劉巖，康麗，侯強華，代國忠

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐教學課程中的應(yīng)用

劉巖，康麗，侯強華，代國忠

（桂林航天工業(yè)學院 能源與建筑環(huán)境學院，廣西 桂林 541004）

實踐教學內(nèi)容和方法的設(shè)計是應(yīng)用型地方高校提高人才質(zhì)量、支撐內(nèi)涵發(fā)展的重要環(huán)節(jié)．將具有綜合性的信息技術(shù)特點的虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實踐教學過程，是有效解決教學資源匱乏，提高教學過程安全性，促進實踐過程交互性與真實性，有效避免教學內(nèi)容碎片化，教學乏味等問題的重要實踐，既能提高人才的職業(yè)勝任力，也進一步促進了學生向復(fù)合應(yīng)用型人才的轉(zhuǎn)變．

虛擬現(xiàn)實；實踐教學；職業(yè)勝任力；應(yīng)用型人才

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)的淵源可追溯到上世紀50年代，最初的應(yīng)用主要是進行航空航天訓練，后期逐漸涌現(xiàn)出許多VR集成系統(tǒng)，學術(shù)界一般將其定義為是“三維計算機圖形學-多功能傳感器交互接口-高清顯示技術(shù)”的融合[1]．

“以教育信息化推動教育現(xiàn)代化”是21世紀以來中國教育改革發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[2]．應(yīng)用型人才培養(yǎng)是地方高校與研究性大學和高職院校差異化發(fā)展背景下的準確定位與重要選擇．研究性大學注重學術(shù)性，此類高校有較深的專業(yè)內(nèi)涵與學術(shù)積淀；高職院校在專業(yè)設(shè)置上動態(tài)追蹤社會的變化和時代需求，而地方應(yīng)用型高校的專業(yè)設(shè)置受專業(yè)設(shè)置目錄的限定，必須從教學手段和教學課程體系上進行改革．

現(xiàn)代教學技術(shù)，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過打造沉浸式教學環(huán)境、跨越時空并打破場地條件限制，廣泛應(yīng)用在實踐教學環(huán)節(jié)，它以深度參與和互動等形式讓學生成為學習主體，激發(fā)并提升學習熱情，便于突破教學的重點難點；同時，實踐手段有效支撐工程教育認證的能力導向要求，助力校企雙方擺脫“就業(yè)難”與“用人荒”的人才供需窘境．以能源與建筑環(huán)境學院為例，從學校服務(wù)定位和區(qū)域發(fā)展需求的角度，開設(shè)了能源與動力工程專業(yè)、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)、工程管理專業(yè)（工學）和安全工程專業(yè)，將VR技術(shù)手段結(jié)合建筑信息模型（BIM）、OpenGL 和3DMAX等技術(shù)，在實踐教學體系中建立火電廠燃燒、土木建筑結(jié)構(gòu)、暖通空調(diào)與給排水、施工現(xiàn)場建筑安全管理和虛擬火災(zāi)場景等模型與場景，極大地促進了實踐實訓課程對學生能力的形成．本文從問題導向出發(fā)對實踐課程進行改革．

1 實踐教學課程存在的問題

信息化社會推動行業(yè)和企業(yè)的變革使得職業(yè)與崗位對能力的需求更具時代特征．應(yīng)用型本科專業(yè)在工程認證教育背景下開設(shè)了大量以支撐學生的能力目標達成的實踐課程，平均學時占比應(yīng)達到30%以上．然而通過對能源類、土木類和安全類人才需求和職業(yè)勝任力的角度看，基于綠色建筑節(jié)能、垃圾焚燒電廠運維、建筑安全管控與智能施工等新職業(yè)缺口與土木類課程導向不吻合，特別是實踐類課程能力支撐不足[3]．

實踐類課程群的課程建設(shè)存在的突出問題：

（1）課內(nèi)實驗內(nèi)容和手段陳舊，演示性實驗多，學生參與度和積極性差；

（2）崗位（職業(yè)能力）導向模糊，實驗室重復(fù)建設(shè)且信息化手段落后；

（3）課程設(shè)計實踐與成果考核單一，與解決工程問題的需求脫節(jié)；

（4）整周的集中實訓和校外實踐流于形式，企業(yè)管理與安全條件限制下全程無互動．

以能力形成為導向，借助VR技術(shù)，在專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和教學設(shè)計的改革：

