朱孝平 ，林曉偉 ，張劍平

(1.浙江大學(xué) 教育技術(shù)研究所，浙江 杭州 310028；2.浙江省永康職業(yè)技術(shù)學(xué)校，浙江 永康 321300)

虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境及應(yīng)用研究*
——以數(shù)控加工為例

朱孝平1，林曉偉2，張劍平1

(1.浙江大學(xué) 教育技術(shù)研究所，浙江 杭州 310028；2.浙江省永康職業(yè)技術(shù)學(xué)校，浙江 永康 321300)

在職業(yè)教育的各類教學(xué)環(huán)境當(dāng)中，實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的發(fā)展與變化最為迅速。近年來，伴隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境正在成為一種重要的教學(xué)環(huán)境類型。該文以虛實(shí)融合數(shù)控模具加工環(huán)境為背景開展了實(shí)訓(xùn)活動的初步研究，發(fā)現(xiàn)該類實(shí)訓(xùn)環(huán)境具有明確的支持教學(xué)作用，并且存在“時點(diǎn)效應(yīng)”，即應(yīng)用于校內(nèi)認(rèn)知性與驗(yàn)證性的實(shí)訓(xùn)以及熟練員工能力提升的培訓(xùn)時效果較好。進(jìn)行該類教學(xué)活動必須進(jìn)行整體與合理的設(shè)計(jì)，把虛實(shí)融合環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)作為節(jié)點(diǎn)嵌入教學(xué)活動鏈中，使得活動與環(huán)境協(xié)同，充分發(fā)揮教學(xué)環(huán)境的作用，取得更好的教學(xué)效果。

中職教育；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；虛實(shí)融合；教學(xué)環(huán)境；教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)是職業(yè)教育教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力與職業(yè)素養(yǎng)的重要任務(wù)。相對于其他類型的教學(xué)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)對于教學(xué)環(huán)境的依賴性更大，可以說，離開了具體的、專門的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)活動就無法順利開展。正因?yàn)槿绱?，近年來，在推進(jìn)職業(yè)教育質(zhì)量提升與內(nèi)涵發(fā)展的過程當(dāng)中，各級各類職業(yè)院校高度重視實(shí)訓(xùn)環(huán)境的建設(shè)。以浙江省為例，近十年余來，通過“職業(yè)教育六項(xiàng)行動計(jì)劃”以及“職業(yè)教育現(xiàn)代化工程”的實(shí)施，職業(yè)學(xué)校的實(shí)訓(xùn)環(huán)境發(fā)生了巨大了變化，生產(chǎn)與服務(wù)的各種設(shè)備設(shè)施以及教育技術(shù)不斷進(jìn)入該類環(huán)境，實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境成為教學(xué)環(huán)境中發(fā)展最快、變化最明顯的領(lǐng)域，出現(xiàn)了各種虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境類型。

但是，伴隨著“快速發(fā)展”也帶來了“問題積累”，主要集中在兩個方面：一是環(huán)境對教學(xué)的有效支持問題，虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境究竟如何有效地支持實(shí)訓(xùn)教學(xué)？在理論上闡明并不困難，但是實(shí)踐中卻存在不少分歧；二是實(shí)訓(xùn)活動與實(shí)訓(xùn)環(huán)境的協(xié)同性，實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動該怎么設(shè)計(jì)與實(shí)施，才能與虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境相協(xié)同以取得更好的效果？本文以職業(yè)教育中虛實(shí)融合數(shù)控模具加工環(huán)境為例，從基于設(shè)計(jì)的研究視角分析探討該類環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)教學(xué)問題。

一、虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境

(一)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境及其分類

在職業(yè)教育中，實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境直接支持實(shí)訓(xùn)教學(xué)的展開，實(shí)訓(xùn)活動的成效對實(shí)訓(xùn)環(huán)境存在很大的依賴性[1]。為了深入研究實(shí)訓(xùn)環(huán)境與實(shí)訓(xùn)教學(xué)之間的這種互動關(guān)系，在2010年1月至2013年1月間，我們組織力量開展了針對中職實(shí)訓(xùn)教學(xué)的調(diào)研，觀察各類實(shí)訓(xùn)課197節(jié)，獲得了豐富的一手資料。其間，又專門組織了實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的觀察與調(diào)查，結(jié)合對相關(guān)實(shí)訓(xùn)環(huán)境裝備的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境在本質(zhì)上是對真實(shí)現(xiàn)場環(huán)境的一種“逼近”，其分類如下頁圖1所示。

