戴奕，童川，張小鵬

（四川鐵道職業(yè)學(xué)院，四川 成都 610097）

2020 年10 月，首個國家職業(yè)教育虛擬仿真示范實訓(xùn)基地在江西正式開啟，助力推動了虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在職業(yè)教育中的前進腳步。2021 年1 月，四川省教育廳在《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓(xùn)基地和實訓(xùn)項目建設(shè)的通知》中強調(diào)指出，按照“能實不虛、以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合的原則，建設(shè)一批開放共享的虛擬仿真實訓(xùn)基地和實訓(xùn)項目?！甭殬I(yè)教育的實訓(xùn)教學(xué)過程中普遍存在“三高三難”痛點和難點，即高投入、高損耗、高風(fēng)險、難實施、難觀摩、難再現(xiàn)。為了解決此類問題，將虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用在教學(xué)中，取得了良好的效果。

1 當(dāng)前實訓(xùn)教學(xué)過程現(xiàn)狀分析

1.1 細節(jié)展示不足

針對教室講臺展示、實訓(xùn)教學(xué)演示成本昂貴或示范過程中存在一定安全隱患的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生理解不充分，傳統(tǒng)實踐教學(xué)效率低。

1.2 實訓(xùn)設(shè)備不足且成本較高

實訓(xùn)設(shè)備不足，做不到一人一機獨立操作實訓(xùn)，多人分組進行時，一人操作多人觀看，每人真正實操時間少，達不到預(yù)期理想的實踐教學(xué)成果。對于教學(xué)用實訓(xùn)設(shè)備，會造成大量工件耗材、器件損耗、能源消耗，實訓(xùn)成本巨大。

1.3 實訓(xùn)室建設(shè)場地限制

工程類專業(yè)一般對實訓(xùn)場地空間要求比較大，實訓(xùn)設(shè)備尺寸也比較大，對于實訓(xùn)室建設(shè)成本比較高。

1.4 實訓(xùn)課程安排不合理

雙師型教師人手不足，實訓(xùn)項目指導(dǎo)不僅需要具備過硬的專業(yè)知識，同時還需要豐富的實訓(xùn)指導(dǎo)經(jīng)驗。具有實訓(xùn)教學(xué)經(jīng)驗的雙師型教師較少，實訓(xùn)教學(xué)效果不理想。實訓(xùn)室數(shù)量不足和實訓(xùn)教師缺少導(dǎo)致了大多數(shù)高校還是偏向于理論教學(xué)，難以開展更多的實訓(xùn)教學(xué)，學(xué)生動手實踐能力越來越弱，難以達到企業(yè)對專業(yè)技術(shù)人才的要求。

2 虛擬仿真實訓(xùn)課程資源開發(fā)思路和過程

2.1 開發(fā)思路

由于虛擬仿真實訓(xùn)課程資源開發(fā)需要一定程度的計算機編程能力，而大部分高校的虛擬仿真課程資源實際項目建設(shè)過程中，普遍采用專業(yè)教師和企業(yè)技術(shù)人員的校企合作模式，這就導(dǎo)致懂專業(yè)的教師難以快速地進入課程開發(fā)過程，而企業(yè)技術(shù)人員對于高校相關(guān)專業(yè)了解不深，在溝通時無法將技術(shù)與專業(yè)需求更高效地結(jié)合，企業(yè)也無法對課程策劃、實訓(xùn)實踐、教改科研等提供全方位支持。

在虛擬仿真實訓(xùn)課程資源開發(fā)過程中，應(yīng)從腳本編寫、三維建模、程序編寫、場景搭建、聯(lián)調(diào)聯(lián)試五個環(huán)節(jié)進行開發(fā)，全過程均需校企雙方共同參與，共同將學(xué)校專業(yè)需求轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓪崿F(xiàn)的開發(fā)需求，企業(yè)也要將行業(yè)領(lǐng)域先進的“師帶徒”經(jīng)驗、現(xiàn)場維護關(guān)鍵步驟等企業(yè)元素整理成素材，豐富教學(xué)資源內(nèi)容，同時為校內(nèi)學(xué)生和企業(yè)員工提供學(xué)習(xí)和提升平臺（圖1）。

圖1

2.2 開發(fā)過程

（1）腳本編寫。在虛擬仿真實訓(xùn)課程資源開發(fā)過程中，首先需要編寫專業(yè)腳本，腳本是后續(xù)的建模和編程的指導(dǎo)依據(jù)，特別是對程序的實現(xiàn)方式有重大的影響，直接影響后期程序的實現(xiàn)方式和難易程度。腳本編寫需綜合考慮以下四個方面（圖2）。

圖2

（2）三維建模。由于實訓(xùn)課程大部分需要需要學(xué)生動手去練，而實訓(xùn)設(shè)備往往存在造價昂貴、數(shù)量不足、難以拆卸等問題。把現(xiàn)實設(shè)備利用3D 建模軟件構(gòu)建三維虛擬結(jié)構(gòu)圖像，既可以滿足現(xiàn)實設(shè)備虛擬仿真，又可以將現(xiàn)實設(shè)備難以展示的部分利用3D 建模軟件分解展示、透視展示、立體展示。