（1）以職業(yè)需求促進知識更新，“創(chuàng)新性+設(shè)計性”實踐融合替代演示性實驗；

（2）整合資源集中打造信息化實訓中心，案例與模型共享促進專業(yè)融通；

（3）以學科的學生競賽和企業(yè)案例為課程設(shè)計方案，“獨立操作+團隊協(xié)作”促進能力形成；

（4）整合“校內(nèi)實訓+校外實踐”資源，在互動和沉浸式環(huán)境中實現(xiàn)訓練．

2　實踐教學課程的VR技術(shù)應(yīng)用與改革

實踐教學的信息化技術(shù)是以職業(yè)能力、崗位勝任力為教學目標，虛擬現(xiàn)實技術(shù)最本質(zhì)的三個特點，即沉浸感、交互性、思維構(gòu)想性為信息技術(shù)與專業(yè)知識融合提供最適合的實踐平臺[4]．在“課內(nèi)實踐-課程設(shè)計與綜合實訓-畢業(yè)實踐與設(shè)計”的整個實踐環(huán)節(jié)中貫穿VR技術(shù)并開展跨專業(yè)的資源共享與融合，對工程教育認證的能力支撐起到重要的作用．

2.1　土木類專業(yè)的教學設(shè)計與VR技術(shù)應(yīng)用

本文土木類專業(yè)特指建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程和工程管理（工學）兩個專業(yè)，將VR和三維BIM建模結(jié)合，可實現(xiàn)對“成果演示和驗證、計算機輔助設(shè)計與教學和可視化計算”三方面開展實踐教學應(yīng)用，以案例形式將教學過程和內(nèi)容延伸到整個實踐環(huán)節(jié)，強化應(yīng)用型課程體系的針對性、應(yīng)用性、導向性．

2.1.1 在暖通空調(diào)綜合實踐課程的應(yīng)用建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)學生涉及土木結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的學時較少，普遍缺乏對建筑結(jié)構(gòu)的認知和空間想象力；同時，建筑環(huán)境（人工環(huán)境）工程的實踐難以緊密結(jié)合課程在施工現(xiàn)場實踐環(huán)境中同步、動態(tài)開展．與建筑設(shè)計、施工類的專業(yè)結(jié)合，根據(jù)以上專業(yè)提供的BIM建筑模型，可基于實際項目的氣候條件模擬制冷、采暖和通風的氣流實驗，進行參數(shù)調(diào)整與反饋，有效支撐暖通空調(diào)和工業(yè)通風與除塵課內(nèi)實踐[5]．用VR技術(shù)和沉浸式體驗感受氣流調(diào)節(jié)和變化情況，利用管道碰撞檢查功能對設(shè)計的管路進行優(yōu)化，對建筑物模型和氣流走向、制冷效率和構(gòu)件強度等參數(shù)進行實時的修改，提高設(shè)計方案的合理性，深入理解建筑、暖通和電氣等專業(yè)的上下游工藝銜接，利用專用模塊進行日照與節(jié)能分析，滿足綠色生態(tài)的設(shè)計要求．

2.1.2 在建筑施工技術(shù)類實踐課程的應(yīng)用施工技術(shù)結(jié)合施工現(xiàn)場管理是土木類專業(yè)最具實踐性、時代特征的課程，也是保障工程建設(shè)質(zhì)量的核心．在建工程的施工現(xiàn)場質(zhì)量、進度和安全要求高，學生短期的參觀實習很難從不同專業(yè)和管理者的視角把控整體的現(xiàn)場施工[6]134．建筑施工技術(shù)與項目管理類課程需要VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)與現(xiàn)場參觀實習緊密結(jié)合，利用BIM的現(xiàn)場管理模塊對計劃參觀的項目施工工地建模，導入VR平臺并引導學生通過操作手柄進行人與環(huán)境的信息交互．教師主要從項目現(xiàn)場人、材、機布置與優(yōu)化、整體把控施工現(xiàn)場“三控三管”的管理核心，結(jié)合知識點讓學生觀測、分析、處置、操作以便于理解和掌握知識點．通過小組討論、交流和教師問答等環(huán)節(jié)，理解質(zhì)量、安全和進度的控制核心，構(gòu)建項目經(jīng)理的管理知識和能力．最后結(jié)合有針對性的現(xiàn)場實地測試與對比分析，使不同專業(yè)學生從多角度對項目實現(xiàn)全局管理和深度認知，促進學生通過技術(shù)手段將專業(yè)知識體系融通并構(gòu)建綜合職業(yè)勝任力．