第一類是通過“實(shí)物”的模擬。傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境多數(shù)采用這樣的技術(shù)路線，即通過“實(shí)物”來模擬生產(chǎn)或是服務(wù)的現(xiàn)場，例如職業(yè)學(xué)校的鉗工實(shí)訓(xùn)室、普車實(shí)訓(xùn)室等，從模擬的程度上又可以分為低模擬度與高模擬度兩種。近年來，隨著各級各類實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)工作的推進(jìn)，以及企業(yè)參與教學(xué)的不斷深入，一些工廠的車間搬入學(xué)校，成為實(shí)際意義上的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境，即“學(xué)校車間”，這樣的教學(xué)環(huán)境與生產(chǎn)現(xiàn)場之間已沒有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。

圖1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的分類

第二類是通過“軟件”技術(shù)的虛擬。其典型特征是計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的高度參與，通過虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)來虛擬生產(chǎn)與服務(wù)的環(huán)境，或是生成虛擬化的任務(wù)與角色，其環(huán)境中的關(guān)鍵成分是計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，目前職業(yè)院校的各種仿真實(shí)訓(xùn)室以及電腦游戲性質(zhì)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境即屬于此類。同樣，該類實(shí)訓(xùn)環(huán)境依據(jù)仿真的程度可以分為低仿真度與高仿真度兩類。

第三類是虛實(shí)結(jié)合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。從技術(shù)路線上看，該類教學(xué)環(huán)境對生產(chǎn)與服務(wù)現(xiàn)場的模擬處于前兩者之間。通過計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)與實(shí)物的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)，從結(jié)合的緊密程度上看，一種是物理意義上的簡單組合，而另一種則是技術(shù)狀態(tài)下的整體融合。近年來，職業(yè)院校的實(shí)訓(xùn)環(huán)境中出現(xiàn)了越來越多的虛實(shí)融合的趨勢，虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境正在成為開發(fā)與研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

(二)虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境的內(nèi)涵與特征

關(guān)于虛實(shí)融合的概念存在著多種理解。虛實(shí)融合既是一個技術(shù)領(lǐng)域的概念，也是一個哲學(xué)領(lǐng)域的概念，虛實(shí)融合思想明確應(yīng)用于教育領(lǐng)域則是近年來的事。對于虛實(shí)融合環(huán)境目前還沒有公認(rèn)的定義。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，Milgram等[2]把真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的開集定義為混合現(xiàn)實(shí)，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和增強(qiáng)虛擬(AV)。黃榮懷等[3]從虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界關(guān)聯(lián)的視角提出了虛實(shí)融合的定義，認(rèn)為虛實(shí)融合環(huán)境是一種通過各類傳感器設(shè)備識別、獲取真實(shí)環(huán)境中與學(xué)習(xí)活動相關(guān)的客觀信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)將課堂、社會中的真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境與基于網(wǎng)絡(luò)、多媒體的虛擬學(xué)習(xí)空間融為一體的新型學(xué)習(xí)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，張劍平等[4]進(jìn)一步把“進(jìn)行現(xiàn)場講授、演示、操作的真實(shí)環(huán)境”視為“現(xiàn)實(shí)”學(xué)習(xí)環(huán)境，把借助于網(wǎng)絡(luò)與多媒體等手段支持非面對面學(xué)習(xí)的活動場所視為“虛擬”學(xué)習(xí)環(huán)境，認(rèn)為兩種環(huán)境各有長處與短處，兩者的融合成為“虛實(shí)融合”環(huán)境。

綜合上述觀點(diǎn)，結(jié)合對職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的分析與研究，本文認(rèn)為虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境是指為了達(dá)成實(shí)訓(xùn)教學(xué)目標(biāo)，由實(shí)體性設(shè)備與數(shù)字化資源組成，通過傳感、互聯(lián)等技術(shù)將現(xiàn)場環(huán)境與虛擬環(huán)境有機(jī)結(jié)合在一起，能支持系列化、彈性化實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)的生成，促進(jìn)學(xué)生知識技能學(xué)習(xí)并整合形成職業(yè)能力與綜合素質(zhì)的一類教學(xué)環(huán)境。虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境具有以下三個方面的特征。

