虚拟实训系统的研究现状及发展趋势

洪 洲

(广州城市职业学院 信息技术系，广东 广州 510405)

《教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中指出：“人才培养模式改革的重点是教学过程的实践性、开放性和职业性，实验、实训、实习是三个关键环节。”实训作为提高学生职业技能的重要手段越来越多地受到关注[1]，但每所高职院校都不可能在短时间内建设所需要的所有实训室，而实训室也会面临更新换代的问题，任何一个实训室都不可能一劳永逸。

虚拟实训进入高职教学将对改善实训环境、提高教育技术水平、优化教学过程、培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响，并有助于解决某些具有危险性的实训场所不可视、不可摸、不可入的问题，同时，还可以解决高职院校普遍存在的实训设备不足、落后、陈旧等问题[2]。

虚拟实训系统的开发，可以让学生在虚拟环境中完成真实项目的实施，在实训的过程中提高技能，更加符合企业对职业人才的技能需求，对实现高端技能型人才的培养目标具有较高的教学价值。

1 虚拟实训与虚拟实训系统

虚拟实训是依托虚拟现实技术而产生和发展的一种实训模式，是利用计算机技术、网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术以及仿真技术等来模拟实训的环境及过程，让学生通过计算机操作完成实训，以替代或部分替代传统的真实实训。

虚拟实训系统是由利用计算机技术、网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术以及仿真技术等生成的一类适于进行虚拟实训的实训系统，包括相应实训室环境、有关的实训仪器设备、实训对象以及实训信息资源等。它既可以是现实实验室的仿真实现，也可以是完全虚拟构成的实验室。

虚拟实训系统有以下特点。

(1) 沉浸性。系统能使学生处于逼真的虚拟实训环境中，由观察者变为参与者，沉浸于其中并参与虚拟实训活动。

(2) 想象性。学生可以最大限度地发挥创造力和想象力，可从设计好的环境中得到感性和理性上的认识，进而深化概念、产生新意和想象。

(3) 自主性。学生可以根据实训大纲、实训内容、实训步骤进行常规实训的虚拟操作，也可以根据自己的需要和兴趣，自行设计实训内容及步骤，进行虚拟实训[3]。系统自动记录实训过程并处理实训结果，以便学生调整自己的实训内容。

(4) 协作性。学生进行自主实训时，可由多人组成一个小组，一起完成同一个实训，所有人的操作都能实时地被显示在其他组员的屏幕上，每个参与实训的学生还可以对同组人员的操作做实时的评价和修改。

(5) 交互性。虚拟实训具有图文并茂、丰富多彩的人机交互方式，不仅可以进行人机交互，还提供人人交互的很多空间，只要是与实训相关的问题，都可以进行实时或非实时交流讨论。

(6) 扩展性。高职院校的人才培养方案要不断满足市场的需求，因此教学计划和课程的实训内容也会不断地进行动态调整，虚拟实训系统具有良好的扩展性，可以根据需要进行各种内容的增加和调整[4]。

2 虚拟实训系统的优势

(1) 弥补条件不足，改善教学环境[5]。虚拟现实技术应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。虚拟实训改变了传统的实训教学方式，突显自主学习的氛围，学生通过自身的探索、设计、试错来得到知识和技能，改变被动的学习方式。

(2) 充分利用空间，节约办学成本。一些学校由于经费不足，对设备、场地等实训硬件投入有限，使许多实训教学无法进行或流于形式。利用虚拟实训系统，不需要投入太多的实训设备，学生不出校园便可以参加各类实训，获得与真实工作相似的体验场景。这样，在充分保障实训教学内容的前提下，有效节约了学校的办学成本。

(3) 规避安全风险，提升实训效果。有些真实实训(例如化工流程、运输工具的驾驶、电路的维修等)往往存在各种危险，特别是对于某些事故和故障的再现与模拟处理非常必要，但依靠真实的实训再现难度大。而学生利用虚拟实训系统，则可以放心地去做各种实训，这有助于解决某些具有危险性的实训场所不可视、不可摸、不可入的问题。

