張麗媛，石連栓

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 信息技術(shù)工程學(xué)院，天津 300222）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“理實一體化”教學(xué)中的應(yīng)用研究

張麗媛，石連栓

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 信息技術(shù)工程學(xué)院，天津 300222）

分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“理實一體化”課程中的優(yōu)勢，闡述遵循“認知－理論－實踐”循環(huán)反復(fù)的教學(xué)過程，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建“理（Theory）、實(Training)、技（Technology）一體化”的教學(xué)模式。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；理實一體化；豐田U340E自動變速器；虛擬教學(xué)系統(tǒng)

0 引 言

我國多數(shù)職業(yè)院校仍采取以教師為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，呈現(xiàn)重理論輕實踐的教學(xué)現(xiàn)象。那么，如何瞄準市場需求，通過新技術(shù)去培養(yǎng)新型的高技能人才是政府部門和職業(yè)院校密切關(guān)注的課題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)迅速發(fā)展，已經(jīng)引起各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，將其應(yīng)用于教育教學(xué)領(lǐng)域的研究已逐漸成為熱點。因此，如何依托信息化這一有效手段，使其與職業(yè)教育深入結(jié)合，開發(fā)出適合職業(yè)教育發(fā)展的優(yōu)質(zhì)資源，推動教育和教學(xué)改革，進而培養(yǎng)出高端技能型人才，是我們急待解決的一個問題[12]。

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已從實證層面將其沉浸性、交互性等引入到不同的教學(xué)實踐活動中，提出職業(yè)性與情境性相結(jié)合、先進性與典型性相結(jié)合、知識性與趣味性相結(jié)合的三大基本原則，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，促進獨立學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，提升其職業(yè)技能[3]。例如，北京航空航天大學(xué)在分布式飛行模擬方面的應(yīng)用；浙江大學(xué)在建筑方面的虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計的應(yīng)用；哈爾濱工業(yè)大學(xué)在人機交互方面的應(yīng)用；清華大學(xué)在臨場感的研究，除此之外，西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華東船舶學(xué)院、安徽大學(xué)等均有諸多科技研究的應(yīng)用[4]。這些研究已凸現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有一定的教育應(yīng)用價值和功能。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“理實一體化”中的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為現(xiàn)代科技前沿的綜合體現(xiàn)，利用計算機生成一種多源信息整合的模擬仿真環(huán)境，加強學(xué)習(xí)者的自主性、交互性以及多感知性，這正是“理實一體化”教學(xué)系統(tǒng)所要求的特性，如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果最大化是研究重點。

首先，源自于格式塔學(xué)派的認知主義學(xué)習(xí)論充分肯定學(xué)習(xí)者的主體性，重視內(nèi)在的動機與學(xué)習(xí)活動本身帶來的內(nèi)在強化作用[5]。無論現(xiàn)實中存在著何種類型的學(xué)習(xí)活動，必須適合主體即學(xué)習(xí)者的需求。多數(shù)職業(yè)院校教學(xué)資源有限，無法保證每個個體實操訓(xùn)練，使其形成完整的知識結(jié)構(gòu)體系。一定程度上，學(xué)習(xí)者的求知欲、信息處理能力以及與客體直接或間接交流的能力均得不到滿足。因此，如何發(fā)掘?qū)W習(xí)者進行學(xué)習(xí)活動的內(nèi)部動力，讓學(xué)習(xí)者從枯燥無味的傳統(tǒng)課堂跨入生動有趣的實踐操作是職業(yè)院校普遍存在的問題，虛擬仿真教學(xué)能解決這一難題。

其次，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用具有職業(yè)性、實踐性、情境性、過程性、開放性等特點[6]。以汽修專業(yè)為例，汽車主要由傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)組成，自動變速器、發(fā)動機等是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作原理難以理解，教學(xué)內(nèi)容展現(xiàn)為知識的實踐性、可視性、交互性和協(xié)作性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將抽象問題具體化、微觀問題宏觀化、復(fù)雜問題簡單化，實現(xiàn)“理實一體化”教學(xué)的最優(yōu)化。