1.技術(shù)特征

多種技術(shù)的應(yīng)用、滲透與融合。虛實(shí)融合環(huán)境的最大特征在于它的“技術(shù)性”，其核心基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是與之高度關(guān)聯(lián)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用中，這些技術(shù)之間又在不斷相互滲透與融合。正因?yàn)檫@種高度的“技術(shù)性”，虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境一般由專業(yè)公司設(shè)計(jì)開發(fā)。

2.結(jié)構(gòu)特征

豐富的聯(lián)接與多層次的結(jié)構(gòu)。虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境包含的要素更為豐富，在層次上表現(xiàn)為支持操作的器具、支持教學(xué)的設(shè)施、支持交流的空間與網(wǎng)絡(luò)以及作為文化心理層面的職業(yè)情景。在要素與要素之間，層次與層次之間存在多種物理的聯(lián)接，多層次的結(jié)構(gòu)與豐富的聯(lián)接在理論上使虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境“內(nèi)部相洽”又“外部開放”。

3.功能特征

全面支持學(xué)習(xí)產(chǎn)出的功能。虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境因?yàn)槠漭^完備的結(jié)構(gòu)，因而潛在地具有對教學(xué)的多向支持功能，既可以支持現(xiàn)場操作、問題解決，也可以支持非正式學(xué)習(xí)，打破時空限制，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)等。學(xué)習(xí)者通過與環(huán)境中的器具互動獲得知識與技能，在相對真實(shí)任務(wù)的完成過程中獲得能力，在職業(yè)情景中獲得情感發(fā)展、素質(zhì)提升。

(三)案例：虛實(shí)融合的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)環(huán)境

近年來各職業(yè)院校隨著企業(yè)專業(yè)人才需求的增加，紛紛設(shè)置數(shù)控、模具類專業(yè)，在實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)過程中，購置了大量的生產(chǎn)型數(shù)控加工設(shè)備，試圖通過完全真實(shí)的設(shè)備與任務(wù)下的實(shí)訓(xùn)，提高學(xué)生的職業(yè)能力。但是在教學(xué)過程中暴露出不少問題，首先是學(xué)?；ㄙM(fèi)數(shù)百萬元購置的數(shù)控設(shè)備與加工中心，依然無法滿足實(shí)訓(xùn)的需要，不同于鉗工實(shí)訓(xùn)，數(shù)控實(shí)訓(xùn)工位不足的矛盾更加突出；其二是成本巨大，多數(shù)學(xué)校的實(shí)訓(xùn)耗材沒有財(cái)政補(bǔ)助，實(shí)訓(xùn)的過程成本無限增加；其三是教學(xué)組織困難，教學(xué)活動不同于生產(chǎn)與服務(wù)，特別是在集體教學(xué)的情況下，教學(xué)進(jìn)程的有效控制受到挑戰(zhàn)。因此，客觀上職業(yè)學(xué)校需要更加合理的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境來支持實(shí)訓(xùn)活動的開展。浙江XR公司正是在這種需求的驅(qū)動下，開發(fā)了虛實(shí)融合的數(shù)控實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

1.實(shí)訓(xùn)環(huán)境整體架構(gòu)

虛實(shí)融合的數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)環(huán)境旨在“改善學(xué)習(xí)體驗(yàn)、增加學(xué)習(xí)興趣、減少設(shè)備投入、提高教學(xué)效率”，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛實(shí)融合數(shù)控加工的實(shí)訓(xùn)環(huán)境結(jié)構(gòu)

該實(shí)訓(xùn)環(huán)境的核心設(shè)備是由軟硬件結(jié)合構(gòu)成的模擬加工操作單元，包括顯示器、操控面板以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，由于空間位置緊湊可以容納更多學(xué)生實(shí)訓(xùn)。模擬加工操作單元與教學(xué)投影等多媒體展示設(shè)備相聯(lián)，單元內(nèi)的操作過程可以顯示于教學(xué)投影設(shè)備上，方便教師進(jìn)行演示、講解以及點(diǎn)評指導(dǎo)等。同時，模擬加工操作單元還實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)加工設(shè)備的聯(lián)接，加工單元內(nèi)的數(shù)據(jù)可以傳送到加工車間的實(shí)際設(shè)備上，經(jīng)過試運(yùn)行的程序可以用于實(shí)際的生產(chǎn)加工。

