?基于VR技术的翻转课堂教学法在机械专业实践环节教学中的应用

来源:用户上传      作者:韩奉林

　　摘  要 探索提出将翻转课堂教学法应用于机械专业实践环节的教学模式，并结合VR技术，提高学生自主学习质量。讨论现有VR设备性能、成本等特点，提出适用于实践环节翻转课堂教学的VR设备和软件组合。根据应用情况，提出进一步提升教学质量的瓶颈问题。
　　关键词 VR技术;翻转课堂;实践教学;机械专业;MOOC;全景相机
　　中图分类号：G642    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2019）10-0031-03
　　Abstract To promote the quality of practical teaching of mechanical engineering， a flipped classroom teaching pattern based on VR tech-nology was proposed. The characters of the available VR devices， including performance， cost， etc， were discussed. The appropriate combination of VR devices and software that can be used in teachingwas suggested. The bottleneck problems to promote the teaching quality were pointed out based on application experiences.Key words VR technology; flipped classroom; practical teaching; mechanical engineering; MOOC; panoramic camera
　　1 前言
　　VR（Virtual Reality，虛拟现实）技术是通过计算机虚拟仿真构建出一个三维体验环境，使用户可以沉浸其中，以获得接近真实的体验感的信息技术。VR技术自从1950年左右被正式提出后，众多的研究者和科技公司不懈地致力于如何实现低成本的VR方案，并于近年取得重大突破。2016年，Gartner公司预测VR已经进入工业产品化的起跑线位置，因此，2016年也被称为VR元年[1]。目前，各种档次的VR设备层出不穷，已经深入渗透到娱乐、购物、医疗等与大众紧密相关的行业。
　　随着信息技术的爆炸式发展，教育的方式也在不断地更迭。从黑板到幻灯再到PPT等，教育技术正在深刻地改变着教育活动，催生新的教育理论和方法。教育部颁布的《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》强调推进教育信息化体系建设，既从教育看技术，也从技术看教育，推动信息技术与教育的双向融合创新。VR技术作为一种新兴的信息交互技术，在教育中逐渐占得一席之地，获得众多成功的经验，激发了如何利用VR技术提升教育质量的讨论[2-4]。
　　实践性强是机械工程专业一大特点，实践教学环节在机械工程培养计划中占有重要地位，对帮助学生建立工程意识、提高发现和解决问题能力具有举足轻重的作用。在认识实习、生产实习等实践环节的教学中，由于学生不熟悉实习企业环境，在车间嘈杂环境中又不易像课堂一般组织和管理，因此，学生很难在有限的时间内抓住实习的重点，不能全面地完成教学目标，影响教学质量。
　　翻转课堂的概念由Salman Khan在2011年提出，并被加拿大的《环球邮报》评为2011年影响课堂教学的重大技术变革。传统教学过程通常包括知识传授和知识内化两个阶段，知识传授通过教师在课堂中的讲授来完成，知识内化则需要学生在课后通过作业、操作或者实践来完成。在翻转课堂上，这种形式受到颠覆，知识传授通过信息技术的辅助在课后完成，知识内化则在课堂中经教师的帮助与同学的协助来完成，从而形成翻转课堂[5]。