最后，教學(xué)媒體是一系列抽象概念、范疇、原理構(gòu)成的邏輯體系結(jié)構(gòu)性知識的載體，它既要讓學(xué)習(xí)者吸收、利用、消化和改造理論與實踐性知識，又要突破傳統(tǒng)教學(xué)的束縛，拓展其創(chuàng)新性思維和抽象性思維，運用適當?shù)慕虒W(xué)媒體對“理實一體化”教學(xué)具有十分重要的意義[7]。

傳統(tǒng)課堂的教學(xué)中，教學(xué)資源僅限于圖片、音頻、視頻等，再由學(xué)習(xí)者進行被動性記憶，極大降低主體參與性，多數(shù)學(xué)習(xí)者停留于理論層面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)仿真教學(xué)后，學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)目標感知性強，借助于作為中介工具的虛擬教學(xué)系統(tǒng)與作為客體對象的學(xué)習(xí)內(nèi)容進行有效的交互，進而促進學(xué)習(xí)者共同體的創(chuàng)建以及他們的社會性發(fā)展。通過教學(xué)系統(tǒng)中3D模型虛擬仿真場景，讓學(xué)習(xí)者沉浸其中，更好地拓展實踐性知識，增強實踐技能。與傳統(tǒng)教學(xué)媒體相比，具有的優(yōu)勢見表1。

表1 教學(xué)媒體對比表[8]

2 利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建“理、實、技一體化”教學(xué)模式

“理論教學(xué)與實踐教學(xué)一體化”簡稱“理實一體化”，是理論知識講解和實踐技能訓(xùn)練并重的教學(xué)模式[9]。汽修專業(yè)是以培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力為目標，結(jié)合典型的工作任務(wù)，將課堂理論與實踐操作有機結(jié)合，使學(xué)習(xí)者游走于教學(xué)空間和實踐空間，實現(xiàn)從理論到實踐、從實踐到創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變。由于實訓(xùn)設(shè)備昂貴、時間和空間的局限性、安全隱患等問題，難以滿足教學(xué)需求。鑒于此，為更好促進教學(xué)資源由點到線，由線到面，由面到空間的立體化，逐步培養(yǎng)出生產(chǎn)一線高素質(zhì)技能型人才，現(xiàn)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入教學(xué)環(huán)境中，讓學(xué)習(xí)者實現(xiàn)虛擬仿真學(xué)習(xí)[10]，如圖1所示。學(xué)生通過傳統(tǒng)課堂、網(wǎng)絡(luò)課堂、實驗室等對理論知識進行學(xué)習(xí)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真實訓(xùn)操作，提高學(xué)生操作技能，為校內(nèi)實訓(xùn)、企業(yè)培訓(xùn)、頂崗實習(xí)、校外實訓(xùn)奠定良好基礎(chǔ)，完成學(xué)校、企業(yè)的工作任務(wù)，成為具有方法能力、專業(yè)能力和社會能力的職業(yè)技能型人才，最終使職業(yè)院校實現(xiàn)理論（Theory）、實踐（Traning）、虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR Technology）融合于一體的教學(xué)模式，簡稱3T教學(xué)模式。

3 3T教學(xué)模式的教學(xué)活動設(shè)計——以豐田U340E汽車變速器為例

3.1 教學(xué)前提

職業(yè)院校中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了汽車構(gòu)造、汽車電器、汽車檢測與維修、發(fā)動機電控技術(shù)等課程，并且取得中級、高級技工資格證。為保證教學(xué)質(zhì)量，2名及以上的雙師型教師進行理實一體化授課，教室由實訓(xùn)室和多媒體教室組成，并配備零部件分解掛圖、教學(xué)模型、設(shè)備陳列櫥柜、PC虛擬操作系統(tǒng)、設(shè)備拆裝平臺等[11]。

