王靈利 齊樂華 羅 俊[通訊作者] 呂 冰 蔣建軍

VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)課程探究*——以西北工業(yè)大學(xué)的“VR虛擬裝配綜合實訓(xùn)課程”為例

王靈利1齊樂華2羅 俊2[通訊作者]呂 冰1蔣建軍1

（1．西北工業(yè)大學(xué) 工程實踐訓(xùn)練中心，陜西西安 710072；2．西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西西安 710072）

在“新工科”背景下，國防特色工程教育對高校在校學(xué)生的工程實訓(xùn)教學(xué)提出了更高要求?；诖?，文章圍繞VR技術(shù)的三大特性，提出了VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)課程的建設(shè)思路。隨后，文章以西北工業(yè)大學(xué)“VR虛擬裝配綜合實訓(xùn)課程”為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，設(shè)計了實訓(xùn)課程的教學(xué)流程，并通過問卷調(diào)查進(jìn)行了教學(xué)效果分析，發(fā)現(xiàn)VR技術(shù)能夠規(guī)避教學(xué)風(fēng)險、提升教學(xué)質(zhì)量，在現(xiàn)有工程實訓(xùn)課程中具有較高的推廣價值。最后，文章提出VR技術(shù)應(yīng)用于工程實踐教學(xué)的建議。在實訓(xùn)課程中靈活運用VR技術(shù)，可提升學(xué)生參與實訓(xùn)的興趣、提高教學(xué)效果和質(zhì)量，減少實訓(xùn)誤操作危險，并可為工程實訓(xùn)教學(xué)方法的改進(jìn)和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供參考。

VR技術(shù)；工程教育；實訓(xùn)課程；教學(xué)改革

引言

新工科交叉、融合、創(chuàng)新、協(xié)同、共享的育人理念[1]，對工程實訓(xùn)教學(xué)提出了更高要求?；诖?，國防、軍工等特色高校工程實訓(xùn)教育應(yīng)將本校的學(xué)科特色、專業(yè)優(yōu)勢與實訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行融合，延展教學(xué)模式的創(chuàng)新性與多樣性，遵從國家發(fā)展需要，培養(yǎng)具有家國情懷、工匠精神和引領(lǐng)未來的領(lǐng)軍人才。

目前，西北工業(yè)大學(xué)工程實訓(xùn)教學(xué)體系已進(jìn)行多次改革，增加了視頻、計算機(jī)虛擬仿真等教學(xué)形式，且課程考核解除了實訓(xùn)產(chǎn)品中對部分形狀和尺寸的限制，以給學(xué)生一定的設(shè)計空間，但仍然存在一些問題：①工程實訓(xùn)教學(xué)大多以“師傅帶徒弟”的方式開展，教學(xué)內(nèi)容雷同度高、模仿性強(qiáng)，與大學(xué)生獨立性、批判性的思維和認(rèn)知發(fā)展要求相矛盾，不利于其個性化發(fā)展和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維的培養(yǎng)；②受實訓(xùn)安全影響，教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新和多元化改革的實施難度大，導(dǎo)致部分有利于拓展學(xué)生視野、完善學(xué)生知識架構(gòu)的內(nèi)容難以開展；③教學(xué)內(nèi)容與科技發(fā)展脫鉤，目前教學(xué)中多采用虛擬仿真動畫、模型、視頻等方式介紹新科技的發(fā)展和新設(shè)備的工作原理等內(nèi)容，學(xué)生難以直觀地了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運作機(jī)制，導(dǎo)致對知識的掌握存在盲點和偏差。針對上述問題，西北工業(yè)大學(xué)的教學(xué)團(tuán)隊通過文獻(xiàn)、調(diào)研等方式，分析和研究系列化VR課程的建設(shè)情況，并將其引入到工程實訓(xùn)教學(xué)中。