2.軟件系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

(1)按照真實(shí)數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)和比例來進(jìn)行建模，并對三維模型進(jìn)行真實(shí)感優(yōu)化，具有逼真的外觀效果；

(2)采用隱匿式菜單和右鍵快捷菜單管理機(jī)床的各項(xiàng)功能，將屏幕完全用于機(jī)床的完整顯示，改善用戶的操作體驗(yàn)；

(3)對FANUC數(shù)控面板進(jìn)行了完整的仿真，按照真實(shí)面板的外觀制作了虛擬的數(shù)控面板，可進(jìn)行顯示模式切換和隱藏控制，方便用戶的學(xué)習(xí)；

(4)結(jié)合部件提示、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、機(jī)床顯示控制和鼠標(biāo)視圖控制等功能，可對機(jī)床模型進(jìn)行全方位的觀察和學(xué)習(xí)，便于用戶熟悉機(jī)床結(jié)構(gòu)；

(5)可選擇教、練、考三種教學(xué)方式，可對學(xué)生的操作進(jìn)行實(shí)時控制，指導(dǎo)其進(jìn)行機(jī)床操作的練習(xí)，伴有語音和文字提示，便于學(xué)生理解，考試模式能記錄學(xué)生的實(shí)際操作過程，并對其操作正確與否進(jìn)行評分，生成成績單；

(6)可選擇無線模式，采用Android平板電腦與PC端建立無線連接，將平板電腦作為控制端，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程操作，代替PC端完成相關(guān)的操作控制，使學(xué)生有身臨其境的體驗(yàn)。

(三)主要功能界面

以職業(yè)院校學(xué)生為核心，通過全新的人機(jī)交互，豐富使用者感官體驗(yàn)，降低操作學(xué)習(xí)的難度。

在系統(tǒng)主界面中，為減少用戶的學(xué)習(xí)成本，采用UG軟件的視圖操作方式，可方便地對數(shù)控加工中心進(jìn)行全方位觀察體驗(yàn)。為減少功能菜單對界面的干擾，系統(tǒng)中將主要功能的選項(xiàng)都集中到了屏幕上方的隱匿式菜單中，只有在需要啟動相應(yīng)功能時才會調(diào)出相應(yīng)菜單。當(dāng)鼠標(biāo)移動到屏幕上方區(qū)域時該隱匿式菜單即自動出現(xiàn)，當(dāng)有子功能選項(xiàng)時，會啟動相應(yīng)的下拉列表式菜單，以方便于用戶選擇。

在實(shí)訓(xùn)的過程中，學(xué)生可選擇相應(yīng)的案例進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)入相應(yīng)的使用界面如圖3所示。根據(jù)學(xué)習(xí)階段的不同，會出現(xiàn)不同的功能菜單，用戶可以根據(jù)相應(yīng)文字和語音提示，進(jìn)行相關(guān)的操作。

圖3 數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用界面

二、教學(xué)活動的設(shè)計(jì)與實(shí)施案例

虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境具有多種支持教學(xué)需求的優(yōu)勢，如克服工位不足，節(jié)省成本，增加可控制性以及增強(qiáng)學(xué)習(xí)者體驗(yàn)等方面。但是在實(shí)踐中，這些優(yōu)勢的體現(xiàn)需要條件保障。自2013年9月開始，我們開展了基于設(shè)計(jì)的研究，即通過為特定場合設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)境，采用“逐步完善”的方法實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的雙重發(fā)展，基于設(shè)計(jì)的研究其過程一般包括“設(shè)計(jì)開發(fā)”“實(shí)施驗(yàn)證”“分析評價”“完善優(yōu)化”等階段[5]。利用該虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境，開展的案例研究過程如下。

