李珍珍 劉 卯 宋 靜

貴州交通技師學(xué)院 貴州貴陽 550000

一、數(shù)字化實操教學(xué)的理論研究意義

現(xiàn)代社會的發(fā)展使得各行各業(yè)加快了走向數(shù)字化、信息化和智能化的步伐，教育行業(yè)亦是如此。騰訊課堂等網(wǎng)絡(luò)課堂平臺如雨后春筍般涌現(xiàn)，提供了豐富多彩的線上教學(xué)方式。線上遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)從以往的輔助教學(xué)手段一躍成為一種被賦予替代常規(guī)課堂教學(xué)使命的教育界新寵兒。目前流行的網(wǎng)絡(luò)課程主要是針對文化課以及專業(yè)課中理論知識方面的講解，對于專業(yè)課中的實操部分卻很難發(fā)揮作用。

伴隨著各行各業(yè)日新月異的發(fā)展，學(xué)校為了培養(yǎng)滿足行業(yè)、企業(yè)需求的高素質(zhì)技能人才，就必須及時更新過時的老舊實訓(xùn)設(shè)備，淘汰已經(jīng)被行業(yè)邊緣化的實訓(xùn)器材，引進(jìn)與產(chǎn)業(yè)同步的較新的教學(xué)資源，但是這樣必然會造成不少的損失和浪費，有悖于國家提倡的“推進(jìn)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展”的綠色經(jīng)濟(jì)國策。

由于近年來國家對職業(yè)教育的發(fā)展愈加重視，使得職業(yè)院校在最近幾年紛紛快速擴(kuò)招，導(dǎo)致有些學(xué)校的教學(xué)資源與其招生數(shù)量不能匹配。比如，實訓(xùn)場地不夠，實訓(xùn)設(shè)備不足等問題紛至沓來，這必然會影響職業(yè)院校整體的教學(xué)質(zhì)量。

為了解決職業(yè)院校開展實操課程遇到的種種問題，本文提出了數(shù)字化實操教學(xué)的概念，即基于WebGL、Unity3D等技術(shù)開發(fā)線上3D虛擬仿真數(shù)字化實操教學(xué)平臺來開展教學(xué)工作。數(shù)字化實操教學(xué)平臺有以下優(yōu)點：

(1)數(shù)字化實操教學(xué)彌補(bǔ)普通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在實操課程方面的不足；

(2)數(shù)字化實操教學(xué)不受限于實際場地，不消耗實際設(shè)備器材；

(3)數(shù)字化實操教學(xué)使學(xué)校擴(kuò)招實訓(xùn)資源不足的問題迎刃而解；

(4)數(shù)字化實操教學(xué)為學(xué)生提供隨時進(jìn)行實操訓(xùn)練的機(jī)會和平臺，加強(qiáng)學(xué)生專業(yè)技能的熟練度。

本文將從學(xué)校教學(xué)戰(zhàn)略的角度出發(fā)，對數(shù)字化實操教學(xué)的方法進(jìn)行研究與探討。

二、數(shù)字化實操教學(xué)平臺介紹

數(shù)字化實操教學(xué)平臺的開發(fā)應(yīng)遵循由職業(yè)學(xué)校制訂的策劃方案。由專業(yè)技術(shù)公司來做具體的平臺搭建工作，其中包括硬件方面的硬件供應(yīng)和租用，軟件方面的實訓(xùn)設(shè)備和工具建模、實訓(xùn)3D引擎編寫等諸多子項目。

為了滿足實訓(xùn)課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)效果，職業(yè)學(xué)校制訂的策劃方案中的平臺框架可以包括以下幾個組成部分：通知模塊、仿真模塊、論壇模塊、虛擬教室模塊、考核模塊。學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)的需要，選擇相應(yīng)模塊進(jìn)行練習(xí)或考核；教師可以根據(jù)教學(xué)的需要，選擇相應(yīng)模塊展開教學(xué)或與學(xué)生互動。