VR技術(shù)是以計算機(jī)技術(shù)為核心，通過結(jié)合視覺識別、動作捕捉等技術(shù)，生成與目標(biāo)環(huán)境在視覺、聽覺、觸感等方面高度近似的沉浸式可交互虛擬場景的新型技術(shù)[2]，具有沉浸性、交互性、想象性等特性[3]。VR技術(shù)能在教學(xué)環(huán)境和操作方式上更加真實地還原實訓(xùn)教學(xué)，并利用其特性，將實訓(xùn)教學(xué)中需要教師大量示范的教學(xué)內(nèi)容和真實的學(xué)生實訓(xùn)操作過程進(jìn)行高逼真模擬；同時，用設(shè)置語音、文字、動畫等提醒方式替代教師的講述和指導(dǎo)，用在操作中添加試錯點和呈現(xiàn)誤操作后果的方式強(qiáng)化學(xué)生記憶，并用計算機(jī)統(tǒng)計、分析學(xué)生實訓(xùn)過程中的數(shù)據(jù)作為教師進(jìn)行學(xué)生成績評價的依據(jù)，因此VR技術(shù)的應(yīng)用有望改變“師傅帶徒弟”的傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)方式。此外，VR技術(shù)提供了開展教學(xué)和實訓(xùn)的虛擬環(huán)境，能夠在保障學(xué)生安全的前提下，實施創(chuàng)新性、多元化教學(xué)的探究與嘗試；在虛擬環(huán)境中，教師使用的教具為虛擬模型，易將新技術(shù)、新設(shè)備的工程應(yīng)用融入到實訓(xùn)教學(xué)中供學(xué)生學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。VR技術(shù)對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)組織的顛覆性突破[4]，有望在未來深刻地變革傳統(tǒng)工程實訓(xùn)教學(xué)模式。

一 國內(nèi)外高校的VR教學(xué)實訓(xùn)課程建設(shè)現(xiàn)狀

國外對VR技術(shù)十分重視，紛紛將其引入教育領(lǐng)域。例如，沙特國王大學(xué)的Salah等[5]在開展工業(yè)4.0認(rèn)知工程教學(xué)時，開發(fā)了基于VR技術(shù)的平口鉗自動化裝配線實訓(xùn)課程，內(nèi)容涵蓋模型設(shè)計、裝配路徑規(guī)劃、設(shè)備操作培訓(xùn)等；同時，通過對比傳統(tǒng)課堂上學(xué)生在實訓(xùn)操作過程中的表現(xiàn)，認(rèn)為VR技術(shù)在訓(xùn)練學(xué)生的實踐應(yīng)用能力、促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解等方面有明顯優(yōu)勢，并驗證了VR技術(shù)完全可以勝任以工業(yè)4.0為主的工程教育。德國斯圖加特大學(xué)的Pletz等[6]使用VR技術(shù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的設(shè)備組裝技能，并將獲取的技能遷移至實際的工程應(yīng)用中；通過對比，他們發(fā)現(xiàn)采用該教學(xué)方式的學(xué)生在操作用時上明顯少于傳統(tǒng)課堂培訓(xùn)出來的學(xué)生，并結(jié)合問卷調(diào)研分析得出結(jié)論：VR技術(shù)在培訓(xùn)的有用性、易用性和學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)方面評價較高。而在美國，早在2010年就出現(xiàn)了由政府主導(dǎo)提供的VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的評估標(biāo)準(zhǔn)[7]；2020年，美國高校教育信息化協(xié)會預(yù)測AR、VR、MR等新興技術(shù)會成為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)未來的發(fā)展趨勢[8]；喬治亞大學(xué)在新型冠狀病毒流行的背景下，面向機(jī)械臂的實訓(xùn)課程開發(fā)了一款基于AR、VR技術(shù)的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，只需學(xué)生遠(yuǎn)程下載安裝即可開始學(xué)習(xí)，并通過學(xué)生對真實機(jī)械臂的操作應(yīng)用效果證明了其教學(xué)的可行性[9]；北卡羅來納州立大學(xué)的Johnson等[10]利用VR技術(shù)將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的授課內(nèi)容與教師指導(dǎo)過程虛擬化，為學(xué)生的線上學(xué)習(xí)提供了面對面實訓(xùn)的機(jī)會，且增強(qiáng)了線上教學(xué)的沉浸感、交互性、想象性和智能化。綜上可知，VR技術(shù)已在工程教學(xué)和技能培訓(xùn)方面得到大量應(yīng)用，其教學(xué)效果也得到了驗證。美國提出的VR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的評估標(biāo)準(zhǔn)，以及沙特阿拉伯、德國、美國等國進(jìn)行的遠(yuǎn)程實訓(xùn)教學(xué)研究，均可為我國工程實訓(xùn)教學(xué)和課程建設(shè)提供有益借鑒。