(4) 校企深度合作，激发学习兴趣。虚拟实训系统是学校教学部门联合相关企业，按照真实的生产工艺流程和设备，采集实际生产数据，通过现代成像技术，以动画形式或具体模型模拟展示企业生产过程、设备结构和运转情况，通过虚拟现实技术，让学生在其中扮演一个角色，在直观感受中尽快理解工艺流程和设备原理，使得学生全身心地投入到学习过程中，这对于其技能训练非常有效。

(5) 工学结合，提高综合能力。学生通过虚拟实训系统的仿真操作，全景模拟，可以将以前课堂所学知识梳理好，形成一个整体，加强了知识的系统性。同时通过虚拟实训，打破传统的学科壁垒和专业设置界限，让学生接触新技术，了解各业务部门之间的衔接和内部风险控制的要求，在实训中锻炼学生的管理能力和综合素质，培养学生的实际工作能力。

3 虚拟实训系统的分类

3.1 按访问途径分类

根据访问途径可将虚拟实训系统分为两类。一类是本地虚拟实训系统，或称为单机版虚拟实训系统。此类虚拟实训在本地计算机上进行，不能通过远程计算机进行访问[6]。另一类是远程虚拟实训系统，或称为网络版虚拟实训系统，远程用户可以通过网络访问这类实训系统。远程虚拟实训系统的运行对网络的依赖性很强，不同类型的实训对网络传输水平要求也是不同的，通常网络的传输速率是开发此类实训必须考虑的因素。

3.2 按交互程度分类

根据用户在虚拟实训系统中的参与程度，可将虚拟实训系统分为“演示型”虚拟实训系统和“操作型”虚拟实训系统。演示型虚拟实训系统的实训过程和实训参数已经固定，只对实训进行演示，在此过程中，用户作为“观众”，只能观看实训的现象。操作型虚拟实训系统的用户可以亲自参与实训的全过程，选择实训场景、实训内容和操作实训的对象，此过程中用户是实训主导者。

3.3 按实现手段分类

根据系统的实现手段，可将虚拟实训系统分为两类。

(1) 纯软件方式开发的虚拟实训系统。按实训对象的呈现方式分，这类虚拟实训系统又有基于2D和基于3D的区分；按实现技术分，又有基于Flash交互技术的虚拟实训系统、基于ActiveX技术的虚拟实训系统、基于VRML技术的虚拟实训系统、基于Java 技术的虚拟实训系统、基于仿真软件的虚拟实训系统等。

(2) 远程控制网络虚拟实训系统。服务器端接收客户端的实训请求和实训参数，配置与之连接的实训硬件设备。用户在客户端实现对真实实训设备的远程控制[7]，并可在实训结束后，观看服务器端返回的实训结果。

4 对于虚拟实训系统研究的不足

(1) 关注度不够。在国内，高职教育领域对虚拟实训系统的关注及研究还比较落后。以论文为例，笔者用“虚拟实训”作为主题在中国期刊网上进行搜索，2010年以前每年只有寥寥几篇文章，2010年共找到12篇文章，2011年共找到13篇文章，2012年共找到18篇文章，2013年也只找到21篇文章。

(2) 系统构建方式单一。目前关于虚拟实训系统构建技术的研究文献主要涉及Java、VRML、Flash、LabVIEW等技术应用方面，或者是在某个实训环节中的应用，或者侧重于虚拟实训系统的教学支持系统的设计开发；而在多种技术混合开发和交互设计、虚拟实训系统的体系结构方面则研究得不多[8-9]。

(3) 系统应用研究不多。对虚拟实训系统研究多在系统开发方面，对应用于教学的模式与效果分析和对系统的评价方面研究较少。

(4) 通用模型的设计与开发不多。目前虚拟实训系统的设计与开发都是基于某一门课程的实现[10-11]，但是某一类专业方向的虚拟实训通用模型并不多见，而通用模型对于平台的二次开发，使之成为社会化的实训产品尤为重要。