“通知模塊”允許教師發(fā)布任務(wù)通知，并可以將通知推送給相應(yīng)的學(xué)生群體；學(xué)生在收到通知提醒后，可以查看教師發(fā)布的具體學(xué)習(xí)任務(wù)。

“仿真模塊”實現(xiàn)了實訓(xùn)的線上仿真模擬操作。該模塊基于3D游戲引擎來進(jìn)行構(gòu)建，采用了實時環(huán)境光計算和動作捕捉等技術(shù)，并對實訓(xùn)的操作對象進(jìn)行精確的圖形建模。學(xué)生在使用該模塊時，可以選擇以第一人稱視角運鏡，從而帶來沉浸式的交互體驗；教師在使用該模塊時，可以觀察到所有學(xué)生的具體操作。

“論壇模塊”以類似傳統(tǒng)線上論壇的形式出現(xiàn)，學(xué)生和教師可以在其上互動，發(fā)表主題和跟帖，互相進(jìn)行文字留言或語音留言。

“虛擬教室模塊”參考成熟的同類在線應(yīng)用，如騰訊課堂、網(wǎng)易云課堂等，在提供語音互動功能的基礎(chǔ)上，還能提供視頻錄播功能，方便教師播放以往錄制好的示范視頻演示實訓(xùn)操作，以及屏幕分享功能。

“考核模塊”基于仿真模塊，添加了可以對學(xué)生進(jìn)行的3D仿真操作進(jìn)行考核的功能，另外還附帶了可以適時彈出的客觀題答題表單。該模塊可以對學(xué)生的客觀題答案和仿真操作過程進(jìn)行實時反饋，統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)。

數(shù)字化實操教學(xué)平臺所有模塊中最為核心的是仿真模塊。本文以汽車實訓(xùn)課程為例，對仿真模塊進(jìn)行具體的討論。

仿真模塊的框架見圖1中數(shù)字化實操教學(xué)平臺思維導(dǎo)圖。

圖1 數(shù)字化實操教學(xué)平臺思維導(dǎo)圖

按照專業(yè)的課程設(shè)置可以將仿真模塊拆分為發(fā)動機(jī)、底盤、電氣、車身、整車五個子模塊，每個子模塊根據(jù)教學(xué)大綱和課程標(biāo)準(zhǔn)需要安排多個實訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，圖中僅以發(fā)動機(jī)子模塊為例，其他不做展開，各學(xué)?？梢砸罁?jù)自己的專業(yè)特色進(jìn)行定制。

仿真模塊的開發(fā)需要將所有相關(guān)設(shè)備、工具、場地、人物肢體進(jìn)行3D建模，并且對3D虛擬仿真實操場景進(jìn)行實時渲染。高質(zhì)量渲染得到的優(yōu)質(zhì)畫面也能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。針對特定的實訓(xùn)任務(wù)，3D場景中可以隱藏車輛上不相關(guān)的零部件，這在提高系統(tǒng)運行速度的同時也能使學(xué)生專注于當(dāng)前的實訓(xùn)內(nèi)容。實訓(xùn)過程中汽車整車及各系統(tǒng)零部件的拆解、檢測、維護(hù)、組裝等過程需要按順序呈現(xiàn)，并輔以3D動畫，而學(xué)生則以代入感極強(qiáng)的第一人稱視角運鏡參與到3D場景中來實施虛擬操作。

三、數(shù)字化實操教學(xué)實施方法

數(shù)字化實操教學(xué)將傳統(tǒng)線下實操教學(xué)轉(zhuǎn)移到數(shù)字化實操教學(xué)平臺，突破實際實訓(xùn)場地和實訓(xùn)設(shè)備器材的限制，同時采用類似“翻轉(zhuǎn)課堂式”的教學(xué)模式來實施，該教學(xué)模式可以具體分為線上訓(xùn)練、線上答疑、線上示范、線上考核四個部分；該教學(xué)模式貫穿了課前、課中、課后三個階段。工作任務(wù)實操教學(xué)過程對該教學(xué)模式的體現(xiàn)如圖2所示。