在國內(nèi)，“十四五”規(guī)劃綱要已將VR列入“建設(shè)數(shù)字中國”數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重點產(chǎn)業(yè)；在教育中，VR技術(shù)的應(yīng)用數(shù)量由2016年底的59個增加至2017年底的172個，年增長率為292%[11]。VR技術(shù)的工程實訓(xùn)教學(xué)主要分為兩大類：①設(shè)備與技術(shù)認(rèn)知。例如，西安交通大學(xué)在建設(shè)的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目“火電廠熱力系統(tǒng)VR認(rèn)知及瞬態(tài)過程能耗特性仿真實驗”中，將火電廠的生產(chǎn)流程、運行原理、先進(jìn)技術(shù)等制作成VR場景，使學(xué)生在教室中就可完成認(rèn)知實習(xí)，且不受時間和空間的限制，增強(qiáng)了實習(xí)成效[12]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程創(chuàng)新實踐中心H2-VR全息實訓(xùn)室擁有與宇航空間機(jī)構(gòu)設(shè)計、智能數(shù)控機(jī)床虛擬操作、汽車虛擬設(shè)計與裝配等相關(guān)的VR資源，通過沉浸式教學(xué)，讓學(xué)生了解復(fù)雜設(shè)備中機(jī)械零件、運行原理、傳送路線等方面的知識。②虛擬實踐培訓(xùn)。例如，山東中醫(yī)藥大學(xué)建設(shè)的國家級虛擬仿真實驗一流課程“基于VR技術(shù)的GMP藥廠中藥制劑虛擬仿真實訓(xùn)課程系列模塊之中藥顆粒劑的制備”將中藥制劑實訓(xùn)課程開發(fā)成VR資源，學(xué)生通過對制藥工序、設(shè)備操作流程、安全行為規(guī)范的反復(fù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，不僅提高了動手實踐能力，而且獲得了貼近真實藥廠的崗位培訓(xùn)機(jī)會；華南理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心基于VR技術(shù)的噴漆、電焊等教程，設(shè)置了操作、教學(xué)、考核等教學(xué)模塊，通過虛擬場景為學(xué)生提供設(shè)備安全操作規(guī)程、錯誤操作修正等方面的培訓(xùn)，增強(qiáng)了學(xué)生的安全意識和實踐能力。在現(xiàn)階段國內(nèi)高校的VR虛擬工訓(xùn)教學(xué)中，課程建設(shè)呈現(xiàn)出建設(shè)方向側(cè)重于學(xué)生視覺體驗和演示、建設(shè)資源傾向于量小而精致的虛擬場景、建設(shè)內(nèi)容注重實訓(xùn)過程的規(guī)范性培訓(xùn)等特點，但在學(xué)生自主性、探究性虛擬實訓(xùn)和協(xié)同創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的教學(xué)改進(jìn)等方面還鮮有研究。

當(dāng)前，國外將VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)教學(xué)的研究已初顯成效，而國內(nèi)的相關(guān)研究相對謹(jǐn)慎?；诖?，本研究提出一種以VR技術(shù)開展工程實訓(xùn)教學(xué)模式的多元化改革思路，旨在通過開發(fā)與實際教學(xué)一致的虛擬實訓(xùn)環(huán)節(jié)、建設(shè)多種差異化的教學(xué)場景、設(shè)置試錯點和提示項代替教師指導(dǎo)、要求學(xué)生編寫商業(yè)計劃書等方式，優(yōu)化教學(xué)方法，加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)校特色、科技發(fā)展的融合，并營造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)氛圍，使學(xué)生的個性化發(fā)展、情感價值塑造、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識構(gòu)建與工程實訓(xùn)教學(xué)有機(jī)融合，從而提升人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