在三維建模的基本流程一般分為：①項目建模準(zhǔn)備。在項目建模準(zhǔn)備階段，需要充分參照現(xiàn)實設(shè)備或圖紙進行分析，確定建模場景、建模精度、建模單位、模型分解、模型分組編號。將分解模型圖紙導(dǎo)入建模軟件進行分組并凍結(jié)，作為后期建模的參考。②項目建模過程。在項目建模過程階段，需要根據(jù)分解模型進行建模標(biāo)準(zhǔn)（高、中、低模）建立，根據(jù)材質(zhì)進行模型分組建模，盡量保證同一材質(zhì)由同一人建模，避免后期材質(zhì)貼圖出現(xiàn)差異。選擇合適的建模工具，按照前期標(biāo)準(zhǔn)進行三維建模，在建模中一定要保證設(shè)備結(jié)合處比例合適、布線規(guī)范、精度準(zhǔn)確。③項目模型保存。在項目建模過程中，往往會存在很多難以預(yù)料的細小零件模型（例如，螺母、螺絲、墊片、連接件等），而在后期建模中還需要大量使用此類模型，將此類模型進行規(guī)范保存并做好材質(zhì)和貼圖，建立零件素材庫，共享給項目組其他成員。④項目模型材質(zhì)貼圖。在項目建模完成后，需根據(jù)前期標(biāo)準(zhǔn)進行模型的UV 展開，選擇合適的材質(zhì)和貼圖素材。在虛擬仿真實訓(xùn)課程資源開發(fā)項目中，需將建好的模型導(dǎo)入虛擬仿真開發(fā)軟件進行模型組裝和材質(zhì)貼圖。

（3）程序編寫。①環(huán)境搭建。目前常見的虛擬仿真開發(fā)引擎軟件比較多，并且技術(shù)均相對成熟，選擇自己熟悉的開發(fā)引擎安裝。②項目創(chuàng)建。引擎安裝成功后，選擇VR 項目模板創(chuàng)建VR 項目。項目創(chuàng)建成功后，安裝虛擬仿真設(shè)備驅(qū)動程序。再根據(jù)當(dāng)前開發(fā)環(huán)境配置虛擬仿真設(shè)備并檢測環(huán)境是否正常。③模型導(dǎo)入。將前期制作好的模型和材質(zhì)貼圖導(dǎo)入到項目中，導(dǎo)入項目時，一定要將不同功能的文件放置在不同的文件夾下。根據(jù)模型功能不同或者模塊不同進行分組并建立一套合理的命名規(guī)則，以方便程序?qū)δＰ驼{(diào)用。④程序編寫。為用到的不同模型部件編寫不同的程序，對模型進行操作時，需注意模型的中心位置、相對位置和絕對位置。按照之前編寫完成的腳本，從前往后逐步編程實現(xiàn)。在程序編寫過程中，著重注意互動環(huán)節(jié)和評價體系的程序部分，語音講解可由AI 生成。⑤編譯生成。生成可執(zhí)行程序時一定注意選擇Windows平臺，一般開發(fā)軟件支持鍵盤鼠標(biāo)、VR 手柄等多種輸入方式，支持PC 端、手機端等多種導(dǎo)出模式，根據(jù)項目需求選擇合適的可執(zhí)行程序生成。

（4）場景搭建。完成了建模和程序編寫，便可采用兩種應(yīng)用方式：一種是在PC 端進行觀看，另一種是采用頭盔顯示器等穿戴設(shè)備。在PC 端進行觀看和學(xué)習(xí)，是一種可以普遍應(yīng)用的教學(xué)方法。只需要將教學(xué)資源安裝在計算機上，就可以利用鼠標(biāo)的操作完成控制指令的下達，實現(xiàn)人機交互，可適用于計算機房教學(xué)，可供學(xué)生自主預(yù)習(xí)，可用于課堂教學(xué)資源，可作為課后資料進行復(fù)習(xí)和鞏固。采用頭盔顯示器可實現(xiàn)整個學(xué)習(xí)過程的浸入式體驗，跨越了時間和地點的限制，只要戴上頭盔，連接到設(shè)備后進入的場景要與現(xiàn)實一致，就可以不分時間不計地點進行實訓(xùn)練習(xí)?？梢酝ㄟ^手柄的控制和操作，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，實現(xiàn)可交互的沉浸體驗。

（5）聯(lián)調(diào)聯(lián)試。通過多位專業(yè)教師、現(xiàn)場專家、學(xué)生的體驗測試，提出體驗感受，形成改進意見，進行再次開發(fā)與優(yōu)化。多次試驗無誤后，應(yīng)用于實際校內(nèi)教學(xué)和企業(yè)培訓(xùn)。

3 VR/AR 技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的創(chuàng)新

3.1 突破授課場地和設(shè)備限制

VR/AR 技術(shù)可以讓師生在虛擬場景中自由行走，全面了解空間信息和設(shè)備信息?？梢噪S時隨地，說看就看，在虛擬場景中進行1：1 場景搭建，支持設(shè)備720°自由行走、自由瀏覽，為師生帶來沉浸式體驗。通過鳥瞰、分解、爆炸等不同視角，實現(xiàn)設(shè)備整體布局、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸大小、材質(zhì)貼圖等信息全面展示。

3.2 VR/AR 技術(shù)對教學(xué)效果的提升

VR/AR 技術(shù)可將具有危險性的實訓(xùn)教學(xué)、拆解困難的設(shè)備進行深度仿真，讓學(xué)生從 “只能看”變?yōu)榧取翱梢钥础币病翱梢悦保浜险Z音AI，自動生成語音講解，從視覺、聽覺、觸覺三個維度幫助學(xué)生理解，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者自主發(fā)掘知識點，自主學(xué)習(xí)，真正實現(xiàn)知識的直接獲取。

4 結(jié)語

VR 教學(xué)將嶄新的教學(xué)模式樹立在教師眼前，使課堂多元化，提升了教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)手段。同時，拓展了學(xué)生的眼界，突破了認(rèn)識空間的有限性，豐富了學(xué)生的感知世界。