2.1.3在房地產(chǎn)類項目管理策劃類課程的應(yīng)用房地產(chǎn)開發(fā)前要通過科學方法和技術(shù)為投資指明方向，該類實踐課程的設(shè)計要將規(guī)劃與管理的意圖以成果體現(xiàn)．針對房地產(chǎn)項目管理與策劃的流程，即整體定位調(diào)查——規(guī)劃設(shè)計——項目投資分析[6]135．通過VR+BIM的技術(shù)融合和支撐，構(gòu)建綜合實訓項目，能有效解決對現(xiàn)有教學內(nèi)容枯燥、教學內(nèi)容碎片化的教學問題；通過參與全國大學生房地產(chǎn)策劃大賽，整理實際競賽案例，在實訓中擺脫單一體驗式VR教學的局限性；通過BIM信息化基礎(chǔ)等課程學習讓學生主動創(chuàng)建和選擇各種構(gòu)建族庫，組合不同的建筑樣板、規(guī)劃用地等模塊，嘗試對自己形成的項目規(guī)劃進行投資分析，分析問題原因并規(guī)范后形成BIM模型．課程考核一般按項目指標進行分組打分，再通過VR體現(xiàn)并評估可行性，實現(xiàn)了知識在不同情景下遷移并有效支撐能力的形成．

2.2　能源與安全類的教學設(shè)計與VR技術(shù)應(yīng)用

能源與動力工程專業(yè)涉及的行業(yè)較龐雜，以電廠熱能動力方向為例，對垃圾焚燒電廠、常規(guī)火電廠等實習場所參觀空間受限，企業(yè)自動化程度高，學生動手實操的可能性基本為零．而安全工程專業(yè)依托行業(yè)、企業(yè)，面向的安全隱患一般存在于重大危險源場合，實踐的安全管理壓力大，同樣受地域環(huán)境的限制，讓VR技術(shù)平臺與現(xiàn)場參觀性實踐融合的教學成為重要的實訓形式[7]．

2.2.1 在能源與動力工程專業(yè)實踐課程的應(yīng)用對于課內(nèi)實驗，原有的能源與動力工程基礎(chǔ)實驗室，如熱工基礎(chǔ)實驗、鍋爐實驗等，一般為高溫、高等風險性較大的實驗項目[8]21，因教學設(shè)備陳舊，安全風險較大停開．通過建立網(wǎng)上虛擬仿真實驗系統(tǒng)，開發(fā)對應(yīng)的虛擬仿真實驗項目，實現(xiàn)無教師講解的開放性實驗?zāi)Ｊ剑畬τ诰C合實訓項目，工程訓練中心搭建了500 kW垃圾焚燒電廠模型、生物質(zhì)熱解聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供高值化利用模型、航空渦噴和渦扇發(fā)動機等模型，實現(xiàn)了不同專業(yè)領(lǐng)域的能源動力系統(tǒng)與核心設(shè)備資源共享，互動式體驗使學生對參數(shù)、機構(gòu)、零部件之間的內(nèi)在關(guān)系實現(xiàn)了從局部到整體的把握，讓沉悶的知識充滿活力并推進了教師的雙師化．

2.2.2 在安全工程專業(yè)實踐課程的應(yīng)用在安全管理綜合實踐環(huán)節(jié)中通過BIM技術(shù)與VR結(jié)合，可以開展演示和互動項目．

（1）不同危險性的氣液固燃燒物火災(zāi)模擬實驗，分析火情特點和救援時機.