二 VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)課程的建設(shè)思路

本研究根據(jù)工程教育的人才培養(yǎng)理念，從工程實訓(xùn)角度梳理了VR技術(shù)特性在教學(xué)各環(huán)節(jié)的優(yōu)勢和應(yīng)用方法，將課程內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)分散于三大特性之中，提出了VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)課程的建設(shè)思路，如圖1所示。

圖1 VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)課程的建設(shè)思路

①沉浸性：是指使用者完全沉浸在虛擬教學(xué)環(huán)境中，按照自然狀態(tài)下的視角、聽覺等對事物進(jìn)行觀察和學(xué)習(xí)。利用此特點，工程實訓(xùn)課程的教學(xué)目標(biāo)是幫助學(xué)生擴(kuò)大專業(yè)視野、樹立工程意識，使學(xué)生在教室內(nèi)就能完成對領(lǐng)域背景、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的認(rèn)知；教學(xué)設(shè)計上可打造涵蓋飛機(jī)制造、航空發(fā)動機(jī)裝配、智能制造等高成本且不可逆并與學(xué)校特色、行業(yè)先進(jìn)技術(shù)相融合的教學(xué)環(huán)境；教學(xué)資源上可將實體工程現(xiàn)場建造成3D模型，形成逼真的教學(xué)場景；教學(xué)組織上要使學(xué)生完全沉浸在虛擬空間中，不但目光所及皆為立體環(huán)境，而且能在該環(huán)境中自主漫游；考核方式以技術(shù)答辯的方式進(jìn)行，重點考查學(xué)生使用VR技術(shù)學(xué)習(xí)之后的效果。沉浸性應(yīng)用到課程建設(shè)上，不僅可以滿足學(xué)生獲取專業(yè)領(lǐng)域知識的需求，使實訓(xùn)教學(xué)得以延伸，還能讓學(xué)生在無教師指導(dǎo)的情況下完成課程中實訓(xùn)技能的學(xué)習(xí)，為差異化實訓(xùn)教學(xué)創(chuàng)造了條件。

②交互性：是指操作者利用肢體動作像在真實環(huán)境中一樣操控虛擬場景中的物體，完成某項特定的任務(wù)。利用此特點，工程實訓(xùn)課程的教學(xué)目標(biāo)主要是鍛煉學(xué)生的動手實踐能力，使其能將獲取的經(jīng)驗遷移、應(yīng)用于解決實際工程問題；教學(xué)設(shè)計上可設(shè)置虛擬場景中設(shè)備、工具等教具的功效觸發(fā)點或?qū)W生進(jìn)行自主漫游、虛擬實訓(xùn)的操作節(jié)點，為學(xué)生提供動手實訓(xùn)的機(jī)會；教學(xué)資源上可設(shè)置合理實訓(xùn)方案，注重實訓(xùn)操作的真實性，增加實訓(xùn)機(jī)會；教學(xué)組織上要重視實訓(xùn)操作培訓(xùn)，使學(xué)生能熟練操作VR手柄模擬的手指或工具，完成與現(xiàn)實教學(xué)基本一致的虛擬實訓(xùn)任務(wù)，并通過教具顏色的變化和語音提示替代教師的指導(dǎo)；考核方式以模擬實體操作為主，學(xué)生的每一步操作（包括誤操作、提示次數(shù)）均會形成數(shù)據(jù)并被系統(tǒng)自動記錄。交互性應(yīng)用到課程建設(shè)上，可有效保障學(xué)生獲得更多的實訓(xùn)機(jī)會，從而提升其操作技能。