(一)實(shí)施驗(yàn)證

在第一個階段，學(xué)校與任教的老師充滿了期待，虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境采用了多種最新技術(shù)，能創(chuàng)造條件幫助學(xué)生做中學(xué)，實(shí)現(xiàn)“理實(shí)一體”，這些特征都是職業(yè)教育理念的體現(xiàn)。在嘗試階段，教師直接利用該環(huán)境進(jìn)行數(shù)控加工的教學(xué)，結(jié)果很快發(fā)現(xiàn)存在幾個方面的問題：其一是教師對該類型實(shí)訓(xùn)環(huán)境不熟悉，而且教學(xué)環(huán)境越復(fù)雜，這一熟悉的過程會越長，教師明顯感覺到不適應(yīng)，教學(xué)活動的設(shè)計(jì)比較困難，難以達(dá)到理想中的效果；其二是學(xué)生的興趣會衰減，在實(shí)訓(xùn)的初期，職校生對動態(tài)演示加工過程充滿好奇，但是如果沒有實(shí)質(zhì)性的任務(wù)學(xué)習(xí)跟進(jìn)，這種淺層興趣會很會遞減；其三是真正意義上的“理實(shí)一體”難以保證，虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境類似于“理實(shí)一體”實(shí)訓(xùn)環(huán)境，需要“理實(shí)一體”的任務(wù)設(shè)計(jì)與之協(xié)同。初步的實(shí)施驗(yàn)證表明，虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境雖然具有多種理論上的優(yōu)勢，但是并不能完全適合實(shí)際教學(xué)的要求。

(二)分析改進(jìn)

虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境提供了支持教學(xué)的可能性，也能幫助生成虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，但是教師的教學(xué)設(shè)計(jì)依然十分重要。要取得好的教學(xué)效果，必須圍繞項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目與任務(wù)的匹配模式上，根據(jù)課程的特點(diǎn)，主要采用“循環(huán)式”[6]，這樣的設(shè)計(jì)也方便了教學(xué)的組織。經(jīng)過改進(jìn)后，其圍繞項(xiàng)目與任務(wù)的教學(xué)環(huán)節(jié)如圖4所示。

圖4 虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境下圍繞項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)

重點(diǎn)討論圍繞某一項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)的流程一般由四個環(huán)節(jié)構(gòu)成，即“知識講解”“熟悉環(huán)境”“模擬操作”“真實(shí)訓(xùn)練”。我們可以稱之為虛實(shí)融合環(huán)境下的“實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)”。

知識講解：實(shí)訓(xùn)教學(xué)離不開一定的知識講解，這也是實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體的前提之一。有時知識的講解甚至需要離開虛實(shí)融合的環(huán)境，在教室環(huán)境或是其他環(huán)境下進(jìn)行，以避免學(xué)生受到過多的干擾，影響教學(xué)進(jìn)程控制。

熟悉環(huán)境：是指讓學(xué)生適當(dāng)熟悉虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境。對于教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)者而言，他們掌握充分的技術(shù)，對教學(xué)環(huán)境了如指掌，但是對于學(xué)習(xí)者來說，卻是完全陌生的一類“器具”，如果學(xué)習(xí)者不事先對操作環(huán)境進(jìn)行一定的熟悉，就會因操作困難離開學(xué)習(xí)或是盲目操作“離開任務(wù)”。

模擬操作：主要是通過模擬實(shí)際的操作，理解掌握過程性的知識，這也是實(shí)訓(xùn)的根本目標(biāo)之一，通過虛實(shí)融合環(huán)境下的仿真操作，可以減少成本，增加安全與過程可控性，同時又有較高的真實(shí)體驗(yàn)感。

真實(shí)訓(xùn)練：指采用真實(shí)設(shè)備，真實(shí)材料進(jìn)行的真實(shí)訓(xùn)練。任何模擬都無法完全代替真實(shí)，除了各種感官的體驗(yàn)以外，還有更重要的“心理體驗(yàn)”，即誤操作產(chǎn)生的后果、成功的喜悅等等都需要實(shí)戰(zhàn)體驗(yàn)。

有效利用虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)，需要進(jìn)行教學(xué)策略的改進(jìn)，改進(jìn)后的策略為：

1.圍繞項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)一般從“知識講解”開始，按順時針的順序展開，但是這樣的順序并不是固定的，知識講解有時可以嵌套在模擬操作之后，甚至是真實(shí)訓(xùn)練之后，四個環(huán)節(jié)之間的順序如何處理，需要根據(jù)具體的教學(xué)情境。