(5) 系统智能化程度不高。目前虚拟实训系统主要基于系统设计者已有的相关实训资源与环境进行构建[12]，但这些实训资源与环境往往是变化的，虚拟实训系统还不具备智能化自适应功能。

5 虚拟实训系统发展趋势

虚拟实训是高职教育领域中的重要组成部分，虚拟实训系统有着广阔的发展前景。笔者概括虚拟实训系统的主要发展趋势如下。

(1) 基于3D的纯软件方式开发将成为主流。目前已有的虚拟实训系统，以纯软件方式开发的虚拟实训系统是实际物理设备及实训过程的软件仿真，具有构建费用低、使用方便等特点，在教学中有广泛的应用。基于3D的虚拟实训系统能够实现学习媒体的情景化及自然交互性的要求，丰富媒体表现形式，其以现实感强等优势成为研究的热点，将在高职教育领域展现极其广阔的应用前景。

(2) 形成多种技术相融合、优势互补的局面。虚拟实训系统的构建，应以技术手段实现教育功能，使构建的虚拟实训系统达到与真实实训相近或等同的效果。在设计与开发方面，体现在对实训设备、实训环境和实验现象的模拟；虚拟环境与用户之间将有更好的交互，并实现多用户的并发协同操作。使用某个单一技术构建虚拟实训系统，在某些方面有优势，在另一方面必然存在不足。因此，虚拟实训系统将实现多个技术融合开发、优势互补。

(3) 系统的协作性增强，多用户协同工作。企业生产过程是一种协作性的活动，合作是实训过程中一个至关重要的环节，因此，多用户协同虚拟实训将成为虚拟实训发展的一个重要方向。

(4) 自适应水平提升，智能化系统发展。自适应实训指能修正自己的特征以响应规则、原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实训学习环境。系统的基本特征是能从环境中获取信息，并能自动改善其性能。因此，有必要将人工智能技术与神经网络技术引入虚拟实训系统的设计与开发，实现虚拟实训系统的智能化。

6 结束语

虚拟实训系统增强并扩展了高职院校实训教学的功能，将学生、实训仪器、实训环境、教师等实训资源联系起来，为学生提供了一种崭新的实训方式。在使用虚训实训系统的过程中，如果能将企业真实项目及其完整的开发流程、企业工程师、学校实训教师很好地结合，加强学习者之间的合作，就能有效增强高职院校实训教学与实际工作的一致性，提升校内成绩考核与企业实践考核的结合度，能更加有效地深化“工学结合”的高职人才培养模式改革。

[1] 秦溱.论虚拟实训的价值[J].高教论坛，2012(4):92-93.

[2] 席海涛,曾德伟,邹海燕.集约共享理念下虚拟实训教学平台的构建[J].黑龙江教育学院学报，2013(7):45-46.

[3] 张志强,刘巧玲.基于J2EE的软件虚拟实训系统的MVC架构实现[J].中州大学学报,2009,26(1):122-125.

[4] 陈章,沈建强.基于Multi-Agent的虚拟实训系统设计[J].福建电脑,2006(11):149.

[5] 曾茂林.建立Agent实训教学系统破解高师教育实践困境[J].电化教育研究，2012(12):63-68.

[6] 王爱民，栗青生.基于Web的智能化三维教学系统的设计与实现[J].中国教育信息化：高教职教，2007(11):44-47.

[7] 钱琪斌.基于多Agent的智能远程教育系统的设计与实现[J].信息技术,2010(4)：94-97.

[8] 戴军,张锋美,陈华竣，等.虚拟实训教学改革研究与探索[J].实验科学与技术,2011(8):144-146.

[9] 王琦.高职院校项目课程改革的研究与实践[J].江苏高教,2009(1):136-138.

[10] 程新丽,苏雪.浅析虚拟实训教学环境研究与构件[J].科协论坛,2013(5):159-160.

[11] 李军,王雨静,李星华.基于虚拟实训的实践教学体系的构建研究[J].职业教育研究,2008(10):108-109.

[12] 吴瑜.高职软件开发课程虚拟实训教学研究与实践[J].计算机光盘软件与应用,2012(11):250.