的限制，可以隨時使用，同時借助于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生在寢室或家里也能進(jìn)入虛擬實(shí)訓(xùn)場所進(jìn)行訓(xùn)練。同時，在訓(xùn)練過程中能實(shí)時反映訓(xùn)練效果。這樣，學(xué)生可充分發(fā)揮主動性和創(chuàng)新精神。學(xué)生有多種機(jī)會在不同的情境下應(yīng)用他們所學(xué)的知識，能夠根據(jù)自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認(rèn)識和解決實(shí)際問題的方案。

安全性 與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相輔相成，完成現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)不能完成的任務(wù)。對于一些高危險性實(shí)驗(yàn)、涉及高精密儀器的實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)場地和實(shí)驗(yàn)材料缺乏等情況下，學(xué)生很難在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室里自由執(zhí)行開放性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)可完成這類任務(wù)并達(dá)到預(yù)期目的。在計(jì)算機(jī)上對虛擬實(shí)驗(yàn)達(dá)到熟練后再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)操作就會輕車熟路，大大增加現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作熟練度和速度。因此，虛擬和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合會起到事半功倍的作用。而且可以讓學(xué)生接觸和掌握更多、更新、更好的儀器?？梢?，虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的不足，發(fā)揮現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的作用。

在教學(xué)過程中構(gòu)建虛擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境

結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的工學(xué)結(jié)合教學(xué)主要分三個環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

創(chuàng)建虛擬環(huán)境 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要有桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是最能模擬真實(shí)環(huán)境的系統(tǒng)，其主要構(gòu)成如圖1所示。在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配以專門開發(fā)的虛擬軟件就能生成逼真的三維工作環(huán)境。

圖1 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)成圖

工作情景項(xiàng)目設(shè)計(jì) 在工學(xué)結(jié)合中，工作情景項(xiàng)目的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，關(guān)系著學(xué)生能力的提升。要將項(xiàng)目與虛擬工作環(huán)境結(jié)合起來。另外，在設(shè)計(jì)項(xiàng)目的時候要考慮好成績的評定方法。

教學(xué)實(shí)施 基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的教學(xué)對教師的要求較高，需要教師能較好地理解教學(xué)內(nèi)容，把握教學(xué)過程。教師應(yīng)能啟發(fā)、引導(dǎo)并組織學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中學(xué)習(xí)和自我探索。教學(xué)基本流程如圖2所示。

圖2 教學(xué)實(shí)施基本流程圖

在工學(xué)結(jié)合教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要注意的問題

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬實(shí)訓(xùn)基地需與實(shí)體實(shí)訓(xùn)基地結(jié)合起來 虛擬實(shí)訓(xùn)基地雖然能給學(xué)生創(chuàng)建身臨其境的工作環(huán)境，但是不能從根本上完全代替實(shí)體實(shí)訓(xùn)基地達(dá)到培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)踐能力的功能。因此，教學(xué)必須與實(shí)體實(shí)訓(xùn)基地結(jié)合起來，相互促進(jìn)、共同作用，以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

將虛擬實(shí)訓(xùn)基地應(yīng)用于工學(xué)結(jié)合教學(xué)中必須先提高教師的能力 （1）要求教師具有豐富的生活經(jīng)驗(yàn)，掌握較多科普和生活常識，在空間、時間和材料安排方面有判斷力，能創(chuàng)造良好的物質(zhì)環(huán)境和學(xué)習(xí)氛圍。（2）尊重學(xué)生，不將個人觀點(diǎn)強(qiáng)加給學(xué)生，耐心且具有良好的傾聽技能，具有提升學(xué)生自信心的能力。（3）能靈活變換活動程序或方法，善于采納合理化建議，能隨時、及時地幫助學(xué)生從問題或“沖突”的具體情境中解脫出來，不墨守成規(guī)。

實(shí)施案例

我校原《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程進(jìn)行工學(xué)結(jié)合課程改革后調(diào)整為 《典型機(jī)構(gòu)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)》。該課程是服裝機(jī)械及其自動化等機(jī)電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，處于至關(guān)重要的地位。課程在實(shí)施過程中需要大量機(jī)構(gòu)模型和產(chǎn)品模型，需要投入大量資金來支撐。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能減少投入，又能增加對學(xué)生的訓(xùn)練。

在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的時候，首先針對課程需要構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室——機(jī)構(gòu)創(chuàng)新平臺。該平臺在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)里面實(shí)施，使學(xué)生在逼真的三維模擬環(huán)境中進(jìn)行機(jī)構(gòu)及產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練。平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新平臺結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)所創(chuàng)建的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新平臺，《典型機(jī)構(gòu)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)》課程設(shè)置了三個學(xué)習(xí)情境，分別為縫紉機(jī)典型機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)和塔式起重機(jī)力學(xué)模型分析與設(shè)計(jì)。在這三個學(xué)習(xí)情境的實(shí)施過程中，學(xué)生都需借助機(jī)構(gòu)創(chuàng)新平臺，在創(chuàng)新平臺里面進(jìn)行機(jī)構(gòu)的搭建。

工學(xué)結(jié)合教學(xué)模式更利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，然而該模式所需的大量實(shí)訓(xùn)資源是其“瓶頸”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有耗資少、配置靈活、交互能力強(qiáng)、仿真程度高等優(yōu)點(diǎn)，對促進(jìn)工學(xué)結(jié)合教學(xué)模式改革具有重要作用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛躍發(fā)展，虛擬實(shí)訓(xùn)基地將成為高職院校專業(yè)實(shí)訓(xùn)場所的主要形式。

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1672-5727（2012）07-0174-02

林康（1983—），男，浙江臺州人，碩士，臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE。

*本文系臺州市教科規(guī)劃課題《虛擬實(shí)驗(yàn)室在高職工學(xué)結(jié)合人才培養(yǎng)模式中的應(yīng)用研究》（課題編號：GG11055）的部分研究成果