③想象性：是指開發(fā)者利用客觀事物的發(fā)展規(guī)律在虛擬環(huán)境中預(yù)設(shè)多種場景，刺激使用者的主觀能動性，為其提供更加真實、有效的學(xué)習(xí)環(huán)境。利用此特點，工程實訓(xùn)課程的教學(xué)目標(biāo)是通過在VR虛擬環(huán)境中植入具有思政性、探索性和創(chuàng)新性的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計應(yīng)用能力、創(chuàng)新意識和家國情懷；教學(xué)設(shè)計上可模擬教學(xué)場景中設(shè)備誤操作后的故障、誤入禁區(qū)的后果強(qiáng)化學(xué)生的規(guī)范意識，也可適當(dāng)融入“三航”、機(jī)電等專業(yè)知識提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和價值觀；教學(xué)資源上可植入產(chǎn)品設(shè)計方法、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、家國歷史等內(nèi)容，配合原有的實訓(xùn)內(nèi)容創(chuàng)新教學(xué)方法；教學(xué)組織上可發(fā)揮虛擬實訓(xùn)可逆、安全的優(yōu)勢，使學(xué)生在虛擬實訓(xùn)的過程中大膽嘗試，并在多重教學(xué)資源的支撐下實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)；考核方式采取書面報告的形式，記錄并分析學(xué)生的創(chuàng)新思路、實施過程、產(chǎn)品市場價值等，使學(xué)生建立起工程創(chuàng)新設(shè)計與商業(yè)思維之間的聯(lián)系。想象性應(yīng)用到課程建設(shè)上，能促進(jìn)學(xué)校特色、課程思政、“雙創(chuàng)”教育、實訓(xùn)預(yù)期結(jié)果與工程實訓(xùn)教學(xué)的融合，實現(xiàn)實訓(xùn)教學(xué)的多元化。

課程建設(shè)思路充分挖掘了VR技術(shù)特性與工程實訓(xùn)教學(xué)之間的聯(lián)系，并通過虛擬場景轉(zhuǎn)變了原有教學(xué)中師生的角色，為學(xué)生提供了在工程世界中探索和嘗試的機(jī)會，使其不僅具有專業(yè)的工程素養(yǎng)和豐富的知識儲備，還具有多視角、能實踐、敢創(chuàng)新的綜合應(yīng)用能力。

三 VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)課程的案例

按照VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)課程的建設(shè)思路，西北工業(yè)大學(xué)利用VR技術(shù)對金工實習(xí)—裝配課程進(jìn)行改革；同時，結(jié)合美國緬因州國家培訓(xùn)實驗室提出的學(xué)習(xí)金字塔研究理論[13]，將課程中的學(xué)生主動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)占比提高至85%，形成了獨具特色的“VR虛擬裝配綜合實訓(xùn)課程”（下文簡稱“實訓(xùn)課程”），以助力培養(yǎng)學(xué)生的實踐應(yīng)用、表達(dá)溝通和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等能力。

1 教學(xué)設(shè)計

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和設(shè)計思維，鍛煉學(xué)生判斷和解決工程實際問題的能力，并加深學(xué)生對工程原理的認(rèn)知，實訓(xùn)課程的教學(xué)內(nèi)容融合了機(jī)械原理、剛體力學(xué)等專業(yè)知識，將槽輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)等30余種經(jīng)典運動機(jī)構(gòu)的運行原理、裝配工藝方法、考核方案等制作成VR虛擬場景。學(xué)生需要自行選擇機(jī)構(gòu)，經(jīng)過VR虛擬拆裝、答辯等培訓(xùn)后，在實驗臺上完成機(jī)構(gòu)的實體裝配，并通過不斷調(diào)試，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運轉(zhuǎn)。后期，課程借助VR場景將某型號航空發(fā)動機(jī)、太空機(jī)械臂等高科技航空航天產(chǎn)品呈現(xiàn)給學(xué)生，要求學(xué)生就其設(shè)計結(jié)構(gòu)、應(yīng)用原理、優(yōu)劣勢等開展討論和分析，并在此基礎(chǔ)上嘗試設(shè)計一種新產(chǎn)品的原理方案，編寫商業(yè)計劃書。

2 教學(xué)流程

根據(jù)大學(xué)生認(rèn)知高階思維所表現(xiàn)的主動性、批判性、探究性特點[14]，綜合考慮大學(xué)生學(xué)習(xí)方法和途徑的多樣性，實訓(xùn)課程將需要教師講解的多數(shù)內(nèi)容設(shè)置在VR虛擬場景中，主要由學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師只需輔助指導(dǎo)和進(jìn)行考核，具體的教學(xué)流程分為理論與思政教學(xué)、VR虛擬實訓(xùn)與考核、實體裝配訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練四個環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 “VR虛擬裝配綜合實訓(xùn)課程”的教學(xué)流程

