基于VR技术的轨道交通实践教学基地建设策略研究

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　　[摘 要]近年来，虚拟仿真技术在职业教育实训基地建设方面应用逐步广泛，国家在职业教育领域虚拟仿真资源建设方面不断提出更高要求。本文首先对VR硬件和技术平台进行分析，阐述其应用于教学方面的优势和劣势。其次，从课题研究、课程建设、实践体系建设和师资培养方面给出虚拟仿真实践教学基地建设与规划方面的建议。最后，提出了基地建设应加强顶层设计，突出基地建设可持续;强化资源开发，遵循学习者认知规律;提升智能化水平，凸显学习者中心地位的三大对策。
　　[关键词]VR技术;VR硬件;基地建设对策
　　[中图分类号]F50-4 [文献标识码]A
　　2018年2月，教育部办公厅根据《教育信息化“十三五”规划》的总体部署，印发了《2018年教育信息化和网络安全工作要点》文件，推动虚拟现实（VR）等新技术在教育教学中的深入应用，加快推进示范性虚拟仿真实验教学项目建设。在最新颁布的《教育信息化2.0行动计划》中再次强调，升级职业教育专业教学资源库建设，丰富职业教育学习资源系统。虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容，轨道交通作为国家产业的重要组成部分，需要大量的技术技能人才。就目前而言，因轨道交通行业对生产安全性的要求较高，学生无法大面积深入一线生产实习，锻炼职业技能。建立高水平的轨道交通综合虚拟仿真实训基地能有效破解职校生“实习难”的问题，在专业人才培养中也能发挥积极作用。
　　1 VR硬件和技术平台的特性
　　1.1 硬件设备方面
　　目前市场上应用于职业教育的VR硬件大体上分为两大类，一种是桌面式交互平台，所需配套设备相对较少，操作简单;另一种是VR头盔式交互设备，此类设备能带给学习者较强的沉浸感，操作相对复杂。
　　桌面式交互平台，桌面式VR体验通过手持红外笔，结合桌面式全息操作系统可以捕捉到用户的手部在空间中的位置信息，用户通过该操控笔在空气中对眼前的全息图像进行交互，从多角度地观看模型细节及透视。此种技术在职业教育教学中应用相对广泛，它不需要其它外接设备，仅仅在一台PC上，使用手持红外笔和专用眼镜即可实现仿真操作，进而在计算机屏幕上呈现立体、逼真的漫游环境、场景或目标物画面，操作者进行相应操作与控制可进入实施漫游，根据教学需求，在制作教学资源时可设置互动环节（如拆装机械设备），加强课堂教学效果。
　　VR头盔，使用者佩戴虚拟体验设备，可以让其实现真正的沉浸式体验，感受在虚拟的场景中通过脚步移动和手部交互设备操作，获得身临其境的“游戏”体验。能够给使用者提供一个高度逼真的全息环境，具备360度全景画面，学员可身临其境地进入到真实的虚拟世界感受沉浸式学习，享受逼真的视觉冲击，并且沉浸式VR具备较高的交互精度，能够与虚拟环境进行直观交互，可对虚拟环境中的设施、设备、仪器、仪表实行全面操控，提供一个良好的实训环境。头戴VR头盔的操控者在虚拟场景中进行训练时，他人可通过设置在一旁的显示装置直观地看到操控者的操作内容。头盔式VR设备虽然能给学习者带来比较好的体验，但也存在一些弊端。经过笔者的走访调研发现，对于部分学者而言，因沉浸感太强容易出现头晕等身体不适感;对于初次接触该类设备的体验者而言，掌握设备的操作方式也是一种挑战，操作者在操作设备时是独自一人身处虚拟环境中，指导者不能给出比较恰当的操作建议，往往会造成操作者初次体验感不佳，需要花费大量时间来熟悉设备操作方式，尤其是教学活动中大规模应用此类教学设备时，时间成本更高。
　　1.2 技术平台方面
　　Unity Technologies（以下简称Unity）作为VR内容开发平台，主要用于开发课程资源，是内容制作的底层技术，如三星Gear VR、Oculus Rift和HTC Vive均采用Unity开发。对于职业教育而言，在建立虚拟仿真实验教学基地初期，可以从一家公司购买教学资源，以此来满足教学需求。但我们要考虑到专业是在逐步發展的，VR类教学资源随着专业发展也必须更新，若学校自身无相应的VR教学资源开发能力，后期会持续购买大量教学资源。由于虚拟现实技术目前仍处于初级发展阶段，尚无统一的技术标准，各个公司开发的教学资源都是在自家平台上制作的，这就造成两家公司的资源不能在彼此设备上通用（此种现象类似于手机的Android系统和iOS系统，为Android系统开发的程序不能在iOS系统上运行，为iOS系统开发的程序不能在Android系统上运行），在后期资源增加过程中学校就会受限于首家合作公司。
　　2 基地建设与规划建议
　　虚拟现实技术在职业教育教学中的应用突破了传统教学方式的局限，在很大程度上加强了职业院校学生的学习体验，加强学习效果。轨道交通综合虚拟仿真实验教学基地由多种VR设备及配套的教学、实训软件构成，搭载多学科课程资源，实现体验、教学与开发、共享的一体化。在建设过程中可以围绕课题研究、教学课程建设、实践体系建设和师资培养四个方面展开。