圖2

(一)線上訓(xùn)練

線上訓(xùn)練安排在課前完成，主要培養(yǎng)學(xué)生獨立思考，將理論知識融入實踐的能力。我們以“汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維修”課程中的活塞連桿機(jī)構(gòu)為例。任課教師需要在實操課前，在平臺的后臺設(shè)置實訓(xùn)任務(wù)，并將任務(wù)通知推送給學(xué)生。實訓(xùn)任務(wù)舉例：

一輛桑塔納2000型轎車行駛一段時間以后，感到動力不足、機(jī)油消耗過快，需檢修活塞連桿組，請選擇正確的工具對發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆解，檢測活塞連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)零部件，并對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)和發(fā)動機(jī)恢復(fù)。

學(xué)生在接收到通知后，就應(yīng)該進(jìn)入平臺的仿真模塊，根據(jù)任務(wù)要求在課前獨自完成該項目的模擬仿真訓(xùn)練。訓(xùn)練完成后，平臺會對該模擬操作過程中的錯誤步驟進(jìn)行重點提示，并顯示完成耗時。

平臺在所有學(xué)生完成任務(wù)后，會統(tǒng)計出頻率最高的易錯知識點，任課教師可以在平臺的后臺實時觀察和分析數(shù)據(jù)。

(二)線上答疑

線上答疑是學(xué)生在平臺的論壇模塊提出自己在實訓(xùn)過程中所遇到的問題。

在課前階段，主要是讓學(xué)生自己交流互動，即其他學(xué)生可以在問題下留言嘗試討論和解答，這樣可以加深學(xué)生對知識的掌握，并能提高表達(dá)能力。

在課中階段，任課教師需要首先查看論壇模塊中相關(guān)的問題列表。針對每一個提問，如果已有其他學(xué)生互動參與到答疑中來，便由任課教師判斷是否還需要補(bǔ)充回答；如果學(xué)生的答案已經(jīng)完善，可以由任課教師標(biāo)記為參考答案給予認(rèn)可，以提高學(xué)生的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性；如果問題一直沒有被回答或類似問題出現(xiàn)的頻次很高，便由任課教師在課中的虛擬課堂來進(jìn)行詳細(xì)的解答。

(三)線上示范

線上示范需要利用平臺的虛擬教室模塊，尤其是依賴其視頻錄播功能和屏幕分享功能。

任課教師和相關(guān)的學(xué)生在課中都參與到同一個虛擬教室中來，教師可以根據(jù)學(xué)生的訓(xùn)練統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的兩類線上示范：

(1)如果訓(xùn)練的完成情況良好，任課教師可以選擇播放錄制好的示范視頻給所有學(xué)生觀看學(xué)習(xí)，并從旁提示點撥，主要是讓學(xué)生自行找出自己訓(xùn)練的不足之處；

(2)如果訓(xùn)練的完成情況不理想，任課教師應(yīng)通過虛擬教室中的屏幕分享功能，親自在平臺的仿真模塊中示范實操訓(xùn)練的具體步驟，讓學(xué)生通過觀摩來加深認(rèn)識和規(guī)范操作。

(四)線上考核

線上考核的目的是替代線下過程性考核，需要用到平臺的考核模塊。

線上考核內(nèi)容的制定是由任課教師在平臺的后臺，根據(jù)課程大綱的要求，將理論知識與實操技能相結(jié)合，并關(guān)聯(lián)各章節(jié)內(nèi)容，合理地進(jìn)行編排。比如，設(shè)置要求學(xué)生完成一些特定的模擬實訓(xùn)任務(wù)，而且在每個任務(wù)中又需要學(xué)生去完成一些相關(guān)的理論客觀題。