①融入家國情懷的理論與思政教學(xué)。本環(huán)節(jié)以教師講授為主，重在讓學(xué)生掌握裝配原理、技術(shù)，同時穿插航空航天產(chǎn)品的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、制造工藝、裝配技術(shù)等知識，為學(xué)生的后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)提供支持。課程還適時融入了國家對航空航天的產(chǎn)業(yè)布局和獻(xiàn)身國防事業(yè)的思政元素，并借助VR場景，將C919大飛機(jī)航空發(fā)動機(jī)的運行原理、設(shè)計結(jié)構(gòu)、裝配過程等呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生獲得逼真的工程現(xiàn)場體驗，增強(qiáng)學(xué)生對國家工業(yè)發(fā)展的自豪感和民族意識，培養(yǎng)家國情懷。

②自主交互的VR虛擬實訓(xùn)與考核。VR虛擬實訓(xùn)環(huán)節(jié)如圖3所示，系統(tǒng)通過語音和顏色變化（如綠色為正確操作、紅色為錯誤操作）的提醒方式，指導(dǎo)學(xué)生開展虛擬實訓(xùn)，如同隱形的指導(dǎo)教師；學(xué)生則佩戴頭盔，手持VR手柄模擬的扳手、螺絲刀等工具，對運動機(jī)構(gòu)的每一個部位進(jìn)行拆卸和裝配操作——這種近乎真實的培訓(xùn)方式實現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生動手能力的目標(biāo)，也為實訓(xùn)課程的去雷同化創(chuàng)造了條件。學(xué)生經(jīng)過VR虛擬實訓(xùn)培訓(xùn)后進(jìn)入VR實訓(xùn)裝配考核環(huán)節(jié)，本環(huán)節(jié)有錯誤提醒、糾錯和操作記錄功能，有助于鍛煉學(xué)生的工程意識，是實訓(xùn)課程實現(xiàn)學(xué)生探究性思維訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖3 VR虛擬實訓(xùn)環(huán)節(jié)

③以探索性訓(xùn)練為主的實體裝配訓(xùn)練。為保證VR實訓(xùn)的教學(xué)質(zhì)量，實體裝配訓(xùn)練前期要進(jìn)行學(xué)生技術(shù)答辯考核，時間為3分鐘，重點考查學(xué)生對機(jī)構(gòu)原理、裝配流程、技術(shù)關(guān)鍵點的掌握情況，既鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、鍛煉其溝通與表達(dá)能力，又為教師后續(xù)教學(xué)提供參考。學(xué)生通過答辯考核后，方可進(jìn)行實體裝配訓(xùn)練。本環(huán)節(jié)將考查重點放在裝配環(huán)節(jié)的公差配合、裝配工藝順序、受力分析等方面，這就要求學(xué)生裝配的所有運動機(jī)構(gòu)必須能按照原有的軌跡運動，因此學(xué)生需對每個裝配環(huán)節(jié)的零部件配合間隙、裝配方案、剛性及受力點做出準(zhǔn)確判斷并及時調(diào)整，其挑戰(zhàn)性極強(qiáng)，對學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新能力的提升和設(shè)計思維的培養(yǎng)有重要意義。

④以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練為目標(biāo)的提升環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)是通過學(xué)生對VR場景中航空發(fā)動機(jī)、太空機(jī)械臂等航空航天產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析與討論后，結(jié)合學(xué)生所學(xué)的運動機(jī)構(gòu)相關(guān)原理知識，完成有益于社會發(fā)展的產(chǎn)品方案設(shè)計。產(chǎn)品方案以報告的形式呈現(xiàn)，要求學(xué)生論述航空航天產(chǎn)品的設(shè)計原理、適用行業(yè)、競爭優(yōu)勢、市場前景等，使學(xué)生深入了解現(xiàn)代技術(shù)在我國航空工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識，訓(xùn)練其創(chuàng)業(yè)策劃能力，培養(yǎng)其回饋社會、創(chuàng)造價值的情懷，并為領(lǐng)軍人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