　　（1）课题研究：可进行基于校企合作模式的VR创新创业项目建设、人才培养模式创新、创新创业教育与VR技术的深度融合等方面进一步研究。
　　（2）课程建设：联合探索基于VR技术，设计与开发适用于本校专业的课程资源，同时开展创新创业教育，提升学生的创新思维和创业实践能力;输出课程讲义、课件、教学视频、教学大纲等教学资源。
　　（3）实践体系建设：以轨道交通综合虚拟仿真实验教学基地为载体，通过VR体验厅、创客工坊、双创实验室等空间建设，开展创新创业实践教学、创新创业模拟对抗等活动，在为教学服务的同时，为学生创新创业知识和能力的提升提供开放平台。
　　（4）师资培养：围绕“VR课堂教学如何实施、教学体系如何规划、教学资源开发”等主题，开展VR/3D教学资源制作与实际教学应用骨干师资培养。
　　结合基地建设目标，可在实践教学基地建设中将基地分为三大区域，分别为展示体验区、实训教学区、项目开发区。 　　展示体验区担负着对外宣传和接待的功能，面向校内外展示最新的VR技術，通过VR技术宣传学校办学特色与教学成果。通过对VR设备的体验，学生可接触体验到最新的VR技术，了解VR技术在各行各业的应用，感受VR所带来的魅力，培养学生的创新创作思维;可以满足VR展示、讲解和培训，提升学校与专业品牌形象。
　　实训教学区旨在根据专业特色和需求，把VR技术引进教学实训中，是专业实训+创新教育的植入，采用多样化VR技术以及VR智慧课堂，开展各学科的辅助教学与实训，有效地将书本上平面的知识转化为立体、沉浸、互动的展示内容，学生们在身临其境的场景中学习，理解更透彻，记忆更深刻，既极大地节省了成本，又可规避某些真实实训或操作带来的各种危险，激发了学生的学习兴趣，提升了整体专业学习效果，有效提升职业院校教学实训效果，让实训室真正成为职业教育第一课堂。
　　项目开发区承担着虚拟仿真课程资源的开发任务，可采用学校和公司长期共同合作的模式，持续为学校各专业开发优质VR教学资源，全面开创技术革新工作，促进科研成果孵化。引入企业资源，承接企业横向课题，将VR技术全面应用于学校的实验教学中。同时，利用校企合作开发的产品，作为学校或个人参加各类技能大赛的脚本资源。
　　3 虚拟仿真实践教学基地建设的对策
　　3.1 加强顶层设计，突出基地建设可持续
　　首先，学校做好专业教学资源建设的顶层设计是推动虚拟仿真资源建设的前提，在建设虚拟仿真实践教学基地的时候，应充分考虑各个专业所需资源的差异性，强化专业群的突出地位，强调教学资源的共享性。基地内的技术平台和硬件资源要尽可能共享共用，在一定程度上减少资金重复投入，避免资金浪费。
　　其次，鉴于目前虚拟现实技术尚无统一的标准，在选择合作企业时，要尽可能选择行业认可度高的企业，重点考察其资源开发应用能力。在后续合作过程中，学校应组建师资队伍，跟随企业学习如何开发教学资源，实现基地的可持续发展，同时学校也应建立相应体制机制，鼓励教师开发课程资源。
　　3.2 强化资源开发，遵循学习者认知规律
　　虚拟仿真教育资源是在还原和虚拟三维场景的基础上开发的，要遵循学习者的认知规律，认知科学主张，要了解人的认知过程、记忆知觉、思维等认知形象是怎样相互交织在一起的，再把人的认知过程整体、综合地加以分析。虚拟仿真设计的认知因素更多地表现在产品开发过程中的认知方面，即人们对所感知的信息进行认识、理解、鉴别、判断、分析、推理等的心理与思维过程。因此，虚拟仿真资源所蕴含的知识体系一定是经过系统设计的，而不是杂乱无章地呈现给学习者。
　　第一，资源开发时要遵循记忆认知规律。学习者在场景内学习是一个认知、消化、吸收的过程，这就要求资源开发时要把课程所蕴含的知识点有组织、系统地放置于于虚拟场景中，必要时可以在系统中嵌套学习提示，增加学习者的学习动力。第二，资源开发时要遵循学习认知规律。此类教学资源大都应用于学生的实训过程中，帮助学生了解真实生产过程，有效解释所学知识“是什么”“怎么干”等问题。在训练过程中对所学知识消化吸收，进而达到融会贯通，具备学习迁移能力，到工作岗位中能解决实际问题。
　　3.3 提升智能水平，凸显学习者中心地位
　　虚拟仿真系统要实行账号进入制度，同时提升虚拟仿真系统的智能性，保证系统具有对学生的操作过程全程记录、智能评测和及时反馈等功能，依此来勾画学习者的学习画像，为每位学生提供针对性的指导方案。例如，同一账号进入系统时，系统对账户所有者的行为有记忆功能，如果此学习者经常在一个地方出现错误，系统应给予提示，并给出正确操作指引，学习者多次练习之后，系统可针对此学习者生成一个错误集，提醒学习者加强训练。不但为学习者提供一个高度逼真的技能学习环境，还要让学生在高度智能化的虚拟情境中进行真正个性化的学习。
　　[参考文献]
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　　[3] 彭梓涵，职业教育虚拟仿真资源建设现状、挑战及对策[J].成人教育，2019（01）.
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