　　翻转课堂教学法已在理论课程教学中得到广泛应用，并取得良好的效果。翻转课堂将课前自主学习与课堂针对性解决问题相结合的理念，也可用于解决当前实践教学环节中存在的问题。考虑车间实习环境的复杂性，为增强学生自主学习时的沉浸感，将VR技术与翻转课堂教学法相结合，将切实有利于提升实践教学质量。
　　2 基于VR技术的机械专业实践环节翻转课堂教学模式
　　当前机械专业实践教学模式及存在问题  顶岗实习和参观实习是机械专业实践的两种主要形式，其中顶岗实习耗时长，实习内容偏窄，并不利于宽口径本科生的培养。同时，虽然学校在实习基地建设方面投入了大量精力，但实习单位与目前日益增长的实习需求相比仍有很大缺口。因此，认识实习、生产实习均以参观实习为主要形式，且在厂内实习的时间非常有限[6]。
　　目前采用的实习教学方法一般步骤为：实习动员，讲解实习目标和安全注意事项;由厂方技术人员或者带队教师带领学生参观车间;分小组自由参观;在厂外进行分小组讨论总结，撰写实习报告。
　　上述过程中，参观车间耗时最多，而分小组自由参观最能锻炼学生发现问题、解决问题的能力，却一般无法安排出更多的时间。因此，学生通过实习大多只能看到“热闹”，而无法通过独立思考看到“门道”。
　　翻转课堂教学的一般组织模式  美国富兰克林学院数学与计算科学专业的Robert Talbert教授对翻转课堂教学法的组织模式进行了总结[5]：课前观看教学视频，并进行课前练习;课堂上快速、少量的测评;通过讨论，解决存在的问题，促进知识的内化;进行课堂总结。
　　采用基于VR技术的翻转课堂专业实践教学模式  在翻转课堂教学法中，利用多媒体教学资料可以帮助学生系统性地建立学习脉络，使课堂讨论深入而不失全面性。在实习环节也可以采用这种方法，让学生在进入车间之前已经对车间的生产和设备状态有一个基本的了解，实现带着问题进车间，现场找答案。 　　在翻转课堂中，教学视频的视觉效果和互动性对学生的学习效果有着重要的影响。由于实习内容和环境的特殊性，不可能直接从互联网获得教学视频，因而需要自行制作。由于实习工厂环境复杂，对很多工艺过程需要注意实物加工过程以及计算机操控面板，如果采用一般的视频录制方式，需要频繁地切换拍摄方向，影响学生对实习现场在脑中的构建。
　　采用VR技术中的全景摄影技术，将实习环境完整地提前呈现给学生，可以由学生在观看时自己选择观看视角，具有很大的自由度。对同一个全景视频，每次观看都可以得到不同的信息，从而极大地提高学生的学习兴趣，提升自主学习质量。
　　根据实践经验，总结提出基于VR技术的翻转课堂专业实践教学模式的具体开展步骤：由带队教师提前进厂采用VR全景相机录制参观视频和拍摄全景照片，为提高学生的参与度，可以邀请少量学生一起参与全景视频录制;对全景视频进行处理，增加参观要点提示;网络发布教学资源，并通过校内动员，布置自主学习任务，进行“预实习”;校内分组讨论，分享网络学习心得，形成问题清单;厂内直接分组参观，在教师及厂方技术人员指导下解决问题;在现场采用全景相机拍摄问题解决过程，进一步丰富网络学习资源。
　　基于VR技术的翻转课堂专业实践教学模式的优势  与传统实习教学方法相比，基于VR技术的翻转课堂专业实践教学模式具有如下优点：
　　1）通过进厂前的网络学习，可把教师带队参观车间的过程最大限度地缩短，把有限的时间留给更有价值的问题解决环节;
　　2）利用VR技术，能够提升学生的提前学习兴趣，并通过沉浸感使学生有现场感，优化自主学习效果;
　　3）考核方式除了传统的实习报告，还可以包括问题讨论的全景小视频，使得网络VR学习资源逐年丰富，使实习可以逐年深入。
　　3 适合机械专业实践环节辅助教学的VR设备与软件
　　VR全景视频拍摄设备  全景相机又称全方位摄像机，是指在水平方向上拥有360°视角，或者视角可以覆盖全部球面的摄像机。随着VR技术被越来越多地应用于生活娱乐领域，大量新的厂商进入全景相机领域，市面上的全景拍摄器材日益丰富。