3 教學(xué)效果

①問卷調(diào)查分析。實訓(xùn)課程開設(shè)初期，本研究面向西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院的120名本科學(xué)生展開了問卷調(diào)查。問卷對課程編排和教學(xué)內(nèi)容豐富性、難易情況、VR技術(shù)在課程中的作用、學(xué)生對VR技術(shù)的興趣點進(jìn)行了調(diào)查，并采用SPSS 24.0進(jìn)行問卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果顯示：有96名學(xué)生對課程編排和教學(xué)內(nèi)容的豐富性表示支持，15名認(rèn)為課程難度較大，9名選擇其他；有75名學(xué)生對VR場景開發(fā)表現(xiàn)出極大的興趣；但是，也有7名不喜歡VR實訓(xùn)且在VR場景中出現(xiàn)了身體不適的情況。分析學(xué)生身體出現(xiàn)不適的原因，可能在于人體的視覺感知與肢體行為出現(xiàn)落差，即大腦接收的視覺信號為運動狀態(tài)，而接收的肢體信號為靜止?fàn)顟B(tài)，故使身體產(chǎn)生了自我保護(hù)。為解決此問題，一方面可以改造VR頭盔，使學(xué)生的視覺處于半透明狀態(tài)，能夠觀察肢體運動；另一方面需要學(xué)生按照操作要求進(jìn)行肢體運動，同時降低軟件畫面移動的速度，以減少視覺感知與肢體行為的落差。

②總評成績和創(chuàng)新成果分析。西北工業(yè)大學(xué)自2020年6月開設(shè)實訓(xùn)課程至今，其實訓(xùn)操作錯誤率比未使用VR技術(shù)的裝配實訓(xùn)學(xué)生降低近60%，實訓(xùn)儀器損壞保修次數(shù)也減少至原來的1/3，且學(xué)生成績進(jìn)步明顯。實訓(xùn)課程連續(xù)三個學(xué)期學(xué)生的總評成績餅狀分布如圖4所示，可以看出：在2020～2021學(xué)年春季學(xué)期，有169人達(dá)到優(yōu)秀（90～100分），其優(yōu)秀率（占比56.2%）相較于2019～2020學(xué)年春季學(xué)期的28.4%、2018～2019學(xué)年春季學(xué)期的31.5%有顯著提升；同時，有129人達(dá)到良好，已沒有2019～2020學(xué)年春季學(xué)期、2018～2019學(xué)年春季學(xué)期的中等（70～79分）、其他情況。

圖4 實訓(xùn)課程連續(xù)三個學(xué)期學(xué)生的總評成績餅狀分布圖

值得一提的是，在第十九屆全國大學(xué)生機(jī)器人大賽（RoboMaster）中，參與西北工業(yè)大學(xué)實訓(xùn)課程的學(xué)生在戰(zhàn)車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、裝配干涉分析能力提升等方面表現(xiàn)優(yōu)異，最終取得的競賽成績綜合排名全國第9，相比上一賽季的第32名進(jìn)步顯著。

四 VR技術(shù)應(yīng)用于工程實踐教學(xué)的建議

案例分析結(jié)果表明，VR技術(shù)能夠規(guī)避教學(xué)風(fēng)險、提升教學(xué)質(zhì)量，在現(xiàn)有工程實訓(xùn)課程中具有較高的推廣價值。但是，受限于VR引擎使用難度大、內(nèi)容專業(yè)性強(qiáng)等問題，VR技術(shù)并未在實訓(xùn)課程中大量應(yīng)用?；诖?，本研究針對VR技術(shù)在工程實踐教學(xué)中的應(yīng)用提出以下建議：

①降低VR引擎使用難度，打破教師開發(fā)壁壘。降低VR引擎的使用難度，旨在實現(xiàn)Unity3D、UE4等專業(yè)VR引擎軟件計算機(jī)語言編程的模塊化、圖形化，支持具備三維建模能力的教師自行開發(fā)和建設(shè)VR虛擬教學(xué)資源，從而打破教學(xué)實際需要與軟件開發(fā)之間的壁壘，實現(xiàn)虛擬教學(xué)資源的低成本化和普及化。