2.在時間的比例上，隨著學(xué)習(xí)者對教學(xué)環(huán)境的熟悉，熟悉環(huán)境的用時可以不斷減少，隨著模擬操作技能的提高，以及學(xué)生模擬訓(xùn)練興趣的遞減，該環(huán)節(jié)的用時也要不斷減少，與此相應(yīng)，真實(shí)訓(xùn)練的時間比例要不斷增加。

3.當(dāng)學(xué)習(xí)者較好掌握各種實(shí)際的操作技能，進(jìn)入需要進(jìn)一步提升數(shù)控編程能力以及理論性知識學(xué)習(xí)的階段，又可以減少真實(shí)訓(xùn)練的時間，增加模擬操作甚至知識講解的時間比例。

(三)完善提升

在經(jīng)過了近一年的實(shí)踐嘗試之后，我們舉辦了浙江省模具教學(xué)研討會。該環(huán)境開發(fā)公司介紹了虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境的功能與開發(fā)情況，承辦學(xué)校介紹了該環(huán)境下教學(xué)嘗試的經(jīng)驗(yàn)與做法，并精心開展了教學(xué)觀摩課。

1.教學(xué)觀摩

采用浙江省課程改革成果教材《模具加工技術(shù)》項(xiàng)目二《模具零件的數(shù)銑加工》中的任務(wù)二《動模?？虻募庸ぁ纷鳛榻虒W(xué)任務(wù)，授課老師對任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)馗脑?，加工零件如圖5所示。

圖5 動模?？蚣庸ろ?xiàng)目示意圖

為了在有限的時間內(nèi)(90分鐘)展示教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，并體現(xiàn)項(xiàng)目教學(xué)的整體設(shè)計(jì)，在課前進(jìn)行了必要的知識講解以及教學(xué)環(huán)境熟悉。教學(xué)實(shí)施的主要步驟如下：

(1)課前準(zhǔn)備：包括分組，明確崗位分工，進(jìn)行必要講解與安全教育；

(2)任務(wù)導(dǎo)入：創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入工作任務(wù)動模?？虻募庸?；

(3)小組討論：根據(jù)工作任務(wù)書，討論制訂加工工藝方案，填寫工具清單與加工工序卡片；

(4)虛擬加工：利用虛實(shí)融合環(huán)境，分小組進(jìn)行虛擬仿真練習(xí)，驗(yàn)證加工工藝方案，記錄發(fā)現(xiàn)的問題并討論加以解決；

(5)實(shí)機(jī)操作：分小組進(jìn)行實(shí)機(jī)操作，并記錄過程；

(6)檢測評價：檢測作品，分析問題，交流展示，總結(jié)評價。

2.教學(xué)研討

參加會議的代表在課堂觀察的前提下，對虛實(shí)融合環(huán)境下的教學(xué)活動進(jìn)行研討，主要議題為該類型的教學(xué)環(huán)境在支持?jǐn)?shù)控類專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的作用與局限性；教學(xué)活動應(yīng)該如何設(shè)計(jì)才能取得更好的實(shí)訓(xùn)效果。研討的目的是獲得有關(guān)虛實(shí)融合環(huán)境下實(shí)訓(xùn)教學(xué)的新認(rèn)識，以進(jìn)一步驗(yàn)證與發(fā)展相關(guān)的理論。

三、分析與討論

基于設(shè)計(jì)的研究是一種研究的范式，可以綜合采用多種研究方法，在研究的過程中，我們通過觀察、訪談、文本分析等手段全面收集資料，特別是針對數(shù)控類專業(yè)教師進(jìn)行了多輪次訪談。針對本文提出的兩個問題，進(jìn)行了資料的分析工作，對虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境的作用整理形成了如下表所示的結(jié)果。

虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境的作用分析(以數(shù)控加工環(huán)境為例)

(一)作用分析

1.有明確效果。虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境存在特定的支持教學(xué)的作用。這些效果包括克服工位不足、節(jié)能減排、降低成本、安全可控、教學(xué)組織便利等。但是站在不同的層面對該類環(huán)境的作用認(rèn)識不同，站在政府層面，會提供節(jié)能減排等理由；站在學(xué)校層面，會比較多地考慮安全性與克服工位不足等方面的理由；而對于授課教師而言，可控制性、教學(xué)組織方便是最重要的。由此可見不同的觀點(diǎn)之間并不矛盾，而是相互支持的。