3.2 培養(yǎng)目標

基本目標是掌握自動變速器的基本知識，理解自動變速器的結(jié)構(gòu)和傳動原理，獲得獨立拆裝油泵、離合器、制動器、單項離合器、行星齒輪、閥體總成等部件的能力，并能夠正確使用儀器、設(shè)備進行常見故障的診斷分析能力。

圖1 3T教學(xué)模式構(gòu)建圖

能力目標是一個循序漸進、逐層推進的過程，如圖2所示。

3.3 教學(xué)方法

圖2 能力遞進圖[12]

本課程注重實踐操作，遵循“理、實、技一體化”教學(xué)模式，運用多種教學(xué)方法，培養(yǎng)高端技能型人才為最終教學(xué)目標，見表2。

表2 教學(xué)方法表

3.4 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

職業(yè)院校的教學(xué)過程是教學(xué)質(zhì)量最大的影響因素之一，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為理論、實踐的中介工具為學(xué)習(xí)者開辟了新的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。依據(jù)企業(yè)和學(xué)校的教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果，明確將其教學(xué)內(nèi)容與實際工作緊密結(jié)合，見表3；并對其梳理、選取、整合，確定16個實訓(xùn)項目，其中前12個為高職學(xué)生必修項目，后4個為提高技能的選修項目，見表4。

3.5 學(xué)習(xí)情境設(shè)計

教學(xué)過程中教師作為引導(dǎo)者，采用多種教學(xué)策略，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格，原有知識結(jié)構(gòu)，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標、教學(xué)場景，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)情境重現(xiàn)，最終讓學(xué)生自主探究，獲得操作技能，教師進行評價指導(dǎo)，如圖3所示。依據(jù)學(xué)生職業(yè)能力形成規(guī)律,按照實訓(xùn)項目的編排方式對學(xué)習(xí)領(lǐng)域的教學(xué)內(nèi)容進行序化,設(shè)計出豐田U340E自動變速器檢修的學(xué)習(xí)情境,并進行學(xué)習(xí)情境詳細設(shè)計，表5為實訓(xùn)項目1的教學(xué)情境表。

4 3T虛擬教學(xué)的實現(xiàn)——以豐田U340E自動變速器為例

從教學(xué)設(shè)計角度出發(fā)，遵循情境化學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)圖，將教學(xué)內(nèi)容按實訓(xùn)項目劃分，并對學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目標、教學(xué)媒體進行簡單的分析，得出“理實一體化”教學(xué)模式的教學(xué)方案，從而將系統(tǒng)劃分為5大模塊，即知識鏈接、課外拓展、虛擬實訓(xùn)、技能考核、操作說明，如圖4所示，為下一步開發(fā)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)做好準備[13]。

本系統(tǒng)圍繞虛擬實訓(xùn)為中心，通過知識鏈接、課外拓展模塊為學(xué)生夯實理論知識，讓其能夠借助理論知識和必要的工具初步判定故障位置，然后進入拆裝實訓(xùn)，強化學(xué)生對變速器的拆裝，為維修做好準備工作。

表3 企業(yè)工作內(nèi)容對應(yīng)學(xué)校教學(xué)內(nèi)容表

表4 實訓(xùn)項目表[14]

圖3 情境化學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)圖

表5 教學(xué)情境表

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖[15]

5 結(jié) 語

基于“理實一體化”教學(xué)理念，結(jié)構(gòu)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建“理、實、技”3T教學(xué)模式開發(fā)的教學(xué)系統(tǒng)，消融了理論和實踐的邊界，為學(xué)習(xí)者提供仿真沉浸式服務(wù)，激發(fā)多維度學(xué)習(xí)動機，內(nèi)化知識結(jié)構(gòu)，使得課堂教學(xué)直觀形象、安全便捷，彌補教學(xué)條件不足，提高教學(xué)質(zhì)量。

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（編輯：郭田珍）

1672-5913(2017)02-0025-05

G642

張麗媛，女，碩士研究生，研究方向為教育軟件工程，zhangly0828@163.com；

石連栓（通信作者），男，教授，研究方向為教育軟件工程，shilianshuan@sina.com。