②實施資源共享，均衡教育資源。充分利用國家示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的優(yōu)勢資源和基礎(chǔ)條件，建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)共享平臺，打造跨區(qū)域共享的優(yōu)質(zhì)VR虛擬教學(xué)資源，使參與資源共享的高校只需提供VR設(shè)備即可實施教學(xué)，以有效化解教育資源不均衡的難題，優(yōu)化資源配置。

③與學(xué)校專業(yè)學(xué)院聯(lián)合，培養(yǎng)行業(yè)所需人才。加強(qiáng)與學(xué)校專業(yè)學(xué)院的聯(lián)合，一方面利用學(xué)院的專業(yè)背景和科研成果，提升工程實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性和高階性；另一方面按照學(xué)院專業(yè)課程對學(xué)生實踐能力的要求，培養(yǎng)行業(yè)所需人才，提高育人質(zhì)量。

五 結(jié)語

本研究針對傳統(tǒng)工程實訓(xùn)教學(xué)在教學(xué)模式、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)、學(xué)科交叉融合等方面難以適應(yīng)新工科建設(shè)要求的問題，進(jìn)行了VR技術(shù)應(yīng)用于工程實訓(xùn)課程的探索，發(fā)現(xiàn)VR場景開發(fā)的學(xué)生滿意度較高，工程實訓(xùn)課程有助于提升學(xué)生成績?？梢哉f，VR技術(shù)在工程實訓(xùn)教學(xué)過程中能夠代替教師完成對實訓(xùn)項目的指導(dǎo)，在工程實訓(xùn)教學(xué)多元化改革方面優(yōu)勢明顯。但受制于投入資金有限、應(yīng)用規(guī)模較小，復(fù)雜的工程應(yīng)用場景及其控制系統(tǒng)尚未建立，內(nèi)容的多樣性和環(huán)節(jié)的個性化不足，故工程實訓(xùn)課程還需要進(jìn)一步完善，其課程教學(xué)的定量評分也有待進(jìn)一步細(xì)化。此外，如何利用VR技術(shù)更好地支撐工程實訓(xùn)教學(xué)培養(yǎng)人才，也是后續(xù)研究的重要方向。

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編輯：小米

Research on the VR Technology Applied in Engineering Practice Training Courses——Taking Northwestern Polytechnical University’s “VR Virtual Assembly Composite Practice Training Course” for Example

WANG Ling-li1QI Le-hua2LUO Jun2[Corresponding Author]LV Bing1JIANG Jian-jun1

Under the background of “new engineering”, the engineering education with the national defense characteristics, has put forward higher requirements for the engineering practice training teaching of college students. Based on this, focusing on three characteristics of VR (virtual reality) technology, this paper put forward the construction ideas of VR technology applied in engineering practice training courses. Then, by taking the Northwestern Polytechnical University “VR Virtual Assembly Composite Practice Training Course” for example, this paper designed the teaching process of the practice training course, and analyzed the teaching effect through questionnaires. It was found that VR technology could avoid teaching risks and improve teaching quality, and had a high promotion value in the existing engineering practice training courses. Finally, some suggestions on the VR technology applied in engineering practice teaching were put forward. Further, the flexible use of VR technology in practice training courses could enhance students’ interests in participating in practice training, improve the teaching effect and quality, reduce the mistakes and dangers in practical training, and provide guide for the training of innovative talents in engineering practice training.

VR technology; engineering education; practice training course; teaching reform

G40-057

A

1009—8097（2022）07—0085—08

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.07.010

基金項目：本文為教育部2019年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人教改項目“基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）的數(shù)字化裝配實驗室建設(shè)”（項目編號：201902227031）、2022年度西北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“基于VR技術(shù)的多元化工程實訓(xùn)教學(xué)模式創(chuàng)新與實踐”（項目編號：22GZ13101）的階段性研究成果。

王靈利，技師，本科，研究方向為工程實訓(xùn)教育與虛擬技術(shù)應(yīng)用，郵箱為1447873804@qq.com。

2021年12月26日

編輯：小米