2.作用有局限性。虛擬只能部分代替真實(shí)，就本案例而言，其對于“學(xué)”的支持作用還不夠充分，原因之一是部分重要信息無法模仿，比如加工過程中產(chǎn)生的氣味是重要的反饋信息，但是現(xiàn)有的技術(shù)條件下無法模仿，或是模仿的成本會很高。在職業(yè)能力培養(yǎng)的過程中，虛實(shí)融合環(huán)境起到的是支持性的作用，而不是必不可少的。在過度使用的情況下，甚至可能會產(chǎn)生一些負(fù)面的影響。因此，虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境應(yīng)當(dāng)適度運(yùn)用，當(dāng)學(xué)習(xí)進(jìn)入到一定的階段以后，必須過渡到生產(chǎn)性的實(shí)訓(xùn)或是真實(shí)環(huán)境下的學(xué)習(xí)。

3.存在“時點(diǎn)”效應(yīng)。這是研究中最重要的發(fā)現(xiàn)，虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境用在什么“時點(diǎn)”效果最好？一是代替認(rèn)知性的學(xué)習(xí)，即讓學(xué)習(xí)者熟悉設(shè)備、環(huán)境以及操作的基本過程；二是用于學(xué)習(xí)者的后期培訓(xùn)與考核。熟練的操作者都存在一些習(xí)慣性的錯誤或需要提升的能力，虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，對于熟練的使用者，找出自己的問題所在，進(jìn)行反思性的校正會有明確幫助，這是教師們在實(shí)踐中形成的一個認(rèn)識：即虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境運(yùn)用于校內(nèi)的認(rèn)知性實(shí)訓(xùn)，以及用于熟練后的員工的能力提升培訓(xùn)或是考核可能會取得最好的效果。

4.對將來充滿期待。對于該類型實(shí)訓(xùn)環(huán)境的將來，職業(yè)院校的教師充滿期待，因?yàn)榧夹g(shù)的發(fā)展是無限的，特別是手機(jī)等生活中的產(chǎn)品給了教師們很大的信心，認(rèn)為再過若干年，虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境會非常先進(jìn)，智能化水平會不斷提高，從而給實(shí)訓(xùn)教學(xué)帶來巨大便利。

(二)教學(xué)活動設(shè)計(jì)建議

虛實(shí)融合環(huán)境下的學(xué)習(xí)活動與傳統(tǒng)環(huán)境下的學(xué)習(xí)相比，其在學(xué)習(xí)主體、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)工具、交互方式等方面都具有特殊性[7]。要充分發(fā)揮虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境的作用并克服其局限性，教學(xué)設(shè)計(jì)必須與環(huán)境協(xié)同。

1.嵌入整個教學(xué)鏈條。虛實(shí)融合環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)只是一種實(shí)訓(xùn)教學(xué)的類型，是實(shí)訓(xùn)教學(xué)的一個或多個階段。因此，在教學(xué)活動的設(shè)計(jì)中，要把虛實(shí)融合環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)作為一個環(huán)節(jié)嵌入整個實(shí)訓(xùn)教學(xué)或是職業(yè)教育教學(xué)的鏈條當(dāng)中，不能簡單地用該類環(huán)境下的教學(xué)代替實(shí)訓(xùn)。

2.充分凸顯作用“時點(diǎn)”。虛實(shí)融合環(huán)境對教學(xué)的支持存在“時點(diǎn)”效應(yīng)，即兩端效應(yīng)，與此相對應(yīng)，實(shí)訓(xùn)活動設(shè)計(jì)要充分體現(xiàn)環(huán)節(jié)對應(yīng)，把虛實(shí)融合環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)安排在校內(nèi)認(rèn)知性的實(shí)訓(xùn)階段，以及熟練后的考核或是熟練后的員工培訓(xùn)階段，使之與完全真實(shí)環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)構(gòu)成互促互補(bǔ)的關(guān)系。

3.控制時間比例構(gòu)成。這是教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施中最困難與復(fù)雜的一部分，整體的時間比例以及每一個項(xiàng)目教學(xué)中的環(huán)節(jié)時間比例都須進(jìn)行適當(dāng)控制。教學(xué)環(huán)境提供了支持教學(xué)的潛在可能，但是要充分發(fā)揮其作用，教師不能簡單依賴教學(xué)環(huán)境或是教學(xué)環(huán)境的智能化，而是要通過精心設(shè)計(jì)與實(shí)施教學(xué)活動實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的協(xié)同。