　　依据成本不同，全景相机可分为专业级和消费级。其中专业级通过多个传感器配合特制镜头组合实现全景功能，视频清晰度高。专业级全景相机的典型代表有Nokia OZO、GoPro Omni、Upano J2VR等。由于专业级全景相机成本过高，且拍摄设备操作及后处理方法不易掌握，因此在教学中并不适宜采用。
　　消费级全景相机多采用单传感器配套特殊的超广角鱼眼镜头，并依赖图像校正技术还原图像进行全景拍摄。目前，消费级全景相机的成本已经降至千元级别，可选择的产品类型丰富，代表性产品有理光THETA S、三星Gear 360、Insta 360 Nano等。消费级全景相机一般体型小巧，操作简单，非常适合于实习车间取景。
　　VR视频观看装备与软件  与普通视频不同，VR全景视频必须使用专用的设备才能获得理想的体验效果。翻转教学要求每一个学生都能够观看VR全景视频进行自主学习，所以VR设备的成本必须足够低到学生能够承受。目前的VR设备可分为专业级的桌面端VR设备、一体机VR设备和移动端VR设备。移动端VR设备的观看体验虽然比不上其他两种，但百元级的价格在成本上占据了绝对优势。虽然移动VR设备需要与智能手机配合使用，但在智能手机已经普及化的今天，已不构成任何障碍。因此，就目前而言，三星Gear VR、暴風魔镜、大朋看看等移动端VR设备更适合于翻转教学的需求。
　　使用移动VR设备观看VR全景视频，需要在手机端安装专用的视频播放软件，以支持左/右屏同步显示，代表性的播放APP有VR Player PRO、橙子VR、360 VR Player PRO等。
　　4 使用基于VR技术的翻转教学法开展实践教学的瓶颈问题
　　缺乏支持VR全景资源的MOOC平台  随着翻转课堂教学理念的推广，出现中国大学MOOC、超星慕课等优秀的MOOC平台。通过这些平台，不光可以共享多媒体资源，同时可以完成在线交流、学习效果检验等工作。然而现有MOOC平台均无法播放VR全景视频和图片，所以在实际教学中只能通过网盘等网络资源共享VR全景视频和图片，无法有效管控学生的自主学习过程。
　　VR全景视频拍摄技巧和后期处理能力需要强化  作为一种新兴的视听信息传播方式，VR视频拍摄中存在很多特殊的难点，比如如何在360°场景中做好观众视线的引导，如何控制相机的移动速度和方向以防止观众出现眩晕感等。如果VR视频拍摄不当，会造成观看者觉得信息混乱。在VR视频拍摄完成后，还需要进行后期处理，包括添加带景深信息的文字说明、增加一些虚拟交互内容等，需要专业的后处理团队支持。
　　5 结语
　　针对目前机械专业认识和生产实习等实践环节教学质量不理想的问题，提出基于VR技术的翻转课堂教学模式。综合分析市场上可获得VR设备的特点，确定目前技术条件下最适合辅助教学的VR设备是采用鱼眼镜头的消费级VR相机和移动VR设备。VR技术应用于教学还存在缺失可支持VR全景视频MOOC平台、缺乏专门全景视频拍摄处理技术团队的问题，需要引起足够的重视。
　　参考文献
　　[1]王东.VR全景视频实验“认识加热炉”的设计与制作[D].江苏：扬州大学，2018.
　　[2]梁梓伦，蔡晓君，周梅，等.VR技术在机械工程专业教学中的展望[J].大学教育，2018（2）：74-76.
　　[3]雷文，陈清奎，朱肖龙，等.基于VR的“农业机械学”仿真教学系统[J].计算机系统应用，2018，27（4）：76-81.
　　[4]吴群彪，方海峰，范纪华，等.基于VR/AR技术的机械课程教学方法探索[J].机械设计，2018，35（S2）：432-434.
　　[5]张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2012，30（4）：46-51.
　　[6]魏占祥，祝淼祺.高校“翻转课堂”式实践教学模式探讨[J].教育教学论坛，2018（31）：181-182.
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