（2）建筑安全管理中，對“三寶（安全帽、安全網(wǎng)、安全帶）四口”的認知，設(shè)置高墜體驗環(huán)節(jié)加深認識，并完善防護措施[8-10]．

（3）模擬爆炸事故，設(shè)置臨界參數(shù)和破壞性體驗；同時，購買火災(zāi)救援模擬訓練VR軟件，可實現(xiàn)火災(zāi)實時動態(tài)模擬，深入理解火災(zāi)、煙氣蔓延的初始化條件，熟悉滅火系統(tǒng)的動作機制與相應(yīng)順序，在實時交互中進行救援練習，可預(yù)測并優(yōu)化調(diào)整救援計劃．

3　結(jié)語

將VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在能源安全、土木類專業(yè)，有力地形成了學科專業(yè)間的凝聚力，實現(xiàn)了專業(yè)的融合發(fā)展，促進學生能力的形成，有效支撐了應(yīng)用型人才的職業(yè)勝任力特征．

針對信息化背景下對新興應(yīng)用型人才的基本需求，實踐類課程設(shè)計改革以問題為導向，通過虛擬教學技術(shù)融合于課內(nèi)實踐、認知教學和實訓教學，不僅提高了創(chuàng)新性、設(shè)計性實踐課程的占比，促進了開放新實驗室的利用率，更進一步通過更新課程體系和教學手段，有效緩解了專業(yè)知識與職業(yè)能力不銜接、新興產(chǎn)業(yè)支持不足的課程體系現(xiàn)狀，促進了學科內(nèi)涵式建設(shè)與專業(yè)特色發(fā)展．

[1] 姜禹同．虛擬仿真技術(shù)在建筑安全管理培訓應(yīng)用與效果評估[D]．上海：華東師范大學，2022．

[2] 費景洲，路勇，高峰，等．能源動力類專業(yè)開放自主式實驗教學模式探索[J]．實驗室研究與探索，2019，38（1）：133-136，152．

[3] 葉曉明，陳剛，成曉北，等．“新工科”背景下能源動力專業(yè)實踐教學基地改革與實踐[J]．高等工程教育研究，2023（增刊1）：53-56．

[4] 胡蔓，趙云龍，欒曉娜，等．新工科背景下工程訓練實踐教學模式探索[J]．實驗技術(shù)與管理，2022，39（3）：256-259．

[5] 張廣媚．基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建筑學專業(yè)實踐教學體系改革研究[J]．城市建筑，2022，19（17）：107-110．

[6] 劉旭紅，武飛．基于BIM的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）在建筑工程中的創(chuàng)新應(yīng)用[J]．中外建筑，2018（4）：134-136．

[7] 俞娟．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑領(lǐng)域安全生產(chǎn)教育中的應(yīng)用與思考[J]．建筑施工，2023，45（5）：998-1000．

[8] 章竹喬．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在滅火救援模擬訓練中的應(yīng)用分析[J]．中國設(shè)備工程，2023（5）：21-23．

[9] 張文祖．VR技術(shù)在化工安全與清潔生產(chǎn)培訓中的應(yīng)用[J]．中國石油和化工標準與質(zhì)量，2021，41（10）：122-123．

[10] 王娜，沈力，鄧舒平．VR虛擬現(xiàn)實在電力安全生產(chǎn)教育培訓中的應(yīng)用[J]．通信電源技術(shù)，2017，34（5）：166-167，169．

Application of virtual reality technology in practical teaching course

LIU Yan，KANG Li，HOU Qianghua，DAI Guozhong

（School of Energy and Architectural Environment，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541004，China）

The design of practical teaching content and methods is an important part in improving the quality of talents and supporting the intensive development in local universities．Introducing virtual reality technology with comprehensive information technology characteristics into the practical teaching process of cultivating applied talents，it is an important practice to effectively solve the problems of scarce teaching resources，improving the safety of teaching processes，promoting the interactivity and authenticity of practical processes，effectively avoiding the fragmentation of teaching content，and teaching boredom．This reform not only effectively improves the professional competence of talents，but also further promotes the transformation of students towards composite applied talents．

virtual reality（VR）；practical teaching；career competency；practical personnel

1007-9831（2023）12-0099-04

TP393.0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.12.017

2023-08-27

2023年廣西高等教育本科教學改革工程重點項目（2023JGZ168）；教育部產(chǎn)學研協(xié)同育人項目（201902258004）

劉巖（1977-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事能源與建筑工程教學管理與技術(shù)研究．E-mail：1300983279@qq.com

康麗（1981-），女，黑龍江齊齊哈爾人，助理研究員，從事能源與建筑工程實踐教學管理研究．E-mail：19110962@qq.com