四、結(jié)束語

虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境是近年來實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境發(fā)展的一種重要類型，由于綜合運(yùn)用了多種先進(jìn)技術(shù)，能有機(jī)融合真實(shí)的現(xiàn)場環(huán)境與虛擬環(huán)境，因而具有支持實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動開展、促進(jìn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量提升的明確作用。但是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，虛實(shí)融合的實(shí)訓(xùn)環(huán)境還不能完全代替真實(shí)環(huán)境，虛實(shí)融合實(shí)訓(xùn)環(huán)境對教學(xué)的支持作用存在時點(diǎn)效應(yīng)，主要支持校內(nèi)認(rèn)知性、驗(yàn)證性的實(shí)訓(xùn)以及熟練后的員工考核或是培訓(xùn)。

實(shí)訓(xùn)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境之間存在相互依存、相互促進(jìn)的關(guān)系。教學(xué)活動的設(shè)計(jì)要與環(huán)境協(xié)同，把虛實(shí)融合環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)有機(jī)嵌入到整個職業(yè)教育的教學(xué)鏈條當(dāng)中，才能充分發(fā)揮該類環(huán)境的作用，促進(jìn)職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的全面提升。

[1]朱孝平.虛實(shí)融合環(huán)境下的中職實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2015.

[2]Milgram P, Kishino A F. A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays[J].IEICE Transactions on Information Systems,1994,(12):1321-1329.

[3]黃榮懷,楊俊鋒等.從數(shù)字學(xué)習(xí)環(huán)境到智慧學(xué)習(xí)環(huán)境——學(xué)習(xí)環(huán)境的變革與趨勢[J].開放教育研究,2012,(1):75-84.

[4]張劍平,許瑋等.虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境:概念、特征與應(yīng)用[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2013,(3)：3-9.

[5]張文蘭,劉俊生.基于設(shè)計(jì)的研究——教育技術(shù)學(xué)研究的一種新范式[J].電化教育研究, 2007,(10):13-17.

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[7]李紅梅,張劍平等.虛實(shí)融合環(huán)境下的學(xué)習(xí)活動及其設(shè)計(jì)[J].中國電化教育, 2013, (1):23-29.

朱孝平：博士，特級教師，研究方向?yàn)槁毥陶n程與教學(xué)(zjzhuxp@163.com)。

林曉偉：一級教師，研究方向?yàn)閿?shù)控教學(xué)(lxw_william@qq.com)。

張劍平：教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)學(xué)化學(xué)習(xí)(21zjp@VIP.163.com)。

2015年10月17日

責(zé)任編輯：趙興龍

Research on Virtual-reality Fusion Environment for Practice Training and Its Application——A Case Study of Numerical Control Processing

Zhu Xiaoping1, Lin Xiaowei2, Zhang Jianping1
(1.Institute of Education Technology, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310028;2.Yongkang Vocational and Technical School of Zhejiang Province, Yongkang Zhejiang 321300)

Practice training environment has the most rapid change and development compared to other kinds of teaching environment in vocational education. In recent years, practice training in virtual-reality fusion environment is becoming an important type of teaching environment with the application of many new technologies. This study focuses on the practice training of numerical control processing in virtual-reality fusion environment, demonstrates that such kind of teaching environment has a definite support on teaching. The effect is obvious at the time when it is applied in teaching, and it's better in the cognitive and experimental practical training and the training of improving skilled employees. The teaching activities in such environment should be designed integrally and reasonably. The practice training in virtual-reality fusion environment should be implanted as a part in teaching process to harmonize the activities and the environment so that such teaching environment can be utilized completely to gain a better result of practice training.

Secondary Vocational Education; Practice Training; Virtual-reality Fusion; Teaching Environment; Teaching Design

G434

A

1006—9860(2015)12—0087—06

* 本文系國家社科基金教育學(xué)課題“虛實(shí)融合環(huán)境中的非正式學(xué)習(xí)模型及其應(yīng)用研究”(項(xiàng)目編號：BCA130018)的研究成果。