學(xué)生在參與考核的時候，不僅需要按照要求完成仿真實訓(xùn)操作，還需要在關(guān)鍵的操作點回答彈出的客觀題表單。

線上考核由平臺自動給出操作分?jǐn)?shù)和理論分?jǐn)?shù)，教師應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)生考核數(shù)據(jù)進(jìn)行教學(xué)反思，并且完善教學(xué)方案。

四、虛實結(jié)合實操教學(xué)模式探索

經(jīng)過前文的討論，我們可以看出線上數(shù)字化實操平臺有很多優(yōu)點，但是它是一個理想的有明顯邊界的數(shù)據(jù)集合，對復(fù)雜多變的、充滿細(xì)節(jié)的現(xiàn)實的模擬是有限的。就如同現(xiàn)代社會的科技發(fā)展還不能實現(xiàn)用機(jī)器完全取代一線的操作人員一樣，目前線上數(shù)字化實操并不能完全取代傳統(tǒng)的線下實操練習(xí)。

線上的虛擬仿真能夠使學(xué)生快速掌握理想的實操步驟，熟悉被操作對象的結(jié)構(gòu)和原理，增強(qiáng)對理論知識的掌握，但缺少了對協(xié)調(diào)肢體來使用工具的實際體驗，從而不能掌握真實物理操作的力道，亦不能感知物理操作時獲得的反饋，而這一點，在實際技術(shù)工作中又是不可缺失且尤為重要的。

明朝著名思想家王陽明提出來的“知行合一”，便是闡述認(rèn)識事物的道理與實行其事是密不可分的哲學(xué)思想。線上數(shù)字化實操其實包含了“知”的大部分和“行”的小部分，因此可以被稱為大知小行；而線下實操練習(xí)就是能互補(bǔ)線上數(shù)字化實操的“行”的大部分和“知”的小部分，也就可以被稱為大行小知。王陽明說“知是行之始，行是知之成”，所以只有將兩者有機(jī)地結(jié)合起來才能“大成”。

對于初學(xué)者來說，在進(jìn)行線上數(shù)字化實操學(xué)習(xí)后，還需要適當(dāng)補(bǔ)充一些線下實操訓(xùn)練來提供自己的專業(yè)技能，最終達(dá)到以下的幾個目的：

(1)進(jìn)一步鞏固對理論知識的掌握；

(2)練習(xí)對不同工具的使用，如使用力度、操作空間和手握姿勢；

(3)感知被操作對象的物理屬性，如光澤、粗糙度、材質(zhì)、重量等；

(4)了解各種零件的失效模式以及訓(xùn)練對突發(fā)異常情況的應(yīng)對，如密封介質(zhì)泄漏、零部件松動脫落、操作不當(dāng)或嚴(yán)重磨損導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)斷裂損壞等情況；

(5)理解操作注意事項和安全條例；

(6)參與到團(tuán)隊協(xié)作中，鍛煉團(tuán)隊合作能力，加強(qiáng)和團(tuán)隊成員的交流，體會團(tuán)隊合作的重要性。

結(jié)語

隨著教育行業(yè)的發(fā)展，數(shù)字化實操教學(xué)是一個越來越明顯的發(fā)展趨勢。該教學(xué)方式不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，監(jiān)督學(xué)生完成實操，使學(xué)生有更多機(jī)會參與到實操練習(xí)中來，還能減少教育成本，避免資源浪費。

通過本文對數(shù)字化實操教學(xué)平臺的介紹，可以看出就目前階段，數(shù)字化實操還不能完全替代傳統(tǒng)的實操教學(xué)。職業(yè)院校必須將兩者有機(jī)結(jié)合才能獲得優(yōu)秀的實操教學(xué)教學(xué)效果。但隨著VR技術(shù)與人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，這個差距在可預(yù)見的未來會越來越小，這種新型的教學(xué)方式也將會越來越受到歡迎。